WO2010133572A1 - Wärmesenke für gepulste hochleistungslaserdiode - Google Patents

Wärmesenke für gepulste hochleistungslaserdiode Download PDF

Info

Publication number
WO2010133572A1
WO2010133572A1 PCT/EP2010/056779 EP2010056779W WO2010133572A1 WO 2010133572 A1 WO2010133572 A1 WO 2010133572A1 EP 2010056779 W EP2010056779 W EP 2010056779W WO 2010133572 A1 WO2010133572 A1 WO 2010133572A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
semiconductor laser
layer
primary layer
microns
substrate
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/056779
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Herden
Hans-Jochen Schwarz
Wolfgang Pittroff
Original Assignee
Robert Bosch 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
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to JP2012511254A priority Critical patent/JP5843756B2/ja
Priority to US13/259,292 priority patent/US8891567B2/en
Priority to EP10721017A priority patent/EP2433343A1/de
Publication of WO2010133572A1 publication Critical patent/WO2010133572A1/de

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
    • H01S5/02469—Passive cooling, e.g. where heat is removed by the housing as a whole or by a heat pipe without any active cooling element like a TEC
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/16—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations, e.g. centering rings
    • H01L23/18—Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device
    • H01L23/26—Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device including materials for absorbing or reacting with moisture or other undesired substances, e.g. getters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013—Alloys
    • H01L2924/0132—Binary Alloys
    • H01L2924/01322—Eutectic Alloys, i.e. obtained by a liquid transforming into two solid phases
    • 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094076—Pulsed or modulated pumping
    • 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
    • H01S5/02365—Fixing laser chips on mounts by clamping
    • 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
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/024—Arrangements for thermal management
    • H01S5/02476—Heat spreaders, i.e. improving heat flow between laser chip and heat dissipating elements

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor laser module having a substrate and having at least one semiconductor laser arranged on the substrate, wherein the substrate has a layer structure consisting of at least one first primary layer, which realizes a thermal contact to the semiconductor laser.
  • the invention further relates to a production method for such a semiconductor laser module.
  • the semiconductor laser is designed so that it emits heat pulses with a minimum specific heat amount of about 3 millijoules (mJ) per square millimeter (mm 2 ), preferably about 5 mJ / mm 2 , and having a pulse duration of about 100 microseconds ( ⁇ s) to about 2000 ⁇ s, and that the primary layer has a layer thickness of between about 200 microns ( ⁇ m) and about 2000 microns, preferably between about 400 microns and about 2000 microns.
  • the layer thickness of the primary layer selected according to the invention it is ensured that at least a predominant proportion of a heat pulse emitted by the semiconductor laser can be absorbed by the primary layer, so that efficient and at the same time cost-effective cooling of the semiconductor laser is possible in its pulsed mode.
  • the principle according to the invention does not require any layer thicknesses for the primary layer which amount to significantly more than two millimeters, so that the semiconductor laser module according to the invention can be manufactured inexpensively.
  • the pulse frequency of the heat pulses is less than approximately 400 Hertz (Hz), preferably less than approximately 100 Hz, so that the heat "buffered" in the primary layer can be dissipated to a heat sink during the pulse pauses cooled advantageous and is then ready again for fast absorption of a heat pulse generated by the semiconductor laser.
  • Pulse durations and pulse pauses of the aforementioned magnitude occur, in particular, when using the semiconductor laser for the optical pumping of other laser systems, especially of passively Q-switched laser systems, which are e.g. be used in laser spark plugs of internal combustion engines for generating laser ignition pulses. Therefore, the semiconductor laser module according to the invention is particularly suitable as a pump light source for laser-based ignition systems of internal combustion engines, in particular of motor vehicles or stationary large gas engines.
  • a further improved derivation of the heat pulses generated by the semiconductor laser is given according to an advantageous embodiment of the invention, when a second primary layer is provided, which is in thermal contact with the semiconductor laser, in particular with a surface of the semiconductor laser, which faces away from the first primary layer ,
  • a further advantageous embodiment provides for the primary layer and a secondary layer of the substrate connected to the primary layer to be designed, in particular matched to one another, such that a resulting coefficient of thermal expansion of the two layers is in the range a surface facing the semiconductor laser is approximately equal to the thermal expansion coefficient of the semiconductor laser.
  • the deviation of the respective thermal expansion coefficients from each other is at most about 20 percent, preferably about 10 percent.
  • the primary layer comprises copper and / or gold and / or silver and / or further materials with comparable heat capacity and comparable thermal conductivity.
  • Ductile materials are preferably used to form the primary layer to enable efficient microstructuring of the surface facing the semiconductor laser, with the aim of producing plastically deformable microstructures on the surface which, upon assembly of the components, provide improved positive engagement and hence lower thermal resistance ,
  • a method according to claim 7 is given.
  • the method according to the invention for producing a semiconductor laser module having a substrate and having at least one semiconductor laser arranged on the substrate, wherein the substrate has a layer structure consisting of at least one first primary layer, which realizes thermal contact with the semiconductor laser, is characterized by the following steps:
  • a primary layer having a layer thickness of between about 200 ⁇ m and about 2000 ⁇ m, preferably between about 400 ⁇ m and about 2000 ⁇ m, connecting the semiconductor laser to the primary layer.
  • the step of connecting the semiconductor laser to the primary layer is carried out by:
  • At least one surface of the two components to be joined is subjected to microstructuring which generates regular and / or randomly distributed, preferably plastically deformable, microstructures on the surface.
  • a further improved connection between the semiconductor laser and the primary layer according to the invention is given by the fact that the surfaces to be joined together are coated with a gold layer or a gold-nickel layer.
  • the surfaces of which can also be coated with a suitable microstructurable material, such as a gold layer, and the microstructure according to the invention is produced in the gold layer, for example by electronic removal with pulsed current.
  • FIG. 1a shows a first embodiment of the invention
  • FIG. 1b shows the semiconductor laser module according to FIG. 1a with a deactivated one
  • 3a, 3b show a further embodiment of the semiconductor laser module according to the invention in different operating modes
  • FIG. 4 shows yet another embodiment of the invention
  • FIG. 5 schematically shows a side view of an embodiment of the semiconductor laser module according to the invention before the semiconductor laser is connected to the primary layer receiving it
  • FIG. 6 shows a simplified flowchart of an embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 1a schematically shows a side view of a first embodiment of the semiconductor laser module 100 according to the invention in a first operating state.
  • the semiconductor laser module 100 has a semiconductor laser 120 connected to a substrate 110.
  • the semiconductor laser 120 In the first operating state, preferably in a pulsed mode, the semiconductor laser 120 generates laser radiation 200, which i.a. for optical pumping of other laser systems (not shown) can be used.
  • the substrate 110 serves, in addition to the mechanical support of the semiconductor laser 120, primarily for the temperature control, in particular cooling, of the semiconductor laser 120.
  • the substrate 110 has a primary layer 111 receiving the semiconductor laser 120, which is in good thermal contact with the semiconductor laser 120.
  • the primary layer 111 is connected to a secondary layer 112 on its surface facing away from the semiconductor laser 120.
  • the secondary layer 112 in turn is disposed on a heat sink 113, which is formed for example as a heat sink and / or as a Peltier element and / or as a heat pipe ("heat pipe").
  • the primary layer 111 is preferably formed of silver and / or gold and / or copper, while the secondary layer 112 is preferably made of a ceramic material, such as e.g. Aluminum nitride, AIN, is formed or also comprises material systems of copper and diamond.
  • a ceramic material such as e.g. Aluminum nitride, AIN, is formed or also comprises material systems of copper and diamond.
  • the semiconductor laser 120 is optimized for use in pulsed operation, in particular pulse operation as required for optically pumping other laser devices (not shown).
  • the semiconductor laser 120 can emit pump light pulses 200, with which optical devices with passive Q-switching are optically pumped.
  • Such systems are preferably suitable for use in laser-based ignition systems of internal combustion engines, for example of motor vehicles.
  • the semiconductor laser 120 is designed to emit heat pulses having a minimum specific heat amount of about 3 mJ per mm 2 , preferably about 5 mJ per mm 2 , the pulse duration being from about 100 ⁇ s to about 2000 ⁇ s.
  • a thickness d1 of the primary layer 111 is selected according to the invention to be about 200 ⁇ m to about 2000 ⁇ m, preferably between about 400 ⁇ m and about 2000 ⁇ m.
  • the primary layer 111 can absorb a complete heat pulse emitted by the semiconductor laser 120 before it reaches the secondary layer 112 arranged underneath in FIG. 1a. That is, the primary layer 111 according to the invention operates as a kind of local buffer for the heat pulses to be dissipated by the semiconductor laser 120.
  • the semiconductor laser module 100 according to the invention has a particularly cost-effective design, since the principle according to the invention provides an intermediate storage of the heat pulses generated by the semiconductor laser 120 in the primary layer 111, combined with a subsequent, during a pulse pause, heat dissipation 111 via the secondary layer 112 to the heat sink 113th.
  • the semiconductor laser module 100 according to the invention can be operated with comparatively high pulse powers, without at the same time requiring considerably more extensive cooling due to a corresponding formation of the substrate 110, as is known from conventional systems.
  • a material may be chosen that has a lower thermal conductivity than the material of the primary layer 111, because the heat conduction through the secondary layer 112, the relatively long pulse pauses are used.
  • FIGS. 2a, 2b depict another embodiment 100a of the semiconductor laser module according to the invention.
  • the semiconductor laser module 100a has two primary layers 111, 111 ', whereby a heat storage capacity of the primary layers 111, 111' is increased compared to the embodiment according to FIGS. 1a, 1b.
  • This variant of the invention enables operation of the semiconductor laser 120 with higher pulse powers.
  • FIG. 2 a once again illustrates a first operating state of the semiconductor laser module 100 a with an active semiconductor laser 120 which emits a laser pulse 200.
  • the resulting heat pulse is illustrated by the outgoing from the semiconductor laser 120 in the primary layers 111, 111 'arrows.
  • FIG. 2b shows a further, corresponding to a pulse pause, operating state of the semiconductor laser module 100a according to the invention, in which the semiconductor laser 120 is deactivated and the previously ( Figure 2a) in the primary layers 111, 111 'registered heat via the semiconductor laser 120, the secondary layer 112 and the heat sink 113 is removed.
  • 3a, 3b show a further embodiment of the semiconductor laser module according to the invention, in which a combination of a primary layer 111, 111 'and a secondary layer 112, 112' assigned to it is provided on both sides of the semiconductor laser 120.
  • the heat sink 113 is arranged in the present embodiment on the left in Figure 3a end faces of the substrate layers 111, 112, 111 ', 112'.
  • FIG. 3a in turn indicates an operating state in which a heat pulse generated by the semiconductor laser 120 is stored in the primary layers 111, 111 ', while FIG. 3b shows the derivation of the previously stored heat pulse from the primary layers 111, 111' via the secondary layers 112, 112 '. to the heat sink 113 illustrated.
  • FIG. 4 shows a further particularly advantageous embodiment of the semiconductor laser module 100 according to the invention, in which the primary layer 111 and the secondary layer 112 are constituents of a direct copper bonded, DCB, substrate whose primary layer 111 consists of copper and has a layer thickness of approximately 400 ⁇ m, and its secondary layer 112 consists of aluminum nitride (AIN), which in the present case has a thickness of approximately 630 ⁇ m.
  • DCB direct copper bonded
  • AIN aluminum nitride
  • a further layer 114 is assigned to the layer structure 111, 112, so that a configuration 111, 112, 114 of materials relative to the secondary layer 112 results with regard to their thermal expansion coefficient.
  • the thermal expansion coefficient in the region of the contact surface to the semiconductor laser 120 resulting from the layer structure 111, 112, 114 is preferably matched to the coefficient of thermal expansion of the semiconductor laser 120 in order to prevent damage to the semiconductor laser 120 due to thermo-mechanical stresses occurring during the heating.
  • a DC40 substrate which has a layer structure 111, 112, 114 comprising a copper layer 111, a DC40 (copper-diamond) layer 112 and a copper layer 114 .
  • this has the advantage that the DC40 material having secondary layer 112 due to their higher thermal conductivity allows better heat spreading than a layer containing aluminum nitride.
  • the copper layers 111, 114 may preferably be bonded to the DC40 material 112, for example by thermocompression bonding, or soldered.
  • the DC40 layer 112 may, for example, have a layer thickness of about 400 ⁇ m.
  • FIG. 5 schematically shows a side view of a semiconductor laser module according to the invention before the semiconductor laser 120 is connected to the primary layer 111 receiving it.
  • the primary layer 111 has, on its surface 111a facing the semiconductor laser 120, a microstructure 111b which, for example, consists of regular or randomly distributed microstructures in the form of trenches and / or turrets and / or sponge-like structures.
  • the microstructuring 111b preferably comprises plastically deformable microstructures which are plastically deformed when the semiconductor laser 120 is joined to the primary layer 111 and thereby ensure an optimized positive connection between the contact surfaces of the components 111, 120, which advantageously also reduces the thermal resistance of this connection.
  • the microstructures 111b comprise elements such as e.g. Turret whose largest dimension is perpendicular to the surface 111a in the range of about 5 microns to about 100 microns.
  • the diameter of the turrets is preferably less than about 10 microns, more preferably less than about 2 microns, and an average distance between adjacent turrets should be less than about 4 microns, preferably about 0.5 microns.
  • FIG. 6 shows a simplified flow diagram of an embodiment of the method according to the invention.
  • the primary layer 111 according to the invention is produced with a layer thickness d1 (FIG. 1a) of approximately 200 ⁇ m to approximately 2000 ⁇ m, preferably approximately 400 ⁇ m to approximately 2000 ⁇ m.
  • the microstructure 111b described above with reference to FIG. 5 is applied to at least one of the surfaces 111 a of the connection partners 111, 120.
  • the semiconductor laser 120 and the primary layer 111 are connected to one another, which takes place in step 310 and can be realized, for example, by clamping the components 111, 120.
  • a sufficiently high pressure is exerted in order to deform the plastically deformable microstructures 111b, so that possibly existing surface defects of the connection partners 111, 120 are compensated.
  • connection 310 of the semiconductor laser 120 to the primary layer 111, 111 'can also take place by:
  • the alloying of the components 111, 111 ', 120 preferably takes place at temperatures of less than or equal to approximately 150 ° C.
  • a further improved connection between the semiconductor laser 120 and the primary layer 111 is given when the surface 111 a (FIG. 5) of the primary layer 111 is coated with a gold layer or a gold-nickel layer or the like.
  • a conventional one can also be used Surface treatment done with the aim of the lowest possible surface roughness, for example by diamond milling or the like.
  • the above-described measures according to the invention for connecting the surfaces or for reducing the respective thermal resistances can also be applied to one another or combined with one another on the layers 111, 112, 113.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterlasermodul (100) mit einem Substrat (110) und mit mindestens einem auf dem Substrat (110) angeordneten Halbleiterlaser (120), wobei das Substrat (110) einen Schichtaufbau aufweist bestehend aus mindestens einer ersten Primärschicht (111), die einen thermischen Kontakt zu dem Halbleiterlaser (120) realisiert. Erfindungsgemäß ist der Halbleiterlaser (120) so ausgebildet, dass er Wärmepulse mit einer minimalen spezifischen Wärmemenge von etwa 3 mJ je mm2 abgibt, vorzugsweise etwa 5 mJ je mm2, und mit einer Pulsdauer von etwa 100 μs bis etwa 2000 μs, und die Primärschicht (111) weist eine Schichtdicke (d1 ) auf, die zwischen etwa 200 μm und etwa 2000 μm beträgt, vorzugsweise zwischen etwa 400 μm und etwa 2000 μm.

Description

Beschreibung
Titel
WÄRMESENKE FÜR GEPULSTE HOCHLEISTUNGSLASERDIODE
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterlasermodul mit einem Substrat und mit mindestens einem auf dem Substrat angeordneten Halbleiterlaser, wobei das Substrat einen Schichtaufbau aufweist bestehend aus mindestens einer ersten Primärschicht, die einen thermischen Kontakt zu dem Halbleiterlaser realisiert.
Die Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren für ein derartiges Halbleiterlasermodul.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterlasermodul und ein Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass mit einem kostengünstigen Aufbau eine effektive Kühlung des Halbleiterlasers bei einem Pulsbetrieb gegeben ist.
Diese Aufgabe wird bei dem Halbleiterlasermodul der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Halbleiterlaser so ausgebildet ist, dass er Wärmepulse mit einer minimalen spezifischen Wärmemenge von etwa 3 Millijoule (mJ) je Quadratmillimeter (mm2) abgibt, vorzugsweise etwa 5 mJ/mm2, und mit einer Pulsdauer von etwa 100 Mikrosekunden (μs) bis etwa 2000 μs, und dass die Primärschicht eine Schichtdicke aufweist, die zwischen etwa 200 Mikrometer (μm) und etwa 2000 μm beträgt, vorzugsweise zwischen etwa 400 μm und etwa 2000 μm. Untersuchungen der Anmelderin zufolge ist bei einer derartigen Abstimmung zwischen dem Halbleiterlaser und der zu seiner Kühlung vorgesehenen Primärschicht eine optimale Ableitung der während des gepulsten Betriebs des Halbleiterlasers freiwerdenden Wärmeenergie gegeben. Insbesondere ist aufgrund der erfindungsgemäß gewählten Schichtdicke der Primärschicht sichergestellt, dass zumindest ein überwiegender Anteil eines von dem Halbleiterlaser abgegebenen Wärmepulses von der Primärschicht aufgenommen werden kann, so dass eine effiziente und gleichzeitig kostengünstige Kühlung des Halbleiterlasers bei seinem Pulsbetrieb möglich ist. Insbesondere erfordert das erfindungsgemäße Prinzip im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen keine Schichtdicken für die Primärschicht, die wesentlich mehr als zwei Millimeter betragen, so dass das erfindungsgemäße Halbleiterlasermodul kostengünstig gefertigt werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls ist die Pulsfrequenz der Wärmepulse kleiner etwa 400 Hertz (Hz), vorzugsweise kleiner etwa 100 Hz, so dass in den Pulspausen die in der Primärschicht „zwischengespeicherte" Wärme abgeleitet werden kann an einen Kühlkörper. Damit wird die Primärschicht vorteilhaft abgekühlt und ist anschließend wieder bereit zur schnellen Aufnahme eines von dem Halbleiterlaser erzeugten Wärmepulses.
Pulsdauern und Pulspausen der vorstehend genannten Größe treten insbesondere bei einer Verwendung des Halbleiterlasers zum optischen Pumpen anderer Lasersysteme auf, speziell von passiv gütegeschalteten Lasersystemen, die z.B. in Laserzündkerzen von Brennkraftmaschinen zur Erzeugung von Laserzündimpulsen verwendet werden. Daher eignet sich das erfindungsgemäße Halbleiterlasermodul in besonderer Weise als Pumplichtquelle für laserbasierte Zündsysteme von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen oder auch stationären Großgasmotoren.
Eine noch weiter verbesserte Ableitung der von dem Halbleiterlaser erzeugten Wärmepulse ist einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zufolge gegeben, wenn eine zweite Primärschicht vorgesehen ist, die in thermischem Kontakt zu dem Halbleiterlaser steht, insbesondere mit einer Oberfläche des Halbleiterlasers, die von der ersten Primärschicht abgewandt ist. Zur Reduktion von thermomechanischen Spannungen während des Betriebs des Halbleiterlasers kann einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge vorgesehen sein, dass die Primärschicht und eine mit der Primärschicht verbundene Sekundärschicht des Substrats so ausgebildet, insbesondere aufeinander abgestimmt, sind, dass ein resultierender thermischer Ausdehnungskoeffizient der beiden Schichten im Bereich einer dem Halbleiterlaser zugewandten Oberfläche etwa mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterlasers übereinstimmt. Besonders bevorzugt beträgt die Abweichung der betreffenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten voneinander maximal etwa 20 Prozent, vorzugsweise etwa 10 Prozent.
Besonders bevorzugt weist die Primärschicht Kupfer und/oder Gold und/oder Silber und/oder weitere Materialien mit vergleichbarer Wärmekapazität und vergleichbarer Wärmeleitfähigkeit auf. Bevorzugt werden duktile Materialien zur Ausbildung der Primärschicht verwendet, um eine effiziente Mikrostrukturierung der dem Halbleiterlaser zugewandten Oberfläche mit dem Ziel zu ermöglichen, plastisch verformbare Mikrostrukturen auf der Oberfläche zu erzeugen, die bei dem Zusammenfügen der Komponenten einen verbesserten Formschluss und damit auch einen geringeren Wärmewiderstand bewirken.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Patentanspruch 7 angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasermoduls mit einem Substrat und mit mindestens einem auf dem Substrat angeordneten Halbleiterlaser, wobei das Substrat einen Schichtaufbau aufweist, bestehend aus mindestens einer ersten Primärschicht, die einen thermischen Kontakt zu dem Halbleiterlaser realisiert, ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:
Herstellen einer Primärschicht mit einer Schichtdicke, die zwischen etwa 200 μm und etwa 2000 μm beträgt, vorzugsweise zwischen etwa 400 μm und etwa 2000 μm, Verbinden des Halbleiterlasers mit der Primärschicht. - A -
Um einen möglichst wärmewiderstandsarmen formschlüssigen Übergang einer Epitaxieseite des Halbleiterlasers zu der Primärschicht zu gewährleisten, ist bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, dass der Schritt des Verbindens des Halbleiterlasers mit der Primärschicht erfolgt durch:
Hart- oder Weichlöten mit einer Lotschichtdicke, die kleiner ist als etwa 40 μm, bevorzugt etwa 10 μm,
- Zusammenlegieren der Komponenten unter Verwendung einer Flüssigmetallschicht, insbesondere eines Gallium-Indium-Zinn- Eutektikums, Reibschweißen, Bonden mittels Ultraschall, thermisches Bonden,
Klemmen, insbesondere unter Einfügen einer Flüssigmetallschicht, insbesondere eines Gallium-Indium-Zinn-Eutektikums, zwischen den Komponenten.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass vor dem Schritt des Verbindens mindestens eine Oberfläche der beiden zu verbindenden Komponenten einer Mikrostrukturierung unterzogen wird, die regelmäßige und/oder statistisch verteilte, vorzugsweise plastisch verformbare, Mikrostrukturen auf der Oberfläche erzeugt. Dadurch ist vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, einen Toleranzausgleich bezüglich des Formschlusses der zusammenzufügenden Oberflächen zu realisieren, weil die plastisch verformbaren Mikrostrukturen bei dem Verbinden des Halbleiterlasers mit der Primärschicht plastisch verformt werden und dadurch Unregelmäßigkeiten der beteiligten Oberflächen ausgleichen können. Hierdurch ergibt sich ein optimierter Formschluss und damit ein geringerer Wärmewiderstand der Verbindung zwischen dem Halbleiterlaser und der Primärschicht.
Eine weiter verbesserte Verbindung zwischen dem Halbleiterlaser und der Primärschicht ist erfindungsgemäß dadurch gegeben, dass die miteinander zu verbindenden Oberflächen mit einer Goldschicht oder einer Gold-Nickel-Schicht beschichtet werden. Alternativ zu der Mikrostrukturierung der Primärschicht bzw. des Halbleiterlasers selbst können deren Oberflächen auch mit einem geeigneten mikrostrukturierbaren Material wie z.B. einer Goldschicht, überzogen werden, und die erfindungsgemäße Mikrostruktur wird in der Goldschicht erzeugt, beispielsweise durch elektronischen Abtrag mit gepulstem Strom.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1a eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Halbleiterlasermoduls während einer aktiven Phase des Pulsbetriebs des Halbleiterlasers,
Figur 1 b das Halbleiterlasermodul gemäß Figur 1a mit einem deaktivierten
Halbleiterlaser,
Figur 2a, 2b eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls in unterschiedlichen Betriebsarten,
Figur 3a, 3b eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls in unterschiedlichen Betriebsarten,
Figur 4 noch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Halbleiterlasermoduls,
Figur 5 schematisch eine Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls vor dem Verbinden des Halbleiterlasers mit der ihn aufnehmenden Primärschicht, und Figur 6 ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1a zeigt schematisch eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls 100 in einem ersten Betriebszustand. Das Halbleiterlasermodul 100 weist einen Halbleiterlaser 120 auf, der mit einem Substrat 110 verbunden ist. Der Halbleiterlaser 120 erzeugt in dem ersten Betriebszustand, bevorzugt in einem Pulsbetrieb, Laserstrahlung 200, die u.a. zum optischen Pumpen weiterer Lasersysteme (nicht gezeigt) verwendet werden kann.
Das Substrat 110 dient neben der mechanischen Halterung des Halbleiterlasers 120 primär der Temperierung, insbesondere Kühlung, des Halbleiterlasers 120.
Das Substrat 110 weist hierzu eine den Halbleiterlaser 120 aufnehmende Primärschicht 111 auf, die in gutem thermischem Kontakt zu dem Halbleiterlaser 120 steht. Die Primärschicht 111 ist auf ihrer dem Halbleiterlaser 120 abgewandten Oberfläche mit einer Sekundärschicht 112 verbunden. Die Sekundärschicht 112 ihrerseits ist auf einer Wärmesenke 113 angeordnet, die beispielsweise als Kühlkörper und/oder als Peltierelement und/oder als Wärmerohr ("heat pipe") ausgebildet ist.
Die Primärschicht 111 ist bevorzugt aus Silber und/oder Gold und/oder Kupfer ausgebildet, während die Sekundärschicht 112 bevorzugt aus einem keramischen Material wie z.B. Aluminiumnitrid, AIN, ausgebildet ist oder auch Materialsysteme aus Kupfer und Diamant umfasst.
Der Halbleiterlaser 120 ist auf die Anwendung in einem Pulsbetrieb optimiert, insbesondere auf einen Pulsbetrieb, wie er für das optische Pumpen weiterer Lasereinrichtungen (nicht gezeigt) benötigt wird. Beispielsweise kann der Halbleiterlaser 120 Pumplichtimpulse 200 abgeben, mit denen Lasereinrichtungen mit passiver Güteschaltung optisch gepumpt werden. Solche Systeme eignen sich bevorzugt zum Einsatz in laserbasierten Zündsystemen von Brennkraftmaschinen, beispielsweise von Kraftfahrzeugen. Erfindungsgemäß ist der Halbleiterlaser 120 so ausgebildet, dass er Wärmepulse mit einer minimalen spezifischen Wärmemenge von etwa 3 mJ je mm2 abgibt, vorzugsweise etwa 5 mJ je mm2, wobei die Pulsdauer von etwa 100 μs bis etwa 2000 μs beträgt.
Eine Dicke d1 der Primärschicht 111 ist erfindungsgemäß zu etwa 200 μm bis etwa 2000 μm, vorzugsweise zwischen etwa 400 μm und etwa 2000 μm gewählt.
Bei der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Konfiguration ergibt sich Untersuchungen der Anmelderin zufolge eine optimierte Ableitung der von dem Halbleiterlaser 120 während seines Pulsbetriebs erzeugten Wärmepulse in die Primärschicht 111 , vgl. die nicht näher bezeichneten Pfeile in Figur 1a. Insbesondere ist bei der erfindungsgemäßen Wahl der Schichtdicke d1 vorteilhaft sichergestellt, dass die Primärschicht 111 einen kompletten von dem Halbleiterlaser 120 abgegebenen Wärmepuls aufnehmen kann, bevor dieser die in Figur 1a darunter angeordnete Sekundärschicht 112 erreicht. D.h., die erfindungsgemäße Primärschicht 111 arbeitet gleichsam als lokaler Zwischenspeicher für die von dem Halbleiterlaser 120 abzuführenden Wärmepulse.
Bei den verhältnismäßig langen Pulspausen, die sich aus einer bevorzugten Pulsfrequenz der Wärmepulse von weniger als etwa 400 Hz, vorzugsweise weniger als etwa 100 Hz, ergeben, ist sichergestellt, dass die Wärme aus der Primärschicht 111 über die Sekundärschicht 112 zu der Wärmesenke 113 abgeführt werden kann. Dieser Betriebszustand ist in Figur 1 b dargestellt, vgl. die nicht näher bezeichneten Pfeile, die den Wärmetransport während einer Pulspause aus der Primärschicht 111 zu dem Kühlkörper 113 andeuten.
Im Vergleich zu herkömmlichen Halbleiterlasermodulen, die üblicherweise für Dauerstrich (cw) - Anwendungen ausgelegt sind, weist das erfindungsgemäße Halbleiterlasermodul 100 eine besonders kostengünstige Konstruktion auf, da das erfindungsgemäße Prinzip eine Zwischenspeicherung der von dem Halbleiterlaser 120 erzeugten Wärmepulse in der Primärschicht 111 vorsieht, verbunden mit einer nachfolgenden, während einer Pulspause erfolgenden, Wärmeableitung 111 über die Sekundärschicht 112 zu der Wärmesenke 113. Das bedeutet, das erfindungsgemäße Halbleiterlasermodul 100 kann mit verhältnismäßig großen Pulsleistungen betrieben werden, ohne gleichzeitig eine wesentlich aufwändigere Kühlung durch eine entsprechende Ausbildung des Substrats 110 zu benötigen, wie sie von herkömmlichen Systemen bekannt ist.
Dadurch ist eine wirtschaftliche Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls 100 möglich. Insbesondere kann für die Sekundärschicht 112 ein Material gewählt werden, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material der Primärschicht 111 , weil für die Wärmeleitung durch die Sekundärschicht 112, die verhältnismäßig langen Pulspausen genutzt werden.
In den Figuren 2a, 2b ist eine weitere Ausführungsform 100a des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls abgebildet. Das Halbleiterlasermodul 100a verfügt über zwei Primärschichten 111 , 111', wodurch eine im Vergleich zur Ausführungsform gemäß Figur 1a, 1 b gesteigerte Wärmespeicherfähigkeit der Primärschichten 111 , 111' gegeben ist. Diese Erfindungsvariante ermöglicht einen Betrieb des Halbleiterlasers 120 mit größeren Pulsleistungen.
Figur 2a veranschaulicht hierbei wiederum einen ersten Betriebszustand des Halbleiterlasermoduls 100a mit einem aktiven Halbleiterlaser 120, der einen Laserimpuls 200 abstrahlt. Der hierbei entstehende Wärmepuls ist durch die von dem Halbleiterlaser 120 in die Primärschichten 111 , 111' ausgehenden Pfeile veranschaulicht.
Figur 2b zeigt einen weiteren, einer Pulspause entsprechenden, Betriebszustand des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls 100a, bei dem der Halbleiterlaser 120 deaktiviert ist und die zuvor (Figur 2a) in die Primärschichten 111 , 111' eingetragene Wärme über den Halbleiterlaser 120, die Sekundärschicht 112 und die Wärmesenke 113 abtransportiert wird.
Figur 3a, 3b zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls, bei dem beidseits des Halbleiterlasers 120 eine Kombination aus einer Primärschicht 111 , 111' und einer ihr zugeordneten Sekundärschicht 112, 112' vorgesehen ist. Die Wärmesenke 113 ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an den in Figur 3a links liegenden Stirnseiten der Substratschichten 111 , 112, 111', 112' angeordnet.
Figur 3a gibt wiederum einen Betriebszustand an, in dem ein von dem Halbleiterlaser 120 erzeugter Wärmepuls in den Primärschichten 111 , 111' gespeichert wird, während Figur 3b das Ableiten des zuvor gespeicherten Wärmepulses aus den Primärschichten 111 , 111' über die Sekundärschichten 112, 112' zu der Wärmesenke 113 veranschaulicht.
Figur 4 zeigt eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls 100, bei der die Primärschicht 111 und die Sekundärschicht 112 Bestandteil eines direct copper bonded, DCB, - Substrats sind, dessen Primärschicht 111 aus Kupfer besteht und eine Schichtdicke von etwa 400 μm aufweist, und dessen Sekundärschicht 112 aus Aluminiumnitrid (AIN) besteht, das vorliegend eine Dicke von etwa 630 μm aufweist.
Um eine optimierte Anpassung des den Halbleiterlaser 120 aufnehmenden Substrats zu erzielen, ist dem Schichtaufbau 111 , 112 eine weitere Schicht 114 zugeordnet, so dass sich eine bezüglich der Sekundärschicht 112 symmetrische Konfiguration 111 , 112, 114 von Materialien hinsichtlich ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten ergibt. Der aus dem Schichtaufbau 111, 112, 114 resultierende thermische Ausdehnungskoeffizient im Bereich der Kontaktfläche zu dem Halbleiterlaser 120 ist bevorzugt an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterlasers 120 angepasst, um eine Beschädigung des Halbleiterlasers 120 aufgrund von bei der Erwärmung auftretenden thermomechanischen Spannungen zu vermeiden.
Anstelle der in Figur 4 abgebildeten Substratvariante mit einem DCB-Substrat kann auch ein DC40-Substrat verwendet werden, welches einen Schichtaufbau 111 , 112, 114 bestehend aus einer Kupferschicht 111 , einer DC40 (Kupfer- Diamant)-Schicht 112 und einer Kupferschicht 114 aufweist. Gegenüber der DCB-Substratvariante hat dies den Vorteil, dass die DC40- Material aufweisende Sekundärschicht 112 aufgrund ihrer höheren Wärmeleitfähigkeit eine bessere Wärmespreizung ermöglicht als eine Aluminiumnitrid aufweisende Schicht. Die Kupferschichten 111 , 114 können bevorzugt auf das DC40-Material 112 gebondet, beispielsweise mittels Thermokompressionsbonden, oder gelötet sein. Die DC40-Schicht 112 kann beispielsweise eine Schichtdicke von etwa 400 μm aufweisen.
Figur 5 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls vor dem Verbinden des Halbleiterlasers 120 mit der ihn aufnehmenden Primärschicht 111.
Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, weist die Primärschicht 111 an ihrer dem Halbleiterlaser 120 zugewandten Oberfläche 111a eine Mikrostrukturierung 111 b auf, die beispielsweise aus regelmäßigen oder auch statistisch verteilten Mikrostrukturen in Form von Gräben und/oder Türmchen und/oder schwammartigen Strukturen besteht. Die Mikrostrukturierung 111 b umfasst bevorzugt plastisch verformbare Mikrostrukturen, die bei dem Verbinden des Halbleiterlasers 120 mit der Primärschicht 111 plastisch verformt werden und dadurch einen optimierten Formschluss zwischen den Kontaktoberflächen der Komponenten 111 , 120 sicherstellen, wodurch sich vorteilhaft auch der Wärmewiderstand dieser Verbindung reduziert.
Bei einer bevorzugten Erfindungsvariante weisen die Mikrostrukturen 111b Elemente wie z.B. Türmchen auf, deren größte Abmessung senkrecht zu der Oberfläche 111a im Bereich von etwa 5 μm bis etwa 100 μm liegt. Der Durchmesser der Türmchen beträgt bevorzugt weniger als etwa 10 μm, insbesondere weniger als etwa 2 μm, und ein mittlerer Abstand zwischen benachbarten Türmchen sollte weniger als etwa 4 μm, vorzugsweise etwa 0,5 μm betragen.
Figur 6 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 300 wird die erfindungsgemäße Primärschicht 111 mit einer Schichtdicke d1 (Figur 1a) von etwa 200 μm bis etwa 2000 μm, vorzugsweise etwa 400 μm bis etwa 2000 μm hergestellt. In einem nachfolgenden Schritt 305 wird die vorstehend bereits unter Bezugnahme auf Figur 5 beschriebene Mikrostrukturierung 111b auf mindestens einer der Oberflächen 111 a der Verbindungspartner 111 , 120 aufgebracht.
Anschließend werden der Halbleiterlaser 120 und die Primärschicht 111 miteinander verbunden, was in Schritt 310 erfolgt und beispielsweise durch Verklemmen der Komponenten 111 , 120 realisiert werden kann. Hierbei wird ein hinreichend hoher Druck ausgeübt, um die plastisch verformbaren Mikrostrukturen 111 b zu deformieren, so dass gegebenenfalls vorhandene Oberflächenfehler der Verbindungspartner 111 , 120 ausgeglichen werden.
Besonders bevorzugt kann das Verbinden 310 des Halbleiterlasers 120 mit der Primärschicht 111 , 111' auch erfolgen durch:
Hart- oder Weichlöten mit einer Lotschichtdicke, die kleiner ist als etwa 40 μm, bevorzugt etwa 10 μm,
- Zusammenlegieren der Komponenten 111 , 111 ', 120 unter Verwendung einer Flüssigmetallschicht, insbesondere eines Gallium-Indium-Zinn-Eutektikums, Reibschweißen, Bonden mittels Ultraschall, thermisches Bonden,
Klemmen, insbesondere unter Einfügen einer Flüssigmetallschicht, insbesondere eines Gallium-Indium-Zinn-Eutektikums, zwischen den Komponenten 111 , 111', 120.
Das Legieren der Komponenten 111 , 111', 120 erfolgt bevorzugt bei Temperaturen von kleiner gleich etwa 150 0C.
Eine weiter verbesserte Verbindung zwischen dem Halbleiterlaser 120 und der Primärschicht 111 ist dann gegeben, wenn die Oberfläche 111 a (Figur 5) der Primärschicht 111 mit einer Goldschicht oder einer Gold-Nickel-Schicht oder dergleichen beschichtet wird.
Neben der vorstehend beschriebenen Mikrostrukturierung 305 der Oberfläche 111a (Figur 5) der Primärschicht 111 kann auch eine herkömmliche Oberflächenbearbeitung mit dem Ziel einer möglichst geringen Rauhtiefe erfolgen, beispielsweise durch Diamantfräsen oder dergleichen. Die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Verbindung der Oberflächen beziehungsweise zur Verringerung der jeweiligen Wärmewiderstände können auch auf die Schichten 111 , 112, 113 untereinander angewandt bzw. miteinander kombiniert werden.

Claims

Ansprüche
1. Halbleiterlasermodul (100) mit einem Substrat (110) und mit mindestens einem auf dem Substrat (110) angeordneten Halbleiterlaser (120), wobei das Substrat (110) einen Schichtaufbau aufweist bestehend aus mindestens einer ersten Primärschicht (111 ), die einen thermischen Kontakt zu dem Halbleiterlaser (120) realisiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterlaser (120) so ausgebildet ist, dass er Wärmepulse mit einer minimalen spezifischen Wärmemenge von etwa 3 mJ je mm2 abgibt, vorzugsweise etwa 5 mJ je mm2, und mit einer Pulsdauer von etwa 100 μs bis etwa 2000 μs, und dass die Primärschicht (111) eine Schichtdicke (dl) aufweist, die zwischen etwa 200 μm und etwa 2000 μm beträgt, vorzugsweise zwischen etwa 400 μm und etwa 2000 μm.
2. Halbleiterlasermodul (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsfrequenz der Wärmepulse kleiner etwa 400 Hz ist, vorzugsweise kleiner etwa 100 Hz.
3. Halbleiterlasermodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Primärschicht (111') vorgesehen ist, die in thermischem Kontakt zu dem Halbleiterlaser (120) steht, insbesondere mit einer Oberfläche des Halbleiterlasers (120), die von der ersten Primärschicht (111 ) abgewandt ist.
4. Halbleiterlasermodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sekundärschicht (112, 112') auf einer von dem Halbleiterlaser (120) abgewandten Oberfläche der Primärschicht (111 , 111') angeordnet und thermisch mit der Primärschicht (111 , 111') verbunden ist.
5. Halbleiterlasermodul (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärschicht (111 , 111') und die Sekundärschicht (112, 112') so ausgebildet sind, dass ein resultierender thermischer Ausdehnungskoeffizient der beiden Schichten (111 , 112; 111', 112') im Bereich einer dem Halbleiterlaser (120) zugewandten Oberfläche etwa mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterlasers (120) übereinstimmt.
6. Halbleiterlasermodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärschicht (111 , 111 ') Kupfer und/oder Gold und/oder Silber aufweist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasermoduls (100) mit einem
Substrat (110) und mit mindestens einem auf dem Substrat (110) angeordneten Halbleiterlaser (120), wobei das Substrat (110) einen Schichtaufbau aufweist bestehend aus mindestens einer ersten Primärschicht (111), die einen thermischen Kontakt zu dem Halbleiterlaser (120) realisiert, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Herstellen (300) einer Primärschicht mit einer Schichtdicke (dl), die zwischen etwa 200 μm und etwa 2000 μm beträgt, vorzugsweise zwischen etwa 400 μm und etwa 2000 μm,
Verbinden (310) des Halbleiterlasers (120) mit der Primärschicht
(100).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des
Verbindens (310) des Halbleiterlasers (120) mit der Primärschicht (111 , 111') erfolgt durch:
Hart- oder Weichlöten mit einer Lotschichtdicke, die kleiner ist als etwa 40 μm, bevorzugt etwa 10 μm, - Zusammenlegieren der Komponenten (111 , 111 ', 120) unter
Verwendung einer Flüssigmetallschicht, insbesondere eines Gallium-
Indium-Zinn-Eutektikums,
Reibschweißen,
Bonden mittels Ultraschall, thermisches Bonden,
Klemmen, insbesondere unter Einfügen einer Flüssigmetallschicht, insbesondere eines Gallium-Indium-Zinn-Eutektikums, zwischen den
Komponenten (111 , 111', 120).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verbinden (310) mindestens eine Oberfläche (111a) der beiden Komponenten (111 , 111', 120) einer Mikrostrukturierung (305) unterzogen wird, die regelmäßige und/oder statistisch verteilte, vorzugsweise plastisch verformbare, Mikrostrukturen (111b) auf der Oberfläche (111a) erzeugt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Mikrostrukturen (111b) Gräben und/oder Türmchen und/oder schwammartige Strukturen aufweisen, deren größte Ausdehnung senkrecht zu der Oberfläche (111a) im Bereich von etwa 5 μm bis etwa 100 μm liegt.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem
Verbinden (310) die zu verbindenden Komponenten (111 , 111', 120) so miteinander verpresst werden, dass sich die Mikrostrukturen (111 b) plastisch verformen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander zu verbindenden Oberflächen (111a) mit einer Goldschicht oder einer Gold-Nickel-Schicht beschichtet werden.
PCT/EP2010/056779 2009-05-22 2010-05-18 Wärmesenke für gepulste hochleistungslaserdiode WO2010133572A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012511254A JP5843756B2 (ja) 2009-05-22 2010-05-18 パルス制御される高出力レーザダイオード用のヒートシンク
US13/259,292 US8891567B2 (en) 2009-05-22 2010-05-18 Heat sink for a pulsed high-power laser diode
EP10721017A EP2433343A1 (de) 2009-05-22 2010-05-18 Wärmesenke für gepulste hochleistungslaserdiode

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009026413A DE102009026413A1 (de) 2009-05-22 2009-05-22 Halbleiterlasermodul und Herstellungsverfahren hierfür
DE102009026413.2 2009-05-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2010133572A1 true WO2010133572A1 (de) 2010-11-25

Family

ID=42470725

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2010/056779 WO2010133572A1 (de) 2009-05-22 2010-05-18 Wärmesenke für gepulste hochleistungslaserdiode

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8891567B2 (de)
EP (1) EP2433343A1 (de)
JP (1) JP5843756B2 (de)
DE (1) DE102009026413A1 (de)
WO (1) WO2010133572A1 (de)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9933554B2 (en) 2013-07-03 2018-04-03 California Institute Of Technology High-coherence semiconductor light sources
US9819151B2 (en) 2013-07-03 2017-11-14 California Institute Of Technology High-coherence semiconductor light sources
RU170831U1 (ru) * 2014-03-31 2017-05-11 Айпиджи Фотоникс Корпорэйшн Способ корпусирования лазерного диода высокой мощности и лазерный диодный модуль
CN105244755B (zh) * 2015-10-24 2018-04-03 长沙青波光电科技有限公司 半导体激光单管芯片封装方法
US10866038B2 (en) * 2018-10-25 2020-12-15 United Arab Emirates University Heat sinks with vibration enhanced heat transfer for non-liquid heat sources
CN113847183B (zh) * 2021-09-23 2022-09-30 上海鑫歆源电子有限公司 一种热量控制模块、驱动电路及点火线圈驱动器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5978396A (en) * 1995-07-13 1999-11-02 Thomson-Csf Semiconductor laser source
JP2001156384A (ja) * 1999-11-29 2001-06-08 Nec Corp 半導体レーザ
US20030152773A1 (en) * 2002-02-14 2003-08-14 Chrysler Gregory M. Diamond integrated heat spreader and method of manufacturing same
US20070238219A1 (en) * 2006-03-29 2007-10-11 Glen Bennett Low stress optics mount using thermally conductive liquid metal or gel
US20090104727A1 (en) * 2007-09-20 2009-04-23 Bookham Technology Plc High power semiconductor laser diodes

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1113920A (en) * 1967-04-18 1968-05-15 Standard Telephones Cables Ltd An improved laser unit
JPH02102756U (de) * 1989-01-31 1990-08-15
JPH0448656U (de) * 1990-08-31 1992-04-24
JPH0537089A (ja) * 1991-07-25 1993-02-12 Mitsubishi Electric Corp 半導体レーザ装置
JPH05326767A (ja) * 1992-03-19 1993-12-10 Sumitomo Electric Ind Ltd 放熱基板
JP3297948B2 (ja) * 1993-05-17 2002-07-02 ソニー株式会社 レーザ光学素子の固定方法及びレーザ光学装置
JPH08195528A (ja) * 1995-01-13 1996-07-30 Fujitsu Ltd レーザダイオードモジュール
JP2001330789A (ja) * 2000-05-19 2001-11-30 Ricoh Co Ltd 画像形成装置
JP2003318475A (ja) * 2002-04-24 2003-11-07 Kyocera Corp 光半導体素子のマウント構造
JP4037815B2 (ja) * 2003-09-29 2008-01-23 オムロンレーザーフロント株式会社 レーザダイオードモジュール、レーザ装置、及びレーザ加工装置
JP2007194467A (ja) * 2006-01-20 2007-08-02 Sharp Corp 半導体レーザ装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5978396A (en) * 1995-07-13 1999-11-02 Thomson-Csf Semiconductor laser source
JP2001156384A (ja) * 1999-11-29 2001-06-08 Nec Corp 半導体レーザ
US20030152773A1 (en) * 2002-02-14 2003-08-14 Chrysler Gregory M. Diamond integrated heat spreader and method of manufacturing same
US20070238219A1 (en) * 2006-03-29 2007-10-11 Glen Bennett Low stress optics mount using thermally conductive liquid metal or gel
US20090104727A1 (en) * 2007-09-20 2009-04-23 Bookham Technology Plc High power semiconductor laser diodes

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WEISS S ET AL: "Design, simulation and technological realization of a reliable packaging concept for high power laser bars", ELECTRONIC COMPONENTS & TECHNOLOGY CONFERENCE, 1998. 48TH IEEE SEATTLE, WA, USA 25-28 MAY 1998, NEW YORK, NY, USA,IEEE, US LNKD- DOI:10.1109/ECTC.1998.678926, 25 May 1998 (1998-05-25), pages 1395 - 1401, XP010283870, ISBN: 978-0-7803-4526-3 *

Also Published As

Publication number Publication date
EP2433343A1 (de) 2012-03-28
US8891567B2 (en) 2014-11-18
JP5843756B2 (ja) 2016-01-13
US20120106582A1 (en) 2012-05-03
DE102009026413A1 (de) 2010-11-25
JP2012527754A (ja) 2012-11-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2010133572A1 (de) Wärmesenke für gepulste hochleistungslaserdiode
DE102007030389B4 (de) Moduleinheit mit einer Wärmesenke
EP2291890B1 (de) Wärmeübertragungsvorrichtung mit wenigstens einem halbleiterbauelement, insbesondere einem laser- oder leuchtdiodenelement, und verfahren zu seiner montage
EP2530707B1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Moduls und der Modul
DE102013211977B3 (de) Festkörperlaseranordnung
EP0766354A1 (de) Laserdiodenbauelement mit Wärmesenke
DE102008026229B4 (de) Wärmeübertragungsvorrichtung zur doppelseitigen Kühlung eines Halbleiterbauelementes
EP1436830A1 (de) Verfahren zur verbindung einer siliziumplatte mit einer weiteren platte
DE102006006175A1 (de) Leistungselektronikanordnung
DE102012102090A1 (de) Thermoelektrisches Generatormodul, Metall-Keramik-Substrat sowie Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates
WO2019243327A1 (de) Diodenlaseranordung und verfahren zum herstellen einer diodenlaseranordnung
DE102013105528A1 (de) Metall-Keramik-Substrat sowie Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates
EP1143583B1 (de) Verfahren zur Kontaktierung eines Hochleistungsdiodenlaserbarrens und eine Hochleistungsdiodenlaserbarren-Kontakt-Anordnung
JP2012527754A5 (de)
WO2019243322A1 (de) Diodenlaseranordnung und verfahren zum herstellen einer diodenlaseranordnung
WO2008031366A1 (de) Leiterplatte, insbesondere keramikleiterplatte
DE10252577A1 (de) Verfahren zum Erzeugen einer Lotverbindung durch kapillaren Lotfluß
DE10038330C2 (de) Lötverfahren zur Befestigung elektrischer Bauelemente
WO2009036919A2 (de) Verfahren zur herstellung wenigstens einer strahlungsquelle
WO2015011072A1 (de) Wärmeübertrager und verfahren zu dessen herstellung und verwendung
DE102006057718A1 (de) Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung
EP4037865B1 (de) Verfahren zum bearbeiten und befestigen eines metall-keramik-substrate
DE102004012232B4 (de) Verfahren zum Herstellen von Plattenstapeln, insbesondere zum Herstellen von aus wenigstens einem Plattenstapel bestehenden Kühlern
EP1515595A2 (de) Schaltungsträger
WO2023030789A1 (de) Elektronisches modul mit wenigstens einem leistungshalbleiter und verfahren zu dessen herstellung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10721017

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2010721017

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2012511254

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13259292

Country of ref document: US