KR20060107823A - 최적의 열적 시간 상수를 갖는 펄스 레이저 다이오드 바를위한 히트 싱크 - Google Patents

최적의 열적 시간 상수를 갖는 펄스 레이저 다이오드 바를위한 히트 싱크 Download PDF

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KR20060107823A KR1020067012883A KR20067012883A KR20060107823A KR 20060107823 A KR20060107823 A KR 20060107823A KR 1020067012883 A KR1020067012883 A KR 1020067012883A KR 20067012883 A KR20067012883 A KR 20067012883A KR 20060107823 A KR20060107823 A KR 20060107823A
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마르틴 베링어
게르하르트 헤르만
슈테판 모르고트
프랑크 묄머
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오스람 옵토 세미컨덕터스 게엠베하
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Abstract

히트 싱크(3)에 연결되고, 펄스 모드를 위해 펄스 지속 시간(D)이 제공되며, 펄스 모드에서는 광전 소자(1)의 온도 변동이 열적 시간 상수(τ)로 이루어지는 방사선 발생 광전 소자(1)에서는, 온도 변동의 폭을 줄이기 위하여 상기 열적 시간 상수(τ)가 상기 펄스 지속 시간(D)에 적응된다. 바람직하게, 펄스 모드 중의 광전 소자의 온도 변동의 열적 시간 상수에 대해서는 τ ≥ 0.5 D가 적용된다. 그럼으로써, 펄스 모드에서는 온도 변동의 폭 및 그와 연관된 기계적인 교번 부하가 바람직하게 감소된다.

Description

최적의 열적 시간 상수를 갖는 펄스 레이저 다이오드 바를 위한 히트 싱크 {HEAT SINK FOR A PULSED LASER DIODE BAR WITH OPTIMIZED THERMAL TIME CONSTANT}
본 특허 출원서는 독일 특허 출원서 102004004097.4호 및 10355602.8호를 우선권으로 청구하며, 그에 따라 상기 출원서들의 공개 내용이 인용 방식으로 본 출원서에 기재된다.
고출력 모드를 위한 방사선 발생 광전 소자의 경우에는, 열로서 발생하는 전력 손실을 적절히 방출시킬 필요가 있는데, 그 이유는 상기 소자의 가열이 광학 특성 및 장시간 안정성에 단점적인 영향을 미치기 때문이다. 특히 온도 상승은 파장의 이동, 효율의 저하, 수명의 단축 또는 심지어 소자의 파괴를 야기할 수 있다. 이와 같은 이유에서 광전 소자는 고출력 모드에서는 히트 싱크 상에 장착되는 경우가 많다. 예컨대 구리 블록과 같은 패시브 히트 싱크 뿐만 아니라, 예를 들어 유체에 의해 관류되는 마이크로 채널 시스템을 구비한 히트 싱크와 같은 액티브 히트 싱크도 공지되어 있다.
고출력 레이저 다이오드용의 마이크로 채널 히트 싱크는 예를 들어 독일 공개 특허 출원서 제 43 15 580 A1호에 기술되어 있다. 우수한 열 방출을 보장하기 위하여, 상기와 같은 유형의 마이크로 채널 히트 싱크의 경우에는, 소자와 히트 싱크 사이의 열 저항을 가급적 낮게 유지하려는 노력이 이루어진다. 상기와 같은 우 수한 열 방출은 예를 들어 마이크로 채널들 사이의 벽 또는 상기 마이크로 채널들과 히트 싱크의 외벽 사이에 있는 벽의 두께가 광전 소자에 인접하는 측면에서 작게 유지됨으로써 이루어진다. 그럼으로써, 열 저항 이외에 히트 싱크의 열용량도 저하된다.
스위칭 과정에서 하나의 광전 소자의 온도 변동을 나타내는 시간 파형은 대체로 아래와 같은 지수 함수에 의해서 근사하게 기술될 수 있다:
온도가 상승하는 경우에는
Figure 112006045873085-PCT00001
이거나,
온도가 떨어지는 경우에는
Figure 112006045873085-PCT00002
이다.
상기 함수에서 ΔT(t)는 온도 변동, 다시 말해 실제 온도와 시점(t)에서의 출발 온도 사이의 차이며, 이 경우 t1 또는 t2는 온도 상승 또는 온도 저하를 위한 해당 스위칭 시점이다. ΔT∞는 온도 증가의 한계값으로서, 상기 한계값 근처에서는 ΔT(t)가 t → ∞로 수렴된다. 작동 시간이 보다 긴 경우에는 상기 한계값이 cw-모드에서 달성될 수 있다.
통상적으로는, 소자의 최대 온도를 가급적 낮게 유지하기 위하여, 상기 한계값을 줄이려는 노력이 이루어진다. ΔT∞는 특히 광전 소자와 히트 싱크 사이의 열 저항에 의존한다. τ는 열적 시간 상수로서, 예컨대 열용량, 히트 싱크에 대한 열 저항 또는 광전 소자의 열 방출면과 같은 다양한 파라미터에 마찬가지로 의존한다. τ가 크면 클수록, 온도 변동은 그만큼 더 느리게 이루어진다.
펄스 방식으로 작동되는 광전 소자의 경우에, 특히 주파수가 낮은 경우에는 상기 소자가 펄스 주파수에 의한 온도 변동으로 인해 기계적인 부하에 노출될 위험이 존재한다. 그 결과 기계적인 교번 부하가 야기되며, 상기 기계적인 교번 부하에 의해서는 소자의 기능이 떨어지거나 또는 심지어 소자가 파괴될 수 있다.
본 발명의 목적은, 펄스 모드에 의해 형성되는 기계적인 교번 부하가 감소된, 히트 싱크를 구비한 광전 소자를 제조하는 것이다. 또한 상기 광전 소자를 제조하기 위한 방법이 지시된다.
상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 1에 따른 광전 소자에 의해서 또는 청구항 13 또는 14에 따른 광전 소자의 제조 방법에 의해서 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예 및 개선예들은 각 종속항들의 대상이다.
본 발명에 따라, 히트 싱크에 연결된 방사선 발생 광전 소자의 경우에 그리고 펄스 모드를 위해서는 펄스 지속 시간(D)이 제공되며, 펄스 모드에서는 광전 소자의 온도 변동이 열적 시간 상수(τ)로 이루어지고, 상기 열적 시간 상수는 온도 변동의 폭을 줄이기 위하여 상기 펄스 지속 시간(D)에 적응된다. 온도 변동의 폭이란, 하나의 펄스 동안의 광전 소자의 최고 온도와 최저 온도 사이의 차를 의미한다. 상기 열적 시간 상수는 앞에 지시된 ΔT(t)에 대한 방정식의 상수 τ이다. 상기 관계를 벗어나는 온도 파형의 경우에는, 본 발명의 틀 안에서, 광전 소자의 열적 시간 상수(τ)는 τ를 위한 최선의 근사치로 이해되며, 상기 근사치는 예를 들어 전술한 방정식이 실제 온도 파형에 곡선 적응됨으로써 검출될 수 있다. 이와 같은 검출을 위해서는, 상황에 따라 나타나는 외삽 온도 저하에 출발 온도의 1/e- 배까지 상응하는 시간이 이용될 수 있을 것이다.
바람직하게, 펄스 모드 중의 광전 소자의 온도 변동의 열적 시간 상수(τ)에 대해서는 τ ≥ 0.5 D가 적용된다. 특히 바람직하게는 τ ≥ D가 적용된다.
상기와 같은 방식으로 펄스 모드에 적응된 열적 시간 상수에 의해서는 바람직하게, 상기 펄스 모드 중에 온도 변동이 발생하지 않는 경우가 적다. 그럼으로써, 온도에 의해 야기되는 기계적 응력에 의한 광전 소자의 기계적인 교번 부하가 줄어든다.
예를 들어 하나의 펄스의 마지막에, 다시 말해 t = D일 때 τ = 0.5 D인 경우에 ΔT(t)는 대략 0.86 ΔT∞이고, τ = D인 경우에 ΔT(t)는 대략 0.63 ΔT∞이다. 하나의 펄스의 마지막에 온도 상승을 더욱 줄이기 위해서는, τ를 위하여 더 큰 값을 사용하는 것도 또한 바람직하다. 예를 들어 ΔT(t = D)는 τ = 2 D인 경우에는 대략 0.39 ΔT∞이거나 또는 τ = 3 D인 경우에는 대략 0.283 ΔT∞이다.
상기와 같은 열적 시간 상수의 최적화에는, 온도 변동이 상기 달성된 최대 온도 이외에 소자의 장시간 안정성에도 결정적인 영향을 미친다는 인식이 기본이 된다. 그렇기 때문에 온도 변동의 폭을 최소화하는 것이 중요하다.
열적 시간 상수(τ)를 높이기 위해서는, 히트 싱크와 광전 소자 사이의 열 저항을 높여주는 조치들이 상황에 따라 필요하다. 그 결과로서 한계값(ΔT∞)이 증가될 수 있다. 그러나 다른 한편으로 광전 소자로부터 히트 싱크로 방출되는 열의 크기는, 보다 긴 시간 후에 달성되는 최대 온도가 수용 가능한 값을 초과하지 않을 정도이어야 한다. 그렇기 때문에 일반적으로는 ΔT∞를 위한 수용 가능한 값과 τ를 위한 수용 가능한 값 사이에 조정이 이루어져야만 한다.
다시 말해 본 발명에서 펄스 광전자 소자의 장시간 안정성의 개선은, 심지어 약간 더 높은 온도 레벨에서는 변동이 작게 이루어지고, 비교적 약간 더 낮은 온도 레벨에서는 변동이 더 크게 이루어지는 경우에도, 상기 소자의 장시간 안정성과 관련하여 온도 변동을 줄이는 것이 바람직함으로써 달성된다.
펄스 동작 중의 온도 변동은 본 발명에서는 바람직하게 ΔT = 12 K보다 낮은 값으로 줄어들었다.
본 발명은, 출발 파워가 20 W 또는 그 이상이고/이상이거나 펄스 주파수가 0.1 Hz 내지 10 Hz의 범위에 있는 방사선 발생 광전 소자용으로 특히 바람직하다. 특히 상기 방사선 발생 광전 소자는 레이저 다이오드 배리어일 수 있다.
광전 소자가 연결된 히트 싱크는 바람직하게 액티브하게 냉각되는 히트 싱크이다. 상기 히트 싱크는 예를 들어 냉각제, 예컨대 물에 의해서 관류되는 마이크로 채널 시스템을 포함할 수 있다.
광전 소자는 예를 들어 납땜 결합부에 의해서 히트 싱크의 표면과 연결된다.
열적 시간 상수(τ)는 바람직하게 상기 광전 소자에 인접하는 상기 마이크로 채널 시스템의 한 벽의 두께에 의해서 그 크기가 설정된다. 상기 벽 두께는 바람직하게 0.5 mm 이상이다. 특히 바람직하게 상기 벽 두께는 1 mm 이상, 예를 들어 1 mm 내지 2 mm 이하이다.
히트 싱크는 특히 구리를 함유할 수 있다. 그러나 본 발명의 틀 안에서는 열전도성이 우수한 다른 재료들도 생각할 수 있다.
본 발명은 도 1 내지 3과 관련된 실시예를 참조하여 아래에서 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 광전 소자의 한 실시예의 개략적인 횡단면이고,
도 2는 히트 싱크의 네 가지 다양한 실시예를 위한 0 ms 내지 300 ms의 시간 눈금에서 광전 소자의 가열 상태를 보여주는 시뮬레이션이며,
도 3은 히트 싱크의 네 가지 다양한 실시예를 위한 0 ms 내지 1000 ms의 시간 눈금에서 광전 소자의 가열 상태를 보여주는 시뮬레이션이다.
도 1에 개략적으로 도시된 광전 소자(1)는 히트 싱크(3)에 연결되어 있다. 상기와 같은 연결을 목적으로 광전 소자는 예를 들어 납땜 결합부(2)에 의해 히트 싱크(3)의 표면(8)에 고정되어 있다. 본 실시예의 히트 싱크(3)는 액티브하게 냉각되는 히트 싱크로서, 마이크로 채널 시스템(6)을 관류하는 냉각제를 위한 공급부(4) 및 배출부(5)를 구비한 마이크로 채널 시스템(6)을 포함한다. 상기 냉각제는 유체, 특히 물, 또는 가스이다.
방사선 발생 광전 소자(1)는 펄스 지속 시간(D)을 갖는 펄스를 발생시킨다. 특히 광전 소자(1)는 고출력 다이오드 레이저 또는 고출력 다이오드 레이저 배리어일 수 있다. 본 발명은 출발 파워가 20 W 이상인 방사선 발생 광전 소자(1)에 특히 바람직하다.
펄스는 예를 들어 0.1 Hz 내지 10 Hz의 펄스 주파수(f)로 발생된다. 상기 펄스 지속 시간(D)은 주기 tp = 1/f 보다 작다. 주기(tp)에 대한 펄스 지속 시간(D)의 비율은 통상적으로 펄스-폭 반복 비율(pulse-width repetition rate)(q)로서 표기되는데, 다시 말해서 D = q * tp이다.
히트 싱크(3)는 한편으로는 광전 소자(1)의 전력 손실에 의해 형성되는 열을 방출하기 위해서 이용된다. 열적 상수(τ)를 값 τ > 0.5 D로, 바람직하게는 τ > D로 설정함으로써, 펄스 모드에서의 온도 변동도 줄어든다.
상기 열적 시간 상수(τ)는 예를 들어 광전 소자(1)에 인접하는 상기 히트 싱크(3)의 벽두께(7)의 치수 설계에 의해서 설정될 수 있다. 상기 벽두께는 광전 소자(1) 쪽을 향하고 있는 상기 히트 싱크(3)의 표면(8)과 상기 표면(8) 다음에 놓인 마이크로 채널(6) 사이의 간격에 상응한다.
벽두께(7)의 상승은 열적 시간 상수(τ)를 확대시킨다. 이것은 도 2 및 3에 도시된, 다양한 값의 벽두께(7)를 위한 광전 소자(1)의 온도 상승(ΔT)의 시간 의존성의 시뮬레이션 계산을 명확하게 설명한다. 곡선 9는 벽두께가 0.1 mm이고 액티브하게 냉각되는 히트 싱크를 위한 온도 상승의 시간 파형을 나타내고, 곡선 10은 벽두께(7)가 1 mm이고 액티브하게 냉각되는 히트 싱크(3)를 나타내며, 곡선 11은 벽두께(7)가 2 mm이고 액티브하게 냉각되는 히트 싱크(3)를 나타내고, 곡선 12는 액티브하게 냉각되는 마이크로 채널 시스템 없이 구리 블록에 의해 형성된 패시브 히트 싱크를 나타낸다. 상기 열적 시간 상수(τ)는 벽두께가 0.1 mm인 경우(곡선 9)에는 약 10 ms이고, 벽두께가 1 mm인 경우(곡선 10)에는 약 20 ms이며, 벽두 께가 2 mm인 경우(곡선 11)에는 약 60 ms이고, 패시브 히트 싱크의 경우(곡선 12)에는 약 400 ms이다.
곡선 9 및 10에서 벽두께(7)의 보강에 의해 달성되거나, 또는 곡선 12에서 패시브 히트 싱크의 사용에 의해 달성되는 열적 시간 상수(τ)의 상승은 상기 열적 시간 상수(τ)가 펄스 지속 시간(D)의 절반보다 클 때에, 바람직하게는 펄스 지속 시간(D)보다 클 때에 바람직하다. 제 1의 경우에는 온도 상승(ΔT)이 한계값(ΔT∞)의 최대 약 86%에 도달하고, 제 2 경우에는 한계값(ΔT∞)의 약 63%에 달한다.
예를 들어 펄스 지속 시간 D = 25 ms인 경우에는, 본 발명에 상응하게 1 mm의 벽두께를 갖는 액티브 히트 싱크(곡선 10)를 위한 조건 τ > 0.5 D가 충족되는데, 그 이유는 상기 히트 싱크의 경우에는 τ = 20 ms임으로써 0.5 D = 12.5 ms보다 크기 때문이다. 이와 같은 내용은 τ = 60 ms에서 벽두께가 2 mm인 히트 싱크(곡선 11) 및 τ = 400 ms인 패시브 히트 싱크(곡선 12)에도 적용된다. 그와 달리 τ = 10 ms에서 벽두께가 0.1 mm인 액티브 히트 싱크(곡선 9)에 대해서는 상기 조건이 충족되지 않았다. 본 발명에서 선호되는 조건 τ > D는 상기 펄스 지속 시간 동안에는 다만 벽두께가 2 mm인 액티브 히트 싱크(곡선 11) 및 패시브 히트 싱크(곡선 12)에 대해서만 충족되었다. 도 2에서 분명하게 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 열적 시간 상수(τ)를 펄스 지속 시간(D)에 적응시키면, 바람직하게 상기 펄스 지속 시간 동안 온도 변동이 줄어든다.
펄스 모드의 광전 소자와 달리, 벽두께(7)의 확대 또는 cw-모드에서 광전 소 자를 위해 패시브 히트 싱크를 사용하는 것은 바람직하지 않은데, 그 이유는 도 3에 시뮬레이팅 된 것과 마찬가지로 이 경우에는 보다 긴 작동 시간 후에 보다 높은 온도 상승 값(ΔT)이 설정되기 때문이다. 이에 대한 근거는, 벽두께(7)가 확대되어 액티브하게 냉각되는 히트 싱크 또는 패시브 히트 싱크는 광전 소자(1)와 히트 싱크(3) 사이에서 상승된 열 저항을 갖는다는 것이다.
펄스 모드에서 사용하기 위해 제공된 광전 소자를 위해서는, 비교적 적은 비용으로 히트 싱크의 벽두께를 치수 설계함으로써, 열적 시간 상수를 변동시켜 펄스 모드에 최적으로 적응된 히트 싱크를 제공하는 것이 가능하다. 그러나 열적 시간 상수(τ)를 앞서 지시된 펄스 지속 시간에 따라 설정하기 위한 다른 대안들도 생각할 수 있다. 예를 들면, 광전 소자가 그 위에 형성된 기판의 면적 및/또는 두께도 변동될 수 있다.
실시예를 참조하여 본 발명을 설명하는 것은 당연히 본 발명을 상기 실시예로 한정하는 것으로 이해해서는 안 된다. 오히려 본 발명은 공개된 특징들을 개별적으로뿐만 아니라 각각 서로 조합된 형태로도 - 비록 이와 같은 조합이 청구범위에 명시적으로 기술되어 있지 않더라도 - 포괄한다.

Claims (15)

  1. 히트 싱크(3)와 연결되어 있고, 펄스 모드를 위해 펄스 지속 시간(D)이 제공되며, 펄스 모드에서는 광전 소자의 온도 변동이 열적 시간 상수(τ)로 이루어지는, 방사선 발생 광전 소자(1)로서,
    온도 변동의 폭을 줄이기 위하여 상기 열적 시간 상수(τ)가 상기 펄스 지속 시간(D)에 적응되는,
    방사선 발생 광전 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열적 시간 상수(τ)에 대하여 τ > 0.5 D가 적용되는 것을 특징으로 하는,
    방사선 발생 광전 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열적 시간 상수(τ)에 대하여 τ > D가 적용되는 것을 특징으로 하는,
    방사선 발생 광전 소자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    온도 변동이 ΔT = 12 K보다 작은 것을 특징으로 하는,
    방사선 발생 광전 소자.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    펄스 동작이 0.1 Hz 내지 10 Hz 범위의 펄스 주파수로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    방사선 발생 광전 소자.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광전 소자가 20 W 또는 그 이상의 출발 파워를 갖는 것을 특징으로 하는,
    방사선 발생 광전 소자.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히트 싱크(3)가 액티브하게 냉각되는 것을 특징으로 하는,
    방사선 발생 광전 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 히트 싱크(3)가 냉각제에 의해 관류되는 하나 또는 다수의 마이크로 채널(6)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    방사선 발생 광전 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 광전 소자(1)에 인접하는 상기 히트 싱크의 벽이 0.5 mm 또는 그 이상의 벽두께(7)를 갖는 것을 특징으로 하는,
    방사선 발생 광전 소자.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 광전 소자(1)에 인접하는 상기 히트 싱크의 벽이 1 mm 내지 2 mm 이상의 벽두께(7)를 갖는 것을 특징으로 하는,
    방사선 발생 광전 소자.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히트 싱크(3)가 구리를 함유하는 것을 특징으로 하는,
    방사선 발생 광전 소자.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광전 소자(1)가 레이저 다이오드 배리어인 것을 특징으로 하는,
    방사선 발생 광전 소자.
  13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 광전 소자를 제조하기 위한 방 법으로서,
    상기 광전 소자(1)에 인접하는 상기 히트 싱크(3)의 벽이 벽두께(7)를 갖고, 동작 중에는 상기 광전 소자(1)의 온도 변동 및/또는 최대 온도를 상기 벽두께(7)의 치수 설계에 의해서 설정하는,
    방사선 발생 광전 소자의 제조 방법.
  14. 히트 싱크(3)와 연결되어 있고, 펄스 모드를 위해 펄스 지속 시간(D)이 제공되며, 펄스 모드에서는 광전 소자의 온도 변동이 열적 시간 상수(τ)로 이루어지는, 방사선 발생 광전 소자(1)의 제조 방법으로서,
    온도 변동의 폭을 줄이기 위하여 상기 열적 시간 상수(τ)를 상기 펄스 지속 시간(D)에 적응시키는,
    방사선 발생 광전 소자의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 열적 시간 상수(τ)를 그 위에서 광전 소자(1)가 제조되는 기판의 면적 및/또는 두께의 치수 설계에 의해서 설정하는 것을 특징으로 하는,
    방사선 발생 광전 소자의 제조 방법.
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