DE102012025495B4

DE102012025495B4 - Verfahren zur Herstellung eines Diodenlasermoduls

Info

Publication number: DE102012025495B4
Application number: DE102012025495.4A
Authority: DE
Inventors: Dalibor Dadic
Original assignee: Jenoptik Laser GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2032-12-22
Also published as: WO2014095066A1; DE102012025495A1

Abstract

Verfahren zur Montage eines Diodenlasermoduls (1) mit folgenden Schritten a) Bereitstellen eines Laserdiodenelements (10) mit einer p-seitigen Anschlussfläche und einer n-seitigen Anschlußfläche,b) Bereitstellen eines ersten Kühlkörpers (20) mit wenigstens einer ersten Fügeflächec) Bereitstellen eines zweiten Kühlkörpers (30) mit wenigstens einer zweiten Fügefläche,d) Aufbringen eines verfestigbaren elektrisch isolierenden Fügemittels (40) auf die erste und/oder die zweite Fügefläche,e) Zusammenfügen des ersten und zweiten Kühlkörpers in der Weise, dass die zweite Fügefläche der ersten Fügefläche mit einem vorbestimmten minimalen Abstand zur elektrischen Isolation wenigstens teilweise gegenüber zu liegen kommt und das elektrisch isolierende Fügemittel den Abstand der Kühlkörper überbrückend beide Fügeflächen wenigstens teilweise benetzt, wobei das Laserdiodenelement zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkörper angeordnet wird und die p-seitige Anschlussfläche des Laserdiodenelements thermisch mit dem ersten Kühlkörper verbunden wird und die n-seitige Anschlussfläche des Laserdiodenelements mit dem zweiten Kühlkörper thermisch verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein elektrisch isolierendes Federelement (60) vor der Verfestigung des Fügemittels derart am ersten und zweiten Kühlkörper angebracht wird, dass die Kühlkörper durch eine Klemmkraft zueinander fixiert sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Diodenlasermoduls mit einem Laserdiodenelement und zwei Kühlkörpern, mit denen die Abwärme der Laserdiode beidseitig abgeführt werden kann nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Nach diesem Verfahren kann ein Diodenlasermodul hergestellt werden.
In DE 102010042087 A1 ist ein Diodenlasermodul beschrieben, das eine Laserdiode enthält, die beidseitig mit jeweils einem Wärmespreizkörper verbunden ist. An jedem dieser Wärmespreizkörper ist jeweils ein Kühlkörper angeschlossen. Die Kühlkörper sind mit jeweils einer Seite der Laserdiode elektrisch verbunden. Im Betrieb des Diodenlasermoduls tritt eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Kühlkörpern auf. Deshalb ist ein Kurzschluß zwischen beiden Kühlkörpern zu vermeiden. Die Kühlkörper sind deshalb nach der DE 102010042087 A1 mittels eines elektrisch isolierenden Klebers miteinander verbunden. Solche Diodenlasermodule werden während der Montage mit einer wieder verwendbaren Klemmvorrichtung versehen, die die Kühlkörper während des Aushärtens des Klebers zusammendrückt. Die Aushärtung des Klebers wird bevorzugt in einem Ofen oder auf einer Heizplatte vorgenommen.
Nachteilig ist, dass zur parallelen Bearbeitung von Diodenlasermodulen viele solcher Klemmvorrichtungen erforderlich sind, die jeweils für die Dauer der Aushärtung des Klebers belegt sind. Da die wieder verwendbaren Klemmvorrichtungen viel Platz beanspruchen, ist eine optimale Nutzung beispielsweise eines Ofenvolumens zur Kleberaushärtung nicht möglich. Diese Vorrichtungen müssen zudem nach der Verklebung den Kühlkörper wieder abgenommen und gereinigt werden. Dazu sind weitere Handhabungsschritte mit den Diodenlasermodulen zu verrichten. Wird beispielsweise ein Behältnis zur Aufnahme mehrerer Diodenlasermodule verwendet, in welchem die halbfertigen Diodenlasermodule während der Kleberaushärtung eingelegt sind, müssen die Diodenlasermodule zum Abnehmen der Klemmvorrichtung nach dem Aushärten des Klebers einzeln wieder entnommen werden. Das Abnehmen der Klemmvorrichtungen ist deshalb vor allem in der Massenfertigung hinderlich.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Kühlkörper nicht zu verkleben, sondern lediglich zu klemmen. Eine Anordnung zur Verbindung von zwei Kühlkörpern mit zwei Federelementen ist aus US3566958 bekannt. Die beiden Kühlkörper sind hier allerdings nicht durch eine Kleberschicht miteinander verbunden. Diese Anordnung ist für Komponenten der Leistungselektronik geeignet. Mit Federklemmen allein erreicht man allerdings nicht die erforderliche Festigkeit und Stabilität für Diodenlasermodule. Außerdem erfordert die metallische Federklemme eine elektrische Isolationsschicht, die bei der Montage leicht beschädigt werden könnte. Eine Federklemme aus Kunststoff wäre nicht ausreichend, da die Klemmkraft zu gering ist.
Aus DE 102008027468A1 ist eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit einem Halbleiterbauelement bekannt, welche zur doppelseitigen Kühlung eines Laserbarrens verwendet werden kann. Zur Herstellung solcher Wärmeübertragungsvorrichtungen sind Hilfsvorrichtungen erforderlich, um die Wärmeübertragungsvorrichtungen beim Aushärten des Fügemittels zu fixieren. Diese Hilfsvorrichtungen müssen hernach wieder entfernt werden. Das kann insbesondere bei der Herstellung großer Mengen von Wärmeübertragungsvorrichtungen nachteilig sein.
Aus FR2815677A1 ist eine passive Justiermethode für eine optische Komponente, insbesondere eine Lichtleitfaser bekannt. Dabei werden zwei Trägerplatten verwendet, die gegenüberliegende Bohrungen aufweisen. Zwischen den Bohrungen werden Kugeln platziert, die jeweils auf den Rändern der Bohrungen aufgesetzt sind. Durch unterschiedliche Kugeldurchmesser können vorbestimmte Winkel der Platten zueinander realisiert werden. Die Verbindung der beiden Trägerplatten wird entweder mittels einer Klebstoffverbindung oder mittels Klemmfedern hergestellt.
Aus US 3509429 Ist eine Wärmesenke für Halbleiterbauelemente bekannt. Das Schrumpfen einer Klebstoffschicht beim Aushärten wird zum Klemmen eines Bauteils verwendet.
Für Diodenlasermodule sind anstelle der oben erwähnten Klebverbindungen auch Schraubverbindungen üblich. Eine solche Anordnung ist in US4393393A beschrieben. Auch aus der Offenlegungsschrift EP1341275A2 ist eine Anordnung bekannt bei der die Laserdiode mit einer Klemmvorrichtung thermisch und elektrisch kontaktiert wird. Die Klemmkraft wird hierbei mittels Schrauben erzeugt. Die Verbindung erfolgt kraftschlüssig, ein Verkleben beider Kühlkörper ist nicht vorgesehen. Schraubverbindungen haben aber mehrere Nachteile. Zum einen sind Bohrungen in den Kühlkörpern erforderlich, die den Herstellungsaufwand erhöhen und außerdem einen Platz beanspruchen, der nicht effektiv für den Wärmetransfer genutzt werden kann. Außerdem müssen die Schraubverbindungen elektrisch isoliert werden. Die Klemmkraft der Schrauben kann mit der Zeit nachlassen, so dass die thermische Kontaktierung schlechter wird.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines einfachen und zuverlässigen Verfahrens zum Aufbau solcher Diodenlasermodule mit doppelseitiger Kühlung, bei denen zwei Kühlkörper zum Einsatz kommen, zwischen denen im Betrieb des Diodenlasermoduls eine elektrische Spannungsdifferenz auftritt. Die Kühlkörper sollen mit einem elektrisch isolierenden Fügemittel miteinander verbunden werden. Insbesondere für die Massenfertigung ist ein kostengünstiges Verfahren zu verwenden, welches mit einem geringen Zeitaufwand realisiert werden kann. Das Verfahren muß reproduzierbar sein und eine einfache Qualitätskontrolle der Fertigteile ermöglichen. Insbesondere soll das Verfahren zur Montage luftgekühlter Diodenlasermodule geeignet sein.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung wenigstens eines elektrisch isolierenden Federelements, das die Kühlkörper während des Fügeprozesses gegeneinander drückt. Das Federelement übt nur eine schwache Klemmkraft aus. Die Klemmkraft wird durch das Schrumpfen des Fügemittels beim Aushärten verstärkt. Das Federelement kann nach der Montage am Diodenlasermodul verbleiben, da es den Betrieb des Moduls nicht behindert.
Das Verfahren zur Montage eines Diodenlasermoduls umfasst folgende Schritte:

a) Bereitstellen eines Laserdiodenelements mit einer p-seitigen Anschlussfläche und einer n-seitigen Anschlußfläche,
b) Bereitstellen eines ersten Kühlkörpers mit wenigstens einer ersten Fügefläche
c) Bereitstellen eines zweiten Kühlkörpers mit wenigstens einer zweiten Fügefläche,
d) Aufbringen eines verfestigbaren elektrisch isolierenden Fügemittels auf die erste und/oder die zweite Fügefläche,
e) Zusammenfügen des ersten und zweiten Kühlkörpers in der Weise, dass die zweite Fügefläche der ersten Fügefläche mit einem vorbestimmten minimalen Abstand zur elektrischen Isolation wenigstens teilweise gegenüber zu liegen kommt und das elektrisch isolierende Fügemittel den Abstand der Kühlkörper überbrückend beide Fügeflächen wenigstens teilweise benetzt,

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Laserdiodenelement, welches eine p-seitige und eine n-seitige Anschlussfläche aufweist, zwischen einen ersten Kühlkörper und einen zweiten Kühlkörper gebracht. Der erste Kühlkörper und der zweite Kühlkörper können identisch bzw. spiegelsymmetrisch ausgebildet sein. Alternativ kann es ebenfalls vorteilhaft sein, asymmetrische Ausführungsformen zu verwenden, bei denen der erste und zweite Kühlkörper unterschiedlich groß sind.
Das Laserdiodenelement kann beispielsweise ein Diodenlaserbarren sein. Dieser Diodenlaserbarren ist ein Halbleiterchip, der eine Anzahl von parallel angeordneten Breitstreifenemittern enthalten kann. Üblicherweise kann die Breite des Chips ca. 10mm, die Länge 1 mm bis 6 mm und die Höhe 0.05 mm bis 0.2 mm betragen. Der Diodenlaserbarren wird auf einer p-seitigen und einer n-seitigen Kontaktfläche elektrisch kontaktiert. Die Kontaktflächen sind die beiden größten Flächen des Halbleiterchips, die gegenüberliegend angeordnet sind.
Das Laserdiodenelement kann aber auch eine Laserdiodeneinheit sein, welche einen mit der p-Seite eines Laserbarrens elektrisch und thermisch verbundenen ersten Wärmespreizkörper und/oder einen mit der n-Seite des Laserbarrens elektrisch und thermisch verbundenen zweiten Wärmespreizkörper umfasst. In diesem Fall können der erste und/oder der zweite Wärmespreizkörper einen Wärmetransferabschnitt aufweisen, der sich über den Bereich der Fügestelle zwischen Laserbarren und Wärmespreizkörper hinaus erstreckt. Der erste und der zweite Wärmespreizkörper können mit einem elektrisch isolierenden Fügemittel miteinander verbunden sein. Die Wärmespreizkörper sollten eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. In einer bevorzugten Ausführung können sie beispielsweise aus Kupfer bestehen oder aus einem Metall-Diamant Verbundwerkstoff. Für manche Applikationen ist ein ausdehnungsangepasster Werkstoff wie beispielsweise Wolfram-Kupfer oder Molybdän-Kupfer zu bevorzugen. An den Kanten der Wärmespreizkörper können beispielsweise Grate zur Verbesserung des elektrischen Kontakts zu den Kühlkörpern vorhanden sein.
Die Kühlkörper können als Luftkühlkörper ausgeführt sein. Zu diesem Zwecke weisen sie vorteilhaft Kühlrippen auf, die glatt oder gewellt sein können. Kühlkörper aus einer Aluminiumlegierung sind besonders vorteilhaft. Die Kühlkörper können aber auch Kanäle aufweisen, durch die sie mit einem flüssigen oder einem gasförmigen Kühlmedium gekühlt werden. Solche Kühlkörper kann man beispielsweise aus Kupfer herstellen. Der erste Kühlkörper weist eine erste Fügefläche auf und der zweite Kühlkörper eine zweite Fügefläche. Die erste und/ oder die zweite Fügefläche können als zusammenhängende Fläche ausgebildet sein oder aber aus mehreren nicht zusammenhängenden Teilflächen bestehen. Auf wenigstens eine der Fügeflächen des ersten und/oder des zweiten Kühlkörpers kann vor dem Zusammenfügen der beiden Kühlkörper ein elektrisch isolierendes Fügemittel aufgebracht werden. Die beiden Kühlkörper werden mit dem Laserdiodenelement, das zwischen beiden Kühlkörpern angeordnet wird, zusammengesetzt. Zwischen der n-seitigen Anschlussfläche des Laserdiodenelements und der entsprechende Anlagefläche des ersten Kühlkörpers kann vorteilhafterweise ein Wärmeleitmittel eingebracht sein, ebenso zwischen der p-seitigen Anschlussfläche des Laserdiodenelements und der entsprechenden Anlagefläche des zweiten Kühlkörpers. Das dient der Verbesserung der thermischen Verbindung. Ein solches Wärmeleitmittel kann beispielsweise als Metallfolie, beispielsweise aus Zinn, Blei, Indium, Cadmium oder einer Legierung aus zwei oder mehreren dieser Metalle ausgebildet sein. Es kann aber auch eine Wärmeleitfolie, beispielsweise eine Karbonfolie verwendet werden. Alternativ kann ein solches Wärmeleitmittel auch als metallische Beschichtung beispielsweise aus Zinn, Blei, Indium, Cadmium oder Gold ausgebildet sein, die wenigstens auf die Anlagefläche des ersten und/oder des zweiten Kühlkörpers aufgebracht ist. Eine solche Beschichtung kann zusätzlich oder alternativ auf der n-seitigen und/oder der p-seitigen Kontaktfläche des Laserdiodenelements aufgebracht sein. Ein solches Wärmeleitmittel kann aber auch ein weiteres Fügemittel, beispielsweise ein Wärmeleitkleber, sein. Wenn die Kontaktflächen und Anlageflächen hinreichend eben ausgeführt sind, kann auch auf ein Wärmeleitmittel verzichtet werden.
Der erste Kühlkörper kann eine erste Aufnahmenut mit einem Boden und zwei Seitenwänden aufweisen und der zweite Kühlkörper kann eine der ersten Nut gegenüberliegende zweite Aufnahmenut mit einem Boden und zwei Seitenwänden aufweisen. Das Laserdiodenelement kann in die erste und zweite Aufnahmenut eingebracht sein.
Beim Zusammenfügen der Kühlkörper kommen die erste und zweite Fügefläche gegenüber zu liegen und das Fügemittel überbrückt nun den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Fügefläche und benetzt dabei beide Fügeflächen. Die Benetzung der Fügeflächen muss nicht vollflächig erfolgen, sondern das Fügemittel kann auch leicht unterdosiert werden, so dass nicht die gesamte erste und zweite Fügefläche vollflächig benetzt sind. Zur elektrischen Isolation ist ein bestimmter Mindestabstand zwischen dem ersten Kühlkörper und dem zweiten Kühlkörper erforderlich. Bevorzugt sind die Kühlkörper so ausgebildet, dass der Abstand zueinander außerhalb der Fügestellen größer ist als zwischen der ersten und der zweiten Fügefläche. Der Abstand der ersten zur zweiten Fügefläche stellt dann diesen Mindestabstand dar. Dieser Abstand kann durch das Laserdiodenelement bestimmt sein, dieses hat dann aufgrund seiner festgelegten Dicke die Funktion eines Abstandshalters. Der Abstand der ersten zur zweiten Fügefläche kann also vorteilhaft durch das Laserdiodenelement selbst festgelegt werden. Zusätzlich können, müssen aber nicht, weitere Distanzstücke aus einem elektrisch isolierenden Material als Abstandshalter zwischen den Kühlkörpern eingebracht sein.
Nun wird wenigstens ein elektrisch isolierendes Federelement am ersten und zweiten Kühlkörper angebracht, welches die Kühlkörper zueinander fixiert. Das Federelement kann bevorzugt aus einem Kunststoff bestehen.
Unter elektrisch isolierend wird hier verstanden, dass kein Strom oder ein unbeachtlicher Strom beim Betrieb des Laserdiodenelements durch das Federelement fließt. Eine geringe elektrische Leitfähigkeit des Federelements kann sogar vorteilhaft sein, um elektrostatische Aufladungen der Kühlkörper schon während des Fertigungsprozesses zu vermeiden. Der elektrische Widerstand des Federelements sollte vorzugsweise größer als 50 Ohm betragen, vorteilhaft sind Werte zwischen 100 Ohm und 10 kOhm. Das kann beispielsweise durch Kunststoffe, die durch Zusatzstoffe mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit ausgestattet worden sind, erreicht werden. Alternativ wäre auch eine Beschichtung eines Federelements aus nichtleitfähigem Kunststoff mit einer dünnen metallischen Schicht möglich, um eine definierte geringe Leitfähigkeit herzustellen. Wird beispielsweise ein Federelement mit einem Widerstand von 1 kOhm eingesetzt, fließt beispielsweise bei einer Laserdiodenspannung von 2V ein Strom von 2mA durch das Federelement. Der Nennstromstrom, der durch den Laserbarren fließt liegt hingegen typischerweise zwischen 20A und 200A. Da der Stromfluß durch das Federelement beispielsweise weniger als ein Tausendstel des Laserstromes beträgt, ist er unbeachtlich. Neben nicht leitfähigen Federelementen werden auch solche Federelemente mit geringer elektrischer Leitfähigkeit ebenfalls als elektrisch isolierend im Sinne der Erfindung betrachtet. Bevorzugt können wenigstens zwei Federelemente verwendet werden, es können aber auch drei oder vier oder mehr sein. Das Federelement kann einen elastisch streckbaren Mittelabschnitt aufweisen und an jeder Seite einen Endabschnitt (erster und zweiter Einhängeabschnitt) zum Einhängen des Federelements in die Ansatzpunkte der Kühlkörper. Der elastisch streckbare Abschnitt kann der Erzeugung der Klemmkraft dienen und die Einhängeabschnitte zum Einhängen des Federelements in vorgesehene Ansatzpunkte an den Kühlkörpern. Alternativ oder zusätzlich können die Endabschnitte federnd ausgeführt sein, so dass die Klemmkraft wenigstens teilweise durch die Endabschnitte aufgebracht wird. In diesem Fall kann der Mittelabschnitt starr ausgebildet sein. Solche Federelemente lassen sich als Kunststoffteile in Massenfertigung preisgünstig herstellen.
Das zwischen den Kühlkörpern befindliche Laserdiodenelement wird infolge des Einhängens der Federelemente ebenfalls fixiert. Das erfindungemäße Verfahren kann alternativ auch derart ausgeführt werden, dass das Laserdiodenelement bereits vor dem Zusammenfügen des ersten und zweiten Kühlkörpers (Schritt e) mit dem ersten oder dem zweiten Kühlkörper verbunden wird. Diese Verbindung kann beispielsweise durch einen Lötprozess oder durch Kleben mit einem elektrisch und thermisch leitfähigen Kleber erfolgen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Federelemente lediglich eine Montagehilfe darstellen, damit die Kühlkörper und das Laserdiodenelement während der Montage nicht verrutschen können. Für den störungsfreien Betrieb des Diodenlasermoduls ist eine stärkere Fixierung der Kühlkörper notwendig. Nach dem Einhängen der Federelemente sind die halbfertigen Diodenlasermodule für den weiteren Herstellungsprozess hinreichend stabilisiert. Die Klemmung durch die Federelemente lässt beispielsweise ein Umstapeln der halbfertigen Diodenlasermodule vor dem Aushärten des Fügemittels zu. Die Diodenlasermodule können so in einen Behälter platzsparend eingelegt werden, um sie beispielsweise in diesem Behälter im Ofen weiterzubehandeln.
Das Fügemittel kann beispielsweise ein Klebstoff, beispielsweise ein Acrylatklebstoff oder bevorzugt ein Epoxidharzklebstoff sein. Das Fügemittel kann aber auch anorganischer Natur sein, beispielsweise ein Zement oder ein silikatbasiertes Fügemittel. Zum Aushärten des Fügemittels sind beispielsweise bekannte Aushärtungsverfahren für Klebstoffe geeignet, beispielsweise die Aushärtung bei Raumtemperatur, die Aushärtung bei einer erhöhten Temperatur oder die Aushärtung durch Licht. Durch das Aushärten des Fügemittels wird die zum störungsfreien Betrieb des Diodenlasermoduls erforderliche Fixierung der Kühlkörper erreicht.
Bevorzugt kann ein Schrumpfen des Fügemittels beim Aushärten auftreten. Dadurch wird die Klemmkraft verstärkt. Der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkörper ist durch das elektrisch isolierende Fügemittel isoliert. Der erste Kühlkörper steht mit dem Laserdiodenelement über die p-seitige Anschlussfläche im thermischen Kontakt. Der elektrische Kontakt kann ebenfalls über diese Anschlussfläche ausgebildet sein. Der zweite Kühlkörper steht mit dem Laserdiodenelement über die n-seitige Anschlussfläche im thermischen Kontakt. Der elektrische Kontakt kann ebenfalls über diese Anschlussfläche ausgebildet sein. Die p-seitige Anschlussfläche des Laserdiodenelements kann elektrisch mit dem ersten Kühlkörper verbunden sein, was besonders vorteilhaft ist. Die n-seitige Anschlussfläche des Laserdiodenelements kann elektrisch mit dem zweiten Kühlkörper verbunden sein, was besonders vorteilhaft ist. Die Vorteile der genannten elektrischen Verbindung bestehen darin, dass keine elektrische Isolation zwischen den Anschlußflächen des Laserdiodenelements und den Kühlkörpern erforderlich ist, und dass die Kontaktierung des Diodenlasermoduls über die Kühlkörper erfolgen kann. Eine elektrische Isolation an dieser Stelle könnte nämlich sogar nachteiligerweise den Wärmeübergang behindern.
Die erfindungsgemäßen Federelemente können an dem fertigen Diodenlasermodul verbleiben. Eine einzelne Entnahme der Diodenlasermodule aus dem Behälter Zwecks Abnahme der Klemmvorrichtung und ein erneutes Einlegen der Diodenlasermodule in diesen oder einen anderen Behälter können somit entfallen. Im Betrieb des Diodenlasermoduls wird ein elektrischer Strom durch das Laserdiodenelement geleitet, wobei eine Spannungsdifferenz zwischen beiden Kühlkörpern auftritt. Die Betriebsbereitschaft wird hierdurch nicht beeinträchtigt, da die Federelemente elektrisch isolierend ausgebildet sind und somit keinen Kurzschluß verursachen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Diodenlaser mit doppelseitiger Kühlung kostengünstig und zuverlässig in hoher gut kontrollierbarer Qualität aufbauen. Durch die Verwendung des Federelements ist keine wiederverwendbare Klemmvorrichtung zur Montage erforderlich. Der Arbeitsschritt der Entfernung der Klemmvorrichtung nach der Montage einschließlich der Entnahme aus und dem Einlegen in einen Behälter entfällt dadurch.
Vorteilhafte erfindungsgemäße Weiterbildungen werden durch die Unteransprüche näher definiert.
Weitere wichtige Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen und Figuren. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vorrichtung beschrieben und mittels der Figuren näher erläutert.
Zur Veranschaulichung zeigen:

1 einen ersten Kühlkörper
2 einen ersten Kühlkörper und ein Laserdiodenelement
3 einen ersten Kühlkörper, ein Laserdiodenelement und einen zweiten Kühlkörper
4 einen ersten Kühlkörper, ein Laserdiodenelement und einen zweiten Kühlkörper vor dem Einhängen der Federelemente
5 einen ersten Kühlkörper, ein Laserdiodenelement, einen zweiten Kühlkörper nach dem Einhängen der Federelemente
6 einen ersten Kühlkörper in einem zweiten Ausführungsbeispiel
7 einen ersten Kühlkörper, ein Laserdiodenelement und das auf die erste Fügefläche applizierte Fügemittel in dem zweiten Ausführungsbeispiel
8 einen zweiten Kühlkörper in dem zweiten Ausführungsbeispiel
9 einen ersten Kühlkörper, ein Laserdiodenelement und einen zweiten Kühlkörper nach dem Einhängen der Federelemente im zweiten Ausführungsbeispiel
10 ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem die Federelemente zwischen der seitlichen Kühlrippenstruktur angeordnet sind
11 verschiedene Ausführungsbeispiele für Federelemente

Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den 1 bis 5 dargestellt. In diesem Beispiel wird ein Laserdiodenelement 10, welches eine p-seitige und eine n-seitige Anschlussfläche aufweist, zwischen einen ersten Kühlkörper 20 und einen zweiten Kühlkörper 30 gebracht.
Die Kühlkörper 20, 30 sind als Luftkühlkörper ausgeführt. Zu diesem Zwecke weisen sie Kühlrippen 27 auf und bestehen aus einer Aluminiumlegierung.
Zunächst werden der erste Kühlkörper 20 und der zweite Kühlkörper 30 im Bereich der ersten und der zweite Anlagefläche 21, 31 mit einer Indiumschicht versehen, die als Wärmeleitmittel 50 dient.
Dann wird ein vorgefertigtes Laserdiodenelement 10 bereitgestellt. Dieses Laserdiodenelement besteht aus einem Laserbarren 11, sowie einem p-seitigen und einem n-seitigen Wärmespreizkörper 12, 13, die mittels eines zweiten elektrisch isolierenden Fügemittels (nicht dargestellt) miteinander verbunden sind. Vorteilhaft wird hier ein Laserdiodenelement eingesetzt, bei dem die Wärmespreizkörper 12, 13 großflächiger ausgebildet sind als der Laserbarren 11, so dass sie sich bis hinter die Ebene der rückwärtigen Facette des Laserbarrens erstrecken. Das bedeutet, dass die Wärmespreizkörper länger ausgebildet sind als die Resonatorlänge des Laserbarrens. Beide Wärmespreizkörper weisen also jeweils einen Wärmetransferabschnitt auf, der sich über den Bereich der Fügestelle zwischen Laserbarren und Wärmespreizkörper hinaus erstreckt.
Das Laserdiodenelement 10 wird mit der p-seitigen Kontaktfläche auf der ersten Anlagefläche 21 des ersten Kühlkörpers 20 platziert. Die Indiumschicht gewährleistet hernach einen guten Wärmeübergang, der im fertigen Diodenlasermodul erforderlich ist. Anstelle der Indiumschicht kann aber auch ein anderes Wärmeleitmittel Verwendung finden, beispielsweise ein Wärmeleitkleber, der als zweites Fügemittel vor dem Aufsetzen des Laserdiodenelements auf die Anlagefläche appliziert wird. Die erste Anlagefläche ist in einer Aufnahmenut 24 angeordnet, welche durch zwei Seitenflächen 25 und einer Bodenfläche, die gleichzeitig die Anlagefläche 21 ist, gebildet. Der zweite Kühlkörper ist in gleicher Weise mit einer Aufnahmenut 34 ausgebildet, die Seitenflächen 35 aufweist. Diese Aufnahmenuten wurden in den ersten und zweiten Kühlkörper eingebracht, damit der Abstand der ersten und zweiten Fügefläche geringer ist als die Höhe des Laserdiodenelements 10. Beispielsweise kann das Laserdiodenelement eine Höhe von 5 mm aufweisen, während der Abstand der Fügeflächen, d.h. die Fügespaltdicke, nur 0,5 mm betragen soll. Ebenso ist es in einem weiteren nicht bildlich dargestellten Ausführungsbeispiel möglich, eine Aufnahmenut nur in einen der Kühlkörper einzubringen, während der andere Kühlkörper keine Aufnahmenut enthält.
Die erste und die zweite Fügefläche bestehen jeweils aus zwei Teilflächen 23a und 23b bzw. 33a und 33b. Nun wird die erste Fügefläche 23 (bestehend aus den Teilflächen 23a und 23b) mit einer Kleberraupe eines Epoxidharzklebers versehen, indem jeweils eine Kleberraupe auf jede der beiden Teilflächen 23a und 23b der ersten Fügefläche appliziert wird. Dann wird der zweite Kühlkörper 30 derart aufgesetzt, dass die zweite Anlagefläche 31 auf der n-seitigen Kontaktfläche 15 des Laserdiodenelements zu liegen kommt (siehe 2, 3). Die Indiumschicht auf der zweiten Anlagefläche 31 gewährleistet hernach einen guten Wärmeübergang, der im fertigen Diodenlasermodul erforderlich ist. Anstelle der Indiumschicht kann aber auch ein anderes Wärmeleitmittel Verwendung finden, beispielsweise ein Wärmeleitkleber, der als zweites Fügemittel vor dem Aufsetzen des zweiten Kühlkörpers auf die Kontaktfläche 15 und/oder die Anlagefläche 31 appliziert wird.
Die beiden Kühlkörper werden mit dem Laserdiodenelement 10, das zwischen beiden Kühlkörpern angeordnet wird, zusammengesetzt, wie in 2 und 3 dargestellt.
Beim Zusammenfügen kommen die erste 23 und zweite Fügefläche 33 gegenüber zu liegen und das Fügemittel 40 überbrückt nun den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Fügefläche und benetzt dabei beide Fügeflächen. Beim Aufsetzen des zweiten Kühlkörpers 30 mit seiner Anlagefläche 31 auf die n-seitige Kontaktfläche 15 des Laserdiodenelements 10 nimmt also die zweite Fügefläche 33 ihren vorbestimmten Abstand zur ersten Fügefläche 23 ein. Da die Kleberraupe dicker ist als dieser Abstand gewählt wurde, werden nun beide Fügeflächen vom flüssigen Fügemittel benetzt. Die Kühlkörper sind so ausgebildet, dass sie im Bereich der Fügeflächen den geringsten Abstand zueinander haben. Dieser Abstand wird dadurch festgelegt, dass die Kühlkörper mit ihren Anlageflächen 21, 31 auf den Kontaktflächen des Laserdiodenelements flächig aufliegen. Dieser Abstand zwischen der ersten und zweiten Fügefläche wird durch den applizierten Epoxydharzkleber überbrückt.
Dann werden zwei elektrisch isolierende Federelemente 60 aus einem Kunststoff mit ihren Einhängeabschnitten 62, 63 in die vorgesehenen Ansatzpunkte 26, 36 der Kühlkörper eingehängt (siehe 4, 5).
Diese weisen einen elastisch streckbaren gewölbten Mittelabschnitt 61 auf. Bei der Streckung des Federelements wird der Biegeradius des Mittelabschnitts größer und dadurch die Strecke zwischen den Endabschnitten. Das zwischen den Kühlkörpern befindliche Laserdiodenelement 10 wird infolge des Einhängens der Federelemente ebenfalls fixiert.
Durch das Einhängen der Federelemente wird ein Verrutschen der Kühlkörper während der weiteren Montage verhindert. Nun wird der Kleber, beispielsweise in einem Ofen bei erhöhter Temperatur, beispielsweise bei 60°C, ausgehärtet. Beim Aushärten schrumpft der Kleber und erzeugt eine weitere Klemmkraft, die die Kontaktflächen des Laserdiodenelements noch stärker gegen die Anlageflächen der Kühlkörper drückt. Diese durch den Kleber erzeugte Klemmkraft ist erheblich größer als die durch die Federelemente aufgebrachte Klemmkraft. Nach dem Aushärten des Klebers verbleiben die Federelemente am Diodenlasermodul, obwohl sie nun keine Funktion mehr haben, weil der ausgehärtete Kleber die dauerhafte Fixierung der Kühlkörper gewährleistet.
Die Betriebsbereitschaft des Diodenlasermoduls wird hierdurch nicht beeinträchtigt, da die Federelemente elektrisch isolierend ausgebildet sind und somit keinen Kurzschluß verursachen.
Das erfindungemäße Verfahren kann auch derart ausgeführt werden, dass das Laserdiodenelement bereits vor dem Zusammenfügen des ersten und zweiten Kühlkörpers mit dem ersten oder dem zweiten Kühlkörper verbunden wird. Diese Verbindung kann beispielsweise durch einen Lötprozess oder durch Kleben mit einem elektrisch und thermisch leitfähigen Kleber erfolgen.
In einem in den 6-9 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind die Kühlkörper ohne Aufnahmenut ausgeführt. Die Fügefläche 23 und die Anlagefläche 21 des ersten Kühlkörpers 20 liegen in einer Ebene und können als zusammenhängende Fläche ausgebildet sein. Gleiches gilt für den zweiten Kühlkörper. Der zweite Kühlkörper kann derart vorbereitet sein, dass auf dessen Anlagefläche 31 ein Wärmeleitmittel 50, beispielsweise eine Indiumschicht aufgebracht wird.
Das Laserdiodenelement ist in diesem Beispiel ein Laserbarren 11, der auf der p-seitigen Kontaktfläche und auf der n-seitigen Kontaktfläche eine Metallisierung aufweist. Dieser Laserbarren wird mit der p-seitigen Kontaktfläche auf die vorbelotete Anlagefläche 21 des ersten Kühlkörpers gelötet. Dazu ist beispielsweise ein indiumhaltiges Lot geeignet. Außerdem wird in der Nähe der dem Laserdiodenelement abgewandten Kante des ersten Kühlkörpers ein Distanzstück 70 vorgesehen, mit dem der Abstand der ersten und zweiten Fügefläche aufrechterhalten wird. Nach dem Auflöten des Laserbarrens 11 auf die Fläche 21 wird die erste Fügefläche 23 mit einer Raupe eines Fügemittels 40 versehen (7). Als Fügemittel wird hier ein bekannter Epoxidharzkleber verwendet. In gleicher Weise könnte prinzipiell natürlich auch die zweite Fügefläche auf dem zweiten Kühlkörper mit Fügemittel versehen werden. Es ist allerdings, wie hier im zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt ist, vorteilhaft möglich, die gesamte erforderliche Fügemittelmenge auf die erste Fügefläche zu bringen und die zweite Fügefläche 33 auf dem zweiten Kühlkörper 30, wie in 8 dargestellt, nicht mit Fügemittel zu versehen. Danach werden die Kühlkörper zusammengesetzt, so dass die Anlagefläche 31 des zweiten Kühlkörpers 30 auf der n-seitigen Kontaktfläche des Laserdiodenelements aufliegt und die obere Fläche des Distanzstücks auf der zweiten Fügefläche 33 zu liegen kommt (siehe 7-9). Dabei berührt die Fügemittelraupe 40 auf der ersten Fügefläche 23 die nicht mit Fügemittel versehene gegenüberliegende zweite Fügefläche 33. Falls beide Fügeflächen mit Fügemittelraupen versehen worden wären, würden sich die aufgetragenen Fügemittelraupen beider Fügeflächen berühren. In beiden Fällen wird der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Fügefläche wenigstens abschnittsweise vom Fügemittel überbrückt. Die Fügemittelraupen werden dabei etwas breitgedrückt. Vorteilhafterweise wird die Fügemittelmenge so dosiert, dass um das Laserdiodenelement herum ein Freiraum verbleibt, in den kein Fügemittel gelangen kann. Eine Benetzung des Laserdiodenelements 11 mit Fügemittel würde nämlich das Laserdiodenelement beschädigen. Eine nicht gezeigte vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass um die Anlageflächen herum eine Vertiefung vorgesehen wird, die ein Kriechen des Fügemittels zum Laserdiodenelement verhindert. Nach dem Zusammenfügen der Kühlkörper werden vier erfindungsgemäße Federelemente eingehängt. Danach wird das Fügemittel beispielsweise innerhalb von 24h bei Raumtemperatur ausgehärtet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel nach 10 können die Kühlkörper 20, 30 so ausgebildet sein, dass die Federelemente 60 nicht über die Kühlrippen vorstehen, sondern platzsparend innerhalb der Rippenstruktur angeordnet sind.
In 11 sind weitere Beispiele für Federelemente dargestellt. Das Federelement kann beispielsweise ein starres Mittelstück 64 aufweisen, wenn elastisch verformbare Endabschnitte 62, 63 vorhanden sind. Auch kann das Federelement mit elastisch streckbarem Mittelteil konkav gestaltet sein.
Bezugszeichenliste

1: Diodenlasermodul
10: Laserdiodenelement
11: Laserbarren
12: erster Wärmespreizkörper
13: zweiter Wärmespreizkörper
15: n-seitige Kontaktfläche (Kathode)
20: erster Kühlkörper
21: erste Anlagefläche
23: erste Fügefläche
23a: erste Teilfläche der ersten Fügefläche
23b: zweite Teilfläche der ersten Fügefläche
24: erste Aufnahmenut
25: Seitenfläche der ersten Aufnahmenut
26: erster Ansatzpunkt des Federelements
27: Kühlrippen
30: zweiter Kühlkörper
31: zweite Anlagefläche
33: zweite Fügefläche
33a: erste Teilfläche der zweiten Fügefläche
33b: zweite Teilfläche der zweiten Fügefläche
34: zweite Aufnahmenut
35: Seitenfläche der zweiten Aufnahmenut
36: zweiter Ansatzpunkt des Federelements
40: Fügemittel
50: Wärmeleitmittel bzw. zweites Fügemittel
60: elektrisch isolierendes Federelement
61: elastisch streckbarer Abschnitt des Federelements
62: erster Einhängeabschnitt des Federelements
63: zweiter Einhängeabschnitt des Federelements
64: Starrer Abschnitt einer weiteren Ausführungsform des Federelements
70: Distanzstück

Claims

Verfahren zur Montage eines Diodenlasermoduls (1) mit folgenden Schritten a) Bereitstellen eines Laserdiodenelements (10) mit einer p-seitigen Anschlussfläche und einer n-seitigen Anschlußfläche, b) Bereitstellen eines ersten Kühlkörpers (20) mit wenigstens einer ersten Fügefläche c) Bereitstellen eines zweiten Kühlkörpers (30) mit wenigstens einer zweiten Fügefläche, d) Aufbringen eines verfestigbaren elektrisch isolierenden Fügemittels (40) auf die erste und/oder die zweite Fügefläche, e) Zusammenfügen des ersten und zweiten Kühlkörpers in der Weise, dass die zweite Fügefläche der ersten Fügefläche mit einem vorbestimmten minimalen Abstand zur elektrischen Isolation wenigstens teilweise gegenüber zu liegen kommt und das elektrisch isolierende Fügemittel den Abstand der Kühlkörper überbrückend beide Fügeflächen wenigstens teilweise benetzt, wobei das Laserdiodenelement zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkörper angeordnet wird und die p-seitige Anschlussfläche des Laserdiodenelements thermisch mit dem ersten Kühlkörper verbunden wird und die n-seitige Anschlussfläche des Laserdiodenelements mit dem zweiten Kühlkörper thermisch verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein elektrisch isolierendes Federelement (60) vor der Verfestigung des Fügemittels derart am ersten und zweiten Kühlkörper angebracht wird, dass die Kühlkörper durch eine Klemmkraft zueinander fixiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (60) nach dem Verfestigen des Fügemittels (40) an der Vorrichtung verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserdiodenelement vor Schritt e) mit dem ersten oder dem zweiten Kühlkörper verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserdiodenelement bei Schritt e) zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlkörper eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der ersten und zweiten Fügefläche durch das Laserdiodenelement festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Fügemittel beim Verfestigen schrumpft und dadurch eine zusätzliche Klemmkraft aufgebaut wird und dass die zusätzliche Klemmkraft die Klemmkraft des Federelements übersteigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (60) einen elastisch streckbaren Abschnitt (61) und wenigstens zwei Einhängeabschnitte (62, 63) aufweist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement aus einem Kunststoff besteht.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement einen elektrischen Widerstand zwischen 50 Ohm und 10 Kiloohm aufweist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkörper eine erste Aufnahmenut (24) mit einem Boden und zwei Seitenwänden aufweist und der zweite Kühlkörper eine der ersten Nut gegenüberliegende zweite Aufnahmenut mit einem Boden und zwei Seitenwänden aufweist und das Laserdiodenelement in die erste und zweite Aufnahmenut eingebracht ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserdiodenelement einen mit der p-Seite der Laserdiode verbundenen ersten Wärmespreizkörper umfasst und/oder einen mit der n-Seite der Laserdiode verbundenen zweiten Wärmespreizkörper umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Wärmespreizkörper einen Wärmetransferabschnitt aufweist, der sich über den Bereich der Fügestelle zwischen Laserdiodenelement und Wärmespreizkörper hinaus erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Wärmespreizkörper mit einem elektrisch isolierenden Fügemittel miteinander verbunden sind.