DE102008051081B4 - Heat dissipation module and arrangement with such a heat dissipation module - Google Patents

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Abstract

Wärmeableitmodul mit
einem eine erste und eine gegenüberliegende zweite Seite (13, 12) aufweisenden Laserdiodenelement (2),
einem ersten Wärmeableitkörper (3) zur konduktiven Kühlung des Laserdiodenelementes (2), der eine erste Kontaktfläche (6) aufweist,
einem zweiten Wärmeableitkörper (4), der eine der ersten Kontaktfläche (6) zugewandte zweite Kontaktfläche (7) aufweist und in dem ein Kühlkanal (16) ausgebildet ist, durch den ein Kühlfluid hindurchgeleitet werden kann,
wobei das Laserdiodenelement (2) zwischen den beiden Wärmeableitkörpern (3, 4) angeordnet ist und dabei die erste Seite (13) so an die erste Kontaktfläche (6) und die zweite Seite (12) so an die zweite Kontaktfläche (7) gefügt sind, daß die erste Seite (13) des Laserdiodenelements (2) thermisch mit der ersten Kontaktfläche (6) und die zweite Seite (12) des Laserdiodenelements (2) thermisch mit der zweiten Kontaktfläche (7) kontaktiert ist,
und wobei sich der Kühlkanal (16) im zweiten Wärmeableitkörper (4), in Draufsicht auf die zweite Seite...Heat dissipation module with
a laser diode element (2) having a first and an opposite second side (13, 12),
a first heat dissipation body (3) for conductive cooling of the laser diode element (2), which has a first contact surface (6),
a second heat dissipating body (4) which has a second contact surface (7) facing the first contact surface (6) and in which a cooling channel (16) is formed, through which a cooling fluid can pass;
wherein the laser diode element (2) between the two Wärmeableitkörpern (3, 4) is arranged and the first side (13) so the first contact surface (6) and the second side (12) are so joined to the second contact surface (7) in that the first side (13) of the laser diode element (2) is thermally contacted with the first contact surface (6) and the second side (12) of the laser diode element (2) is thermally contacted with the second contact surface (7).
and wherein the cooling channel (16) in the second Wärmeableitkörper (4), in plan view of the second side ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Aspekte der vorliegenden Erfindung betreffen ein Wärmeableitmodul mit einem eine erste und eine gegenüberliegende zweite Seite aufweisenden Laserdiodenelement, einem ersten Wärmeableitkörper zur konduktiven Kühlung des Laserdiodenelements, der eine erste Kontaktfläche aufweist, einem zweiten Wärmeableitkörper, der eine der ersten Kontaktfläche zugewandte zweite Kontaktfläche aufweist, wobei das Laserdiodenelement zwischen den beiden Wärmeableitkörpern angeordnet ist und dabei die erste Seite so an die erste Kontaktfläche und die zweite Seite so an die zweite Kontaktfläche gefügt sind, daß die erste Seite des Laserdiodenelements thermisch mit der ersten Kontaktfläche und die zweite Seite des Laserdiodenelementes thermisch mit der zweiten Kontaktfläche kontaktiert ist.Aspects of the present invention relate to a heat dissipation module having a first and second opposite side laser diode element, a first heat sink for conductive cooling of the laser diode element having a first contact surface, a second heat sink having a first contact surface facing the second contact surface Laser diode element is disposed between the two Wärmeableitkörpern and the first side are so joined to the first contact surface and the second side to the second contact surface, that the first side of the laser diode element thermally with the first contact surface and the second side of the laser diode element thermally with the second Contact surface is contacted.

Ein solches Wärmeableitmodul ist beispielsweise dazu vorgesehen, das Laserdiodenelement konduktiv zu kühlen.Such a heat dissipation module is provided, for example, to conductively cool the laser diode element.

Es ist jedoch auch bekannt, in beiden Wärmeableitkörpern Kühlkanäle vorzusehen, durch die ein Kühlfluid geführt wird, um das Laserdiodenelement zu kühlen. Im Falle der Ausbildung des Laserdiodenelements als Laserdiodenelement ist ein solches Wärmeableitmodul in der US 2006/0203866 A1 beschrieben, bei dem sich der Kühlkanal durch beide Wärmeableitkörper erstreckt. Mit einem solchen Wärmeableitmodul kann daher nur konvektiv gekühlt werden.However, it is also known to provide cooling channels in both Wärmeableitkörpern through which a cooling fluid is passed to cool the laser diode element. In the case of forming the laser diode element as a laser diode element, such a heat dissipation module is in the US 2006/0203866 A1 described, in which the cooling channel extends through both Wärmeableitkörper. With such a heat dissipation module can therefore be cooled only convectively.

Aus der EP 1 401 068 A2 , der DE 103 28 440 A1 und der US 2002/0 063 329 A1 sind Wärmeableitmodule mit jeweils zwei Wärmeableitkörpern bekannt, die auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten an einem Laserdiodenelement befestigt sind.From the EP 1 401 068 A2 , of the DE 103 28 440 A1 and the US 2002/0 063 329 A1 Wärmeableitmodule are each known with two Wärmeableitkörpern, which are mounted on two opposite sides of a laser diode element.

Aus der US 5 105 429 A und der US 2006/0 215 715 A1 sind Diodenlaserstapel mit Mikrokanalwärmensenken bekannt, die auf einer Seite von Laserdiodenelementen angebracht sind.From the US 5 105 429 A and the US 2006/02157515 A1 For example, diode laser stacks with microchannel heat sinks mounted on one side of laser diode elements are known.

Aus der DE 10 2004 014 911 ist ein Wärmeableitmodul mit einem Halbleiterbaustein bekannt, der zwischen zwei Kühlkörpern angeordnet ist, wobei einer der Kühlkörper Kühlkanäle aufweist.From the DE 10 2004 014 911 a heat dissipation module with a semiconductor device is known, which is arranged between two heat sinks, wherein one of the heat sink has cooling channels.

Oftmals ist es jedoch bei der Herstellung eines Wärmeableitmoduls noch nicht bekannt, welche Wärmeableitform (konduktiv oder konvektiv) vom Anwender bevorzugt gewählt werden wird.Often, however, it is not yet known in the manufacture of a heat dissipation module which heat dissipation (conductive or convective) will be preferred by the user.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Wärmeableitmodul der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem je nach Bedarfsfall sowohl eine ausreichende konduktive Kühlung als auch eine ausreichende konvektive Kühlung des Laserdiodenelementes realisiert werden kann.It is therefore an object of the invention to provide a heat dissipation module of the type mentioned, with which both a sufficient conductive cooling and a sufficient convective cooling of the laser diode element can be realized as needed.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Wärmeableitmodul der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß im zweiten Wärmeableitkörper ein Kühlkanal ausgebildet ist, durch den ein Kühlfluid hindurch geleitet werden kann und der sich, in Draufsicht auf die zweite Seite des Laserdiodenelements gesehen (sprich, in einer sich zur zweiten Seite senkrecht erstreckenden Projektion des Laserdiodenelementes), zumindest abschnittsweise im Bereich der zweiten Seite erstreckt, wohingegen sich im ersten Wärmeableitkörper, in Draufsicht auf die erste Seite des Laserdiodenelementes gesehen (sprich, in einer sich zur ersten Seite senkrecht erstreckenden Projektion des Laserdiodenelementes), im Bereich der ersten Seite kein Kanal zum Führen eines Kühlfluids erstreckt, wobei die erste Seite eine Epitaxieseite des Laserdiodenelementes ist, die zweite Seite eine Substratseite des Laserdiodenelementes ist und durch den ersten Wärmeableitkörper ein Einlass und/oder ein Auslass des Kühlkanals verläuft.According to the invention the object is achieved in a heat dissipation module of the type mentioned above in that in the second Wärmeableitkörper a cooling channel is formed through which a cooling fluid can be passed through and seen in plan view of the second side of the laser diode element (that is, in a extending to the second side perpendicularly extending projection of the laser diode element), at least partially in the region of the second side, whereas seen in the first heat sink, in plan view of the first side of the laser diode element (that is, in a perpendicular to the first side projection of the laser diode element), in the region of the first side, there is no channel for guiding a cooling fluid, the first side being an epitaxial side of the laser diode element, the second side being a substrate side of the laser diode element, and an inlet and / or outlet of the cooling channel through the first heat sink s runs.

Somit dient der erste Wärmeableitkörper als konduktiver Wärmeableitkörper zur Kühlung des Laserdiodenelements. Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeableitmodul kann das Laserdiodenelement somit in einem ersten Betriebszustand konduktiv gekühlt werden.Thus, the first heat dissipation body serves as a conductive heat sink for cooling the laser diode element. With the heat dissipation module according to the invention, the laser diode element can thus be conductively cooled in a first operating state.

Es ist jedoch auch ein zweiter Betriebszustand möglich, in dem das Laserdiodenelement konvektiv gekühlt wird. Dazu muß lediglich das Kühlfluid durch den Kühlkanal geführt werden, so daß das Laserdiodenelement von seiner zweiten Seite konvektiv gekühlt wird. Im Falle der konvektiven Kühlung kann die konduktive Kühlung über den ersten Wärmeableitkörper zusätzlich genutzt werden. Eine rein konvektive Kühlung ist natürlich auch möglich.However, a second operating state is also possible in which the laser diode element is convectively cooled. For this purpose, only the cooling fluid must be passed through the cooling channel, so that the laser diode element is convectively cooled from its second side. In the case of convective cooling, the conductive cooling can be additionally used via the first heat dissipation body. A purely convective cooling is of course possible.

Damit ist ein Wärmeableitmodul zur Verfügung gestellt, das äußerst flexibel eingesetzt werden kann. Insbesondere ist es mit dem erfindungsgemäßen Wärmeableitmodul möglich, erst nach der Herstellung des Wärmeableitmoduls zu entscheiden, welche Art der Kühlung durchgeführt werden soll, ohne daß konstruktive Änderungen am Wärmeableitmodul notwendig sind.Thus, a heat dissipation module is provided, which can be used extremely flexible. In particular, it is possible with the heat dissipation module according to the invention to decide only after the production of the heat dissipation module, which type of cooling is to be carried out without design changes to the heat dissipation module are necessary.

Bei dem Wärmeableitmodul können beide Wärmeableitkörper elektrisch leitfähig sein, so daß der erste Wärmeableitkörper elektrisch mit der ersten Kontaktfläche und der zweite Wärmeableitkörper elektrisch mit der zweiten Kontaktfläche kontaktiert ist. Somit ist eine elektrische Kontaktierung des Laserdiodenelements über die Wärmeableitkörper möglich.In the heat dissipation module both Wärmeableitkörper can be electrically conductive, so that the first Wärmeableitkörper is electrically contacted with the first contact surface and the second Wärmeableitkörper electrically connected to the second contact surface. Thus, an electrical contacting of the laser diode element on the Wärmeableitkörper is possible.

Zumindest einer der beiden Wärmeableitkörper kann einen elektrisch isolierten oder nicht leitfähigen Hauptkörper mit einer darauf ausgebildeten elektrisch leitenden Schicht aufweisen, deren dem Hauptkörper abgewandte Außenseite die erste bzw. zweite Kontaktfläche bildet. At least one of the two Wärmeableitkörper may have an electrically insulated or non-conductive main body with an electrically conductive layer formed thereon, the outer body facing away from the main body forms the first and second contact surface.

Insbesondere weist die erste Kontaktfläche einen ersten und zweiten Abschnitt und die zweite Kontaktfläche einen dritten und vierten Abschnitt auf, wobei die Kontaktierung der Wärmeableitkörper mit dem Laserdiodenelement über den ersten und dritten Abschnitt erfolgt. Zwischen dem zweiten und vierten Abschnitt ist bevorzugt eine elektrisch isolierende Zwischenschicht angeordnet, die an den zweiten und vierten Abschnitt gefügt sein kann.In particular, the first contact surface has a first and a second section and the second contact surface has a third and fourth section, the contacting of the heat dissipation body with the laser diode element taking place via the first and third sections. Between the second and fourth sections, an electrically insulating intermediate layer is preferably arranged, which may be joined to the second and fourth sections.

Die elektrisch isolierende Zwischenschicht kann eine Stützfunktion ausüben, um als Abstandshalter der beiden Wärmeableitkörper in der Art zu wirken, daß ein gewünschter Abstand zwischen dem ersten und dritten Abschnitt vorliegt, um z. B. die mechanische Belastung des zwischen dem ersten und dritten Abschnitt angeordneten Laserdiodenelementes zu minimieren.The electrically insulating intermediate layer may perform a supporting function to act as a spacer of the two Wärmeableitkörper in such a way that a desired distance between the first and third section is present, for. B. to minimize the mechanical stress of the arranged between the first and third section laser diode element.

Da der Zulauf und/oder Ablauf des Kühlkanals durch den ersten Wärmeableitkörper läuft, läuft der Zulauf bzw. der Ablauf auch durch die Zwischenschicht.Since the inlet and / or outlet of the cooling channel runs through the first heat-dissipating body, the inlet or the outlet also runs through the intermediate layer.

Die Zwischenschicht kann die beiden Wärmeableitkörper miteinander thermisch verbinden.The intermediate layer can thermally connect the two Wärmeableitkörper together.

Die Kontaktflächen können als plane Flächen und/oder als gestufte Flächen ausgebildet sein. Insbesondere können die Kontaktflächen zueinander parallel ausgerichtet sein.The contact surfaces may be formed as planar surfaces and / or as stepped surfaces. In particular, the contact surfaces can be aligned parallel to one another.

Das Laserdiodenelement kann als Hochleistungslaser bzw. Hochleistungslaserdiodenelement mit einem Leistungsbereich von 30 W bis zu mehreren 100 W, sowohl für den kontinuierlichen als auch für den gepulsten Betrieb, ausgebildet sein. Der Halbleiterlaser kann als Laserdiodenbarren, als Einzellaserdiode, als vertikaler Laserdiodenstapel oder auch als horizontale Laserdiodenreihe ausgebildet sein.The laser diode element may be formed as a high power laser diode element having a power range of 30 W to several 100 W for both continuous and pulsed operation. The semiconductor laser can be designed as a laser diode bar, as a single laser diode, as a vertical laser diode stack or as a horizontal laser diode array.

Die Verbindung zwischen den einzelnen Elementen ist bevorzugt stoffschlüssig und kann z. B. durch Löten hergestellt sein. Dazu können Weichlote (z. B. Indium) oder Hartlote (z. B. Gold-Zinn) verwendet werden. Hartlote sind aufgrund ihrer hohen Leistungsbeständigkeit bevorzugt.The connection between the individual elements is preferably cohesively and can, for. B. be prepared by soldering. For this purpose, soft solders (eg indium) or brazing alloys (eg gold-tin) can be used. Brazing alloys are preferred because of their high performance.

Die Wärmeableitkörper können aus Kupfer bestehen oder aus einem Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoff hergestellt sein. Als Metall kann beispielsweise Aluminium, Kupfer, Silber oder Kobalt eingesetzt werden.The heat sinks may be made of copper or made of a carbon-metal composite. As the metal, for example, aluminum, copper, silver or cobalt can be used.

Die Wärmeableitkörper können einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein. Insbesondere können zur Ausbildung der Wärmeableitkörper im wesentlichen quaderförmige Elemente verwendet werden.The Wärmeableitkörper may be formed in one piece or in several pieces. In particular, substantially cuboidal elements can be used to form the heat sink.

Die elektrisch isolierende Zwischenschicht kann z. B. als Oxid-Schicht oder Nitrid-Schicht ausgebildet sein. So ist z. B. Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Aluminiumnitrid oder Tantaloxid als Material für die Isolierschicht geeignet. Die Isolierschicht kann Diamant (beispielsweise nanokristallinen Diamant) enthalten. Die Isolierschicht kann im Bereich von 100 nm–200 μm liegen.The electrically insulating intermediate layer may, for. B. be formed as an oxide layer or nitride layer. So z. For example, alumina, silica, aluminum nitride or tantalum oxide suitable as a material for the insulating layer. The insulating layer may contain diamond (for example, nanocrystalline diamond). The insulating layer may be in the range of 100 nm-200 μm.

Das Laserdiodenelement kann im wesentlichen quaderförmig mit einer Breite von ca. 2–10 mm oder auch größer, einer Länge im Bereich von 0,3–5 mm (bevorzugt 1–2 mm) und einer Dicke von 5–200 μm, wobei die Dicke dem Abstand der ersten und zweiten Seite des Laserdiodenelementes entspricht, ausgebildet sein.The laser diode element may be substantially cuboid with a width of about 2-10 mm or larger, a length in the range of 0.3-5 mm (preferably 1-2 mm) and a thickness of 5-200 microns, wherein the thickness the distance of the first and second sides of the laser diode element corresponds to be formed.

Bei Ausübung der konduktiven Kühlung kann der erste Wärmeableitkörper an eine Kühleinrichtung als Wärmesenke angeschlossen sein. Vorzugsweise erfolgt der Anschluss der Kühleinrichtung kraftschlüssig an einer Seite der Wärmeableitkörpers, die der ersten Kontaktfläche gegenüber liegt.When the conductive cooling is exercised, the first heat dissipation body can be connected to a cooling device as a heat sink. Preferably, the connection of the cooling device is made non-positively on one side of the heat dissipation body, which lies opposite the first contact surface.

Die Kühleinrichtung kann ein Peltier-Modul und/oder einen Kühlkörper mit einer Kühlstruktur aufweisen, die zur Beströmung mit einem Kühlmittel vorgesehen ist. Bei Verwendung eines flüssigen Kühlmittels kann die Kühlstruktur eine Kühlkanalstruktur sein, die sich in Draufsicht auf die erste Seite des Laserdiodenelementes zumindest abschnittsweise im Bereich des Laserdiodenelementes erstreckt.The cooling device may have a Peltier module and / or a cooling body with a cooling structure, which is provided for the flow with a coolant. When using a liquid coolant, the cooling structure may be a cooling channel structure, which extends in a plan view of the first side of the laser diode element at least in sections in the region of the laser diode element.

Der Kühlkanal kann Teil einer Kühlkanalstruktur sein oder diese ausbilden. Insbesondere können eine oder mehrere Kühlkanalstrukturen eine Vielzahl von Mikrokühlkanälen aufweisen (das sind Kühlkanäle, deren Querschnittsabmessungen in wenigstens einer Richtung kleiner sind als 1 mm), die strömungstechnisch parallel und/oder seriell durchflossen werden. Dazu kann der zweite Wärmeableitkörper als Schichtkörper ausgebildet sein, bei dem ein oder mehrere Schichten Ausnehmungen aufweisen, die durch benachbarte Schichten zu Kanälen verschlossen werden. Die Schichten sind dichtend miteinander verbunden, vorzugsweise stoffschlüssig. Zur stoffschlüssigen Verbindung der Schichten miteinander bieten sich beispielsweise Verfahren des Diffusionsschweißens, des eutektischen Bondens (beispielsweise das direct-copper-bonding-(DCB-)Verfahren) sowie des Hartlötens und des Weichlötens an.The cooling channel may be part of or form a cooling channel structure. In particular, one or more cooling channel structures may have a multiplicity of microcooling channels (these are cooling channels whose cross-sectional dimensions are smaller than 1 mm in at least one direction), which are flow-parallel through and / or serially through. For this purpose, the second heat dissipating body can be formed as a layered body, in which one or more layers have recesses which are closed by channels to adjacent channels. The layers are sealingly connected to each other, preferably cohesively. For example, methods of diffusion bonding, eutectic bonding (for example, the direct-copper bonding (DCB) process), as well as brazing and soldering, are suitable for the cohesive bonding of the layers to one another.

Anders als in flüssigkeitsgekühlten Diodenlaserstapeln, in denen die Mikrokanalwärmesenken auf der den Laserdiodenelementen gegenüberliegenden Seiten einen metallischen Bereich aufweisen, der mit der Kontaktfläche für die Laserdiodenelementen elektrisch leitend verbunden ist, kann der erfindungsgemäße zweite Wärmeableitkörper auf der dem Laserdiodenelement gegenüberliegenden Seite elektrisch isolierend sein. Unlike in liquid-cooled diode laser stacks, in which the microchannel heat sinks on the opposite sides of the laser diode elements have a metallic region which is electrically connected to the contact surface for the laser diode elements, the second heat sink according to the invention can be electrically insulating on the opposite side of the laser diode element.

Ebensowenig muß ein dem Laserdiodenelement und dem Kühlkanal abgewandter Teil des zweiten Wärmeableitkörpers, der zum Beispiel zum Abschluss des Kühlkanals dient, thermisch gut an den zugewandten Teil befestigt sein.Nor does a part of the second heat dissipating body facing away from the laser diode element and the cooling channel, which for example serves to terminate the cooling channel, have to be thermally well fastened to the facing part.

So kann zum Beispiel eine Mikrokanalstruktur in einen thermisch hoch leitfähigen Hauptkörper durch einfache mechanische spanende Bearbeitung eingebracht werden und durch eine thermisch niedrig leitfähige Platte mittels Kleben verschlossen werden. Sowohl Hauptkörper als auch Platte können elektrisch isolierend sein oder aber elektrisch leitfähig und mit einer elektrischen Isolierung zumindest abschnittsweise verkleidet sein.Thus, for example, a microchannel structure can be introduced into a thermally highly conductive main body by simple mechanical machining and sealed by a thermally low conductive plate by means of gluing. Both the main body and the plate can be electrically insulating or else be electrically conductive and at least partially covered with electrical insulation.

Ganz allgemein können Maßnahmen, Mittel und Anordnungen zur elektrischen Isolierung von, insbesondere elektrisch leitfähigen, kühlmittelführenden Bereichen des ersten und/oder zweiten Wärmeableitkörpers gegenüber elektrisch leitfähigen Bereichen des eigenen oder eines anderen Körpers selbstverständlich auf die erfindungsgemäße Anordnung angewandt beziehungsweise in diese eingebracht werden.Quite generally, measures, means and arrangements for electrical insulation of, in particular electrically conductive, coolant-carrying areas of the first and / or second Wärmeableitkörpers against electrically conductive areas of their own or another body can of course be applied to the inventive arrangement or introduced into this.

Zwischenkörper, die gegebenenfalls zwischen die erste Seite des Laserdiodenelementes und die erste Kontaktfläche des ersten Wärmeableitkörpers und/oder zwischen die zweite Seite des Laserdiodenelementes und die zweite Kontaktfläche des zweiten Wärmeableitkörpers gefügt sind, können den erfindungsgemäßen Anordnungen hinzugefügt werden, weil nach wie vor die betreffende Seite des Laserdiodenelementes an die entsprechende Seite des Wärmeableitkörpers gefügt ist, wenn auch nicht unmittelbar sondern mittelbar.Intermediate bodies, optionally joined between the first side of the laser diode element and the first contact surface of the first heat sink and / or between the second side of the laser diode element and the second contact surface of the second heat sink, may be added to the arrangements of the present invention because the page in question is still present the laser diode element is joined to the corresponding side of the heat dissipation body, although not directly but indirectly.

Ferner sind Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Wärmeableitmoduls in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further refinements of the Wärmeableitmoduls invention are given in the dependent claims.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail for example with reference to the accompanying drawings, which also disclose characteristics essential to the invention. Show it:

1 eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeableitmoduls, und 1 a schematic plan view of a first embodiment of the invention Wärmeableitmoduls, and

2 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A in 1. 2 a sectional view taken along the section line AA in 1 ,

Bei der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform umfast das erfindungsgemäße Wärmeableitmodul 1 als Laserdiodenelement einen Laserdiodenbarren, der eine Vielzahl von verteilt über seine Breite nebeneinander angeordneten Emittern aufweist. Ferner umfaßt das Wärmeableitmodul 1 einen ersten und einen zweiten elektrisch leitfähigen Wärmeableitkörper 3, 4 sowie eine elektrisch isolierende Zwischenschicht 5.At the in 1 and 2 embodiment shown comprises the heat dissipation module according to the invention 1 as laser diode element, a laser diode bar having a plurality of distributed over its width adjacent emitters. Furthermore, the heat dissipation module comprises 1 a first and a second electrically conductive Wärmeableitkörper 3 . 4 and an electrically insulating intermediate layer 5 ,

Der Laserdiodenbarren 2 sowie die Zwischenschicht 5 sind zwischen den beiden einander zugewandten Kontaktflächen 6, 7 der beiden Wärmeableitkörper 3, 4 angeordnet. Die erste Kontaktfläche 6 weist einen ersten und einen dazu benachbarten zweiten Abschnitt 8, 9 auf, und die zweite Kontaktfläche 7 weist einen dritten und einen dazu benachbarten vierten Abschnitt 10, 11 auf.The laser diode bar 2 as well as the intermediate layer 5 are between the two facing contact surfaces 6 . 7 the two Wärmeableitkörper 3 . 4 arranged. The first contact surface 6 has a first and a second section adjacent thereto 8th . 9 on, and the second contact surface 7 has a third and a fourth section adjacent thereto 10 . 11 on.

Die Oberseite 12 des Laserdiodenbarrens 2 ist an den dritten Abschnitt 10 gefügt, so daß eine thermische und elektrische Kontaktierung zwischen der Oberseite 12 und dem dritten Abschnitt 10 vorliegt. Die Oberseite 12, die die Substratseite des Laserdiodenbarrens 2 ist, ist mit dem dritten Abschnitt 10 verlötet und somit stoffschlüssig und daher mechanisch fest verbunden.The top 12 of the laser diode bar 2 is at the third section 10 joined, so that a thermal and electrical contact between the top 12 and the third section 10 is present. The top 12 , which are the substrate side of the laser diode bar 2 is, is with the third section 10 soldered and thus materially bonded and therefore mechanically firmly connected.

In gleicher Weise ist die Unterseite 13 des Laserdiodenbarrens 2 an den ersten Abschnitt 8 der ersten Kontaktfläche 6 des ersten Wärmeableitkörpers 3 gefügt. Somit liegt eine thermische und elektrische Kontaktierung zwischen der Unterseite 13, die die Epitaxieseite des Laserdiodenbarrens 2 ist, und dem ersten Abschnitt 8 vor.In the same way is the bottom 13 of the laser diode bar 2 to the first section 8th the first contact surface 6 the first Wärmeableitkörpers 3 together. Thus, there is a thermal and electrical contact between the bottom 13 , which is the epitaxial side of the laser diode bar 2 is, and the first section 8th in front.

Insbesondere liegen sowohl die Fügezonen des Lotes als auch die erste und zweite Kontaktfläche 6 und 7 im Bereich einer zu der Ober- und Unterseite 12 und 13 senkrechten Projektion des Laserdiodenbarrens 2, wodurch eine hervorragende Einkopplung der Wärme des Laserdiodenbarrens 2 in die Wärmeableitkörper 3 und 4 erzielt wird.In particular, both the joining zones of the solder and the first and second contact surface 6 and 7 in the area one to the top and bottom 12 and 13 vertical projection of the laser diode bar 2 , resulting in an excellent coupling of the heat of the laser diode bar 2 in the heat sink 3 and 4 is achieved.

Die Zwischenschicht 5 ist mit ihrer Oberseite 14 mit dem vierten Abschnitt 11 der zweiten Kontaktfläche 7 verlötet und die Unterseite 15 der Zwischenschicht 5 ist mit dem zweiten Abschnitt 9 der ersten. Kontaktfläche 6 verlötet. Da die Zwischenschicht 5 als elektrisch isolierende Schicht ausgebildet ist, stellt sie zwar einen thermischen Kontakt zwischen den beiden Wärmeableitkörpern 3, 4 her, jedoch keinen elektrischen Kontakt.The intermediate layer 5 is with her top 14 with the fourth section 11 the second contact surface 7 soldered and the bottom 15 the intermediate layer 5 is with the second section 9 the first. contact area 6 soldered. Because the interlayer 5 Although it is designed as an electrically insulating layer, it does provide thermal contact between the two heat dissipating bodies 3 . 4 but no electrical contact.

Der erste Wärmeableitkörper 3 dient zur konduktiven Kühlung der Unterseite 13 des Laserdiodenbarrens 2 und kann mit einer nicht gezeigten Wärmesenke thermisch verbunden (vorzugsweise kraftschlüssig an der dem Laserdiodenbarren 2 gegenüberliegenden Seite) sein.The first heat sink 3 serves for conductive cooling of the underside 13 of the laser diode bar 2 and can be thermally connected to a heat sink, not shown (preferably non-positively on the laser diode bar 2 opposite side).

Der zweite Wärmeableitkörper 4, der mit seinem vierten Abschnitt 11 der zweiten Kontaktfläche 7 mit der Oberseite 12 des Laserdiodenbarrens 2 in Kontakt steht, ist zur konvektiven Kühlung der Oberseite 12 vorgesehen und weist dazu einen Kühlkanal 16 auf. Wie am besten aus 1 ersichtlich ist, umfaßt der Kühlkanal 16 einen Zulaufabschnitt 17, der in einem, in der Schnittansicht von 2 gesehen, oberhalb der Oberseite 12 des Laserdiodenbarrens 2 liegenden Kühlabschnitt 18 mündet. Von den beiden Enden des Kühlabschnittes 18 erstreckt sich jeweils ein Ablaufabschnitt 19 zum Auslaß 20, der sich, wie aus 2 ersichtlich ist, durch die Zwischenschicht 5 und den ersten Wärmeableitkörper 3 erstreckt. Ferner erstreckt sich durch den ersten Wärmeableitkörper 3 und die Zwischenschicht 5 bis zum Zulaufabschnitt 17 ein Einlaß 21. Über den Einlaß 21 kann ein Kühlfluid dem Kühlkanal 16 zugeführt werden, das den Kühlkanal 16 vom Zulaufabschnitt 17 über den Kühlabschnitt 18 und die Ablaufabschnitte 19 bis zum Auslaß 20 durchströmt, wie durch die Pfeile in der Darstellung von 1 angedeutet ist.The second heat sink 4 , with his fourth section 11 the second contact surface 7 with the top 12 of the laser diode bar 2 is in contact, is for convective cooling of the top 12 provided and has a cooling channel 16 on. How best 1 it can be seen comprises the cooling channel 16 an inlet section 17 in one, in the sectional view of 2 seen above the top 12 of the laser diode bar 2 lying cooling section 18 empties. From the two ends of the cooling section 18 each extending a drain section 19 to the outlet 20 that looks like 2 can be seen through the intermediate layer 5 and the first heat sink 3 extends. Furthermore, extends through the first Wärmeableitkörper 3 and the intermediate layer 5 to the inlet section 17 an inlet 21 , About the inlet 21 a cooling fluid can be the cooling channel 16 be supplied, which is the cooling channel 16 from the inlet section 17 over the cooling section 18 and the expiration sections 19 to the outlet 20 flows through, as indicated by the arrows in the representation of 1 is indicated.

Ferner umfaßt das Wärmeableitmodul 1 am ersten und zweiten Wärmeableitkörper 3 und 4 jeweils einen Kontakt K1, K2, an die eine Stromquelle 22 zum Betreiben des Laserdiodenbarrens 2 anschließbar ist. Die Kontakte K1, K2 und die Stromquelle 22 sind nur in 2 eingezeichnet.Furthermore, the heat dissipation module comprises 1 at the first and second Wärmeableitkörper 3 and 4 in each case a contact K1, K2, to which a current source 22 for operating the laser diode bar 2 is connectable. The contacts K1, K2 and the power source 22 are only in 2 located.

Das Wärmeableitmodul 1 kann während des Betriebes des Laserdiodenbarrens 2, in dem der Laserdiodenbarren 2 Laserstrahlung L abgibt, in unterschiedlicher Art und Weise gekühlt werden, ohne daß, der mechanische Aufbau des Wärmeableitmoduls geändert werden muß.The heat dissipation module 1 can during operation of the laser diode bar 2 in which the laser diode bar 2 Laser radiation L outputs, be cooled in different ways, without that, the mechanical structure of the Wärmeableitmoduls must be changed.

Wenn durch den Kühlkanal 16 kein Fluid geführt wird, findet eine konduktive Kühlung hauptsächlich über den ersten Wärmeableitkörper 3 statt, da die meiste Wärme beim Betrieb des Laserdiodenbarrens 2 im Bereich der Epitaxieseite 13 erzeugt wird. Über den zweiten Wärmeableitkörper 4 und die Zwischenschicht 5 findet auch eine gewisse konduktive Kühlung der Oberseite 12 des Laserdiodenbarrens 2 während des Betriebes statt. Der Anteil dieser Kühlung ist jedoch deutlich geringer als die Kühlung der Epitaxieseite 13 über den ersten Wärmeableitkörper 3. Es ist möglich, auf den konduktiven Kühlanteil über den zweiten Wärmeableitkörper 4 zu verzichten. So kann z. B. die Zwischenschicht aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit hergestellt sein.If through the cooling channel 16 no fluid is conducted, finds a conductive cooling mainly on the first Wärmeableitkörper 3 instead, since most of the heat during operation of the laser diode bar 2 in the epitaxy side 13 is produced. About the second Wärmeableitkörper 4 and the intermediate layer 5 also finds some conductive cooling of the top 12 of the laser diode bar 2 during operation. However, the proportion of this cooling is significantly lower than the cooling of the epitaxial side 13 over the first Wärmeableitkörper 3 , It is possible to apply the conductive cooling component via the second heat dissipation body 4 to renounce. So z. B. the intermediate layer may be made of a material with low thermal conductivity.

Des Weiteren ist es möglich, mit dem Wärmeableitmodul 1 den Laserdiodenbarren 2 konvektiv zu kühlen. Dazu wird ein Kühlfluid (hier eine Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser) über den Einlaß 21 durch den Kühlkanal 16 bis zum Auslaß 20 geführt, so daß die Substratseite 12 des Laserdiodenbarrens 2 effektiv gekühlt wird. Dies ist darin begründet, daß sich der Kühlabschnitt 18, in Draufsicht auf die Substratseite 12 gesehen, im Bereich der Substratseite 12 erstreckt (1). Anders gesagt, der Kühlabschnitt 18 des Kühlkanals 16 liegt direkt oberhalb des Laserdiodenbarrens 2, wie in 2 ersichtlich ist.Furthermore, it is possible with the heat dissipation module 1 the laser diode bar 2 to cool convectively. For this purpose, a cooling fluid (here a coolant, eg water) via the inlet 21 through the cooling channel 16 to the outlet 20 guided, so that the substrate side 12 of the laser diode bar 2 is effectively cooled. This is due to the fact that the cooling section 18 , in plan view of the substrate side 12 seen in the area of the substrate side 12 extends ( 1 ). In other words, the cooling section 18 of the cooling channel 16 lies directly above the laser diode bar 2 , as in 2 is apparent.

Die Epitaxieseite 13 wird weiterhin konduktiv mittels des ersten Wärmeableitkörpers 3 gekühlt. Eine konvektive Kühlung findet mit dem ersten Wärmeableitkörper 3 nicht statt, da im ersten Wärmeableitkörper 3, in Draufsicht auf die Epitaxieseite 13 des Laserdiodenbarrens 2 gesehen, im Bereich der Epitaxieseite 12 kein Kühlkanal verläuft.The epitaxy side 13 continues to be conductive by means of the first Wärmeableitkörpers 3 cooled. A convective cooling takes place with the first heat sink 3 not take place because in the first heat sink 3 , in top view on the epitaxy side 13 of the laser diode bar 2 seen, in the area of the epitaxy side 12 no cooling channel runs.

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeableitmodul 1 erstreckt sich somit unterhalb des Laserdiodenbarrens 2 und daher im ersten Wärmeableitkörper 3 kein Kühlkanal, wie z. B. 2 zu entnehmen ist.In the heat dissipation module according to the invention 1 thus extends below the laser diode bar 2 and therefore in the first heat sink 3 no cooling channel, such. B. 2 can be seen.

Der Auslaß und Einlaß 20 und 21 sind zwar durch den ersten Wärmeableitkörper 3 geführt, jedoch in einem so großen Abstand von der Epitaxieseite 13 des Laserdiodenbarrens 2, daß sie keine übermäßige konvektive Kühlung der Epitaxieseite 13 bewirken. Daher kühlt der erste Wärmeableitkörper 3 im wesentlichen nur konduktiv, ohne daß sein thermischer Widerstand durch Ein- und Auslaß 20, 21 nennenswert vergrößert ist.The outlet and inlet 20 and 21 are indeed through the first Wärmeableitkörper 3 but at such a large distance from the epitaxy side 13 of the laser diode bar 2 in that they do not cause excessive convective cooling of the epitaxial side 13 cause. Therefore, the first heat sink cools 3 essentially only conductive without its thermal resistance through inlet and outlet 20 . 21 is significantly increased.

Das erfindungsgemäße Wärmeableitmodul läßt sich als Standardbauelement fertigen, das für unterschiedliche Kühlanordnungen, passiv (konduktiv), aktiv (konvektiv) oder sogar beide zugleich zur weiteren Verringerung des thermischen Widerstandes, gerüstet ist.The heat dissipation module according to the invention can be manufactured as a standard component which is equipped for different cooling arrangements, passive (conductive), active (convective) or even both at the same time for further reduction of the thermal resistance.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform führen der Einlaß 21 und der Auslaß 20 durch den ersten Wärmeableitkörper 3 und die Zwischenschicht 5.In the embodiment of the invention, the inlet lead 21 and the outlet 20 through the first Wärmeableitkörper 3 and the intermediate layer 5 ,

In einer bevorzugten Weiterbildung dieses Ausführungsbeispieles ist anstatt des einen Kühlkanals 16 der Kühlabschnitt 18 mit einer Vielzahl von Mikrokühlkanälen versehen, beispielsweise in einer der Konfigurationen, die in der Offenlegungsschrift DE 100 47 780 A1 gezeigt ist. Der Inhalt der DE 100 47 780 A1 wird diesbezüglich hiermit aufgenommen.In a preferred embodiment of this embodiment, instead of the one cooling channel 16 the cooling section 18 provided with a plurality of micro-cooling channels, for example in one of the configurations disclosed in the publication DE 100 47 780 A1 is shown. The content of DE 100 47 780 A1 is hereby incorporated.

Claims (13)

Wärmeableitmodul mit einem eine erste und eine gegenüberliegende zweite Seite (13, 12) aufweisenden Laserdiodenelement (2), einem ersten Wärmeableitkörper (3) zur konduktiven Kühlung des Laserdiodenelementes (2), der eine erste Kontaktfläche (6) aufweist, einem zweiten Wärmeableitkörper (4), der eine der ersten Kontaktfläche (6) zugewandte zweite Kontaktfläche (7) aufweist und in dem ein Kühlkanal (16) ausgebildet ist, durch den ein Kühlfluid hindurchgeleitet werden kann, wobei das Laserdiodenelement (2) zwischen den beiden Wärmeableitkörpern (3, 4) angeordnet ist und dabei die erste Seite (13) so an die erste Kontaktfläche (6) und die zweite Seite (12) so an die zweite Kontaktfläche (7) gefügt sind, daß die erste Seite (13) des Laserdiodenelements (2) thermisch mit der ersten Kontaktfläche (6) und die zweite Seite (12) des Laserdiodenelements (2) thermisch mit der zweiten Kontaktfläche (7) kontaktiert ist, und wobei sich der Kühlkanal (16) im zweiten Wärmeableitkörper (4), in Draufsicht auf die zweite Seite (12) des Laserdiodenelements (2) gesehen, zumindest abschnittsweise im Bereich der zweiten Seite (12) erstreckt, wohingegen sich im ersten Wärmeableitkörper (3), in Draufsicht auf die erste Seite (13) des Laserdiodenelements (2) gesehen, im Bereich der ersten Seite (13) kein Kanal zum Führen eines Kühlfluids erstreckt, wobei die erste Seite (13) eine Epitaxieseite des Laserdiodenelementes ist, die zweite Seite (12) eine Substratseite des Laserdiodenelementes ist und durch den ersten Wärmeableitkörper (3) ein Einlass (21) und/oder ein Auslass des Kühlkanals (16) verläuft.Heat dissipation module having a first and an opposite second side ( 13 . 12 ) having laser diode element ( 2 ) a first heat sink ( 3 ) for conductive cooling of the laser diode element ( 2 ), which has a first contact surface ( 6 ), a second Wärmeableitkörper ( 4 ), one of the first contact surface ( 6 ) facing the second contact surface ( 7 ) and in which a cooling channel ( 16 ) is formed, through which a cooling fluid can be passed, wherein the laser diode element ( 2 ) between the two Wärmeableitkörpern ( 3 . 4 ) and the first page ( 13 ) so to the first contact surface ( 6 ) and the second page ( 12 ) so to the second contact surface ( 7 ) that the first page ( 13 ) of the laser diode element ( 2 ) thermally with the first contact surface ( 6 ) and the second page ( 12 ) of the laser diode element ( 2 ) thermally with the second contact surface ( 7 ), and wherein the cooling channel ( 16 ) in the second heat sink ( 4 ), in plan view on the second side ( 12 ) of the laser diode element ( 2 ), at least in sections in the area of the second page ( 12 ), whereas in the first heat sink ( 3 ), in plan view of the first page ( 13 ) of the laser diode element ( 2 ), in the area of the first page ( 13 ) no channel for guiding a cooling fluid extends, the first side ( 13 ) is an epitaxial side of the laser diode element, the second side ( 12 ) is a substrate side of the laser diode element and by the first Wärmeableitkörper ( 3 ) an inlet ( 21 ) and / or an outlet of the cooling channel ( 16 ) runs. Wärmeableitmodul nach Anspruch 1, bei dem beide Wärmeableitkörper (2, 3) zumindest bereichsweise elektrisch leitfähig sind und die erste Kontaktfläche (6) elektrisch mit der ersten Seite (13) des Laserdiodenelementes (2) und die zweite Kontaktfläche (7) elektrisch mit der zweiten Seite (12) des Laserdiodenelementes (2) kontaktiert ist.Heat dissipation module according to claim 1, in which both heat dissipation bodies ( 2 . 3 ) are at least partially electrically conductive and the first contact surface ( 6 ) electrically with the first side ( 13 ) of the laser diode element ( 2 ) and the second contact surface ( 7 ) electrically with the second side ( 12 ) of the laser diode element ( 2 ) is contacted. Wärmeableitmodul nach Anspruch 2, bei dem die elektrische Kontaktierung zwischen der ersten Seite (13) und der ersten Kontaktfläche (6) in einem ersten Abschnitt (8) der ersten Kontaktfläche (6), die einen dazu benachbarten zweiten Abschnitt (9) aufweist, vorliegt, die elektrische Kontaktierung zwischen der zweiten Seite (12) und der zweiten Kontaktfläche (7) in einem dritten Abschnitt (10) der zweiten Kontaktfläche (7), die einen dazu benachbarten vierten Abschnitt (11) aufweist, vorliegt, und bei dem eine elektrisch isolierende Zwischenschicht (5) zwischen dem zweiten und vierten Abschnitt (9, 11) vorgesehen ist.Wärmeableitmodul according to claim 2, wherein the electrical contact between the first side ( 13 ) and the first contact surface ( 6 ) in a first section ( 8th ) of the first contact surface ( 6 ), which has a second section ( 9 ), the electrical contact between the second side ( 12 ) and the second contact surface ( 7 ) in a third section ( 10 ) of the second contact surface ( 7 ), which has a fourth section ( 11 ), and in which an electrically insulating intermediate layer ( 5 ) between the second and fourth sections ( 9 . 11 ) is provided. Wärmeableitmodul nach Anspruch 3, bei dem die elektrisch isolierende, Zwischenschicht (5) zumindest Teil eines Stoffschlusses zwischen dem zweiten und vierten Abschnitt (9, 11) ist.Heat dissipation module according to Claim 3, in which the electrically insulating intermediate layer ( 5 ) at least part of a material bond between the second and fourth sections ( 9 . 11 ). Wärmeableitmodul nach einem der obigen Ansprüche, bei dem zumindest einer der beiden Wärmeableitkörper (3, 4) einen elektrisch isolierten oder nicht leitfähigen Hauptkörper mit einer darauf ausgebildeten elektrisch leitenden Schicht aufweist, deren dem Hauptkörper abgewandte Außenseite die erste bzw. zweite Kontaktfläche (6, 7) bildet.Heat dissipation module according to one of the above claims, in which at least one of the two heat sinks ( 3 . 4 ) has an electrically insulated or non-conductive main body with an electrically conductive layer formed thereon, the outer side of which facing away from the main body has the first or second contact surface ( 6 . 7 ). Wärmeableitmodul nach einem der obigen Ansprüche, bei dem zumindest eine der beiden Kontaktflächen (6, 7) als plane Fläche ausgebildet ist.Heat dissipation module according to one of the preceding claims, in which at least one of the two contact surfaces ( 6 . 7 ) is formed as a flat surface. Wärmeableitmodul nach einem der obigen Ansprüche, bei dem zumindest eine der beiden Kontaktflächen (6, 7) als gestufte Fläche ausgebildet ist.Heat dissipation module according to one of the preceding claims, in which at least one of the two contact surfaces ( 6 . 7 ) is formed as a stepped surface. Wärmeableitmodul nach einem der obigen Ansprüche, bei dem sowohl Fügezonen zwischen dem Laserdiodenelement (2) und den Wärmeleitkörpern (3, 4) als auch die erste und zweite Kontaktfläche (6, 7) zumindest abschnittsweise in wenigstens einer Projektion des Laserdiodenelementes (2) senkrecht zu seiner ersten und/oder zweiten Seite (13, 12) liegen.Heat dissipation module according to one of the preceding claims, wherein both joining zones between the laser diode element ( 2 ) and the heat conducting bodies ( 3 . 4 ) as well as the first and second contact surfaces ( 6 . 7 ) at least in sections in at least one projection of the laser diode element ( 2 ) perpendicular to its first and / or second side ( 13 . 12 ) lie. Wärmeableitmodul nach einem der obigen Ansprüche, bei dem wenigstens eine der Kontaktflächen (6, 7) der Wärmeableitkörper (3, 4) unmittelbar vermittels wenigstens eines elektrisch leitenden Fügemittels an der entsprechenden ersten oder zweiten Seite (13, 12) des Laserdiodenelementes (2) stoffschlüssig befestigt ist.Heat dissipation module according to one of the above claims, wherein at least one of the contact surfaces ( 6 . 7 ) the heat sink ( 3 . 4 ) directly by means of at least one electrically conductive joining means on the corresponding first or second side ( 13 . 12 ) of the laser diode element ( 2 ) is firmly bonded. Wärmeableitmodul nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Wärmeableitmodul eine Kühleinrichtung aufweist, die kraftschlüssig an einer der ersten Kontaktfläche (6) abgewandten Seite des ersten Wärmeableitkörpers (3) befestigt ist.Heat dissipation module according to one of the preceding claims, in which the heat dissipation module has a cooling device which is frictionally connected to one of the first contact surfaces ( 6 ) facing away from the first Wärmeableitkörpers ( 3 ) is attached. Wärmeableitmodul nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der zweite Wärmeableitkörper (4) eine Vielzahl von Mikrokühlkanälen aufweist, die sich, in Draufsicht auf die zweite Seite (12) des Laserdiodenelementes (2) gesehen, zumindest abschnittsweise im Bereich der zweiten Seite (12) erstrecken.Heat dissipation module according to one of the above claims, wherein the second heat dissipation body ( 4 ) has a plurality of micro-cooling channels, which, in plan view of the second side ( 12 ) of the laser diode element ( 2 ), at least in sections in the area of the second page ( 12 ). Anordnung mit einem Wärmeableitmodul gemäß einem der vorgenannten Ansprüche und einer Kühleinrichtung als Wärmesenke dadurch gekennzeichnet dass die Kühleinrichtung an den ersten Wärmeableitkörper (3) angeschlossen ist.Arrangement with a heat dissipation module according to one of the preceding claims and a cooling device as a heat sink, characterized in that the cooling device is connected to the first heat dissipation body ( 3 ) connected. Anordnung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke kraftschlüssig an einer Seite des ersten Wärmeableitkörpers (3) angeschlossen ist, die der ersten Kontaktfläche gegenüberliegt.Arrangement according to claim 12, characterized in that the heat sink frictionally on one side of the first Wärmeableitkörpers ( 3 ) is connected, which is opposite to the first contact surface.
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