DE4224449C2 - Aktive Temperaturkontrolle mittels eines elektrisch steuerbaren Wärmeflußreglers - Google Patents

Description

Die aktive Temperaturkontrolle von Hochleistungs-Halbleiterbauelementen, wie beispielsweise Halbleiterlaserdioden, erfordert nach dem Stand der Technik Temperaturstellelemente, welche aber im allgemeinen einen gerin­ gen Wirkungsgrad aufweisen.

Ein gebräuchliches Verfahren ist die Peltierkühlung mit einem maximalen Wirkungsgrad von 50%. Derartige Regelelemente sind jedoch auf Bauele­ mente mit Verlustleistungen von weniger als etwa 50 W begrenzt und be­ dingen außerdem einen großen Aufbau. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der sehr kurzen Regelzeit von weniger als einer Sekunde und in der Mög­ lichkeit, das Halbleiterbauelement unter die Umgebungstemperatur abkühlen zu können.

Aus der JP 63-233 415 (A) in Patents Abstracts of Japan, Vol. 13/No. 35, 26.01.1989, P 818 ist der Aufbau einer Temperaturdifferenz nach dem Pel­ tier-Effekt bekannt, wobei ein Gleichstrom zwei verschiedene, miteinander verbundene elektrische Leiter durchfließt.

Aus den Druckschriften DE 35 35 081 A1 und EP 0 331 160 A2 sind Preß­ körper in Form von Verbundwerkstoffen bekannt, die mit Kristallen nicht verglichen werden können, da sie nicht von Natur aus in bestimmter Rich­ tung (beispielsweise 110) ausgerichtet sind.

Ein anderes Verfahren nach dem Stand der Technik besteht in der Ohm­ schen Heizung. Die Wirkungsgrade eines derartigen Systems sind mit denen der Peltierkühlung zu vergleichen, ebenso die erzielbaren Regelzeiten. Die­ ses System bietet den Vorteil, daß sein Einsatz auch bei sehr hohen Verlust­ leistungen erfolgen kann. Allerdings wird die minimale Betriebstemperatur durch die Umgebungstemperatur bestimmt.

Auch eine Regelung der Kühlmitteltemperatur und der Anströmgeschwin­ digkeit findet in Standardverfahren Verwendung. Derartige Regelmechanis­ men zeichnen sich durch eine sehr geringe Leistungsaufnahme bzw. einen hohen Wirkungsgrad aus, jedoch erlauben sie keine schnellen Regelzeiten im Millisekundenbereich.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur aktiven Tempe­ raturkontrolle moderner Hochleistungs-Halbleiterbauelemente vorzustellen, welches durch Anlegen eines elektrischen Feldes eine kontrollierte Wärme­ ableitung ermöglicht. Dieses Verfahren läßt sich beim Herstellungsprozeß in das Bauelement integrieren und kann auch bei sehr hoher Verlustleistung (im Bereich von einigen 100 W/cm²) Verwendung finden.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher dargestellt. Es zeigt:

Einen Wärmeflußregler unter Verwendung eines optisch aktiven Kristalls.

Grundlage der vorliegenden Erfindung ist es, daß die Wärmeleitung von dem Ordnungszustand des wärmeleitenden Mediums abhängt.

Die Eigenschaften elektrorheologischer Flüssigkeiten (kurz ER-Fluide) sind seit über 40 Jahren bekannt und z. B. in Physikalische Blätter, 47. Jahrgang, Nr. 11, Nov. 1991, pp. 983 oder im Informationsband "Elektro­ rheologische Flüssigkeiten", welcher beim VDI/VDE Technologiezentrum In­ formationstechnik GmbH erhältlich ist, beschrieben.

ER-Fluide weisen die Eigenschaft auf, daß sie bei Anlegen eines elektri­ schen Feldes in der Größenordnung von 2 kV/mm ihre Viskosität stark än­ dern. Die feldinduzierte Viskositätsänderung kann im Bereich einiger Millisekunden bewirkt werden. Diese Merkmale der ER-Fluide bilden die grundlegenden Merkmale der Erfindung und können zur elektrisch steuerba­ ren Wärmeleitung benutzt werden. Weitere zusätzliche optionale Eigen­ schaften bzw. Ausführungsformen, die im folgenden kurz aufgezählt und später genauer beschrieben werden, dienen zur Optimierung des im folgen­ den beschrieben Mechanismus. Derartige optionale Eigenschaften sind die Beimengung von Diamantstaub (Korngröße unter 1 µm), der bei sehr hohen Feldstärken (< 2 kV/mm) eintretende Phasenübergang flüssig-fest, was beides zu einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit beiträgt, sowie die Ver­ wendung dünner Schichten, wodurch - aufgrund mangelnder Konvektion im niederviskosen Zustand - die Schalteigenschaften verbessert werden kön­ nen.

Die Änderung der Viskosität der ER-Fluide bei Anlegung eines elektri­ schen Feldes beruht auf einer Ausrichtung und Ansammlung in bestimmten Bereichen der in der Trägerflüssigkeit verteilten Festkörperteilchen, welche eine typische Größe von unter 1 µm aufweisen.

Eine Möglichkeit, die Wärmeleitung durch ein elektrisches Feld zu beein­ flussen, besteht in der Verwendung von optisch anisotropen Kristallen, welche unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes den Grad der Aniso­ tropie ändern. Ein derartiger Kristall ist etwa LiNbO₃. Die Änderung ist hier jedoch schwächer ausgeprägt und die benötigten Spannungen liegen höher.

Claims (1)

1. Wärmeflußregler aus einem optisch anisotropen Kristall mit zwei an gegenüberliegenden Seiten des Kristalls angeordneten Elektroden, bei dem sich durch Anlegen eines elektrischen Feldes über die Elektroden an den Kristall der Grad der Anisotropie des Kristalls und damit seine Wärmeleitfähigkeit ändert, wodurch eine elektrische Steuerung des Wärmeflusses von einer Wärmequelle zu einem Kühler mit dem zwischen diesen Bauteilen angeordneten Wärmeflußregler erfolgt.