EP1687878A1 - Wärmesenke für einen gepulsten laserdiodenbarren mit optimierter thermischer zeitkonstante - Google Patents

Wärmesenke für einen gepulsten laserdiodenbarren mit optimierter thermischer zeitkonstante

Info

Publication number
EP1687878A1
EP1687878A1 EP04802812A EP04802812A EP1687878A1 EP 1687878 A1 EP1687878 A1 EP 1687878A1 EP 04802812 A EP04802812 A EP 04802812A EP 04802812 A EP04802812 A EP 04802812A EP 1687878 A1 EP1687878 A1 EP 1687878A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optoelectronic component
heat sink
time constant
thermal time
component according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04802812A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Behringer
Gerhard Herrmann
Stefan Morgott
Frank Möllmer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102004004097A external-priority patent/DE102004004097A1/de
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Publication of EP1687878A1 publication Critical patent/EP1687878A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/024—Arrangements for thermal management
    • H01S5/02407—Active cooling, e.g. the laser temperature is controlled by a thermo-electric cooler or water cooling
    • H01S5/02423—Liquid cooling, e.g. a liquid cools a mount of the laser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/024—Arrangements for thermal management
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0235—Method for mounting laser chips
    • H01S5/02355—Fixing laser chips on mounts
    • H01S5/0237—Fixing laser chips on mounts by soldering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/06209—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes in single-section lasers
    • H01S5/06216—Pulse modulation or generation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/85—Packages
    • H10H20/858—Means for heat extraction or cooling
    • H10H20/8586—Means for heat extraction or cooling comprising fluids, e.g. heat-pipes

Definitions

  • a microchannel heat sink for high-power laser diodes is described for example in DE 43 15 580 AI.
  • attempts are made in such microchannel heat sinks to keep the heat resistance between the component and the heat sink as low as possible. This takes place, for example, in that the wall thickness of the walls between the microchannels or the outer wall of the heat sink on the side adjoining the optoelectronic component is kept low. In addition to the thermal resistance, this also lowers the heat capacity of the heat sink.
  • the time course of the temperature changes of an optoelectronic component during a switching process can often be approximated by the exponential functions
  • ⁇ T (t) is the temperature change, i.e. the difference between the current temperature and the initial temperature, at the time t, where ti and t 2 are the associated switching times for a temperature increase or a temperature decrease.
  • ⁇ T m is the limit value of the temperature increase against which ⁇ T (t) would converge for t -> oo. This limit value would be reached in the case of a longer operating time in cw mode.
  • ⁇ T M depends in particular on the thermal resistance between the optoelectronic component and the heat sink.
  • ⁇ is a thermal time constant that also depends on various parameters, such as, for example, the heat capacity, the heat resistance to the heat sink or the heat-radiating surface of the component. The greater ⁇ is, the slower the temperature changes take place.
  • the invention has for its object to provide an optoelectronic component with a heat sink, in which the mechanical alternating loads resulting from the pulse operation are reduced. Furthermore, a method for its production is to be specified.
  • the thermal time constant ⁇ is reduced adapted to the amplitude of the temperature changes to the pulse duration D.
  • the amplitude of the temperature changes is understood to mean the difference between the highest and the lowest temperature of the optoelectronic component during a pulse.
  • the thermal time constant is the constant ⁇ in the previously given equations for ⁇ T (t).
  • the thermal time constant x of an optoelectronic component is to be understood in the context of the invention as the best approximation for x, which can be determined, for example, by fitting the above-mentioned equations to the actual temperature profile. If in doubt, the time can be used for this, which corresponds to a possibly extrapolated temperature drop to 1 / e times the initial temperature.
  • the thermal time constant x preferably applies to the temperature changes of the optoelectronic component during of the pulsed operation x ⁇ 0.5 D. Particularly preferred is x ⁇ D.
  • the invention thus achieves that a reduction in the temperature changes with regard to the long-term stability of the component is advantageous even if the reduced changes take place at a somewhat higher temperature level than larger changes on a comparatively small amount lower temperature level.
  • the invention is particularly advantageous for radiation-emitting optoelectronic components whose output power is 20 W or more and / or whose pulse frequency is between 0.1 Hz and 10 Hz.
  • the radiation-emitting optoelectronic component can be a laser diode bar.
  • the heat sink to which the optoelectronic component is connected is preferably an actively cooled heat sink.
  • This can have, for example, a microchannel system through which a coolant, for example water, flows.
  • the optoelectronic component is connected, for example, to a surface of the heat sink using a solder connection.
  • the thermal time constant x is advantageously dimensioned by the wall thickness of a wall of the microchannel system adjacent to the optoelectronic component.
  • This wall thickness is advantageously 0.5 mm or more.
  • the wall thickness is particularly preferably 1 mm or more, for example between 1 mm and 2 mm inclusive.
  • the heat sink can contain copper in particular. It is in Other materials that have good thermal conductivity are also conceivable within the scope of the invention.
  • FIG. 1 shows a schematically illustrated cross section through an exemplary embodiment of an optoelectronic component according to the invention
  • FIG. 2 shows a simulation of the heating of an optoelectronic component on a time scale from 0 ms to 300 ms for four different embodiments of a heat sink and
  • FIG 3 shows a simulation of the heating of an optoelectronic component on a time scale from 0 ms to 1000 ms for four different embodiments of a heat sink.
  • the optoelectronic component 1 shown schematically in FIG. 1 is connected to a heat sink 3.
  • a heat sink 3 For this purpose, it is fastened, for example, to a surface 8 of the heat sink 3 with a solder connection 2.
  • the heat sink 3 is an actively cooled heat sink, which has a microchannel system 6 with an inlet 4 and an outlet 5 for a coolant which flows through the microchannel system 6.
  • the coolant is a liquid, especially water, or a gas.
  • the radiation-emitting optoelectronic component 1 emits pulses with a pulse duration D.
  • the optoelectronic component 1 can be a high-power diode laser or a high-power diode laser bar.
  • the invention is particularly advantageous for radiation-emitting opto- electronic components 1, which have an output power of 20 W or more.
  • the pulses are emitted at a pulse frequency f which is, for example, between 0.1 Hz and 10 Hz.
  • the heat sink 3 serves on the one hand to dissipate the heat generated by the power loss of the optoelectronic component 1.
  • the thermal constant x By setting the thermal constant x to a value x> 0.5 D, preferably x> D, the temperature changes in the pulse mode are also reduced.
  • the thermal time constant x can be set, for example, by dimensioning the wall thickness 7 of the wall of the heat sink 3 adjoining the optoelectronic component 1. This wall thickness corresponds to the distance between the surface 8 of the heat sink 3 facing the optoelectronic component 1 and the microchannel 6 closest to the surface 8.
  • An increase in the wall thickness 7 causes an increase in the thermal time constant x. This is illustrated by the simulation calculations shown in FIGS. 2 and 3 of the time dependency of the temperature increase ⁇ T of an optoelectronic component 1 for different values of wall thickness 7.
  • Curve 9 represents the time course of the temperature increase for an actively cooled heat sink with a wall thickness of 0.1 mm represents curve 10 for an actively cooled heat sink 3 in which the wall thickness 7 is 1 mm, curve 11 for an actively cooled heat sink 3 in which the wall thickness 7 is 2 mm and curve 12 for a passive heat sink, which is formed by a copper block without an actively cooled microchannel system.
  • the thermal time constants x are approximately 10 ms with a wall thickness of 0.1 mm (curve 9), approximately 20 ms for 1 mm wall thickness (curve 10), about 60 ms for 2 mm wall thickness (curve 11) and about 400 ms for the passive heat sink (curve 12).
  • thermo time constant x which is achieved in curves 9 and 10 by increasing the wall thicknesses 7, or in curve 12 by using a passive heat sink, is advantageous if the thermal time constant x is greater than half that Pulse duration D, preferably greater than the pulse duration D, is.
  • the temperature increase ⁇ T reaches a maximum of approximately 86% of the limit value ⁇ T ⁇
  • approximately 63% of the limit value ⁇ T ⁇ is approximately 66% of the limit value ⁇ T ⁇ .
  • the inventive adaptation of the thermal time constant x to the pulse duration D achieves an advantageous reduction in the temperature changes during the pulse duration.
  • an increase in the wall thickness 7 or the use of a passive heat sink for an optoelectronic component in cw mode is disadvantageous, since in this case, as is simulated in FIG would set ⁇ T. This is due to the fact that the actively cooled heat sensors ken with an increased wall thickness 7 or the passive heat sink have an increased thermal resistance between the optoelectronic component 1 and the heat sink 3.
  • the dimensioning of the wall thickness of the heat sink makes it possible with relatively little effort to vary the thermal time constant and thus provide a heat sink which is optimally adapted to the pulsed operation.
  • other alternatives for setting the thermal time constant x as a function of the intended pulse duration are also conceivable.
  • the area and / or the thickness of the substrate on which the optoelectronic component is formed could also be varied.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

Bei einem strahlungsemittierenden optoelektronischen Bauelement (1), das mit einer Wärmesenke (3) verbunden ist, und für einen gepulsten Betrieb mit der Pulsdauer D vorgesehen ist, und bei dem im gepulsten Betrieb Temperaturänderungen des optoelektronischen Bauelements (1) mit einer thermischen Zeitkonstanten tau erfolgen, ist die thermische Zeitkonstante tau zur Verringerung der Amplitude der Temperaturänderungen an die Pulsdauer D angepaßt. Bevorzugt gilt für die thermische Zeitkonstante tau der Temperaturänderungen des optoelektronischen Bauelements während des gepulsten Betriebs tau >= 0,5 D. Die Amplitude der Temperaturänderungen im Pulsbetrieb und damit verbundene mechanische Wechselbelastungen werden dadurch vorteilhaft reduziert.

Description

WAR ESENKE FÜR EINEN GEPULSTEN LASERDIODENBARREN MIT OPTIMIERTER THERMISCHER ZEITKONSTANTE
Beschreibung
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldungen 102004004097.4 und 10355602.8, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bei Strahlungsemittierenden optoelektronischen Bauelementen für den Hochleistungsbetrieb ist eine geeignete Abfuhr der als Wärme auftretenden Verlustleistung erforderlich, da sich eine Aufheizung des Bauelements nachteilig auf die optischen Eigenschaften und die Langzeitstabilität auswirkt. Insbesondere kann eine Temperaturerhöhung eine Verschiebung der Wellenlänge, einen reduzierten Wirkungsgrad, eine verkürzte Lebensdauer oder sogar die Zerstörung des Bauelements bewirken. Aus diesem Grund werden optoelektronische Bauelemente im Hochleistungsbetrieb .oftmals auf einer Wärmesenke montiert. Es sind sowohl passive Wärmesenken, beispielsweise ein Kupferblock, als auch aktive Wärmesenken, zum Beispiel Wärmesenken mit einem von einer Flüssigkeit durchströmten Mikrokanal- system bekannt.
Eine Mikrokanalwärmesenke für Hochleistungslaserdioden ist zum Beispiel in der DE 43 15 580 AI beschrieben. Um eine gute Wärmeabfuhr zu gewährleisten, wird bei derartigen Mikrokanal- wärmesenken versucht, den Wärmewiderstand zwischen dem Bauelement und der Wärmesenke möglichst gering zu halten. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, daß die Wandstärke der Wände zwischen den Mikrokanälen beziehungsweise der Außenwand der Wärmesenke an der an das optoelektronische Bauelement angrenzenden Seite gering gehalten werden. Dadurch wird neben dem thermischen Widerstand auch die Wärmekapazität der Wärmesenke erniedrigt . Der zeitliche Verlauf der Temperaturänderungen eines optoelektronischen Bauelements bei einem Schaltvorgang läßt sich oftmals näherungsweise durch die exponentiellen Funktionen
Δr(t -t,) bei Temperaturanstiegen bzw.
ΔT(t -t2 ) = AT(t = t2)e τ bei Temperaturabnahmen beschreiben.
ΔT(t) ist die Temperaturänderung, also die Differenz zwischen der aktuellen Temperatur und der Ausgangstemperatur, zum Zeitpunkt t, wobei ti bzw. t2 die zugehörigen SchaltZeitpunkte für einen Temperaturanstieg bzw. eine Temperaturabnahme sind. ΔTm ist der Grenzwert der Temperaturerhöhung, gegen die ΔT(t) für t -> oo konvergieren würde. Dieser Grenzwert würde in etwa bei längerer Betriebszeit im cw-Betrieb erreicht werden.
Üblicherweise wird versucht, diesen Grenzwert zu minimieren, um die Maximaltemperatur des Bauelements möglichst gering zu halten. ΔTM hängt insbesondere vom Wärmewiderstand zwischen dem optoelektronischen Bauelement und der Wärmesenke ab. τ ist eine thermische Zeitkonstante, die ebenfalls von verschiedenen Parametern, wie beispielsweise der Wärmekapazität, dem Wärmewiderstand zur Wärmesenke oder der wärmeabstrahlenden Fläche des Bauelements abhängt. Je größer τ ist, desto langsamer erfolgen die Temperaturänderungen.
Bei optoelektronischen Bauelementen, die gepulst betrieben werden, besteht insbesondere bei geringen Frequenzen die Gefahr, daß das Bauelement mechanischen Wechselbelastungen aufgrund von Temperaturänderungen mit der Pulsfrequenz ausgesetzt wird. Dies hat mechanische Wechselbelastungen zur Folge, durch die das Bauelement in seiner Funktion beeinträchtigt oder sogar zerstört werden könnte. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optoelektronisches Bauelement mit einer Wärmesenke zu schaffen, bei dem die durch den Pulsbetrieb entstehenden mechanischen Wechselbelastungen vermindert sind. Weiterhin soll ein Verfahren zu dessen Herstellung angegeben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein optoelektronisches Bauelement nach Patentanspruch 1 bzw. ein Verfahren nach Patentanspruch 13 oder Patentanspruch 14 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist bei einem Strahlungsemittierenden optoelektronischen Bauelement, das mit einer Wärmesenke verbunden ist, und für einen gepulsten Betrieb mit der Pulsdauer D vorgesehen ist, und bei dem im gepulsten Betrieb Temperaturänderungen des optoelektronischen Bauelements mit einer thermischen Zeitkonstanten τ erfolgen, die thermische Zeitkonstante τ zur Verringerung der Amplitude der Temperaturänderungen an die Pulsdauer D angepaßt. Unter der Amplitude der Temperaturänderungen wird die Differenz zwischen der höchsten und der niedrigsten Temperatur des optoelektronischen Bauelements während eines Pulses verstanden. Die thermische Zeitkonstante ist die Konstante τ in den zuvor angegebenen Gleichungen für ΔT(t) . Bei einem von diesen Beziehungen abweichenden Temperaturverlauf soll im Rahmen der Erfindung unter der thermischen Zeitkonstante x eines optoelektronischen Bauelements die beste Näherung für x verstanden werden, die beispielsweise durch eine Kurvenanpassung der oben genannten Gleichungen an den tatsächlichen Temperaturverlauf ermittelt werden kann. Im Zweifel kann hierfür die Zeit herangezogen werden, die einem gegebenenfalls extrapolierten Temperaturabfall auf das 1/e- fache der Ausgangstemperatur entspricht.
Bevorzugt gilt für die thermische Zeitkonstante x der Temperaturänderungen des optoelektronischen Bauelements während des gepulsten Betriebs x ≥ 0,5 D. Besonders bevorzugt gilt x ≥ D.
Mit einer derartig an den gepulsten Betrieb angepaßten thermischen Zeitkonstante wird vorteilhaft erreicht, daß die Temperaturänderungen während des gepulsten Betriebs verhältnismäßig gering ausfallen. Eine mechanische Wechselbelastung des optoelektronischen Bauelements durch temperaturbedingte mechanische Spannungen wird dadurch verringert.
Beispielsweise beträgt ΔT(t) zum Ende eines Pulses, also für t = D, für x = 0,5 D etwa 0,86 ΔTra und für x = D etwa 0,63 ΔT∞. Es kann auch vorteilhaft sein, größere Werte für x zu verwenden, um die Temperaturerhöhung am Ende eines Pulses noch weiter zu verringern. Beispielsweise beträgt ΔT(t = D) für x = 2D etwa 0,39 ΔT∞ oder für x = 3D etwa 0,283 ΔT∞.
Einer derartigen Optimierung der thermischen Zeitkonstante liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Temperaturänderungen neben der erreichten Maximaltemperatur einen entscheidenden Einfluß auf die Langzeitstabilität des Bauelements haben. Deshalb ist es sinnvoll, die Amplitude der Temperaturänderungen zu minimieren.
Für eine Erhöhung der thermischen Zeitkonstante x sind unter Umständen Maßnahmen erforderlich, die eine Erhöhung des Wärmewiderstands zwischen der Wärmesenke und dem optoelektronischen Bauelement bewirken. Dies kann eine Erhöhung des Grenzwerts Δτ∞ zur Folge haben. Andererseits sollte aber die Wärmeabfuhr von dem optoelektronischen Bauelement zur Wärmesenke groß genug sein, daß die nach längerer Betriebszeit erreichte Maximaltemperatur einen noch akzeptablen Wert nicht übersteigt. In der Regel muß daher ein Kompromiß zwischen einem akzeptablen Wert für ΔT∞ und einem akzeptablen Wert für x gefunden werden . Bei der Erfindung wird also zur Verbesserung der Langzeitstabilität bei gepulsten optoelektronischen Bauelementen dadurch erzielt, daß eine Verringerung der Temperaturänderungen im Hinblick auf die Langzeitstabilität des Bauelements selbst dann vorteilhaft ist, wenn die verringerten Änderungen auf einem etwas höheren Temperaturniveau erfolgen als größere Änderungen auf einem vergleichsweise etwas niedrigerem Temperaturniveau.
Die Temperaturänderungen während des Pulsbetriebs sind bei der Erfindung bevorzugt auf einen Wert, der geringer ist als ΔT = 12 K, reduziert.
Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für strahlungsemit- tierende optoelektronische Bauelemente, deren Ausgangsleistung 20 W oder mehr beträgt und/oder deren Pulsfrequenz zwischen 0,1 Hz und 10 Hz beträgt. Insbesondere kann das strah- lungsemittierende optoelektronische Bauelement ein Laserdiodenbarren sein.
Die Wärmesenke, mit der das optoelektronische Bauelement verbunden ist, ist bevorzugt eine aktiv gekühlte Wärmesenke. Diese kann beispielsweise ein von einem Kühlmittel, zum Beispiel Wasser, durchströmtes Mikrokanalsystem aufweisen.
Das optoelektronische Bauelement ist beispielsweise mit einer Lötverbindung mit einer Oberfläche der Wärmesenke verbunden.
Die thermische Zeitkonstante x wird vorteilhaft durch die Wandstärke einer an das optoelektronische Bauelement angrenzenden Wand des Mikrokanalsystems dimensioniert . Diese Wandstärke beträgt vorteilhaft 0 , 5 mm oder mehr. Besonders bevorzugt beträgt die Wandstärke 1 mm oder mehr, beispielsweise zwischen 1 mm und einschließlich 2 mm.
Die Wärmesenke kann insbesondere Kupfer enthalten. Es sind im Rahmen der Erfindung aber auch andere Materialien, die eine gute thermische Leitf higkeit aufweisen, denkbar.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei- spiels im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen schematisch dargestellten Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements gemäß der Erfindung,
Figur 2 eine Simulation der Erwärmung eines optoelektronischen Bauelements auf einer Zeitskala von 0 ms bis 300 ms für vier verschiedene Ausführungsformen einer Wärmesenke und
Figur 3 eine Simulation der Erwärmung eines optoelektronischen Bauelements auf einer Zeitskala von 0 ms bis 1000 ms für vier verschiedene Ausführungsformen einer Wärmesenke .
Das in Figur 1 schematisch dargestellte optoelektronische Bauelement 1 ist mit einer Wärmesenke 3 verbunden. Dazu ist es beispielsweise mit einer Lötverbindung 2 auf einer Oberfläche 8 der Wärmesenke 3 befestigt. Die Wärmesenke 3 ist in diesem Beispiel eine aktiv gekühlte Wärmesenke, die ein Mi- krokanalSystem 6 mit einem Zulauf 4 und einem Ablauf 5 für ein Kühlmittel aufweist, das das Mikrokanalsystem 6 durchströmt. Das Kühlmittel ist eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, oder ein Gas.
Das Strahlungsemittierende optoelektronische Bauelement 1 emittiert Pulse mit einer Pulsdauer D. Insbesondere kann das optoelektronische Bauelement 1 ein Hochleistungsdiodenlaser oder ein Hochleistungsdiodenlaserbarren sein. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für Strahlungsemittierende opto- elektronische Bauelemente 1, die eine Ausgangsleistung von 20 W oder mehr aufweisen.
Die Pulse werden mit einer Pulsfrequenz f emittiert, die beispielsweise zwischen 0,1 Hz und 10 Hz beträgt. Die Pulsdauer D ist kleiner die Periode tp = 1 / f. Das Verhältnis der Pulsdauer D zur Periode tp wird üblicherweise als Tastverhältnis q bezeichnet, es gilt also D = q * t.p.
Die Wärmesenke 3 dient einerseits dazu, die durch die Verlustleistung des optoelektronischen Bauelements 1 entstehende Wärme abzuführen. Durch eine Einstellung der thermischen Konstanten x auf einen Wert x > 0,5 D, bevorzugt x > D, werden auch die Temperaturänderungen im Pulsbetrieb reduziert.
Die thermische Zeitkonstante x kann beispielsweise durch die Dimensionierung der Wandstärke 7 der an das optoelektronische Bauelement 1 angrenzenden Wand der Wärmesenke 3 eingestellt werden. Diese Wandstärke entspricht dem Abstand zwischen der dem optoelektronische Bauelement 1 zugewandten Oberfläche 8 der Wärmesenke 3 und dem der Oberfläche 8 nächstliegenden Mikrokanal 6.
Eine Erhöhung der Wandstärke 7 bewirkt eine Vergrößerung der thermischen Zeitkonstanten x. Dies verdeutlichen die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Simulationsrechnungen der Zeitabhängigkeit .der Temperaturerhöhung ΔT eines optoelektronischen Bauelements 1 für verschiedene Werte der Wandstärke 7. Die Kurve 9 stellt den zeitlichen Verlauf der Temperaturerhöhung für eine aktiv gekühlte Wärmesenke mit einer Wandstärke von 0,1 mm dar, die Kurve 10 für eine aktiv gekühlte Wärmesenke 3, bei der die Wandstärke 7 gleich 1 mm ist, die Kurve 11 für eine aktiv gekühlte Wärmesenke 3, bei der die Wandstärke 7 gleich 2 mm ist und die Kurve 12 für eine passive Wärmesenke, die durch einen Kupferblock ohne aktiv gekühltes Mikrokanalsystem gebildet ist. Die thermischen Zeitkonstanten x betragen etwa 10 ms bei 0,1 mm Wandstärke (Kurve 9) , etwa 20 ms bei 1 mm Wandstärke (Kurve 10) , etwa 60 ms bei 2 mm Wandstärke (Kurve 11) und etwa 400 ms bei der passiven Wärmesenke (Kurve 12) .
Eine Erhöhung der thermischen Zeitkonstanten x, die bei den Kurven 9 und 10 durch eine Verstärkung der Wandstärken 7 erreicht wird, oder bei der Kurve 12 durch die Verwendung einer passiven Wärmesenke erreicht wird, ist vorteilhaft, wenn die thermische Zeitkonstante x größer als die Hälfte der Pulsdauer D, bevorzugt größer als die Pulsdauer D, ist. Im ersten Fall erreicht die Temperaturerhöhung ΔT maximal etwa 86% des Grenzwerts ΔT∞, und im zweiten Fall etwa 63% des Grenzwerts ΔT∞.
Bei einer Pulsdauer von zum Beispiel D = 25 ms ist der Erfindung entsprechend die Bedingung x > 0,5 D für die aktive Wärmesenke mit 1 mm Wandstärke (Kurve 10) erfüllt, da für diese x = 20 ms beträgt und damit größer als 0,5 D = 12,5 ms ist. Das gilt auch für die Wärmesenke mit 2 mm Wandstärke (Kurve
11) mit x = 60 ms und die passive Wärmesenke (Kurve 12) mit x = 400 ms. Für die aktive Wärmesenke mit 0,1 mm Wandstärke (Kurve 9) mit x = 10 ms ist diese Bedingung dagegen nicht erfüllt. Die bei der Erfindung bevorzugte Bedingung x > D ist für diese Pulsdauer nur für die aktive Wärmesenke mit 2 mm Wandstärke (Kurve 11) und für die passive Wärmesenke (Kurve
12) erfüllt. Wie aus Fig. 2 deutlich hervorgeht, wird durch die erfindungsgemäße Anpassung der thermischen Zeitkonstante x an die Pulsdauer D eine vorteilhafte Verringerung der Temperaturänderungen während des Pulsdauer erreicht.
Im Gegensatz zu einem optoelektronischen Bauelement im Pulsbetrieb ist eine Vergrößerung der Wandstärke 7 oder die Verwendung einer passiven Wärmesenke für ein optoelektronisches Bauelement im cw-Betrieb unvorteilhaf , da sich in diesem Fall, wie in Figur 3 simuliert, nach längerer Betriebszeit ein höherer Wert der Temperaturerhöhung ΔT einstellen würde. Dies ist dadurch begründet, daß die aktiv gekühlten Wärmesen- ken mit einer vergrößerten Wandstärke 7 oder die passive Wärmesenke einen erhöhten thermischen Widerstand zwischen dem optoelektronischen Bauelement 1 und der Wärmesenke 3 aufweisen.
Für ein optoelektronisches Bauelement, das für die Verwendung im Pulsbetrieb vorgesehen ist, ist es durch die Dimensionierung der Wandstärke der Wärmesenke mit verhältnismäßig geringem Aufwand möglich, die thermische Zeitkonstante zu variieren und so eine an den Pulsbetrieb optimal angepaßte Wärmesenke bereitzustellen. Es sind aber auch anderer Alternativen zur Einstellung der thermischen Zeitkonstante x in Abhängigkeit von der vorgesehenen Pulsdauer denkbar. Beispielsweise könnte auch die Fläche und/oder die Dicke des Substrats, auf dem das optoelektronische Bauelement ausgebildet ist, variiert werden.
Die Erläuterung der Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels ist selbstverständlich nicht als Einschränkung auf dieses zu verstehen. Vielmehr umfaßt die Erfindung die offenbarten Merkmale sowohl einzeln als auch in jeder Kombination miteinander, auch wenn diese Kombinationen nicht explizit in den Ansprüchen angegeben sind.

Claims

Patentansprüche
1. Strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement (1), das mit einer Wärmesenke (3) verbunden ist, und für einen gepulsten Betrieb mit der Pulsdauer D vorgesehen ist, wobei beim gepulsten Betrieb Temperaturänderungen des optoelektronischen Bauelements mit einer thermischen Zeitkonstanten x erfolgen, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Zeitkonstante x zur Verringerung der Amplitude der Temperaturänderungen an die Pulsdauer D angepaßt ist .
2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß für die thermische Zeitkonstante x gilt: x > 0,5 D.
3. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die thermische Zeitkonstante x gilt: x > D.
4. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturänderungen geringer als ΔT = 12 K sind.
5. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß der gepulste Betrieb mit einer Pulsfrequenz im Bereich zwischen 0,1 Hz und 10 Hz erfolgt.
6. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine optische Ausgangsleistung aufweist, die 20 W oder mehr beträgt .
7. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (3) aktiv gekühlt ist.
8. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (3) einen oder mehrere von einem Kühlmittel durchströmte Mikrokanäle (6) aufweist.
9. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine an das optoelektronische Bauelement (1) angrenzende Wand der Wärmesenke eine Wandstärke (7) von 0,5 mm oder mehr aufweist.
10. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine an das optoelektronische Bauelement (1) angrenzende Wand der Wärmesenke eine Wandstärke (7) zwischen 1 mm und einschließlich 2 mm aufweist .
11. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (3) Kupfer enthält.
12. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß das optoelektronische Bauelement (1) ein Laserdiodenbarren ist .
13. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine an das optoelektronische Bauelement (1) angrenzende Wand der Wärmesenke (3) eine Wandstärke (7) aufweist und die Temperaturänderung und/oder die Maximaltemperatur des Bauelements (l)im Betrieb durch die Dimensionierung der Wandstärke (7) eingestellt wird.
14. Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden optoelektronischen Bauelements (1) , das mit einer Wärmesenke (3) verbunden ist, und für einen gepulsten Betrieb mit der Pulsdauer D vorgesehen ist, wobei beim gepulsten Betrieb Temperaturänderungen des optoelektronischen Bauelements mit einer thermischen Zeitkonstanten x erfolgen, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Zeitkonstante x zur Verringerung der Amplitude der Temperaturänderung an die Pulsdauer D angepaßt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Zeitkonstante x durch die Dimensionierung der Fläche und/oder der Dicke eines Substrats, auf dem das optoelektronische Bauelement (1) hergestellt wird, eingestellt wird.
EP04802812A 2003-11-28 2004-11-24 Wärmesenke für einen gepulsten laserdiodenbarren mit optimierter thermischer zeitkonstante Withdrawn EP1687878A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10355602 2003-11-28
DE102004004097A DE102004004097A1 (de) 2003-11-28 2004-01-27 Optoelektronisches Bauelement mit einer Wärmesenke
PCT/DE2004/002603 WO2005053122A1 (de) 2003-11-28 2004-11-24 Wärmesenke für einen gepulsten laserdiodenbarren mit optimierter thermischer zeitkonstante

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1687878A1 true EP1687878A1 (de) 2006-08-09

Family

ID=34635115

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP04802812A Withdrawn EP1687878A1 (de) 2003-11-28 2004-11-24 Wärmesenke für einen gepulsten laserdiodenbarren mit optimierter thermischer zeitkonstante

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20070160097A1 (de)
EP (1) EP1687878A1 (de)
JP (1) JP2007512690A (de)
KR (1) KR20060107823A (de)
TW (1) TWI255087B (de)
WO (1) WO2005053122A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8762097B2 (en) * 2006-08-04 2014-06-24 Apple Inc. Method and apparatus for a thermal control system based on virtual temperature sensor
DE102007017113A1 (de) * 2007-01-31 2008-08-07 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterbauelement mit einer optisch aktiven Schicht, Anordnung mit einer Vielzahl von optisch aktiven Schichten und Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2582368B2 (ja) * 1987-05-08 1997-02-19 日本電信電話株式会社 半導体レ−ザの発振波長安定化装置
DE19506093C2 (de) * 1995-02-22 2000-12-07 Dilas Diodenlaser Gmbh Diodenlaserbauelement
FR2736764B1 (fr) * 1995-07-13 1997-08-08 Thomson Csf Source laser a semiconducteurs
US5734672A (en) * 1996-08-06 1998-03-31 Cutting Edge Optronics, Inc. Smart laser diode array assembly and operating method using same
US6449295B1 (en) * 1999-11-23 2002-09-10 Litton Systems, Inc. Method and system for generating laser light
DE10229712B4 (de) * 2002-07-02 2009-06-25 Jenoptik Laserdiode Gmbh Halbleitermodul
US6724792B2 (en) * 2002-09-12 2004-04-20 The Boeing Company Laser diode arrays with replaceable laser diode bars and methods of removing and replacing laser diode bars

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2005053122A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
JP2007512690A (ja) 2007-05-17
TWI255087B (en) 2006-05-11
WO2005053122A1 (de) 2005-06-09
KR20060107823A (ko) 2006-10-16
TW200527786A (en) 2005-08-16
US20070160097A1 (en) 2007-07-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE1514055C2 (de) Kühlvorrichtung mit mindestens zwei zueinander parallel verlaufenden Kühlkörpern, insbesondere für Diodenlaser
EP2409368A2 (de) Optoelektronisches halbleiterbauteil
DE102007054856A1 (de) Beleuchtungsvorrichtung mit einer Substratplatte und einem Kühlkörper
EP1429435A1 (de) Halbleiterlaservorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer derartigen Halbleiterlaservorrichtung
DE19710716A1 (de) Vorrichtung zum Kühlen von elektronischen Bauelementen
EP1569281A2 (de) Strahlungsemittierender Halbleiterchip and Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterchips
DE102009000514A1 (de) Verbundbauteil sowie Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteil
DE102016214155B4 (de) Halbleiteranordnung
DE102009056387A1 (de) Kantenemittierender Halbleiterlaser
DE19521985B4 (de) Halbleitervorrichtung und diesbezügliches Herstellungsverfahren
DE102009003936B4 (de) Licht emittierendes Bauelement mit einer Konverterkeramik und einer Kühleinrichtung
WO2009052814A2 (de) Kühlvorrichtung für halbleiterbauelemente, halbleiter-kühlanordnung und verfahren zu deren herstellung
EP1687878A1 (de) Wärmesenke für einen gepulsten laserdiodenbarren mit optimierter thermischer zeitkonstante
WO2007039331A1 (de) Leiterplatte
DE69725649T2 (de) Elektrischer Schalter mit Photoleiter
DE102004004097A1 (de) Optoelektronisches Bauelement mit einer Wärmesenke
EP3997730B1 (de) Verfahren zur herstellung eines kühlelements und kühlelement hergestellt mit einem solchen verfahren
DE102015114579B4 (de) Halbleiterchip
DE19506091A1 (de) Kühlelement
EP4260417B1 (de) Laserdiode mit integrierter thermischer blende
WO2015185296A1 (de) Lichtkonversionsvorrichtung und verfahren zum seiner herstellung
DE102008037090B4 (de) Leistungshalbleitermodul mit verbesserter Wärmeübertragung
DE102015204915B4 (de) Wärmeleitkörper mit einer Koppeloberfläche mit Vertiefung und Wärmetransfervorrichtung
DE112019005619B4 (de) Diodenlaser und verfahren zum betreiben eines diodenlasers
DE102013214518A1 (de) Wärmeübertrager und Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20060420

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): DE FR GB

17Q First examination report despatched

Effective date: 20061121

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): DE FR GB

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: OSRAM OPTO SEMICONDUCTORS GMBH

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: OSRAM OPTO SEMICONDUCTORS GMBH

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN WITHDRAWN

18W Application withdrawn

Effective date: 20080909