DE19734484B4

DE19734484B4 - Verfahren zum Anbringen von Laserdioden an einem Träger und Laserdiodenstapel

Info

Publication number: DE19734484B4
Application number: DE19734484A
Authority: DE
Inventors: Ghassem Dipl.-Ing. Azdasht; Martin Lange; Clemens Dipl.-Ing. Rüthnick
Original assignee: Pac Tech Packaging Technologies GmbH
Current assignee: Pac Tech Packaging Technologies GmbH
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1997-08-08
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2017-08-09
Also published as: DE19734484A1

Abstract

Verfahren zum Anbringen einer Laserdiode (16, 18) an einem mit einem Kühlkanal (14; 14'; 22) versehenen Kühlkörper (10; 10'; 24), mit folgenden Schritten:
Anlegen der Laserdiode an den Kühlkörper über einer an die Oberfläche des Kühlkörpers (10; 10'; 24) reichende Öffnung des Kühlkanals (14; 14'; 22), derart, daß voneinander beabstandete Bereiche der Laserdiode (16, 18) auf zumindest zwei gegenüberliegenden Seiten der Öffnung angeordnet sind; und
Zuführen eines flüssigen Mediums durch den Kühlkanal (14; 14'; 22) zur Herstellung einer mechanischen und elektrisch leitenden Verbindung der voneinander beabstandeten Bereiche der Laserdiode (16, 18) mit dem Kühlkörper (10; 10'; 24).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anbringen von Laserdioden auf einem Träger und einen Laserdiodenstapel, der unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird.
Zum Anbringen einer Laserdiode auf einem Kupferträger ist es nicht möglich, die Laserdiode direkt flächig mit beispielsweise einem Kupferträger zu verbinden, da die Laserdiode und der Träger unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen und folglich zu große thermische Belastungen für die Laserdiode entstehen. Es ist daher in der Technik bekannt, zunächst eine Diamantschicht auf einen Kupferträger aufzulöten und danach die Laserdiode auf die Diamantschicht zu löten. Diamant weist im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Laserdiode auf, weshalb das Vorsehen der Diamantschicht zwischen der Laserdiode und dem Träger die thermischen Belastungen, die auf die Laserdiode ausgeübt werden, reduziert. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch der durch die Diamantschicht bedingte hohe Aufwand desselben.

Die US 4 592 059 beschreibt eine Laserdiodenanordnung, bei der eine Laserdiode über einer Rille, die in einer Wärmesenke gebildet ist, angeordnet ist. Die Rille ist derart ausgebildet, daß von der Laserdiode abgestrahlte Laserstrahlung nicht auf das Material der Wärmesenke trifft.

In der DE 43 15 581 A1 ist eine Schichtstruktur offenbart, die zumindest eine mit einem Kühlsystem versehene Laserdiode definiert, wobei in der Schichtstruktur Kanäle vorgesehen sind, über die ein Kühlmedium zum Kühlen der zumindest einen Laserdiode zugeführt werden kann.

In der DE 42 35 019 C1 sind Verfahren zur Leiterplattenherstellung, Montageverfahren und Kontaktierungsverfahren beschrieben, bei denen eine stromlose Metallabscheidung in einem chemischen Metallisierungsbad verwendet wird, um gleichzeitig eine Kontaktierung und den Aufbau von metallischen Leiterbahnen realisieren zu können.

Die DE 42 34 342 A1 beschreibt Verfahren zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung unter Verwendung eines Laserdiodenarrays, bei dem eine Mehrzahl von mit Wärmesenken versehenen Laserdioden aufeinander gestapelt ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein wenig aufwendiges Verfahren zum Anbringen einer Laserdiode an einem Träger, wobei die Laserdiode nur geringen mechanischen Spannungen unterworfen wird, sowie einen durch ein solches Verfahren hergestellten Laserdiodenstapel zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einen Laserdiodenstapel nach Anspruch 6 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Anbringen einer Laserdiode an einem mit einem Kühlkanal versehenen Kühlkörper, bei dem zunächst die Laserdiode an den Kühlkörper über einer an die Oberfläche des Kühlkörpers reichende Öffnung des Kühlkanals derart angelegt wird, daß voneinander beabstandete Bereiche der Laserdiode auf zumindest zwei gegenüberliegenden Seiten der Öffnung angeordnet sind. Dann wird ein flüssiges Medium durch den Kühlkanal zugeführt, um die voneinander beabstandeten Bereiche der Laserdiode mit dem Kühlkörper mechanisch und elektrisch leitend zu verbinden.

Vorzugsweise werden gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung die beabstandeten Bereiche der Laserdiode mit den die Öffnung des Kühlkanals umgebenden Bereichen des Kühlkörpers verbunden, indem ein flüssiges Medium durch den Kühlkanal geleitet wird, um eine leitende Verbindung der Laserdiode und des Kühlkörpers zu bewirken.

Erfindungsgemäß kann diese leitende Verbindung der Laserdiode und des Kühlkörpers durch das vorherige Anbringen von Lotdepots zwischen der Laserdiode und dem Kühlkörper und das Zuführen eines flüssigen Mediums, um die Lotdepots zu schmelzen, durch eine galvanische Abscheidung mittels eines durch die Kühlkanäle zugeführten Elektrolyts sowie durch die chemische Abscheidung mittels einer durch die Kühlkanäle zugeführten Flüssigkeit erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das Anbringen einer Laserdiode beispielsweise an einem Kupferkühlkörper, wobei nur in einem schmalen Bereich am Rand der üblicherweise länglich ausgebildeten Laserdiode eine Kontaktstelle zu dem Kühlkörper vorliegt. Dadurch ist ein Ausgleich einer thermischen Belastung in den kleinen Verbindungsflächen zwischen der Laserdiode und dem Kühlkörper möglich. Somit wird die Laserdiode nur geringen mechanischen Spannungen unterworfen.

Ferner ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren das Anbringen der Laserdiode an dem Kühlkörper mittels einer galvanischen oder chemischen Abscheidung, wobei bei diesen verfahren keine erhöhte Temperatur verwendet wird, die mechanische Spannungen in der Laserdiode erzeugen könnten.

Es ist in der Technik üblich, zur Kühlung von Laserdioden Wärmesenken zu verwenden, auf denen die Laserdioden angeordnet sind. Um eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten, müssen derartige Wärmesenken, die beispielsweise aus Kupfer bestehen, eine ausreichende Größe aufweisen, wobei dieselben häufig mit Rippen, die einen sperrigen Aufbau der Wärmesenken bewirken.

Die erfindungsgemäßen Verfahren ermöglichen das Anbringen von Laserdioden direkt über einer Öffnung eines speziell konstruierten Mikrokühlers, so daß die Kühlung der Laserdioden nicht über eine Wärmesenke, sondern durch einen direkten Kontakt mit dem Kühlmedium erfolgt. Die direkte Kühlung über das Kühlmedium erlaubt eine Konstruktionsform, die einen wesentlich geringeren Aufwand bei der Fertigung des Kühlkörpers sowie deutlich kleinere Abmessungen desselben ermöglicht.

Weiterbildungen der vorliegenden Anmeldung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht einer mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem Kühlkörper angebrachten Laserdiode;

2 eine schematische Seitenansicht von zwei mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf zwei gegenüberliegenden Seiten eines Kühlkörpers angebrachten Laserdioden;

3 eine Draufsicht eines Kühlkörpers mit einer auf demselben angebrachten Laserdiode;

4 eine schematische Vorderansicht des in 3 dargestellten Kühlkörpers mit aufgebrachter Laserdiode;

5 und 6 schematische Seitenansichten von jeweils zwei mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem Kühlkörper angebrachten Laserdioden;

7 eine Darstellung, die Abmessungen einer erfindungsgemäßen Laserdioden-Träger-Anordnung veranschaulicht; und

8 einen Laserdiodenstapel, zu dessen Herstellung das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird.

Die 1 und 2 zeigen Strukturen, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden können, bezie hungsweise die eine erfindungsgemäße Laserdioden-Träger-Struktur darstellen. Auf einem Kühlkörper 10, der mit Zuleitungen 12 für ein Kühl- bzw. Kontaktierungs-Medium sowie einem Kühlkanal 14 versehen ist, ist über einer Öffnung des Kühlkanals 14 eine Laserdiode 16 angebracht. Zum Anbringen dieser Laserdiode auf der Öffnung des Kühlkanals wurde dabei entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ein flüssiges Medium durch die Zuleitung 12 sowie den Kühlkanal 14 zugeführt, um eine leitende Verbindung zwischen der Laserdiode 16 und dem Kühlkörper 10 zu bewirken. Bei der in 2 dargestellten Anordnung sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet. Bei dieser Anordnung sind zwei Laserdioden 16, 18 gegenüberliegend jeweils auf einer Öffnung eines Kühlkanals 14', der in einem Kühlkörper 10' gebildet ist, gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung angebracht.
3 zeigt eine Draufsicht der in 1 gezeigten Anordnung, während 4 eine Vorderansicht der in 1 gezeigten Anordnung darstellt. Die Zuleitungen 12 für das Kühl- bzw. Kontaktierungs-Medium sowie der Kühlkanal 14 sind in den 3 und 4 gestrichelt dargestellt, da diese an sich in den Figuren durch den Kühlkörper 10 bzw. die Laserdiode 16 verdeckt sind.
Eine Möglichkeit, die Laserdiode erfindungsgemäß über einer Öffnung des Kühlkanals auf dem Mikrokühler anzubringen, besteht darin, auf dem Mikrokühler am Rand des Kühlkanals Lotdepots (Au/AuSn/PbSn) aufzubringen, auf denen die Laserdiode fixiert wird. Die Einbringung der zur Kontaktierung erforderlichen Wärmemenge erfolgt bei diesem Verfahren durch ein flüssiges Medium, das durch die in dem Mikrokühler vorgesehenen Kühlkanäle sowie die Zuleitungen für das Kühl- bzw. Kontaktierungs-Medium geleitet wird. Der Vorteil dieses Verfahrens ist eine definierte Wärmezufuhr mit schnellen Aufheiz- bzw. Abkühlgeschwindigkeiten, eine sogenannte Impulsheizung. Dazu können sowohl aktive Medien, beispielsweise ein Flußmittel, als auch passive Medium, beispielsweise Öl oder Glycerin, verwendet werden. Das oben genannte Aufbringen der Lotdepots nicht notwendig, wenn die Laserdiode vorverzinnt ist.
5 zeigt eine Anordnung, bei der zwei Laserdioden 16, 18 mittels des obigen Verfahrens an einem mit Zuleitungen 20 und einem Kühlkanal 22 versehenen Kühlkörper 24 befestigt sind. Die durch das heiße Medium aufgeschmolzenen Lotdepots 26 sind in 5 als geschwärzte Bereiche dargestellt.
Eine weitere Möglichkeit, Laserdioden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren an einem Kühlkörper zu befestigen, besteht darin, ein Elektrolyt durch die Zuleitungen und den Kühlkanal zu leiten, und nachfolgend durch das Anlegen einer Spannung eine galvanische Abscheidung eines leitenden Metalls, beispielsweise Au, Cu, Ni, an der Verbindungsstelle Laserdiode/Kühlkörper zu bewirken. Dabei dient der vorzugsweise aus Kupfer (Cu) bestehende Kühlkörper als Kathode.
Ferner ist es möglich, eine Flüssigkeit durch die Zuleitungen in den Kühlkanal zu leiten, die eine chemische Abscheidung eines leitenden Materials bewirkt, um eine Laserdiode über einer Öffnung eines Kühlkanals anzubringen. Der Vorteil der beiden letztgenannten erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, daß die Laserdiode während des Kontaktierungsprozesses einer geringen Wärmebelastung ausgesetzt ist.
6 zeigt eine Anordnung, bei der zwei Laserdioden 16, 18 mittels eines der beiden letztgenannten Verfahren an einem mit Zuleitungen 20 und einem Kühlkanal 22 versehenen Kühlkörper 24 befestigt wurden. Mit dem Bezugszeichen 28 sind die durch die galvanische bzw. die chemische Abscheidung gebildeten Verbindungen zwischen den Laserdioden 16 und 18 und dem Kühlkörper 24 dargestellt.
Wie den 5 und 6 zu entnehmen ist, sind die Laserdioden 16 und 18 jeweils über Öffnungen des Kühlkanals 22 in Einbuchtungen des Kühlkörpers 24 angebracht. Dadurch ist es möglich, daß durch die Laserdioden 16 und 18 und den Kühlkörper 24 eine glatte Oberfläche gebildet wird.
7 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung der Größenabmessungen eines Kühlkörpers mit daran angebrachten Laserdioden. Die Laserdioden 16 und 18 weisen beispielsweise eine Breite von 0,6 mm und eine Höhe von 0,3 mm auf. Der Kühlkanal 22 weist eine Breite von 0,5 mm auf. Die Beabstandung der voneinander abgewandten Oberflächen der Laserdioden 16 und 18 beträgt 1,5 mm. Die Länge eines Laserdiodenbalkens, der am besten in 3 zu sehen ist, beträgt üblicherweise beinahe 10 cm. Somit hat die Laserdiode auf einer Fläche von etwa 2·100 μm·10 cm Kontakt mit dem Kühlkörper, während bei herkömmlichen Verfahren zum Anbringen einer Laserdiode an einem Kühlkörper die gesamte Oberfläche der Laserdiode, d.h. 0,6mm·10 cm, einen Kontakt zu dem Kühlkörper, der üblicherweise aus Kupfer besteht aufweist.
8 zeigt einen Stapel von mehreren mit Laserdioden 16 und 18 versehenen Kühlkörpern 24. Wie in 8 zu sehen ist, kann dadurch, daß die Laserdioden jeweils in Ausnehmungen des Kühlkörpers 24 angebracht sind, ein kompakter Kühlkörperstapel gebildet werden. Ferner sind, wie in 8 gezeigt ist, die Zuleitungen 20 für das Kühl- bzw. Kontaktierungs-Medium der einzelnen Kühlkörper 24 derart angeordnet, daß dieselben fluidmäßig verbunden sind.

Claims

Verfahren zum Anbringen einer Laserdiode (16, 18) an einem mit einem Kühlkanal (14; 14'; 22) versehenen Kühlkörper (10; 10'; 24), mit folgenden Schritten: Anlegen der Laserdiode an den Kühlkörper über einer an die Oberfläche des Kühlkörpers (10; 10'; 24) reichende Öffnung des Kühlkanals (14; 14'; 22), derart, daß voneinander beabstandete Bereiche der Laserdiode (16, 18) auf zumindest zwei gegenüberliegenden Seiten der Öffnung angeordnet sind; und Zuführen eines flüssigen Mediums durch den Kühlkanal (14; 14'; 22) zur Herstellung einer mechanischen und elektrisch leitenden Verbindung der voneinander beabstandeten Bereiche der Laserdiode (16, 18) mit dem Kühlkörper (10; 10'; 24).
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Kühlkörper ferner mit Zuleitungen (12; 20) versehen ist, die mit dem Kühlkanal (14; 14'; 22) fluidmäßig verbunden sind, wobei das flüssige Medium ferner durch die Zuleitungen dem Kühlkanal zugeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem beim Schritt des Zuführens eines flüssigen Mediums ein derart erwärmtes flüssiges Medium zugeführt wird, daß im Bereich der Verbindungsstellen der Laserdiode (16, 18) und des Kühlkörpers (10; 10'; 24) angeordnete Lotdepots (26) geschmolzen werden, die die Laserdiode (16, 18) leitend mit dem Kühlkörper (10; 10'; 24) verbinden.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Elektrolyt durch den Kühlkanal (14; 14'; 22) zugeführt wird, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Anlegens einer Spannung an den als Kathode dienenden Kühlkörper (10; 10'; 24) aufweist, um eine galvanische Abscheidung an der Verbindungsstelle zwischen dem Kühlkörper und der Laserdiode (16, 18) zu bewirken.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Flüssigkeit durch den Kühlkanal (14; 14'; 22) zugeführt wird, die eine chemische Abscheidung eines leitenden Metalls an der Verbindungsstelle zwischen dem Kühlkörper (10; 10'; 24) und der Laserdiode (16, 18) bewirkt.
Laserdiodenstapel bestehend aus einer Mehrzahl von jeweils an Hauptoberflächen derselben miteinander verbundenen Kühlkörpern (24), wobei an jedem Kühlkörper (24) zwei Laserdioden (16, 18) nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 angebracht sind, wobei die Laserdioden jeweils derart an dem Kühlkörper angebracht sind, daß dieselben eine mit den verbundenen Hauptoberflächen des Kühlkörpers im wesentlichen ebene Oberfläche bilden.
Laserdiodenstapel gemäß Anspruch 6, bei dem die Kühlkanäle (22) der einzelnen Kühlkörper eine fluidmäßige Verbindung aufweisen.