DE69824766T2 - Halbleiterlaserbaustein mit verbessertem metallischem Substrat auf einem Peltierelement - Google Patents

Halbleiterlaserbaustein mit verbessertem metallischem Substrat auf einem Peltierelement Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiter-Lasermodul mit einem Kühlsystem, das ein Peltier-Element verwendet, und insbesondere auf die Verbesserung eines Metallsubstrats, das auf dem Peltier-Element befestigt ist.
  • Beschreibung verwandter Technik
  • Halbleiter-Lasermodule werden derzeit für Glasfaser-Telekommunikation, insbesondere als Signallichtquellen für Kabelfernseh-(Abkürzung in englisch: CATV)-Systemen und Anregungslichtquellen von Glasfaserverstärkern verwendet. Solche Halbleiter-Lasermodule weisen üblicherweise ein Peltier-Element auf, das als elektronischer Kühler betrieben wird, um eine hohe Ausgangsleistung und einen stabilen Betrieb des Moduls zu ermöglichen, und ein Metallsubstrat ist oben auf das Peltier-Element montiert, so daß optische Komponenten wie beispielsweise ein Laserdioden-Chip, ein Photodioden-Chip und/oder eine Linse und elektrische Komponenten wie beispielsweise ein Thermistor, Induktivitäten und/oder Widerstände auf dem Metallsubstrat angeordnet werden.
  • Solche Halbleiter-Lasermodule sind derart ausgelegt, daß sie das gesamte Metallsubstrat kühlen und die Temperatur des Laserdioden-Chips auf konstantem Niveau halten, indem die Temperatur mittels des neben den Laserdioden-Chip gebondeten Thermistor ermittelt wird und die ermittelte Temperatur zum Peltier-Element rückgeführt wird, um dieses anzutreiben.
  • Halbleiter-Lasermodule, die ein Peltier-Element als Kühler verwenden, sind offengelegt, u. a., in JP-A-62-117382 und JP-A-62-276892, sowie in EP-A-0 477 841.
  • In solch einem Halbleiter-Lasermodul des Stands der Technik besteht das Metallsubstrat aus einem einzelnen Metall, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Andererseits ist die keramische Platte aus einer Keramik gefertigt, die einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Um die Ausgangsleistungsmöglichkeiten des Halbleiter-Lasermoduls zu verbessern, wird in diesem Fall, um den Wärmeabstrahlungseffekt zu verstärken, das Metallsubstrat vorzugsweise aus einem Metall gefertigt, das eine wesentlich größere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Dies wird später detaillierter beschrieben.
  • In dem oben beschriebenen Halbleiter-Lasermodul des Stands der Technik besteht allerdings ein großer Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizieten des Metallsubstrats und der Keramikplatte. Deshalb sind das Metallsubstrat und die Keramikplatte starker thermischer Beanspruchung ausgesetzt. Als Resultat kann das Peltier-Element in einem thermischen Umgebungstest zerstört werden, bei dem es schnellen Temperaturänderungen ausgesetzt ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Halbleiter-Lasermodul bereitzustellen, das ein Peltier-Element umfaßt, das ein verbessertes Kühlvermögen aufweist, wenn es auf einem hohen Ausgangsleistungs-Niveau betrieben wird, und das weniger anfällig gegenüber Beschädigungen in einer thermisch ungünstigen Umgebung realisiert ist, indem das Peltier-Element und das darauf angeordnete Metallsubstrat einen kleine Differenz in den Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das oben aufgeführte Ziel mit dem Gegenstand von Anspruch 1 erreicht.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung läßt sich leichter verstehen anhand der nun folgenden Beschreibung im Vergleich zum Stand der Technik und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, von denen:
  • 1 eine schematische Seitenansicht ist, die ein Halbleiter-Lasermodul des Stands der Technik darstellt;
  • 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie II-II von 1 ist;
  • 3A und 3B perspektivische Ansichten eines Beispiels des Metallsubstrats aus 1 und 2 sind;
  • 4A eine Tabelle ist, welche die Eigenschaften von Metallen zeigt;
  • 4B eine Tabelle ist, welche die Eigenschaften von Keramiken zeigt;
  • 5 eine Querschnittsansicht ist, die ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Halbleiter-Lasermoduls zeigt;
  • 6 eine perspektivische Ansicht des Metallsubstrats aus 5 ist;
  • 7 eine Querschnittsansicht ist, die den Wärmeabstrahlungseffekt des Halbleiter-Lasermoduls aus 5 zeigt;
  • 8 ein Graph ist, der die Temperatureigenschaften des Halbleiter-Lasermoduls gegenüber der Wärmeleitfähigkeit des Metallsubstrats aus 5 zeigt;
  • 9 eine Querschnittsansicht ist, die ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Halbleiter-Lasermoduls zeigt; und
  • 10 eine perspektivische Ansicht des Metallsubstrats aus 9 ist.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Bevor die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben werden, wird nun ein Halbleiter-Lasermodul des Stands der Technik anhand der 1, 2, 3A und 3B beschrieben.
  • 1 ist eine schematische Seitenansicht, die ein Halbleiter-Lasermodul des Stands der Technik zeigt und 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie II-II von 1. In den 1 und 2 sind ein Laserdioden-Chip 1 und ein Thermistor 2 über einen Kühlkörper 3 auf einem Unterbau 4 montiert. Zudem ist ein Überwachungsphotodioden-Chip 5 auf einer Chiphalterung 6 montiert. Desweiteren ist eine Linse 7 auf einer Linsenhalterung 8 montiert. Der Unterbau 4, die Chiphalterung 6 und die Linsenhalterung 8 sind auf einem Metallsubstrat 9 montiert, an dem Widerstände, Induktivitäten, Platinen befestigt sind.
  • Andererseits ist ein Peltier-Element 10 zwischen Keramikplatten 11a und 11b gelegt. Die Keramikplatte 11a ist an das Metallsubstrat 9 mittels kaltem Weichlot 12 aus Indium-Zinn (InSn) befestigt, um den Unterschied zwischen deren Wärmeausdehnungen zu verringern. Zudem ist die Keramikplatte 11b mittels Lötmetall (nicht dargestellt) an eine wärmeabstrahlende Platteneinheit 13 befestigt.
  • In 3A, die ein Beispiel des Metallsubstrats 9 aus 1 und 2 darstellt, ist das Metallsubstrat 9 aus einem Einzelmetallmaterial wie Kovar oder Kupfer-Wolfram gefertigt, um den Herstellungsprozeß zu vereinfachen. In 3B, die ein weiteres Beispiel des Metallsubstrats 9 aus 1 und 2 zeigt, wird das Metallsubstrat 9 durch eine dreischichtige Struktur aufgebaut, die durch Kupferschichten 91 und 92 gebildet wird, zwischen denen eine 20%-Kupfer-Molybdän-Schicht 93 liegt.
  • Üblicherweise ist das Metallsubstrat 9 aus einem Metall gefertigt, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie beispielsweise Kupfer-Wolfram (CuW) mit typischerweise zwischen 10%-Volumenanteil und 30%-Volumentanteil Kupfer, oder Kupfer (Cu) (siehe 4A). Andererseits ist die Keramikplatte 11a (11b) aus einer Keramik gefertigt, die einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wie beispielsweise Aluminiumdioxid (Al2O3) oder Aluminiumnitrid (AlN) (siehe 4B).
  • Da in den letzten Jahren Halbleiter-Laserdioden-Chips mit hohen Ausgangsleistungsfähigkeiten verfügbar geworden sind, werden nun Kühlsysteme benötigt, welche eine verbesserte Kühlfähigkeit des Peltier-Elements 10 aufweisen. Hierfür wird das Metallsubstrat 9 vorzugsweise aus einem Metall gefertigt, das eine wesentlich größere Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie beispielsweise CuW-30 oder Cu (siehe 4A). In diesem Fall besteht ein großer Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Metallsubstrats 9 und der Keramikplatte 11a (Aluminiumoxid). Daraus resultiert, daß das Metallsubstrat 9 und die Keramikplatte 11a starken ther mischen Belastungen ausgesetzt sind, die auf eine reduzierte Temperaturregelungszeit zurückzuführen sind (jene Zeit, die benötigt wird, um auf ein angestrebtes Temperaturniveau zu kommen), die auf das erhöhte Kühlvermögen zurückgeht. Dies erzeugt ein Lötmetall-Kriech-Phänomen im Weichlot 12. Deshalb muß statt des Weichlots 12 ein Hartlot aus Bismut-Zinn (BiZn) verwendet werden.
  • Wenn allerdings das kalte Hartlot verwendet wird und ein Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Peltier-Element 10 (präziser, den Keramikplatten 11a und 11b) und dem Metallsubstrat 9 eine große Differenz aufweist, kann das Peltier-Element 10 in einer thermischen Testumgebung, die schnelle Temperaturschwankungen umfaßt, wie beispielsweise Peltier-Ein/Aus-Tests, zerstört werden, so daß die Keramikplatten 11a und 11b des Peltier-Elements 10 und das Metallsubstrat 9 aus Materialien gefertigt werden müssen, die eine Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, die bei weitem geringer ist als die Differenz von Wärmeausdehnungskoeffizienten bekannter Kombinationen von Materialien für die Keramikplatten 11a und 11b und das Metallsubstrat 9.
  • Um, ohne einen thermischen Umgebungstest zu durchlaufen, für eine Kombination des Peltier-Elements 10 (die Keramikplatten 11a und 11b) und das Metallsubstrat 9 die Zuverlässigkeit in ungünstigen thermischen Umgebungen zu verbessern, müssen diese eine kleine Differenz der Ausdehnungskoeffizienten aufweisen und gleichzeitig so strukturiert sein, daß sie geringe Ausdehnungen auf Kosten der Kühlfähigkeit aufweisen.
  • Falls das Metallsubstrat 9 durch ein Keramiksubstrat ersetzt wird, das aus Siliziumkarbid (SiC) oder Bornitrid (BN) besteht, so zeigt dessen Substrat eine gute Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitig einen Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe jenem des Materials (Al2O3 oder AlN) der Keramikplatten 11a und 11b des Peltier-Elements 10 (siehe 4B); in diesem Fall sind allerdings die Materialien SiC und BN teuer und nicht für eine Massenproduktion ausgelegt.
  • Zusammenfassend kann gesagt werden, daß für Halbleiter-Lasermodule, die mit einem Kühler versehen sind, alle Versuche, die Kühlfähigkeit zu verbessern und gleichzeitig die Zuverlässigkeit beim Betrieb in thermisch ungünstiger Umgebung zu verbessern, ergebnislos blieben.
  • In 5, die ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, ist das Metallsubstrat 9 aus 2 ersetzt durch ein Metallsubstrat 9', das gebildet ist aus einem Metallteil 91' und einem Metallteil 92', welches das Metallteil 91' wie in 5 gezeigt umgibt. Das Metallsubstrat 9' ist mittels eines Hartlots 12' oben auf das Peltier-Element 10 gebondet, d. h., auf die Keramikplatte 11a, derart, daß es rechtwinklig bezüglich jener Richtung liegt, entlang welcher Wärme vom Laserdioden-Chip 1 zum Peltier-Element 10 fließt.
  • Das Metallteil 91' besteht aus einem Metall, das eine Wärmeleitfähigkeit größer als 290 W/(m·K) aufweist, wie beispielsweise CuW-30 oder Cu (siehe 4A). Andererseits ist das Metallteil 92' aus einem Metall gefertigt, das einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe jenem der Keramikplatte 11a aufweist. Beispielsweise ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Metallteils 92' kleiner als ungefähr 8.5 × 10–6/K, und, in diesem Fall, ist das Metallteil 92' aus W, Kovar, CMC-20, CuW-10, CuW-15 oder CuW-20 (siehe 4A) gefertigt.
  • Wenn ein Halbleiter-Lasermodul mit dem oben beschriebenen Aufbau in Betrieb genommen wird, so wird die Temperatur des Laserdioden-Chips 1 durch den Thermistor 2 ermittelt, und dem Peltier-Element 10 wird Leistung zugeführt, die durch eine Temperatursteuerschaltung gesteuert wird, die außerhalb des Halbleiter-Lasermoduls angeordnet ist, das mit einer Kühleinrichtung versehen ist, um die Temperatur des Laserdioden-Chips 1 auf konstantem Niveau zu halten. Es sei bemerkt, daß der Laserdioden-Chip 1 gut funktioniert, wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist und normalerweise unterhalb der Raumtemperatur gehalten wird.
  • Wenn allerdings der Laserdioden-Chip 1 so ausgelegt ist, daß er ein hohes Ausgangsleistungsniveau aufweist und demgemäß mit einer erhöhten Rate Wärme abstrahlt, so muß das Peltier-Element 10 intensiver betrieben werden und der Wärmewiderstand des Wärmeableitungswegs vom Laserdioden-Chip 1 zur wärmeabstrahlende Plattenenheit 13 muß so niedrig wie möglich gemacht werden.
  • In 7, die den Wärmeabstrahlungseffekt des Halbleiter-Lasermoduls aus 5 zeigt, wird die durch den Laserdioden-Chip 1 erzeugte Wärme mit einem Öffnungswinkel θ (theoretisch 90°) zum Oberteil des Peltier-Elements 10 mittels des Kühlkörpers 3, des Unterbaus 4 und des Metallsubstrats 9' geleitet. Falls das Metallteil 91' eine Oberfläche aufweist, die größer ist als ein Wärmefluß-Öffnungsbereich, der an sie gelangt, so wird der Kühleffekt des Moduls zufriedenstellend sein. Wird allerdings erwartet, daß das Modul eine große Wärmeausdehnung aufweist, welche die Zuverlässigkeit des Moduls beeinträchtigen kann, so sollte das Verhältnis der Oberfläche des Metallteils 91' zu jener des Metallteils 92' klein gemacht werden, um die Wärmeleitung des Metallsubstrats 9' innerhalb der Fläche, mit der es am Unterbau 4 befestigt ist, kleiner als ein vorbestimmtes Niveau ausgelegt werden. Die Bezugszeichen R1 bzw. R2 bezeichnen jeweils die Wärmewiderstände der Metallteile 91' bzw. 92', die im folgenden detaillierter beschrieben werden.
  • Es sei bemerkt, daß die Metallteile 91' und 92' rechtwinklig bezüglich jener Richtung angeordnet sind, entlang welcher Wärme vom Laserdioden-Chip 1 zum Peltier-Element 10 fließt.
  • 8 ist ein Graph, der ein simuliertes Verhältnis zwischen der Wärmeleitung des wärmeabstrahlenden Materials und der Temperatur des Laserdioden-Chips 1 aus 5 zeigt. Diesen Graph erhält man, indem der Betrieb des Laserdioden-Chips 1, der mit einer Leistung von 1 W betrieben wird, simuliert wird, um das Verhältnis zwischen der Wärmeleitung des wärmeabstrahlenden Materials und der Temperatur des Laserdioden-Chips 1 aufzuzeigen. Gemäß dieser Simulation kann die Temperatur des Chips wirksam reduziert werden, indem ein Material benutzt wird, das eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 290 W/(m·K) oder mehr aufweist. Deshalb sollte, um dem Modul einen Betrieb mit erhöhtem Kühleffekt zu ermöglichen, das auf dem Peltier-Element zu montierende Metallsubstrat 9' aus einem Material bestehen, das eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die größer ist als jene von 30%-Kupfer-Wolfram (CuW-30) (siehe 4A).
  • Allerdings sind die Keramikplatten 11a und 11b des Peltier-Elements 10 aus einem keramischen Material gefertigt, das aus der Liste aus 4B gewählt ist, insbesondere Al2O3 oder AlN. Da die Materialien aus 4B einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der kleiner ist als jener des Materials des Metallsubstrats 9', kann, wenn die Temperatur merkbar fluktuiert, eine relativ starke Belastung erzeugt werden, was das Peltier-Element 10 beeinträchtigt und eventuell zerstört, falls sie mittels Hartlot verbunden sind.
  • Deshalb wird, um die Wärmeausdehnung zu reduzieren und die Wärmeleitfähigkeit des gesamten Metallsubstrats 9' zu vergrößern, in den 5 und 6 das Metallsubstrat 9' gebildet, indem das Metallteil 92' mit einem kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten um den Außenbereich des Metallteils 91' angeordnet wird, das eine große Wärmeleitfähigkeit aufweist. Mit dieser Anordnung wird die Kühlfähigkeit und die Zuverlässigkeit des Peltier-Elements 10 verbessert.
  • Nun werden Beispiele für Materialien beschrieben, die für das Metallsubstrat 9' Verwendung finden können. Das Metallteil 91' kann aus Kupfer (Cu) mit einer großen Wärmeleitfähigkeit (390 W/(m·K)), wie in 4A gezeigt, gefertigt sein, während das Metallteil 92' aus 10%-Kupfer-Wolfram (CuW-10) gefertigt sein kann, das einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten (6.5 × 10–6/K) aufweist, wie in 4B gezeigt. Die zwei Metallteile 91' und 92' können durch Hartlötung oder mittels eines Durchdringungsmittels miteinander verbunden werden, um ein Metallsubstrat 9' zu bilden. Das Metallteil 91' kann auch als Block gebildet werden, zu jener Zeit, wenn das 10%-Kupfer-Wolfram vorbereitet wird. Das Verhältnis der Oberfläche des Metallteils 91' (Cu) zu jener des gesamten Metallsubstrats 9' wird als Funktion des Wärmewiderstands R2 des Metallteils 91' (CuW-10) und des zulässigen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Metallsubstrats 9' be stimmt. Der zulässige Wärmeausdehnungskoeffizient des gesamten Metallsubstrats 9' kann in Abhängigkeit von der Verbindungsfläche, der thermischen Umgebung und der Härte und Höhe des Hartlots 12' variieren.
  • Es sei bemerkt, daß, wie oben beschrieben, falls die Zuverlässigkeit des Peltier-Elements 10 in Frage steht, die Oberfläche des Metallsubstrats 91' (Cu) bezüglich jener der des gesamten Metallsubstrats 9' reduziert werden kann, um die Wärmeleitfähigkeit der mit dem Unterbau 4 verbundenen Fläche des Metallsubstrats 9' über ungefähr 290 W/K zu erhöhen.
  • Ist der Wärmewiderstand R2 des 10%-Kupfer-Wolframs in jenem Bereich, in dem der Unterbau 4 mit dem Substrat 9' verbunden ist, gleich RcW (K/W), der Wärmewiderstand R1 des Kupfers gleich Rcc (K/W), die Wärmeleitfähigkeit λ (W/(m·K)) der Fläche des Metallsubstrats 9', die mit dem Unterbau 4 verbunden ist, so können Rcw und Rcc durch folgende Formeln ausgedrückt werden: λ = (1/Rcw) + (1/Rcc), Rcw = (1/λcw) × (L/Scw), und Rcc = (1/λcc) × (L/Scc),wobei λcw, Scw, λcc, Scc und L wie folgt definiert sind:
    λcw: Wärmeleitfähigkeit (W/(m·K)) von CuW-10,
    Scw: Fläche (m2) von CuW-10, die mit dem Unterbau 4 verbunden ist,
    λcc: Wärmeleitfähigkeit (W/(m·K)) von Kupfer,
    Scc: Fläche (m2) des Kupfers, die mit dem Unterbau 4 verbunden ist, und
    L: Dicke des Metallsubstrats 9' (m).
  • Dann kann die Fläche Scc des Kupfers, die mit dem Unterbau 4 verbunden ist, so bestimmt werden, daß λ ≥ 290 W/(m·K).
  • In dem oben beschriebenen Beispiel ist das Metallteil 91' mit einer Wärmeleitfähigkeit größer als der von 30% Kupfer-Wolfram (CuW-30) entlang seiner Außenwand von Metallteil 92' umgeben, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der zwischen Kovar und 20%-Kupfer-Wolfram (CuW-20) liegt, um das Metallsubstrat 9' zu bilden, das dann mit der Keramikplatte 11a des Peltier-Elements 10 verbunden wird, um das Halbleiter-Lasermodul zu erzeugen. Mit diesem Aufbau wird die von Laserdioden-Chip 1 erzeugte Wärme mittels des Kühlkörpers 3, der rechts unter ihm plaziert ist, und dem Unterbau 4 weitgehend zum Metallsubstrat 9' übertragen. Die übertragene Wärme wird dann von der Oberseite zur Unterseite des Peltier-Elements 10 geleitet und eventuell durch die wärmeabstrahlende Platteneinheit 13 nach außen abgestrahlt.
  • Zusammengefaßt: Indem man ein Metallteil mit einem kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten um ein anderes Metallteil mit einer großen Wärmeleitfähigkeit anordnet, fließt die Wärme im wesentlichen durch das Metallteil mit einer großen Wärmeleitfähigkeit, so daß das erste Ausführungsbeispiel eine zuverlässige Wärmeleitfähigkeit bei hohen Temperaturen zeigt, um den Kühleffekt des Peltier-Elements 10 zu verbessern. Zudem ist, falls die Temperatur fluktuiert, die Wärmeausdehnung des Metalls mit einer großen Wärmeleitfähigkeit durch das Metallteil mit einem kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten unterdrückt, so daß die Eigenschaft niedriger Wärmeausdehnung beibehalten wird, um die Zuverlässigkeit in einer thermisch ungünstigen Umgebung, bei der die Temperatur signifikant schwankt, zu verbessern.
  • In 9, die ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, ist das Metallsubstrat 9 aus 2 ersetzt durch ein Metallsubstrat 9'', das aus Metallteilen 91'' und aus einem Metallteil 92'' gebildet wird. Die Metallteile 91'' sind aus dem gleichen Material gefertigt, wie das Metallteil 91' aus 5. Das Metallteil 92'' ist aus dem gleichen Material gefertigt, wie das Metallteil 92'. Wie in 10 gezeigt, werden die Metallteile 91'' in einer Anordnung (Array) über die gesamte Fläche des Metallteils 92'' regelmäßig beabstandet angeordnet, um das Metallsubstrat 9'' zu bilden. Die Abmessungen und die Anzahl der Metallteile 91'' kann derart Weise bestimmt werden, wie oben in Bezug zum ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.
  • So ist das zweite Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch überlegen, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des gesamten Halbleiter-Lasermoduls im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel weiter reduziert werden kann, indem die Metallteile 91'' in eine Anzahl von Stücken aufgeteilt werden und diese derart longitudinal angeordnet werden, daß die Metallteile 91'' und das Metallteil 92'' parallel zur Richtung des Wärmeflusses plaziert sind, der vom Laserdioden-Chip 1 ausgeht.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung hat das Metallsubstrat, da es ein Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist, selbst eine hohe Wärmeleitfähigkeit, so daß die von der Laserdiode erzeugte Wärme effizient abgestrahlt werden kann, wodurch die Kühlfähigkeit vergrößert wird. Zudem ist, da das Metallsubstrat ein Metall mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Metallsubstrat und der Keramikplatte des Peltier-Elements verringert. Als Resultat kann die Belastung des Peltier-Elements aufgrund von Temperaturschwankungen reduziert werden, so daß das Peltier-Element vor Schädigung und Zerstörung geschützt ist, um sogar in thermisch ungünstiger Umgebung, in der die Temperatur signifikant schwankt, einen verbesserten Zuverlässigkeitsgrad aufzuzeigen. Übersetzung der Figuren Figur 4A
    METAL -> METALL
    THERMAL CONDUCTIVITY -> WÄRMELEITFÄHIGKEIT
    THERMAL EXPANSION COEFFICIENT -> WÄRMEAUSDEHNUNGSKOEFFIZIENT
    TUNGSTEN -> WOLFRAM
    KOVAR -> KOVAR
    IRON -> EISEN
    20% COPPER MOLYBDENUM -> 20%-KUPFER-MOLYBDEN
    10% COPPER TUNGSTEN -> 10%-KUPFER-WOLFRAM
    15% COPPER TUNGSTEN -> 15%-KUPFER-WOLFRAM
    20% COPPER TUNGSTEN -> 20%-KUPFER-WOLFRAM
    30% COPPER TUNGSTEN -> 30%-KUPFER-WOLFRAM
    COPPER -> KUPFER
    Figur 4B
    CERAMIC -> KERAMIK
    THERMAL CONDUCTIVITY -> WÄRMELEITFÄHIGKEIT
    THERMAL EXPANSION COEFFICIENT -> WÄRMEAUSDEHNUNGSKOEFFIZIENT
    ALUMINA -> ALUMINIUMOXID
    ALUMINUM NITRIDE -> ALUMINIUMNITRID
    SILICON CARBIDE -> SILIZIUMKARBID
    BORON NITRIDE -> BORNITRID
    Figur 8
    THERMAL CONDUCTIVITY -> WÄRMELEITFÄHIGKEIT
    TEMPERATURE OF LASER DIODE -> TEMPERATUR DER LASERDIODE

Claims (9)

  1. Halbleiter-Lasermodul umfassend: einen Laserdioden-Chip (1); ein Peltier-Element (10); eine auf dem Peltier-Element befindliche Platte (11A); und ein Metallsubstrat (9', 9'') zur Befestigung des Laserdioden-Chips, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsubstrat (9', 9'') mittels Hartlötmittel (12') mit der Platte verbunden ist, das Metallsubstrat (9', 9'') ein erstes Metallteil (91', 91' ') mit einer Wärmeleitfähigkeit von 290 W/(m·K) oder mehr aufweist, sowie ein zweites Metallteil (92', 92'') dessen Wärmeausdehnungskoeffizient so ausgelegt ist, daß die Wärmeausdehnung des Metallsubstrats (9', 9'') ausreichend nahe an jener der mit dem Peltier-Element (10) verbundenen Platte (11A) liegt, so daß thermische Beanspruchung das Peltier-Element (10) nicht zerstört.
  2. Halbleiter-Lasermodul nach Anspruch 1, bei dem das zweite Metallteil (92') um eine Außenwand des ersten Metallteils (91') angeordnet ist.
  3. Halbleiter-Lasermodul nach Anspruch 1, bei dem das erste Metallteil (91'') in mehrere Stücke aufgeteilt ist, die longitudinal in einer Anordnung (Array) über die gesamte Fläche des zweiten Metallteils (92'') regelmäßig beabstandet angeordnet sind.
  4. Halbleiter-Lasermodul nach Anspruch 1, bei dem das erste und das zweite Metallteil (91'', 92'') parallel zur Richtung des vom Laserdioden-Chip erzeugten Wärmeflusses angeordnet sind.
  5. Halbleiter-Lasermodul nach Anspruch 1, bei dem das erste Metallteil (91', 91'') entweder aus Kupfer-Wolfram mit 30% Gewichtsanteil Kupfer oder aus Kupfer besteht.
  6. Halbleiter-Lasermodul nach Anspruch 1, bei dem die Platte (11A) aus Keramik besteht.
  7. Halbleiter-Lasermodul nach Anspruch 6, bei dem die Keramik entweder Aluminium oder Aluminiumnitrid ist.
  8. Halbleiter-Lasermodul nach Anspruch 7, bei dem das zweite Metallteil (92', 92'') einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4.5 × 10–6/K bis 8.5 × 10–6/K aufweist.
  9. Halbleiter-Lasermodul nach Anspruch 8, bei dem das zweite Metallteil (92', 92'') entweder aus Kovar, Kupfer-Molybden mit 20% Gewichtsanteil Kupfer, Kupfer-Wolfram mit 10% Gewichtsanteil Kupfer, Kupfer-Wolfram mit 15% Gewichtsanteil Kupfer oder aus Kupfer-Wolfram mit 20% Gewichtsanteil Kupfer besteht.
DE69824766T 1997-01-09 1998-01-09 Halbleiterlaserbaustein mit verbessertem metallischem Substrat auf einem Peltierelement Expired - Fee Related DE69824766T2 (de)

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