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Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Baugruppe mit einer Wärmesenke für ein optoelektronisches Bauelement.
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Die beim Betrieb von optoelektronischen Bauelementen, wie Sensoren und Emittern, auftretenden Verlustleistungen können je nach Funktionsprinzip zu einer erheblichen Erwärmung der Bauelemente führen. Wird mit Sensoren energiereiche Strahlung erfasst, kann auch diese Strahlung eine übermäßige Erwärmung der Sensoren zur Folge haben. Die übermäßige Erwärmung führt bei Emittern zu sinkender Effizienz und verkürzter Lebensdauer. Bei Sensoren verschlechtert sich häufig die Qualität der Signalerfassung durch den bei höheren Temperaturen abnehmenden Signal-Rausch-Abstand. Um diesen Effekten entgegenzuwirken, werden optoelektronisch arbeitende Bauelemente in der Regel gekühlt, indem sie mit entsprechend dimensionierten Kühlkörpern als Wärmesenken in Kontakt gebracht werden.
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Für eine effiziente Kühlung ist ein guter Wärmeübergang vom Bauelement zur Wärmesenke und eine große Konvektionsoberfläche der Wärmesenke zum Ableiten der Wärme an die Umgebungsluft erforderlich. Als Wärmesenken für elektronische Bauelemente haben sich metallische Kühlkörper, meist aus Aluminium, bewährt, die mit den Bauelementen in Kontakt stehen und üblicherweise über großflächige Kühlrippen die Wärme durch Konvektion an die umgebende Luft abgeben.
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Der Anspruch der Miniaturisierung von Schaltungen, beispielsweise für die Verwendung in mobilen Endgeräten, grenzt den Bauraum für Kühlkörper stark ein. Hinzu kommt, dass bei den auf Platinen aufgenommenen Bauelementen in der Regel nur die von der Bestückungsseite der Platine her zugängliche Oberfläche der Bauelemente für die Kühlung zur Verfügung steht. Um eine ausreichende Kühlung dieser Bauelemente zu erreichen, ist eine spezielle Anpassung der Wärmesenke an die Einsatzbedingungen erforderlich.
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Eine derartige Wärmesenke ist in der Offenlegungsschrift
EP 2 426 711 A2 beschrieben. Sie ist für die Kühlung eines auf einer Platine aufgelöteten integrierten Schaltkreises (engl.: integrated circuit = IC) unter beengten Platzverhältnissen in mobilen Endgeräten optimiert.
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In einer beschriebenen Ausführung besteht der Kühlkörper aus einer Platte aus einem metallischen Werkstoff. Wegen des sich von der Platinenoberfläche abhebenden IC-Gehäuses ist eine an die Grundrissform und die Höhe des IC-Gehäuses angepasste Vertiefung in die Mitte der Platte eingebracht. Durch diese Vertiefung bzw. Erhöhung auf der gegenüberliegenden Seite der Platte vergrößert sich die Kontaktfläche zum IC und die Konvektionsoberfläche des Kühlkörpers. Weiterhin wird die Kontaktfläche des Kühlkörpers auf einen den IC umgebenden Bereich der Platine erweitert, sodass beim Ankleben des Kühlkörpers mittels wärmeleitendem Klebstoff oder Klebepad sowohl die höhere Festigkeit der Klebeverbindung als auch eine größere Fläche für den Wärmeübergang erreicht werden kann. Eine Ausrichtung des IC zum Kühlkörper oder zu weiteren Komponenten ist nicht erforderlich.
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Optoelektronische Bauelemente, z. B. Sensoren oder Emitter, verfügen wegen der Strahlung empfangenden oder Strahlung emittierenden Oberfläche auf einer der Platinenoberfläche abgewandten Seite über keine großen Anlageflächen für Kühlkörper. Da diese Flächen für den Durchtritt der Strahlung benötigt werden, sind andere Lösungen erforderlich, um die Wärme in ausreichendem Maß abzuführen.
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Bei einem in der Patentschrift
DE 11 2006 002 383 B4 offenbarten Kamerasystem wird eintreffende Strahlung von einer optischen Anordnung auf einen IR-Sensor fokussiert.
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Der IR-Sensor ist in einer Halterung aufgenommen, mit der er thermisch und mechanisch in Verbindung mit einem hinteren thermischen Ausgleichselement steht, an dem er mit seiner Rückseite anliegt. Das hintere thermische Ausgleichselement ist thermisch und mechanisch mit einem vorderen thermischen Ausgleichselement verbunden, sodass sie den IR-Sensor umschließend angeordnet sind. Im vorderen thermischen Ausgleichselement ist die optische Anordnung aufgenommen, sodass eine Strahlung durch die optische Anordnung auf den IR-Sensor treffen kann. Das hintere und das vordere thermische Ausgleichselement sind plattenförmige Elemente, die speziell für die Aufnahme des IR-Sensors und der optischen Anordnung ausgeformt sind. Die verbundenen thermischen Ausgleichselemente bilden zusammen eine thermische Ausgleichereinrichtung, die zur schnellen Kompensation von Temperaturgradienten zwischen dem IR-Sensor und der optischen Anordnung verwendet wird.
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Die thermische Ausgleichereinrichtung ist thermisch isoliert im Kamerasystem aufgenommen. Dadurch wird die Wärmeableitung von der thermischen Ausgleichereinrichtung zum Kameragehäuse verhindert, sodass die thermische Ausgleichereinrichtung vor Temperaturänderung geschützt ist.
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Die in der zuvor genannten Schrift offenbarte Lösung für die Aufnahme und Ausrichtung des optoelektronischen Bauelements zur optischen Anordnung erfordert speziell zueinander ausgeformte thermische Ausgleichselemente, bei denen zur Anbindung des optoelektronischen Bauelements und zur Verbindung der thermischen Ausgleichselemente untereinander eine entsprechende Anzahl an Verbindungsmitteln vorzusehen sind. Dadurch werden die thermischen Ausgleichselemente in der Fertigung aufwändig und teuer.
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Gegenüber der zuvor genannten Schrift und aus den einleitend genannten Gründen besteht bei anderen optoelektronischen Bauelementen die Notwendigkeit, die Wärme dem Umgebungsbereich dieser Bauelemente möglichst schnell zu entziehen und einseitig einer das Bauelement tragenden Platine vom Bauelement abzuleiten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zu schaffen, in einer optoelektronischen Baugruppe die Abwärme eines optoelektronischen Bauelements einseitig einer das optoelektronische Bauelement tragenden Platine abzuführen.
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Eine weitere Aufgabe besteht darin, den Aufwand für Mittel zur Justage des optoelektronischen Bauelements zur optischen Anordnung zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß werden die Aufgaben für eine optoelektronische Baugruppe mit einem optoelektronischen Bauelement gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt:
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1 einen prinzipiellen Aufbau einer optoelektronischen Baugruppe. Eine erfindungsgemäße optoelektronische Baugruppe 1 ist grundsätzlich wie in 1 gezeigt aufgebaut. Die optoelektronische Baugruppe 1 umfasst ein in einem Gehäuse 5 aufgenommenes und von diesem umschlossenes optisches System 4 mit einer optischen Achse 4.1 sowie ein optoelektronisches Bauelement 2. Das optoelektronische Bauelement 2 weist eine Verbindung zu einer Stirnfläche 5.2 des Gehäuses 5 auf. Die Verbindung erfolgt über ein Hilfsgehäuse 3, wobei eine zum optoelektronischen Bauelement 2 weisende Klebefläche 3.3 des Hilfsgehäuses 3 mittels eines thermisch leitenden Klebstoffs 6 an einer Umfangsfläche 2.2 des optoelektronischen Bauelements 2 befestigt ist und eine der Klebefläche 3.3 gegenüberliegende Stirnfläche 3.2 des Hilfsgehäuses 3 mittels des thermisch leitenden Klebstoffs 6 an der zum optoelektronischen Bauelement 2 weisenden Stirnfläche 5.2 des Gehäuses 5 befestigt ist.
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In einer in 1 gezeigten Ausführung der Erfindung ist das Gehäuse 5 als ein rotationssymmetrischer Hohlzylinder um eine Gehäuseachse 5.1 ausgeformt. Das Gehäuse 5 umschließt das optische System 4, das hier aus einer Kombination mehrerer optischer Linsen und Blenden besteht, die im Inneren des Gehäuses 5 befestigt sind. Durch die Linsen und Blenden wird die optische Achse 4.1 des optischen Systems 4 ausgebildet, die vorteilhaft mit der Gehäuseachse 5.1 zusammenfällt.
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Zum Erfassen oder zum Emittieren einer Strahlung weist die optoelektronische Baugruppe 1 das optoelektronische Bauelement 2 auf. Es ist auf einer Platine 2.4 aufgenommen und weist außerhalb einer Strahlungsdurchtrittsöffnung 2.3 eine Umfangsfläche 2.2 auf. Da das optoelektronische Bauelement 2 ein aktives Bauelement ist, das mit einer Versorgungsspannung betrieben wird, kann es beim Betrieb des optoelektronischen Bauelements 2 zur Entwicklung von Abwärme kommen. Die Abwärme muss vom optoelektronischen Bauelement 2 abgeführt werden, wofür eine Wärmesenke erforderlich ist.
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Wegen der Aufnahme des optoelektronischen Bauelements 2 auf der Platine 2.4 sind die Möglichkeiten zum Ableiten der Abwärme begrenzt. Dazu wird das speziell auf die optische Baugruppe 1 angepasste Hilfsgehäuse 3 verwendet, mit dem die Umfangsfläche 2.2 des optoelektronischen Bauelements 2 mittels thermisch leitenden Klebstoffs 6 verbunden ist.
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Das Hilfsgehäuse 3 ist ein plattenförmiger Körper, vorteilhaft ein flacher Zylinder, mit einer zentrischen Durchgangsöffnung 3.4, deren Abmessungen und Form mindestens den Abmessungen und der Form der Strahlungsdurchtrittsöffnung 2.3 entsprechen. Die Achse der Durchgangsöffnung 3.4 ist identisch mit einer Hilfsgehäuseachse 3.1 des Hilfsgehäuses 3. Eine entlang der Hilfsgehäuseachse 3.1 verlaufende Höhe des Hilfsgehäuses 3 entspricht mindestens einer maximalen Erhebung des optoelektronischen Bauelements 2 über die Platine 2.4. Für die Verbindung weist die dem optoelektronischen Bauelement 2 zugewandte Seite des Hilfsgehäuses 3 die Klebefläche 3.3 auf. Die Klebefläche 3.3 und die Umfangsfläche 2.2 sind so gestaltet, dass die Hilfsgehäuseachse 3.1 mit einer Achse 2.1 des optoelektronischen Bauelements 2 zusammenfällt. Die Achse 2.1 des optoelektronischen Bauelements 2 verläuft zentrisch und senkrecht durch die Strahlungsdurchtrittsöffnung 2.3.
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Das Hilfsgehäuse 3 wird zusammen mit dem optoelektronischen Bauelement 2 mittels des thermisch leitenden Klebstoffs 6 mit dem Gehäuse 5 verbunden. Dazu ist auf der dem optoelektronischen Bauelement 2 abgewandten Seite des Hilfsgehäuses 3 die Stirnfläche 3.2 angeordnet. Der Querschnitt der Stirnfläche 3.2 des Hilfsgehäuses 3 entspricht genau dem Querschnitt der dem optoelektronischen Bauelement 2 zugewandten Stirnfläche 5.2 des Gehäuses 5. Entsprechend der vorteilhaften Hohlzylinderform des Gehäuses 5 sind beide Stirnflächen 3.2, 5.2 rotationssymmetrisch ausgebildet.
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Die beiden Verbindungen mit dem thermisch leitenden Klebstoff 6 gestatten, dass die Abwärme des optoelektronischen Bauelements 2 an das Hilfsgehäuse 3 übertragen wird und vom Hilfsgehäuse 3 an das Gehäuse 5 des optischen Systems 4 abgeleitet wird. Das Gehäuse 5 bildet damit die Wärmesenke für das optoelektronische Bauelement 2. Für eine effektive Übertragung der Abwärme vom optoelektronischen Bauelement 2 an das Gehäuse 5 ist das Hilfsgehäuse 3 aus einem Material mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Ebenso ist das Material des Gehäuses 5 gut wärmeleitend und besitzt eine hohe spezifische Wärmekapazität. Dazu besonders geeignet sind die für Kühlkörper üblichen Metalle.
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Da die elektrische Funktionalität bestimmter optoelektronischer Bauelemente 2 durch die Nähe zu dem metallischen Hilfsgehäuse 3 oder dem Gehäuse 5 gefährdet werden, ist in einer Ausführung der Erfindung der thermisch leitende Klebstoff 6 ein elektrisch isolierender Klebstoff. Dadurch können Kurzschlüsse verhindert werden.
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Die spezifische Wärmekapazität kann durch die Verbindung des Gehäuses 5 zu weiteren Wärmesenken 7 (wie in 1 angedeutet) noch vergrößert werden. Im einfachsten Fall ist das Gehäuse 5 in einem weiteren Gehäuse aufgenommen und mit diesem thermisch verbunden. Weitere Wärmesenken 7 können auch angepasste Kühlkörper sein, die mit dem Gehäuse 5 verbunden sind.
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Die Effektivität der Wärmeübertragung vom optoelektronischen Bauelement 2 zum Hilfsgehäuse 3 kann weiter gesteigert werden, wenn die Klebefläche 3.3 vorteilhaft formschlüssig zur Umfangsfläche 2.2 ausbildet ist. Dadurch wird ein möglichst großer Anteil der Umfangsfläche 2.2 für eine Übertragung der Abwärme an das Hilfsgehäuse 3 genutzt. Unter formschlüssig soll hier verstanden werden, dass zwischen der Umfangsfläche 2.2 und der Klebefläche 3.3 stets noch ein Klebespalt für den thermisch leitenden Klebstoff 6 vorzusehen ist, der entsprechend der Viskosität des thermisch leitenden Klebstoffs 6 und der Geometrie der Umfangsfläche 2.2 anzupassen ist. Die formschlüssige Klebefläche 3.3 ist so angeordnet, dass nach der Verbindung die Achse 2.1 des optoelektronischen Bauelements 2 und die Hilfsgehäuseachse 3.1 zusammenfallen.
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Damit die in das optische System 4 einfallende Strahlung definiert auf dem optoelektronischen Bauelement 2 auftreffen kann oder die vom optoelektronischen Bauelement 2 emittierte Strahlung definiert durch das optische System 4 austreten kann, ist es erforderlich, das optoelektronische Bauelement 2 zur optischen Achse 4.1 zu justieren. Zur Justage eines Winkels zwischen der Achse 2.1 des optoelektronischen Bauelements 2 und der optischen Achse 4.1 sind in einer weiteren Ausführung die Stirnfläche 3.2 des Hilfsgehäuses 3 und die Stirnfläche 5.2 des Gehäuses 5 kegelförmig, mit der gedachten Kegelspitze in Richtung des Gehäuses 5 weisend ausgeführt. Durch die kegelförmigen Stirnflächen 3.2 und 5.2 wird eine geringfügige Verkippung der Achse 2.1 des optoelektronischen Bauelements 2 zur optischen Achse 4.1 ermöglicht. Der Durchmesser der Durchgangsöffnung 3.4 und damit der Innendurchmesser des Querschnitts der rotationssymmetrischen Stirnfläche 3.2 des Hilfsgehäuses 3 sind in diesem Fall kleiner als der der Stirnfläche 5.2 des Gehäuses 5, jedoch größer als die Strahlungsdurchtrittsöffnung 2.3. Dadurch ist gewährleistet, dass das Gehäuse 5 mit dem Innendurchmesser auf der kegelförmigen Stirnfläche 3.2 des Hilfsgehäuses 3 anliegen kann. Durch die kegelförmigen Stirnflächen 3.2 und 5.2 ist es auf einfache Weise möglich, vor dem Verbinden des Hilfsgehäuses 3 mit dem Gehäuse 5 die Achse 2.1 des optoelektronischen Bauelements 2 zur optischen Achse 4.1 zu verkippen. Durch die Verkippung ist es vor der Aushärtung des thermisch leitenden Klebstoffs 6 auf sehr einfache Art und Weise möglich, eventuelle geringe Winkelabweichungen zwischen optischer Achse 4.1 und Achse 2.1 des optoelektronischen Bauelements 2 auszujustieren.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 5 als ein Hohlprofil mit rechteckigem Querschnitt ausgeformt, wobei die Gehäuseachse 5.1 zentrisch durch den rechteckigen Querschnitt verläuft. Dementsprechend ist auch das Hilfsgehäuse 3 als ein plattenförmiger Körper mit einer mindestens dem Querschnitt des Gehäuses 5 entsprechenden rechteckigen Grundfläche ausgeführt. Das Hilfsgehäuse 3 ist mit der zentrischen Durchgangsöffnung 3.4 versehen, deren Abmessungen und Form mindestens den Abmessungen und der Form der Strahlungsdurchtrittsöffnung 2.3 entsprechen. Die zentrische Achse der Durchgangsöffnung 3.4 ist identisch mit der zentrischen Hilfsgehäuseachse 3.1. Die Klebefläche 3.3 ist so gestaltet, dass die Hilfsgehäuseachse 3.1 mit der Achse 2.1 des optoelektronischen Bauelements 2 zusammenfällt.
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Zur Justage des Winkels zwischen der Achse 2.1 des optoelektronischen Bauelements 2 und der optischen Achse 4.1 sind die Stirnfläche 3.2 des Hilfsgehäuses 3 und die Stirnfläche 5.2 des Gehäuses 5 über den gesamten Querschnitt kugelförmig gestaltet. Dadurch können leichte Winkelabweichungen zwischen optischer Achse 4.1 und Achse 2.1 des optoelektronischen Bauelements 2 leicht korrigiert werden. Es ist vorteilhaft, wenn dazu die Stirnflächen 3.2 und 5.2 möglichst in einer Ebene mit dem optoelektronischen Bauelement 2 liegen, sodass zwischen den Achsen 2.1 und 4.1 kein seitlicher Versatz entsteht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- optoelektronische Baugruppe
- 2
- optoelektronisches Bauelement
- 2.1
- Achse des optoelektronischen Bauelements 2
- 2.2
- Umfangsfläche
- 2.3
- Strahlungsdurchtrittsöffnung
- 2.4
- Platine
- 3
- Hilfsgehäuse
- 3.1
- Hilfsgehäuseachse
- 3.2
- Stirnfläche des Hilfsgehäuses 3
- 3.3
- Klebefläche
- 3.4
- Durchgangsöffnung
- 4
- optisches System
- 4.1
- optische Achse
- 5
- Gehäuse (Wärmesenke)
- 5.1
- Gehäuseachse
- 5.2
- Stirnfläche des Gehäuses 5
- 6
- thermisch leitender Klebstoff
- 7
- weitere Wärmesenke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2426711 A2 [0005]
- DE 112006002383 B4 [0008]
