DE102018121857A1

DE102018121857A1 - Vorrichtung zum Betreiben eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE102018121857A1
Application number: DE102018121857.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias Schröder
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2018-09-07
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2038-09-08
Also published as: DE102018121857B4

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Vorrichtung mit einem lichtemittierenden Halbleiterbauelement, welches zwischen zwei Wärmeleitkörpern angeordnet ist. Zur Ableitung der Abwärme des lichtemittierenden Halbleiterbauelements ist ein Wärmeaustausch zwischen beiden Wärmeleitkörpern über ein Verbindungselement vorgesehen, der wenigstens teilweise vor der Lichtaustrittsebene erfolgt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Verwendung einer Vorrichtung zum Betreiben eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements und eine solche Vorrichtung, welche im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen eine verbesserte Wärmeableitung von dem Halbleiterbauelement gewährleistet. Außerdem ist ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Vorrichtung angegeben.
Stand der Technik
Aus DE102015002176 ist ein Diodenlaser bekannt, bei dem ein Laserbarren zwischen zwei Wärmesenken montiert ist. Zum verbesserten Wärmeübergang zwischen dem Laserbarren und den Wärmesenken sind Noppen vorgesehen.
Aus WO201844706 , US20160218482 , US20180069377 , WO2015191818, WO2015153183 sind weitere Diodenlaser bekannt, bei dem ein Laserbarren zwischen zwei Wärmesenken montiert ist.
Aus DE102014012855 , DE102014000510 , DE102012025495 , DE102009040835 , DE102008051081 , DE102008036439 , DE102008027468 , DE102008026229 sind weitere Diodenlaser bekannt, bei dem ein Laserbarren zwischen zwei Wärmesenken montiert ist.
Aus WO2013033265 , US8483249 , US20090185593 , US20060029117 , US4393393 ist sind weitere Diodenlaser bekannt, bei dem ein Laserbarren zwischen zwei Wärmesenken montiert ist.
Nachteilig ist, dass bei sämtlichen obenstehenden bekannten Vorrichtungen für lange Laserbarren, insbesondere solche mit einer Chiplänge von 3,5 mm und darüber in Resonatorrichtung, auch als Langbarren bezeichnet, ein erhöhtes Ausfallrisiko besteht, da sich der thermische Kontakt des Laserbarrens zu den Wärmesenken im Bereich nahe der Lichtaustrittsfacetten der Laserbarren im Laufe der Zeit verschlechtern kann. Die Auswertung derartiger Ausfälle hat ergeben, dass das an einer mangelhaften mechanischen Stabilität der Verbindung beider Wärmesenken im vorderen Bereich liegen kann. Außerdem ist die Wärmeableitung vom vorderen Bereich des Laserbarrens insbesondere bei langen Barren selbst bei intakten Vorrichtungen suboptimal ausgeprägt.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung mit verbesserter Wärmeableitung nebst erhöhter Zuverlässigkeit zum Betreiben eines doppelseitig gekühlten lichtemittierenden Halbleiterbauelements bereitzustellen. Insbesondere soll die Vorrichtung zum Betreiben von Laserbarren hoher Leistung geeignet sein.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht eine verbesserte Wärmeableitung nebst erhöhter Zuverlässigkeit beim Betreiben eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements. Dadurch kann gleichfalls eine erhöhte Lichtausgangsleistung erreicht werden. Insbesondere ist die Vorrichtung zum Betreiben von langen Diodenlaserbarren geeignet.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Verwendung nach Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 2 und ein Verfahren nach Anspruch 14.
Beschreibung
Die Erfindung umfasst die nachfolgend ausgeführte Verwendung einer Vorrichtung zum Ableiten der Abwärme des lichtemittierenden Halbleiterbauelements. Die Vorrichtung umfasst:

a. ein Halbleiterbauelement mit wenigstens einer Lichtaustrittsfläche, wobei das Halbleiterbauelement auf einer ersten Seite wenigstens eine erste Kontaktfläche und auf einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite wenigstens eine zweite Kontaktfläche aufweist, wobei die Lichtaustrittsfläche oder die Lichtaustrittsflächen in einer Lichtaustrittsebene angeordnet sind,
b. einen ersten Wärmeleitkörper mit einer ersten Anschlussfläche und einer ersten Verbindungsfläche,
c. einen zweiten Wärmeleitkörper mit einer zweiten Anschlussfläche und einer zweiten Verbindungsfläche,
d. ein Verbindungselement.

Die Richtung der Zentralstrahlen der vom Halbleiterbauelement emittierten Strahlenbündel bzw. des Zentralstrahls des emittierten Strahlenbündels kann die z- Richtung sein. Die Lichtaustrittsebene kann senkrecht zu der Richtung der Zentralstrahlen definiert werden. Die Lichtaustrittsebene kann eine xy-Ebene sein.
Das Halbleiterbauelement ist derart zwischen dem ersten Wärmeleitkörper und dem zweiten Wärmeleitkörper angeordnet, dass die erste Kontaktfläche mit der ersten Anschlussfläche und die zweite Kontaktfläche mit der zweiten Anschlussfläche wärmeleitend verbunden sind. Der zweite Wärmeleitkörper ist an der zweiten Verbindungsfläche mit dem ersten Wärmeleitkörper an der ersten Verbindungsfläche mittels des Verbindungselements flächig verbunden. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen dem ersten Wärmeleitkörper und dem zweiten Wärmeleitkörper über das Verbindungselement wenigstens teilweise vor der Lichtaustrittsebene. Ein Wärmeaustausch vor der Lichtaustrittsebene kann bedeuten, dass dieser Wärmeaustausch im Halbraum positiver zRichtung bezüglich der Lichtaustrittsebene erfolgt. Selbstverständlich kann ein weiterer Wärmeaustausch hinter der Lichtaustrittsebene erfolgen. Vorteilhaft kann der Wärmeaustausch vor der Lichtaustrittsebene wenigstens 5%, besonders vorteilhaft wenigstens 10% des gesamten Wärmeaustauschs zwischen dem ersten Wärmeleitkörper und dem zweiten Wärmeleitkörper über das Verbindungselement betragen.
Die Erfindung umfasst die nachfolgend ausgeführte Vorrichtung zum Betreiben eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements. Die Vorrichtung umfasst:

a. das Halbleiterbauelement mit wenigstens einer Lichtaustrittsfläche, wobei das Halbleiterbauelement auf einer ersten Seite wenigstens eine erste Kontaktfläche und auf einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite wenigstens eine zweite Kontaktfläche aufweist, wobei die Lichtaustrittsfläche oder die Lichtaustrittsflächen in einer Lichtaustrittsebene angeordnet sind,
b. einen ersten Wärmeleitkörper mit einer ersten Anschlussfläche und einer ersten Verbindungsfläche,
c. einen zweiten Wärmeleitkörper mit einer zweiten Anschlussfläche und einer zweiten Verbindungsfläche,
d. ein Verbindungselement.

Das Halbleiterbauelement ist derart zwischen dem ersten Wärmeleitkörper und dem zweiten Wärmeleitkörper angeordnet, dass die erste Kontaktfläche mit der ersten Anschlussfläche und die zweite Kontaktfläche mit der zweiten Anschlussfläche wärmeleitend verbunden sind. Der zweite Wärmeleitkörper ist an der zweiten Verbindungsfläche mit dem ersten Wärmeleitkörper an der ersten Verbindungsfläche mittels des Verbindungselements flächig verbunden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erstrecken sich der erste Wärmeleitkörper, der zweite Wärmeleitkörper, die erste Verbindungsfläche, die zweiten Verbindungsfläche und das Verbindungselement bis vor die Lichtaustrittsebene. Die Vorwärtsrichtung kann durch die Richtung eines vom lichtemittierenden Halbleiterbauelement emittierten Strahlenbündels definiert sein, hier die z-Richtung. Die Erstreckung vor die Lichtaustrittsebene kann bedeuten, dass die Erstreckung im Halbraum positiver z-Richtung bezüglich der Lichtaustrittsebene liegt.
Vorteilhaft kann die erste Verbindungsfläche eine vor der Lichtaustrittsebene, d.h. im Halbraum positiver z-Richtung bezüglich der Lichtaustrittsebene, liegende erste Teilfläche aufweisen. Vorteilhaft kann die zweite Verbindungsfläche eine vor der Lichtaustrittsebene, d.h. im Halbraum positiver z-Richtung bezüglich der Lichtaustrittsebene, liegende zweite Teilfläche aufweisen.. Die vor der Lichtaustrittsebene liegende erste bzw. zweite Teilfläche der ersten bzw. zweiten Verbindungsfläche kann vorteilhaft wenigstens 5%, besonders vorteilhaft wenigstens 10% und ganz besonders vorteilhaft wenigstens 20% der ersten bzw. zweiten Verbindungsfläche betragen. Als Maß können die Flächeninhalte der ersten bzw. zweiten Teilfläche und der gesamten ersten bzw. zweiten Verbindungsfläche herangezogen werden. Damit kann der Vorteil einer effektiven Wärmeübertragung zwischen den Wärmeleitkörpern erreicht werden. Die erste Verbindungsfläche kann genauso groß sein wie die zweite Verbindungsfläche. Die erste Teilfläche der ersten Verbindungsfläche kann genauso groß sein wie die zweite Teilfläche der zweiten Verbindungsfläche. Das kann zwangsläufig so sein, wenn ein Klebspalt als dünnes Verbindungselement vorgesehen ist.
Der vor der Lichtaustrittsebene liegende Teil des Verbindungselements kann sich vorteilhaft um wenigstens die halbe Chiplänge, besonders vorteilhaft wenigstens die ganze Chiplänge vor die Lichtaustrittsebene erstrecken. Als Maß können die Längenausdehnung des Chip in z-Richtung und die Längenausdehnung in z-Richtung des in z-Richtung vor der Lichtaustrittsebene befindlichen Teils des Verbindungselements herangezogen werden. Damit kann der Vorteil einer zuverlässigeren mechanischen Verbindung zwischen den Wärmeleitkörpern erreicht werden.
Zwischen der ersten Kontaktfläche und der ersten Anschlussfläche und / oder zwischen der die zweiten Kontaktfläche und der zweiten Anschlussfläche kann eine erste bzw. eine zweite metallische oder halbmetallische Schicht, beispielsweise eine Lotschicht, oder eine Karbonschicht oder eine Kohlenstoffnanoröhrchen umfassende Schicht angeordnet sein. Die erste und/oder zweite metallische oder halbmetallische Schicht kann strukturiert ausgeführt sein, beispielsweise wie in DE102015002176A1 beschrieben, beispielsweise einer Noppenstruktur.
Das Verbindungselement kann vorteilhaft als eine Schicht eines verfestigten Fügemittels ausgebildet sein. Als Fügemittel kann beispielsweise ein Klebstoff verwendet werden. Besonders vorteilhaft kann eine flächige Verklebung mit einem Wärmeleitklebstoff als Verbindungselement verwendet werden. Zwischen dem Laserbarren und der Verbindungsfläche kann ein Abstand oder ein Trenngraben vorgesehen sein, um eine Benetzung des Laserbarrens mit Klebstoff zu vermeiden.
Das Verbindungselement kann alternativ als ein Keramikkörper, eine Keramikscheibe, eine Diamantscheibe, eine Polymerfolie, beispielsweise eine Polyimidfolie oder eine Silikonfolie, ausgebildet sein. Das Verbindungselement kann einseitig oder beidseitig klebend ausgestattet sein. Vorteilhaft kann ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit für das Verbindungselement sein.
Das Halbleiterbauelement kann zur Emission von Laserstrahlung vorgesehen sein. Das Halbleiterbauelement kann beispielsweise ein Laserbarren sein. Der Laserbarren kann in bekannter Weise als kantenemittierender Diodenlaserbarren ausgebildet sein und einen oder bevorzugt einen oder mehrere Emitter umfassen, welche in einer x-Richtung jeweils versetzt zueinander angeordnet sein können. Der Laserbarren kann bevorzugt in x-Richtung eine Breite zwischen 0,3 mm und 12 mm haben. Er kann bevorzugt 1 bis 49 Emitter aufweisen. Die Dicke des Laserbarrens kann in einer y-Richtung bevorzugt zwischen 0,05 mm und 0,2 mm betragen. Die Länge der Emitter des Laserbarrens in einer z-Richtung, d.h. die Chiplänge, kann bevorzugt zwischen 0,5 mm und 10 mm liegen. Die Chiplänge kann besonders vorteilhaft wenigstens 3,5mm betragen, weil die Erfindung ihre vorteilhafte Wirkung insbesondere bei Laserbarren mit derart langen Barren entfaltet. Die Richtung der Zentralstrahlen der emittierten Laserstrahlung kann die z-Richtung sein. Die emittierten Strahlenbündel können divergent sein. Zur Kollimation der Lichtstrahlung kann ein optisches Element, beispielsweise eine Zylinderlinse, vorgesehen sein. Das optische Element kann auf einer am ersten oder zweiten Wärmeleitkörper vorgesehenen Stufe befestigt sein. Die Richtungen x,y und z können jeweils rechtwinklig zueinander sein. Der Laserbarren kann eine bekannte epitaktisch hergestellte Schichtfolge als p-n-Übergang mit einem oder mehreren Quantengräben aufweisen. Die Epitaxieschicht kann erheblich dünner sein, als das Substrat. Die Epitaxieschicht kann beispielsweise zwischen 3µm und 20µm dick sein. Das Substrat kann beispielsweise zwischen 50µm und 200µm dick sein. Die einzelnen Emitter können bevorzugt als Breitstreifenemitter oder als Stegwellenleiter oder als Trapezlaser ausgebildet sein. Es können auch mehrere Schichtfolgen, d. h. mehrere elektrisch in Serie liegende p-n Übergänge vorhanden sein. Solche Barren werden auch als Nanostack bezeichnet. In diesem Fall können mehrere Emitter in y-Richtung übereinander gestapelt sein.
Die Facetten des Laserbarrens können mit Spiegeln versehen sein, beispielweise kann an der rückwärtigen Facette des Laserelements eine hochreflektierende Spiegelschicht angebracht sein und an der gegenüberliegenden austrittsseitigen Facette, welche die Austrittsapertur enthält, eine niedrig reflektierende Spiegelschicht mit einem Refelxionsgrad von beispielsweise 0,1% bis 10%. Die Spiegel können einen Laserresonator definieren, der einen Laserbetrieb ermöglicht. Der Laserbarren kann aber auch als Gewinnelement ausgebildet sein, welches erst im Zusammenwirken mit einem externen Resonator zum Laserbetrieb vorgesehen ist. Dabei kann beispielsweise eine wellenlängenabhängige Rückkopplung durch den externen Resonator vorgesehen sein, die zur Festlegung der Wellenlänge des Lasers dient. Auch ein solches elektrooptisches Gewinnelement ist als Laserbarren im Sinne der Erfindung zu verstehen.
Der Laserbarren kann durch einen elektrischen Strom gepumpt werden. Der Betriebsstrom kann beispielsweise 1A bis 1000A betragen. Zum Stromeintrag sind eine erste Kontaktfläche und eine zweite Kontaktfläche am Laserbarren vorgesehen. Die p seitige Kontaktfläche kann als erste Kontaktfläche bezeichnet werden. Die erste Kontaktfläche kann die Anode des Diodenlaserbarrens sein. Die n-seitige Kontaktfläche des Laserbarrens kann als zweite Kontaktfläche bezeichnet werden. Die zweite Kontaktfläche kann die Kathode des Laserbarrens sein. Die erste und die zweite Kontaktfläche können jeweils in einer xz-Ebene liegen. Die erste Kontaktfläche kann auf der Epitaxieseite des Laserbarrens, die als erste Seite bezeichnet werden kann, angeordnet sein, während die zweite Kontaktfläche auf der Substratseite des Laserbarrens, die als zweite Seite bezeichnet werden kann, angeordnet sein kann.
Der Laserbarren kann im Betrieb Abwärme entwickeln, welche abgeführt werden muss. Dazu ist ein erster Wärmeleitkörper mit einer ersten Anschlussfläche vorgesehen. Da sich der pn-Übergang des Diodenlasers in der Epitaxieschicht (d.h. nahe der ersten Seite) befinden kann und der überwiegende Teil der Abwärme im pn-Übergang entstehen kann, kann der erste Wärmeleitkörper bevorzugt an die erste Seite des Laserbarrens angeschlossen werden. Die erste Kontaktfläche kann elektrisch und thermisch mit der ersten Anschlussfläche verbunden werden und die zweite Kontaktfläche kann elektrisch und thermisch mit der zweiten Anschlussfläche verbunden werden.
Die erste Kontaktfläche kann beispielsweise eine Metallisierung sein, die äußere Schicht kann beispielsweise eine Goldschicht sein. Bevorzugt kann dabei eine galvanisch verstärkte Goldschicht mit einer Dicke bevorzugt größer als 0,5 µm, besonders bevorzugt zwischen 1 µm und 10 µm, verwendet werden. Die zweite Kontaktfläche kann als eine Kontaktfläche für alle Emitter ausgebildet sein. Sie kann aber auch aus mehreren einzelnen Teilflächen bestehen, beispielsweise eine Teilfläche für jeden Emitter. Die zweite Kontaktfläche kann beispielsweise eine Metallisierung sein, die äußere Schicht kann beispielsweise eine Goldschicht sein.
Es können auch mehrere Laserbarren vorhanden sein, die beispielsweise nebeneinander oder übereinander auf der ersten Wärmesenke angeordnet sein können.
Außerdem ist ein erster Wärmeleitkörper mit einer ersten Anschlussfläche vorgesehen. Der Wärmeleitkörper kann beispielsweise wenigstens zum Teil aus Kupfer, Aluminium oder aus einem Kupfer-Diamant Aluminium-Diamant oder Silber-Diamant-Verbundwerkstoff bestehen oder ein solches Material umfassen. Er kann beispielsweise als Kupferkörper mit einem Inlay aus einem Verbundwerkstoff ausgeführt sein. Er kann aber beispielsweise auch ganz aus Kupfer gefertigt sein. Der Wärmeleitkörper kann eine Metallisierung aufweisen, beispielsweise Ag/Au, oder Ni/Au oder Ti/Pt/Au, wobei die Goldschicht vorzugsweise außen vorgesehen sein kann. Die erste Anschlussfläche kann mit einer besonders guten Ebenheit ausgeführt sein, um hernach einen geringen smile-Wert (Abweichung der einzelnen Emitter von einer geraden Linie) zu erreichen. Es können noch weitere erste Anschlussflächen für weitere Laserbarren vorgesehen sein.
Außerdem ist wenigstens ein zweiter Wärmeleitkörper mit einer zweiten Anschlussfläche bereitgestellt. Der zweite Wärmeleitkörper kann zur elektrischen Kontaktierung des n-Kontakts des Laserbarrens und zur Wärmeableitung vorgesehen sein. Er kann aus einem elektrisch gut leitfähigen Material, beispielsweise wenigstens zum Teil aus Kupfer, Aluminium oder aus einem Kupfer-Diamant Aluminium-Diamant oder Silber-Diamant-Verbundwerkstoff bestehen oder ein solches Material umfassen. Er kann beispielsweise als Kupferkörper mit einem Inlay aus einem Verbundwerkstoff ausgeführt sein. Er kann aber beispielsweise auch ganz aus Kupfer gefertigt sein. Der zweite Wärmeleitkörper kann eine Metallisierung aufweisen, beispielsweise Ag/Au, oder Ni/Au oder Ti/Pt/Au, wobei die Goldschicht vorzugsweise außen vorgesehen angeordnet sein kann.
Der erste Wärmeleitkörper und der zweite Wärmeleitkörper können jeweils einstückig ausgeführt sein, um die Wärmeleitung nicht zu beeinträchtigen.
Das Verbindungselement kann elektrisch isolierend ausgebildet sein. Dadurch kann ein Kurzschluss zwischen den Wärmeleitkörpern vermieden werden. Der erste Wärmeleitkörper und der zweite Wärmeleitkörper können elektrisch leitend ausgebildet sein. Dann können die Wärmeleitkörper gleichzeitig zum elektrischen Kontaktieren des Halbleiterbauelements verwendet werden.
Der erste Wärmeleitkörper und/oder der zweite Wärmeleitkörper kann wenigstens eine vor der Lichtaustrittsebene angeordnete Ausnehmung aufweisen. Die Ausnehmung kann wenigstens teilweise für ein von dem Halbleiterbauelement emittiertes Strahlenbündel vorgesehen sein.
Die erste Verbindungsfläche kann eine zusammenhängende Fläche sein. Sie kann aber auch als nicht zusammenhängende Fläche ausgeführt sein, welche mehrere Teilflächen umfasst. Die zweite Verbindungsfläche kann eine zusammenhängende Fläche sein. Sie kann aber auch als nicht zusammenhängende Fläche ausgeführt sein, welche mehrere Teilflächen umfasst. Das Verbindungselement kann einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Für jede Teilfläche der ersten bzw. zweite Verbindungsfläche kann jeweils ein Teilelement des Verbindungselements vorgesehen sein.
Vorteilhaft können die erste und die zweite Verbindungsfläche als ebene Flächen ausgebildet sein. Vorteilhaft können die erste Anschlussfläche gegenüber der ersten Verbindungsfläche zurückgesetzt und/oder die zweite Anschlussfläche gegenüber der zweiten Verbindungsfläche zurückgesetzt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die erste Verbindungsfläche in einer ersten Ebene, z.B. einer xz-Ebene, liegen. Die erste Anschlussfläche kann ebenfalls in der ersten Ebene liegen. Dann können beide Flächen kostengünstig in einem gemeinsamen Planfräsvorgang hergestellt werden. Die zweite Verbindungsfläche kann in einer zweiten Ebene, z.B. einer xz-Ebene, liegen. Die zweite Anschlussfläche kann in einer anderen Ebene liegen, als die zweite Verbindungsfläche. Dazu kann der zweite Wärmeleitkörper eine Ausnehmung für das Halbleiterbauelement aufweisen. Infolge dieser Maßnahme kann das Verbindungselement dünner ausgebildet sein als das Halbleiterbauelement. Das bedeutet, dass das Verbindungselement in y Richtung eine kleinere Erstreckung in y Richtung aufweisen kann als das Halbleiterbauelement. Wenn das Verbindungselement dünn ausgebildet ist, kann ein besserer Wärmeübergang erreicht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die zweite Verbindungsfläche in einer zweiten Ebene, z.B. einer xz-Ebene, liegen. Die zweite Anschlussfläche kann ebenfalls in der zweiten Ebene liegen. Dann können beide Flächen kostengünstig in einem gemeinsamen Planfräsvorgang hergestellt werden. Die erste Verbindungsfläche kann in einer ersten Ebene, z.B. einer xz-Ebene, liegen. Die erste Anschlussfläche kann in einer anderen Ebene liegen, als die erste Verbindungsfläche. Dazu kann der erste Wärmeleitkörper eine Ausnehmung für das Halbleiterbauelement aufweisen. Infolge dieser Maßnahme kann das Verbindungselement vorteilhaft dünner ausgebildet sein als das Halbleiterbauelement.
Vorteilhaft kann wenigstens eine der Ausnehmungen in einer Strahlrichtung eine Erweiterung aufweist. Die Strahlrichtung kann die z-Richtung sein. Besonders vorteilhaft kann die erste Ausnehmung, d.h. die Ausnehmung im ersten Wärmeleitkörper eine Erweiterung aufweisen, während die zweite Ausnehmung nach oben, d.h. y-Richtung offen sein kann. Unter einer Erweiterung kann man einen sich in z-Richtung vergrößernden freien Querschnitt verstehen. Dadurch kann man verhindern, dass ein divergent verlaufendes Strahlenbündel, welches sich in z-Richtung aufweitet, abgeschattet wird. Die Erweiterung kann mit einer Schräge, d.h. einer geneigten Fläche, insbesondere einer gegenüber der xz Ebene geneigten Fläche, ausgeführt werden. Die Schräge kann in einer schrägen Ebene angeordnet sein, welche die Lichtaustrittsebene unterhalb der Lichtaustrittsfläche schneidet. „Unterhalb“ kann bedeuten „bei einer kleineren y-Koordinate“. Das kann man auch so verstehen, dass ein Randstrahl eines Strahlenbündels eine Reflexion an der Schräge erfahren kann. Zu diesem Zweck kann die Schräge mit einer reflektierenden Oberfläche versehen sein. Das kann beispielsweise den Vorteil haben, dass man die Leistung des Lasers auch dann messen kann, wenn noch kein optisches Element zur Kollimation der Strahlenbündel auf der Stufe montiert ist.
Die Vorrichtung kann mittels einer Schraube mit einem Schraubenkopf derart an einen Träger anschraubbar sein, dass der erste Wärmeleitkörper mit einer Befestigungsfläche an den Träger gedrückt wird. Die Befestigungsfläche kann in einer xz Ebene angeordnet sein. Der Träger kann als Kühlplatte, Kühlkörper, Gehäuseboden oder dergleichen ausgeführt sein. Vorteilhaft kann die Schraube am zweiten Wärmeleitkörper angesetzt sein. Alternativ kann die Schraube am ersten Wärmeleitkörper angesetzt sein, im letzteren Fall kann der zweite Wärmeleitkörper eine Ausnehmung zur Aufnahme des Schraubenkopfes aufweisen. Im letzteren Fall kann eine Schraubkrafteinwirkung auf den zweiten Wärmeleitkörper vermieden werden.
Der erste Wärmeleitkörper kann einen Kontaktklotz aufweisen, der sich bis über die erste Anschlussfläche erstreckt. Das kann bedeuten, dass der elektrische Anschluss des ersten Wärmeleitkörpers mittels des Kontaktklotzes nach oben, d.h. in y-Richtung, geführt sein kann.
Die Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Betreiben eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements. Das Verfahren umfasst:

a. Bereitstellen des Halbleiterbauelements mit wenigstens einer Lichtaustrittsfläche, wobei das Halbleiterbauelement auf einer ersten Seite wenigstens eine erste Kontaktfläche und auf einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite wenigstens eine zweite Kontaktfläche aufweist, wobei die Lichtaustrittsfläche oder die Lichtaustrittsflächen in einer Lichtaustrittsebene angeordnet sind,
b. Bereitstellen eines ersten Wärmeleitkörpers mit einer ersten Anschlussfläche und einer ersten Verbindungsfläche,
c. Bereitstellen eines zweiten Wärmeleitkörpers mit einer zweiten Anschlussfläche und einer zweiten Verbindungsfläche,
d. Anordnen des Halbleiterbauelements zwischen dem ersten Wärmeleitkörper und dem zweiten Wärmeleitkörper, wobei die erste Kontaktfläche mit der ersten Anschlussfläche und die zweite Kontaktfläche mit der zweiten Anschlussfläche wärmeleitend verbunden sind,
e. Auftragen eines Fügemittels auf die erste Verbindungsfläche und/oder die zweite Verbindungsfläche,
f. Verbinden der ersten Verbindungsfläche mit der zweiten Verbindungsfläche durch das Aushärten des Fügemittels, wobei das Verbinden wenigstens teilweise vor der Lichtaustrittsebene erfolgt.

Die Figuren zeigen Folgendes:

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel.
2 zeigt das erste Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht.
3 zeigt das erste Ausführungsbeispiel in einer Schnittdarstellung.
4 zeigt den ersten Wärmeleitkörper des ersten Ausführungsbeispiels.
5 zeigt den ersten Wärmeleitkörper des ersten Ausführungsbeispiels mit Kennzeichnung der Flächen.
6 zeigt ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement.
7 zeigt den ersten Wärmeleitkörper des ersten Ausführungsbeispiels mit einem Halbleiterbauelement.
8 zeigt den zweiten Wärmeleitkörper des ersten Ausführungsbeispiels.
9 zeigt den Zusammenbau der Vorrichtung.
10 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel.
11 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel in einer Schnittdarstellung.
12 zeigt den zweiten Wärmeleitkörper des zweiten Ausführungsbeispiels.
13 zeigt den Zusammenbau der Vorrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels.
14 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel.

Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen erläutert.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist die nachfolgend ausgeführte Vorrichtung 1 zum Betreiben eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements 2. Die Vorrichtung umfasst das Halbleiterbauelement 2, welches hier als kantenemittierender Laserbarren mit mehreren Lichtaustrittsflächen 3, auch als Emitter bezeichnet, ausgeführt ist. Dargestellt sind der erste Wärmeleitkörper 11, der zweite Wärmeleitkörper 18, und das Verbindungselement 21.
Das Halbleiterbauelement 2 ist zwischen dem ersten Wärmeleitkörper 11 und dem zweiten Wärmeleitkörper 18 angeordnet. Der zweite Wärmeleitkörper 18 mit dem ersten Wärmeleitkörper 11 an der ersten Verbindungsfläche 13 mittels des Verbindungselements 21 flächig verbunden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erstrecken sich der erste Wärmeleitkörper 11, der zweite Wärmeleitkörper 18, die erste Verbindungsfläche 13, die zweiten Verbindungsfläche 20 und das Verbindungselement 21 bis vor die Lichtaustrittsebene.
Der ersten Wärmeleitkörper 11 weist eine Ausnehmung auf, die in z Richtung eine Erweiterung aufweist. Dazu ist eine Schräge 15 vorgesehen.
Die zwei größeren Bohrungen sind zur Aufnahme von Befestigungsschrauben vorgesehen. Die kleinere Bohrung ist zum Anschrauben eine Kabels zum elektrischen Verbinden des zweiten Wärmeleitkörpers 18 vorgesehen.
2 zeigt das erste Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht. Die von den Emittern des Halbleiterbauelements, einem Laserbarren, ausgehenden Strahlenbündel 4.a, 4.b, 4.c usw. verlaufen in z-Richtung. Die Lichtaustrittsebene 7 ist eine xy-Ebene. In der Draufsicht ist der Laserbarren verdeckt.
3 zeigt das erste Ausführungsbeispiel in einer Schnittdarstellung. Die Strahlenbündel 4 sind divergent. Die Strahlrichtung eines divergenten Strahlenbündels kann bezüglich des Zentralstrahls 8 angegeben werden. Die Divergenz der Strahlenbündel kann optional mittels eines optischen Elementes, in der Figur nicht dargestellt, verringert werden, welches auf der Stufe 14 montiert werden kann. Das Verbindungselement 21 ist als Fügemittelspalt vorgesehen. Außerdem vorgesehen ist ein Abstandshalter 23, der zum Einstellen eines parallelen Fügemittelspalts dient. Die Befestigungsfläche 17 des ersten Wärmeleitkörpers 11 ist als Planfläche ausgeführt. Vor der Lichtaustrittsebene 7 sind eine erste Ausnehmung 10.a und eine zweite Ausnehmung 10.b vorgesehen, damit die Lichtbündel nicht abgeschattet werden. Die zweite Ausnehmung 10.b ist nach oben offen ausgeführt. Das kann das Montieren eines optischen Elements auf der Stufe 14 erleichtern.
4 zeigt den ersten Wärmeleitkörper des ersten Ausführungsbeispiels. Die obenliegende Fläche des ersten Wärmeleitkörpers 11 ist als Planfläche ausgeführt. Der ersten Wärmeleitkörper 11 weist eine erste Ausnehmung 10.a auf, die in z Richtung eine Erweiterung aufweist. Dazu ist eine Schräge 15 vorgesehen.
5 zeigt den ersten Wärmeleitkörper des ersten Ausführungsbeispiels mit Kennzeichnung der Flächen. Die erste Verbindungsfläche 13 ist als ebene Flächen ausgebildet. Sie weist einen vor der Lichtaustrittsebene liegenden Flächenanteil 13.a auf. Die erste Anschlussfläche 12 liegt in derselben ersten Ebene, wie die erste Verbindungsfläche 13, beide befinden sich auf der obenliegenden Fläche des ersten Wärmeleitkörpers 11.
6 zeigt ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement. Das lichtemittierende Halbleiterbauelement 2 ist als kantenemittierender Laserbarren ausgeführt. Die Lichtaustrittsflächen 3, auch als Emitter bezeichnet, sind in einer Lichtaustrittsebene 7 angeordnet. Das Halbleiterbauelement 2 weist auf einer ersten Seite eine erste Kontaktfläche 5 und auf einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite eine zweite Kontaktfläche 6 auf.
7 zeigt den ersten Wärmeleitkörper des ersten Ausführungsbeispiels mit einem Halbleiterbauelement.. Das lichtemittierende Halbleiterbauelement 2 ist mit der ersten erste Kontaktfläche auf der ersten erste Anschlussfläche 12 angeordnet.
8 zeigt den zweiten Wärmeleitkörper des ersten Ausführungsbeispiels.. Der zweite Wärmeleitkörper 18 ist hier bezüglich der Vorrichtung hochgeklappt dargestellt. Auf der Unterseite, welche in der Darstellung nach oben geklappt ist, befindet sich die zweite Anschlussfläche 19 Diese ist als ebene Fläche ausgebildet und gegenüber der ebenfalls als ebene Fläche ausgebildeten zweiten Verbindungsfläche 20 zurückgesetzt.
9 zeigt den Zusammenbau der Vorrichtung. Dazu wird ein viskoses Fügemittel 21, beispielsweise ein Wärmeleitklebstoff, welches hernach zum Verbindungselement aushärtet, auf eine der Verbindungsflächen 20 und/oder -nicht dargestellt- alternativ auf die erste Verbindungsfläche 13 aufgetragen.
Der zweite Wärmeleitkörper 18 wird nun so angeordnet, dass die zweite Anschlussfläche 19 mit der zweiten Kontaktfläche 6 verbunden wird und der zweite Wärmeleitkörper 18 an der zweiten Verbindungsfläche 20 mit dem ersten Wärmeleitkörper 11 an der ersten Verbindungsfläche 13 mittels des Verbindungselements 21 durch das Aushärten des Fügemittels flächig verbunden wird.
Wie in den vorgenannten Figuren zu sehen ist, erstrecken sich der erste Wärmeleitkörper 11, der zweite Wärmeleitkörper 18, die erste Verbindungsfläche 13, die zweiten Verbindungsfläche 20 und das Verbindungselement 21 bis vor die Lichtaustrittsebene 7.
10 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel. 11 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel in einer Schnittdarstellung. 12 zeigt den zweiten Wärmeleitkörper des zweiten Ausführungsbeispiels. 13 zeigt den Zusammenbau der Vorrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel erfolgt ist die Vorrichtung mittels einer Schraube -nicht dargestellt- mit einem Schraubenkopf derart an einen Träger 22 anschraubbar ist, dass der erste Wärmeleitkörper 11 mit einer Befestigungsfläche 17 an den Träger 22 gedrückt wird, wobei die Schraube am ersten Wärmeleitkörper 11 angesetzt ist und der zweite Wärmeleitkörper 18 eine Ausnehmung zur Aufnahme des Schraubenkopfes aufweist.
Außerdem ist die erste Anschlussfläche 12 gegenüber der ersten Verbindungsfläche 13 zurückgesetzt. Die zweite Anschlussfläche 19 liegt mit der zweiten Verbindungsfläche 20 in einer Ebene.
Die erste Verbindungsfläche 13 umfasst drei nicht zusammenhängende Teilflächen. Die zweite Verbindungsfläche 20 umfasst ebenfalls drei Teilflächen. Daher umfasst das das Verbindungselement 21 ebenfalls drei einzelne Teile.
11 zeigt eine besonders vorteilhafte Variante des zweiten Ausführungsbeispiels Hier ist eine Schräge 15 vorgesehen, die als eine ebene Fläche ausgebildet ist. Die Schräge 15 ist in einer schrägen Ebene 16 angeordnet ist, welche die Lichtaustrittsebene 7 unterhalb der Lichtaustrittsfläche 3 schneidet. Dadurch kann ein Randstrahl 9 des Strahlenbündels 4 eine Reflexion 25 erfahren.
14 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel.. Der erste Wärmeleitkörper 11 weist einen Kontaktklotz 24 auf, der sich bis über die erste Anschlussfläche 12 erstreckt. Dadurch kann man beide Wärmeleitkörper von oben elektrisch kontaktieren.
Bezugszeichenliste

1.	Vorrichtung zum Betreiben eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements
2.	Lichtemittierendes Halbleiterbauelement
3.	Lichtaustrittsfläche
4.	Strahlenbündel
	a.	Erstes Strahlenbündel
	b.	Zweites Strahlenbündel
	c.	Drittes Strahlenbündel
5.	Erste Kontaktfläche
6.	Zweite Kontaktfläche
7.	Lichtaustrittsebene
8.	Zentralstrahl
9.	Randstrahl
10.	Ausnehmung
	a.	Erste Ausnehmung
	b.	Zweite Ausnehmung
11.	Erster Wärmeleitkörper
12.	Erste Anschlussfläche
13.	Erste Verbindungsfläche
	a.	Erste Verbindungsfläche - Flächenanteil vor der Lichtaustrittsebene
14.	Stufe
15.	Schräge
16.	Ebene der Schräge
17.	Befestigungsfläche
18.	Zweiter Wärmeleitkörper
19.	Zweite Anschlussfläche
20.	Zweite Verbindungsfläche
21.	Verbindungselement
22.	Träger
23.	Abstandshalter
24.	Kontaktklotz
25.	Reflexion

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015002176 [0002]
WO 201844706 A [0003]
US 20160218482 A [0003]
US 20180069377 A [0003]
WO 2015153183 A [0003]
DE 102014012855 [0004]
DE 102014000510 [0004]
DE 102012025495 [0004]
DE 102009040835 [0004]
DE 102008051081 [0004]
DE 102008036439 [0004]
DE 102008027468 [0004]
DE 102008026229 [0004]
WO 2013033265 A [0005]
US 8483249 B [0005]
US 20090185593 A [0005]
US 20060029117 A [0005]
US 4393393 A [0005]
DE 102015002176 A1 [0017]

Claims

Verwendung einer Vorrichtung (1) umfassend a. ein Halbleiterbauelement (2) mit wenigstens einer Lichtaustrittsfläche (3), wobei das Halbleiterbauelement (2) auf einer ersten Seite wenigstens eine erste Kontaktfläche (5) und auf einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite wenigstens eine zweite Kontaktfläche (6) aufweist, wobei die Lichtaustrittsfläche (3) oder die Lichtaustrittsflächen in einer Lichtaustrittsebene (7) angeordnet sind, b. einen ersten Wärmeleitkörper (11) mit einer ersten Anschlussfläche (12) und einer ersten Verbindungsfläche (13), c. einen zweiten Wärmeleitkörper (18) mit einer zweiten Anschlussfläche (19) und einer zweiten Verbindungsfläche (20), d. ein Verbindungselement (21), wobei das Halbleiterbauelement (2) derart zwischen dem ersten Wärmeleitkörper (11) und dem zweiten Wärmeleitkörper (18) angeordnet ist, dass die erste Kontaktfläche (5) mit der ersten Anschlussfläche (12) und die zweite Kontaktfläche (6) mit der zweiten Anschlussfläche (19) wärmeleitend verbunden sind, und der zweite Wärmeleitkörper (18) an der zweiten Verbindungsfläche (20) mit dem ersten Wärmeleitkörper (11) an der ersten Verbindungsfläche (13) mittels des Verbindungselements (21) flächig verbunden ist, zum Ableiten der Abwärme des lichtemittierenden Halbleiterbauelements (2), wobei ein Wärmeaustausch zwischen dem ersten Wärmeleitkörper (11) und dem zweiten Wärmeleitkörper (18) über das Verbindungselement (21) wenigstens teilweise vor der Lichtaustrittsebene (7) erfolgt.
Vorrichtung (1) zum Betreiben eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements (2) umfassend a. das Halbleiterbauelement (2) mit wenigstens einer Lichtaustrittsfläche (3), wobei das Halbleiterbauelement (2) auf einer ersten Seite wenigstens eine erste Kontaktfläche (5) und auf einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite wenigstens eine zweite Kontaktfläche (6) aufweist, wobei die Lichtaustrittsfläche (3) oder die Lichtaustrittsflächen in einer Lichtaustrittsebene (7) angeordnet sind, b. einen ersten Wärmeleitkörper (11) mit einer ersten Anschlussfläche (12) und einer ersten Verbindungsfläche (13), c. einen zweiten Wärmeleitkörper (18) mit einer zweiten Anschlussfläche (19) und einer zweiten Verbindungsfläche (20), d. ein Verbindungselement (21), wobei das Halbleiterbauelement (2) derart zwischen dem ersten Wärmeleitkörper (11) und dem zweiten Wärmeleitkörper (18) angeordnet ist, dass die erste Kontaktfläche (5) mit der ersten Anschlussfläche (12) und die zweite Kontaktfläche (6) mit der zweiten Anschlussfläche (19) wärmeleitend verbunden sind, und der zweite Wärmeleitkörper (18) an der zweiten Verbindungsfläche (20) mit dem ersten Wärmeleitkörper (11) an der ersten Verbindungsfläche (13) mittels des Verbindungselements (21) flächig verbunden ist wobei sich der erste Wärmeleitkörper (11), der zweite Wärmeleitkörper (18), die erste Verbindungsfläche (13), die zweiten Verbindungsfläche (20) und das Verbindungselement (21) bis vor die Lichtaustrittsebene (7) erstrecken.
Verwendung oder Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (21) als eine Schicht eines verfestigten Fügemittels ausgebildet ist.
Verwendung oder Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (2) als Laserbarren mit einer Chiplänge von wenigstens 3,5mm ausgebildet ist.
Verwendung oder Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmeleitkörper (11) und/oder der zweite Wärmeleitkörper (18) wenigstens eine vor der Lichtaustrittsebene (7) angeordnete Ausnehmung (10, 10.a, 10.b) aufweisen und die Ausnehmung (10, 10.a, 10.b) wenigstens teilweise für ein von dem Halbleiterbauelement (2) emittiertes Strahlenbündel (4) vorgesehen ist.
Verwendung oder Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Ausnehmungen (10, 10.a, 10.b) in einer Strahlrichtung eine Erweiterung aufweist.
Verwendung oder Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Ausnehmungen (10, 10.a, 10.b) in einer Strahlrichtung eine Erweiterung aufweist, welche als eine Schräge (15) ausgebildet ist und die Schräge (15) in einer schrägen Ebene (16) angeordnet ist, welche die Lichtaustrittsebene (7) unterhalb der Lichtaustrittsfläche (3) schneidet.
Verwendung oder Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (21) elektrisch isolierend ausgebildet ist und dass der erste Wärmeleitkörper (11) und der zweite Wärmeleitkörper (18) elektrisch leitend ausgebildet sind.
Verwendung oder Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (21) dünner ausgebildet ist als das Halbleiterbauelement (2).
Verwendung oder Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mittels einer Schraube mit einem Schraubenkopf derart an einen Träger (22) anschraubbar ist, dass der erste Wärmeleitkörper (11) mit einer Befestigungsfläche (17) an den Träger (22) gedrückt wird, wobei a. die Schraube am zweiten Wärmeleitkörper (18) angesetzt ist oder b. die Schraube am ersten Wärmeleitkörper (11) angesetzt ist und der zweite Wärmeleitkörper (18) eine Ausnehmung zur Aufnahme des Schraubenkopfes aufweist.
Verwendung oder Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (13) und die zweite Verbindungsfläche (20) als ebene Flächen ausgebildet sind
Verwendung oder Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anschlussfläche (12) gegenüber der ersten Verbindungsfläche (13) zurückgesetzt ist und/oder dass die zweite Anschlussfläche (19) gegenüber der zweiten Verbindungsfläche (20) zurückgesetzt ist.
Verwendung oder Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmeleitkörper (11) einen Kontaktklotz (24) aufweist, der sich bis über die erste Anschlussfläche (12) erstreckt.
Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung (1) zum Betreiben eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements (2), umfassend a. Bereitstellen des Halbleiterbauelements (2) mit wenigstens einer Lichtaustrittsfläche (3), wobei das Halbleiterbauelement (2) auf einer ersten Seite wenigstens eine erste Kontaktfläche (5) und auf einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite wenigstens eine zweite Kontaktfläche (6) aufweist, wobei die Lichtaustrittsfläche (3) oder die Lichtaustrittsflächen in einer Lichtaustrittsebene (7) angeordnet sind, b. Bereitstellen eines ersten Wärmeleitkörpers (11) mit einer ersten Anschlussfläche (12) und einer ersten Verbindungsfläche (13), c. Bereitstellen eines zweiten Wärmeleitkörpers (18) mit einer zweiten Anschlussfläche (19) und einer zweiten Verbindungsfläche (20), d. Anordnen des Halbleiterbauelements (2) zwischen dem ersten Wärmeleitkörper (11) und dem zweiten Wärmeleitkörper (18), wobei die erste Kontaktfläche (5) mit der ersten Anschlussfläche (12) und die zweite Kontaktfläche (6) mit der zweiten Anschlussfläche (19) wärmeleitend verbunden sind, e. Auftragen eines Fügemittels auf die erste Verbindungsfläche (13) und/oder die zweite Verbindungsfläche (20), f. Verbinden der ersten Verbindungsfläche (13) mit der zweiten Verbindungsfläche (20) durch das Aushärten des Fügemittels, wobei das Verbinden wenigstens teilweise vor der Lichtaustrittsebene (7) erfolgt.