WO2017064270A1 - Laserstrahlungsquelle und verfahren zur herstellung einer laserstrahlungsquelle und verwendung eines lötprozesses - Google Patents

Laserstrahlungsquelle und verfahren zur herstellung einer laserstrahlungsquelle und verwendung eines lötprozesses Download PDF

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WO2017064270A1
WO2017064270A1 PCT/EP2016/074748 EP2016074748W WO2017064270A1 WO 2017064270 A1 WO2017064270 A1 WO 2017064270A1 EP 2016074748 W EP2016074748 W EP 2016074748W WO 2017064270 A1 WO2017064270 A1 WO 2017064270A1
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layer
heat
metallic
solder
mounting surface
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Alex Kindsvater
Matthias Schröder
Peter Schmidt
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Jenoptik Laser Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a laser radiation source based on stacked diode laser elements, in particular laser bars, in which the waste heat is dissipated by heat conduction in a direction opposite to the beam direction.
  • laser radiation sources are commercially available in particular for quasi-continuous operation (qcw).
  • qcw quasi-continuous operation
  • cw continuous wave operation
  • pulsed operation a continuous wave operation
  • a stack of laser bars is known, for example, from US Pat. No. 4,802,081 A.
  • the production of this laser radiation source especially when many ingots are to be stacked on top of each other, places high demands on the tolerances of the thickness of the ingots and the dimensions of the heat conducting bodies. Therefore, the production of such laser radiation sources is expensive. Even with small deviations from the nominal dimensions, it can lead to an increased failure rate in the production of the laser radiation sources.
  • Similar laser radiation sources with the same disadvantages for example, from US 6352873 B1 and
  • US Pat. No. 6,188,707 B1 attempts to counteract this problem by means of narrower attachment surfaces of the heat-conducting bodies.
  • a disadvantage is the poorer heat dissipation of such an arrangement.
  • US Pat. No. 5,835,518 A attempts to counteract the tolerance problem by first soldering only the heat-conducting bodies to the carrier and first fastening the laser bars in the slots in a second step. This process is very complicated and can also lead to poorly reproducible solder gaps between see the ingot and the heat conducting bodies.
  • substrates are attached to the heat-conducting bodies, which electrically insulate the attachment surfaces from the heat-conducting bodies.
  • WO 2007/082508 A1 discloses a laser radiation source in which between two laser bars two heat conducting bodies are arranged, each with an air gap in between. The tolerance problem is thereby avoided, but disadvantageously more parts are needed, and because of the air gaps, only a less dense radiation field of laser radiation can be generated than would be possible without air gaps.
  • the object of the invention is to represent a laser radiation source based on diode laser elements, which can be produced easily and inexpensively. With high packing density of the diode laser elements, adequate heat dissipation of the waste heat from the diode laser elements should be possible. In addition, a manufacturing method is to be specified, which allows a reproducible production of the laser radiation source with high yield.
  • the laser beam source according to the invention can be produced easily and inexpensively. With this laser beam source, increased manufacturing tolerances of the components do not lead to an increase in the reject rate. In comparison to known laser beam sources of similar design higher manufacturing tolerances of the components can be allowed. As a result, the production of the laser source according to the invention is less expensive.
  • the stack height may be greater, i. It can be installed more diode laser elements per stack.
  • Another advantage is that similar carrier plates can be used for different laser beam sources with different bar spacings and bar thicknesses. By using equal parts for different laser beam sources, the manufacturing costs can be further reduced. Solution of the task:
  • a laser radiation source comprising
  • a stack of diode laser elements wherein the diode laser elements with respect to a coordinate system xyz are arranged in parallel in several xy planes, wherein between each two diode laser elements at least one electrically conductive heat conducting body is arranged, wherein in the stack a plurality of heat conducting bodies are present and each heat conducting body has a mounting surface and the Attachment surfaces of the heat-conducting lie body in an xz plane, wherein the mounting surfaces of adjacent heat conducting body have a first distance from each other,
  • At least one multilayer carrier comprising at least a first metallic layer, which is divided into layer regions, and an electrically insulating layer, wherein the first metallic layer has a mounting surface.
  • the stack is connected to the mounting surfaces of the heat conducting body with the mounting surface.
  • the layer regions each have a layer region width with respect to the z-direction, at least in the region of the mounting surface in an x-projection. According to the invention, several adjacent layer regions are formed such that the respective layer region width is smaller than the first distance.
  • soldering process for producing a laser radiation source comprising a plurality of diode laser elements and a plurality of heat-conducting body by means of a solder, characterized in that both a plurality of heat-conducting are attached to the mounting surface of a carrier by the soldering process, as well as an existing before the soldering process on the Lot electrical Connection between adjacent sauceleitmaschinen is interrupted by the soldering process.
  • a method for producing the laser radiation source is also specified, which may comprise the following steps:
  • At least one planar, multi-layered plate-shaped carrier comprising at least one electrically insulating layer and at least one first metallic layer, which is subdivided into electrically mutually insulated layer regions, wherein the first metallic layer has a mounting surface
  • Stacking the diode laser elements in a stacking direction z the diode laser elements being arranged in parallel in a plurality of xy planes and at least one heat conduction body being arranged between each two diode laser elements, the attachment surfaces of the heat conduction bodies lying in one plane and the attachment surfaces of adjacent heat conduction bodies being at a first distance from each other,
  • each layer region has at least in the region of the mounting surface in each case a layer region width in the stacking direction z. Several adjacent layer regions are formed such that the respective layer region width is smaller than the first distance.
  • a laser radiation source according to claims 1 to 6 can be manufactured according to this method.
  • the laser radiation source according to the invention comprises a stack of diode laser elements.
  • the diode laser elements can be beam sources which are designed as laser bars.
  • a laser bar may be formed in a known manner as an edge-emitting component and comprise one or preferably a plurality of emitters, which may be arranged offset in each case in an x-direction.
  • the laser bar may preferably have a width between 3 mm and 12 mm in the x-direction. It may preferably have between 3 and 100 emitters, commercially available are in particular laser bars with 5, 7, 19 or 49 emitters.
  • the center distance of adjacent emitters may preferably be between 0.1 mm and 1 mm.
  • the thickness of the laser bar may preferably be between 0.05 mm and 0.2 mm in a z-direction.
  • the resonator length of the emitter of a laser bar in a y-direction may preferably be between 0.5 mm and 6 mm.
  • the direction of the central rays of the emitted laser radiation may be the y-direction.
  • the directions x, y and z may be perpendicular to each other.
  • the laser bar can have a known epitaxially produced layer sequence as a p-n junction with a quantum well.
  • the individual emitters may be formed, for example, as wide-band emitter or as a ridge waveguide. It is also possible to use several layer sequences each having at least one quantum well, i. H. several electrically in series p-n junctions may be present. Such bars are also called nanostack. Then several emitters are stacked in z-direction.
  • a laser bar can be pumped by an electric current.
  • a first electrical contact surface and a second electrical contact surface may be provided on each laser bar.
  • the diode laser elements can be used with respect to the o.g. Coordinate system in several xy
  • the stack may comprise a first and a last diode laser element. This means the two outer diode laser elements of the stack.
  • a plurality of heat-conducting body may be present.
  • the stack can be designed so that each heat conduction body is connected to exactly two laser bars and each laser bar, with the exception of the first and the last laser bar, is connected to exactly two heat conduction bodies.
  • the stack may further comprise a first and a second contact body. The first contact body may be attached to the first laser bar.
  • the second contact body may be attached.
  • the diode laser elements can be connected in series.
  • the first and the second contact body may be provided for electrical connection of the stack.
  • the operating current of the diode laser elements can flow from the first contact body through the stack to the second contact body.
  • the first contact body may be formed as an anode terminal, the second contact body as a cathode terminal.
  • Each heat-conducting body may have a mounting surface.
  • the possibly provided contact bodies may also have such a fastening surface.
  • the attachment surfaces can lie in an xz-plane.
  • the attachment surfaces of adjacent heat conducting body may have a first distance from each other. This first distance may be in the z-direction. It may be substantially the thickness of the diode laser elements, i. whose extension in the z direction, correspond. This may mean that the first distance can also be greater than the thickness of the diode laser element by the thickness of joining layers. The first distance is required to avoid a short circuit of diode laser elements.
  • the heat-conducting body can be cuboid.
  • the heat-conducting body can be made for example of silver, copper, molybdenum, or tungsten. They may also be advantageously made of tungsten copper, which can be produced by powder metallurgy. It may also be advantageous to produce the heat-conducting body from a metal-containing composite material, for example silver-diamond, copper-diamond, aluminum-diamond or a metal-graphite composite. Such materials are for example
  • a metal-containing material containing carbon nanotubes can be used.
  • An advantage may be good thermal conductivity and good electrical conductivity of the material.
  • the heat-conducting body can be coated on the surface, for example, to produce a good solderability.
  • a known Ni / Au coating can take place.
  • the laser radiation source may comprise at least one multilayer carrier.
  • the carrier may be flat, for example plate-shaped.
  • the carrier comprises a electrically insulating layer.
  • the electrically insulating layer may be formed as a plate of a ceramic material.
  • the plate may consist of Al 2 O 3 , AIN, BeO, SiC. Other materials such as plastic or diamond could also be considered.
  • a high thermal conductivity may be advantageous in order to derive the waste heat from the stack can.
  • the thickness of the electrically insulating layer may advantageously be between 0.2 mm and 5 mm; for example, a standard thickness of 0.25 mm, 0.38 mm, 0.5 mm, 0.63 mm, 1 mm, 2 mm or 5 mm may be used.
  • a mechanical stability of the carrier can be provided. But it can also be used a thin electrically insulating layer. The thickness may for example be between 1 ⁇ and 100 mm. If a mechanical stability of the carrier is required, this stability can then be provided by another layer, for example a second metallic layer.
  • the carrier further comprises at least a first metallic layer.
  • the first metallic layer may advantageously be a thin-layer metallization having a layer thickness (expansion in the y direction) of 0.1 ⁇ m to 20 ⁇ m, which may be applied to an electrically insulating layer formed as a ceramic plate.
  • the first metallic layer can be produced, for example, by sputtering. The stoving of a metallizing paste would be possible.
  • the first metallic layer may also be advantageously formed as a thick-film metallization having a thickness of 10 pm to 500 pm. Such a layer can be produced, for example, by the known DCB method (direct copper bonding).
  • a galvanic layer structure is also suitable for production.
  • the first metallic layer has a mounting surface.
  • the mounting surface can be determined by the fact that the stack is connected to this surface. The connection is made such that the mounting surfaces of the heat conducting body are connected to the mounting surface.
  • the mounting surface can be considered as a surface within the outer contour of the y-projection of the stack on the first metallic layer, which should also include the projection of the spaces between adjacent mounting surfaces.
  • the mounting surface may also be considered as the y-projection of the stack, including the heat-conducting bodies, diode laser elements and contact bodies on the first metallic layer.
  • the carrier may advantageously have the same width in the x-direction as the heat-conducting body, or it may have a slightly smaller width than the heat-conducting body, so that, for example, the laser radiation sources can be strung together afterwards with as little space as possible in the x-direction.
  • the support may also advantageously have a greater extent (width) in the x-direction than the heat-conducting body, in order, for example, to achieve improved heat spreading of the heat-conducting body To reach waste heat of the laser radiation source.
  • the connection of the attachment surfaces with the mounting surface can advantageously have a low heat transfer resistance.
  • the connection can be made for example with a first joining agent.
  • the connection can be made by a soldering process.
  • a metallic solder can be used as a joining agent.
  • the joining agent may also be formed as a metallic layer.
  • gold-tin solder or solder can be used, containing, for example, tin and / or indium.
  • one or more of the following metals may be present in the solder: silver, copper, gallium, bismuth, lead, cadmium.
  • a metallic solder which contains metallic nanoparticles which have a lower melting point than the base metal.
  • Such nanoparticles can be present together with an organic binder as a solder paste.
  • Such solder pastes are also referred to as nanosinter pastes.
  • Particularly suitable may be pressure-free silver sintered pastes, for example the commercially available "High Thermal Silver Sintering Paste" XT2773R7 from Kyocera.
  • an adhesive for example a heat-conducting adhesive, can also be advantageously used as the first joining agent.
  • the first metallic layer can advantageously consist of such a metal, which remains in the solid state of aggregation during the joining process, while the joining agent is liquefied or sintered during the joining process.
  • the joining process can advantageously be carried out at a temperature below the melting temperature of the first metallic layer and above the melting temperature of the joining agent.
  • the first metallic layer is divided into layer regions.
  • the object of this structure is to avoid an electrical short circuit of the diode laser elements via the heat conducting body and the first metallic layer.
  • a short circuit can be understood as meaning that at least a portion, for example more than 1%, of the supplied operating current does not flow through a diode laser element but is conducted in another way from one heat conducting body to another.
  • the layer regions can be produced, for example, by first producing a continuous first metallic layer on the electrically insulating layer, for example by sputtering or by baking a metallization paste.
  • the first metallic layer can also initially be produced as a continuous thick layer, for example by the DCB method.
  • the layer regions can be covered by an etching mask and separated from one another by an etching process.
  • the layer regions can also be produced by the selective removal of material of the first metallic layer, for example by removal with a laser beam or a grinding tool. By removing material Thus, gaps between adjacent layer areas can arise.
  • the layer regions can also be produced by selective application of layer material, for example by screen printing of a metallization paste.
  • the layer regions can also be produced by means of a mask, the gaps being covered by the mask during layer production.
  • the layer areas can also be galvanically reinforced in order to increase the layer thickness.
  • the layer regions may be defined by not being joined together by material of the first metallic layer prior to bonding the attachment surfaces to the mounting surface.
  • the layer material of the first metallic layer may be non-contiguous regions.
  • adjacent layer areas may be separated from each other by gaps (interruptions).
  • a gap may be determined by the fact that no metallic material of the first metallic layer is present at the respective location in the plane of the first metallic layer.
  • a plurality of gaps of the first metallic layer extending in the x-direction may be present, wherein a plurality of spacings of adjacent gaps are smaller than the first distance.
  • the gaps themselves can have a width (expansion in the z-direction) advantageously between 5 ⁇ m and 100 ⁇ m, particularly advantageously between 5 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • the layer regions can be electrically insulated from one another. But that does not have to be the case.
  • the layer regions may be connected prior to the joining process, for example, by a joint layer formed as a metallic solder layer.
  • a solder layer can be present for example as a solder foil.
  • such a solder layer can also be produced by vapor deposition of the carrier.
  • the side of the carrier can be vapor-deposited, on which the first metallic layer is located.
  • a solder layer can be formed on the first metallic layer.
  • the solder layer may, but need not, first cause an electrical connection of several layer areas. During the joining process, the solder layer can melt. In this case, the liquid solder can wet the layer regions of the first metallic layer, while the solder can not wet the electrically insulating layer. This can lead to dewetting (colloquially lapping off) of the solder on the exposed surface of the electrically insulating layer. The solder can therefore not wet the locations of the electrically insulating layer which are not covered by a layer area, but it can entn zen at these locations and reach, for example, by the surface tension of the solder to the next layer area.
  • any existing electrical connection of adjacent heat conducting bodies via the joining means can be interrupted. Even after the joining process, these electrical interruptions are retained. Therefore
  • a soldering process in the manner described here can advantageously be used to fasten both a plurality of heat conducting bodies to the mounting surface of a carrier, as well as to interrupt an electrical connection between adjacent heat conducting bodies through the soldering process before the soldering process via the solder. This use of a soldering process is described below.
  • the gaps between adjacent layer regions may be filled with an electrically insulating filler.
  • Suitable electrically insulating fillers are, for example, organic adhesives or fillers, for example silicones, acrylates, epoxy resins or polyurethanes. These may be, for example, thermally curing, light-curing or chemically hardening.
  • inorganic adhesives or fillers are suitable, for example cements or silicates, for example water glass.
  • a filling can have the advantage that short circuits between the heat-conducting bodies can be avoided even better. It may be sufficient if the gaps are only partially filled with the filler.
  • the filling is provided only in certain partial areas of the first metallic layer and / or that the filling in each case does not fill the entire volume of the gaps, or that the gaps are not filled up to the upper edge.
  • the filler can be applied in flowable form in the gaps and it can be cured afterwards. Alternatively, the gaps can also be provided unfilled.
  • the layer regions can nevertheless be electrically connected by the first joining means and / or one of the mounting surfaces. It is essential that two adjacent mounting surfaces are not connected to one and the same layer area. In that case, a short circuit of the respective diode laser element would occur.
  • the layer areas may be designed so that two adjacent mounting surfaces are not connected to one and the same layer area, even if certain manufacturing tolerances occur by which the position of a heat conduction to the mounting surface with respect to the z-direction may be shifted when different Compare copies of the laser radiation source.
  • the layer regions each have a layer region width in the region of the mounting surface in an x-projection.
  • the layer area width of a single layer area can be measured in the z direction.
  • the layer areas may or may not extend beyond the mounting surface.
  • the layer region widths can also be measured in a yz section containing the stack.
  • the layer regions are formed in such a way that the respective layer region width is smaller than for a plurality of adjacent layer regions the first distance. This can ensure that such a layer area can not bridge the first distance in any case. Otherwise, two heat conducting bodies could otherwise be electrically connected with such a bypass, which would equate to a short circuit of the first and second contact surfaces of the diode laser element located between these heat conducting bodies. The diode laser element concerned could then emit no laser radiation.
  • layer regions may be formed such that, for a plurality of adjacent layer regions, the respective layer region width is smaller than the thickness of a diode laser element.
  • a diode laser element e.g., one can use the same thickness diode laser elements. Otherwise, the thinnest diode laser element can be used as a reference.
  • all layer regions which are located in the section between the first and the last diode laser element of the stack with respect to the z-coordinate (stacking direction) can be designed such that the layer region width is smaller than the thickness of one of the diode laser elements and / or smaller than the first distance.
  • the first distances between each two adjacent attachment surfaces can all be the same. If this is not true, you can take as reference the smallest of the first distances.
  • the first distance may, for example, correspond to the height of the diode laser elements in the z direction and may advantageously be between 80 pm and 300 pm.
  • the layer area width can be, for example, between 10 pm and 150 pm, but smaller according to the invention than the first distance. For example, one can choose a layer width of 60 pm at a first distance of 100 .mu.m. Then two heat-conducting bodies can not be short-circuited by a layer region.
  • the stack height may differ from one copy of the laser radiation source to 200 ⁇ m if the diode laser elements each have a height tolerance of 10 pm.
  • the tolerances of the heat-conducting body and a second joining agent can still come. As a result, it can not be predetermined on which of the layer regions each fastening surface is fastened. Nevertheless, as described above, in the laser radiation source according to the invention, a short circuit between two heat conducting bodies can be avoided.
  • a second metallic layer may be present.
  • This second metallic layer can counteract a curvature of the carrier under thermal stress and / or be provided for fastening the laser radiation source, for example on a heat sink.
  • the second metallic layer may have the same layer thickness as the first metallic layer.
  • the first metallic layer may be made thinner than the second metallic layer in order, for example, to be able to better structure the first metallic layer, while the second metallic layer is better able to distribute the heat. It is also possible to produce the first metallic layer from a different material than the second metallic layer.
  • the first metallic layer may advantageously comprise copper, which can be well structured.
  • the second metallic layer may comprise silver, for example, which has a better thermal conductivity.
  • the first metallic layer may itself be composed of several individual layers, it may be advantageous to provide a single layer of pure copper, on which a diffusion barrier nickel layer and then a gold layer and / or a solder layer is provided.
  • the second metallic layer may likewise be composed of several individual layers, it may be advantageous to provide a single layer of pure copper or silver on which a diffusion barrier nickel layer and then a gold layer is provided.
  • an adhesion-promoting layer which may contain, for example, titanium and / or platinum.
  • the layer regions can be designed strip-shaped in an advantageous embodiment. This means that they can be continuous in the x-direction and have a constant width in the z-direction.
  • the strips can be parallel and can be arranged uniformly offset from one another in the z-direction. The distance between adjacent strips may advantageously be less than the width of the strips.
  • the layer regions may be formed as a grid.
  • the layer regions can be, for example, circular or polygonal, for example rectangular.
  • the layer regions may be arranged in a pattern with an offset in the z-direction and an offset in the x-direction.
  • Several layer area widths can be of the same size and / or have the same outer contour.
  • gaps which can also be called interruptions, may be present.
  • the gaps can not be bridged with joining means and / or in a second section the gaps between adjacent layer regions can be at least partially filled with joining means.
  • the second section may be under the attachment surfaces.
  • the first portion may be located at locations where there is no attachment surface, i. between two adjacent attachment surfaces.
  • being bridged is meant the existence of an electrical short between the layer areas.
  • the carrier comprises at least one electrically insulating layer and at least one first metallic layer which is subdivided into layer regions which are electrically insulated from one another, wherein the first metallic layer has a mounting surface
  • the diode diode elements can be stacked, with at least one heat conduction body being arranged between each two diode laser elements, wherein the attachment surfaces of the heat conduction bodies lie in one plane and the attachment surfaces of adjacent heat conduction bodies are at a first distance from one another.
  • the stacking direction may be the z-direction.
  • the first distance may be the distance in the z-direction.
  • the attachment surfaces of the heat-conducting body are connected to the mounting surface of the carrier.
  • a first joining process can be provided.
  • the first joining process can be carried out with a first joining means, for example a first solder.
  • a second joining process can be provided.
  • the second joining process can be carried out with a second joining means, for example a second solder.
  • the second joining process can advantageously be carried out before the first joining process.
  • solders can be used, which have a different melting point.
  • you can the first joining process can advantageously be carried out simultaneously with the second joining process.
  • the first solder (joining agent) may be the same as the second solder (another joining agent).
  • Each layer region can have a layer area width in the stacking direction, at least in the area of the mounting surface.
  • the layer areas may or may not extend beyond the mounting surface.
  • each layer region may also have a layer region width outside the region of the mounting surface.
  • Several adjacent layer regions are formed such that the respective layer region width is smaller than the first distance.
  • a first joining means in the form of a metallic solder layer can be provided prior to joining the fastening surfaces to the mounting surface.
  • the solder layer can first electrically short several or all layer regions electrically.
  • the bonding of the attachment surfaces with the mounting surface may be a joining process, which then takes place by means of said solder layer, in that the solder layer can be melted at a soldering temperature above the melting temperature of the solder layer. The joining process simultaneously eliminates the electrical short circuits between adjacent layer areas.
  • the metallic solder layer can be provided on the attachment surfaces and / or on the layer regions. For this purpose, it may have been applied as a thin layer to the attachment surfaces and / or to the first metallic layer or the layer regions.
  • the solder layer thickness can advantageously be between 1 ⁇ m and 20 ⁇ m. If the metallic solder layer is provided on the layer areas, it can be advantageously provided in such a manner that the gaps between the layer areas are free of solder. In this case, short circuits on the finished component may possibly be avoided even more reliably. However, it may also be advantageous if the gaps are not free of solder. In the latter case, for example, can be dispensed with a mask at a Lotbedampfung.
  • the application can also be carried out so that not only the mounting surfaces of the heat-conducting body are soldered, but also other surfaces of the heat-conducting body.
  • the heat conducting bodies can be provided on all sides with the metallic solder layer, ie the solder can have been applied on all sides to the heat conducting bodies.
  • Heat-conductive bodies soldered on several sides can be of advantage, in particular in the case where the first and the second joining processes are to take place simultaneously.
  • a soldering process can be used for producing a laser radiation source comprising a plurality of diode laser elements and a plurality of heat conduction bodies. The soldering process is carried out by means of a solder. Through the soldering process, both a plurality of heat conducting body can be attached to the mounting surface of a carrier, as well as an existing before the soldering process over the solder electrical connection between adjacent heat conducting bodies are interrupted by the soldering process.
  • Fig. 1 shows a yz-section of a first embodiment.
  • Fig. 2 shows a section A of the yz-section of the first embodiment.
  • Fig. 3 shows an xz-view of the stack of the first embodiment.
  • Fig. 4 shows an xz view of the carrier of the first embodiment.
  • Fig. 5 shows an xz-view of the first embodiment.
  • Fig. 6 shows an xz view of the carrier of a second embodiment.
  • Fig. 7 shows an xz view of the carrier of a third embodiment.
  • Fig. 8 shows a yz section of the third embodiment.
  • Fig. 9 shows a yz section of the third embodiment prior to assembly.
  • Fig. 10 shows a section of the yz-section of the third embodiment prior to the joining process.
  • Fig. 1 1 shows a section of the yz-section of the third embodiment after the joining process.
  • Fig. 12 shows a section of the yz-section of the carrier of a fourth embodiment.
  • Fig. 13 shows a section of the yz-section of the fourth embodiment prior to the joining process.
  • FIG. 14 shows a section of the yz section of the fourth exemplary embodiment after the joining process.
  • Fig. 15 shows a section of the yz-section of the carrier of a fifth embodiment.
  • FIG. 16 shows a section of the yz section of the fifth exemplary embodiment before the joining process.
  • Fig. 17 shows an xy view of a sixth embodiment.
  • Fig. 18 shows a yz section of a laser radiation source according to the prior art.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a laser radiation source 1 in a yz-section.
  • the stack 3 comprises four diode laser elements 4, which are formed as laser bars. Three of the laser bars are individually designated as first 4.a, second 4.b and third 4.c laser bars. In addition, three heat-conducting body 7 are present. Between the first and the second laser bar is a first heat conducting body 7.a. Between the second and the third laser bar there is a second heat conducting body 7.b. At the first laser bar, a first contact body 8.a is connected, at the last laser bar, a second contact body 8.b.
  • the contact bodies are formed in the same way as the heat-conducting body and also serve for heat dissipation.
  • the laser bars of the stack are electrically connected in series, with the first contact body serving as anode (+ terminal) and the second contact body as cathode (- terminal).
  • laser radiation 2 is emitted from the laser bars in the y-direction. This can be divergent, in the figure, only the main radiation direction is shown.
  • the stack is arranged on a flat, multi-layered plate-shaped carrier 11, via which the waste heat of the stack can be diverted in direction -y.
  • the carrier comprises an electrically insulating layer 12, which is designed as a ceramic plate of AIN.
  • On the ceramic plate is a first metallic layer 13 with a thickness of 50 ⁇ of copper.
  • the first metallic layer is divided into layer regions 16. In addition, the location of a section A is specified.
  • Each layer region has a layer region width 18.
  • a first layer region 16.a has a first layer region width 18.a.
  • Adjacent is a second layer region 16.b having a second layer region width.
  • all layer region widths 18 are the same size, as are the widths of the gaps 19.
  • the spacing of adjacent gaps 20 here corresponds to the layer region width 18.
  • the attachment surfaces 9 are connected to the carrier via a joining means 21. Between adjacent attachment surfaces 9 there is a first distance 10, which corresponds to the thickness 6 of the laser bar 4 (ie, the extension in the z-direction) plus two layers of a further joining means 22. With the other joining means, the laser bars are connected to the politiciansleit emotionsn.
  • the layer area widths 18 are all the same size and larger than the first distance 10 and also larger than the thickness 6 of one of the diode diode elements of the same thickness. Also marked are a first section 25 in which adjacent layer regions 16 are not bridged by the joining means. In addition, two second sections 26 are indicated, in which the gaps 19 are filled with joining means 21.
  • the stack can be prefabricated with a refractory solder or a sintering paste as a further (second) joining agent.
  • Such a prefabricated stack 3 is shown in Fig. 3 in an xz view. In this view you can see the emitter 5 of the laser bars.
  • the carrier 1 1 is shown with the mounting surface 15 in an xz-view.
  • the layer regions 16 extend beyond the mounting surface. Two layer regions are formed as a large-area layer region 17, ie with a layer region width which is greater than the first distance.
  • the (first) joining means 21 can be applied to the mounting surfaces 9 of the heat-conducting body and contact body of the prefabricated stack.
  • the joining agent may be a solder having a lower melting temperature.
  • the stack is mounted on the carrier in a second soldering or sintering process.
  • Fig. 5 shows the finished laser radiation source of the first embodiment in an xz view.
  • Fig. 6 the carrier 11 of a second embodiment is shown.
  • the layer regions are formed as strips 23.
  • the carrier 11 of a third embodiment is shown.
  • the layer areas are formed as a grid 24 of rounded rectangular areas.
  • the mounting surface 15 in this example is the entire surface of the first metallic layer.
  • FIG. 8 shows a yz section of the third exemplary embodiment.
  • the carrier optionally additionally comprises a second metallic layer 14.
  • the third embodiment can be prepared by soldering a prefabricated stack to the carrier by means of a brazing foil 21 serving as a joining agent.
  • the solder foil 21 closes the layer regions 16 briefly when the stack is laid. During the soldering process, the solder is then melted and wets the layer areas, while a wetting of the ceramic plate 12 does not take place. As shown in FIG. 11, the electrical connections of adjacent layer areas are thus eliminated in the first section 25 via the solder.
  • both the heat conducting body attached to the mounting surface of a carrier by the soldering process as well as an interrupted before the soldering process via the solder existing electrical connection between adjacent nickel leitmaschinen by the soldering process.
  • Excess solder under the mounting surfaces can escape into the gaps 19 in the second sections 26 and partially fill them.
  • the quantity of solder should be dosed so that the gaps in the first section can not be filled.
  • Fig. 12 shows a detail of the carrier of a fourth embodiment.
  • Layer regions designated here are a first layer region 16.a and a second layer region 16.b, thin-film metallization on a ceramic plate 12 are here designed as an electrically insulating layer.
  • the thickness of the first metallic layer can, for example, between 1 ⁇ and 20 ⁇ amount.
  • the top of the carrier, i. the side on which the first metallic layer is located has been vapor-deposited with a solder 21.
  • the resulting solder layer does not only extend over the layer regions, but there is also solder material in the gaps 19. Therefore, the layer regions may initially be electrically connected by the metallic solder.
  • a next step as shown in FIG.
  • a prefabricated stack comprising a plurality of heat conduction bodies 7 and a plurality of diode laser elements 4 (only one of the diode laser elements is shown in the detail) and contact bodies (not shown in the detail) put on the carrier.
  • the components of the stack are already connected to a further joining means 22.
  • a soldering process is carried out.
  • the carrier is heated together with the stack to the soldering temperature and optionally applied with a pressure.
  • the solder melts and wets the layer areas.
  • the result is shown in FIG.
  • dewetting of the solder takes place from the exposed surface of the ceramic plate. Dewetting can be thought of as beading off the solder from the ceramic surface.
  • the electrical connections of adjacent layer areas for example 16.a, 16.b, are interrupted.
  • the gaps 19 may be partially or completely filled with solder. This is because the attachment surfaces are made solderable and therefore wetted by the solder.
  • the components of the stack according to FIG. 13 have not yet been connected, but instead only another virgin solder (that is to say not yet melted) has been deposited between the components.
  • the additional solder 22 may be the same as the solder 21.
  • the solder 21 and the further solder 22 are now melted, and both connections are produced by means of a soldering process. The result is also shown in FIG.
  • Fig. 15 shows a detail of the carrier of a fifth embodiment.
  • Layer regions designated here are a first layer region 16. A and a second layer region 16. B, here thin-film metallization on a ceramic plate 12 are designed as an electrically insulating layer.
  • the thickness of the first metallic layer can be, for example, between 1 ⁇ m and 20 ⁇ m.
  • a metallic solder 21 is located on the layer areas. The solder layer thus provided extends only over the layer areas and there is no solder material in the gaps 19. Therefore, the layer areas are electrically isolated from each other when providing the carrier.
  • a next step as shown in FIG.
  • a stack which comprises a plurality of heat conducting bodies 7 and a plurality of diode laser elements 4 (only one of the diode laser elements is shown in the cutout) and contact bodies (not shown in the cutout) is placed on the carrier ,
  • the attachment surfaces of the contact body are also provided with a solder layer.
  • the laser radiation source can be manufactured as in the previous embodiments. The result is similar to that of the fourth embodiment.
  • the attachment surfaces are not provided with a solder layer, but the metallic solder layer as the first joining agent is provided only on the layer portions.
  • the heat-conducting bodies have not only been provided with the solder layer on the attachment surfaces, but also on all sides or on all sides.
  • Fig. 17 shows an xy view of a sixth embodiment.
  • the carrier 11 is here made narrower in the x-direction than the stack 3.
  • the laser bars, heat conduction Body and contact body 8 are each the same width with respect to the x-direction. In this way, a particularly space-saving laser radiation source 1 can be provided.
  • the carrier 11 may be formed in a first version without a second metallic layer or in a second version with a second metallic layer 14.
  • Fig. 18 shows a known laser radiation source for comparison.
  • Diode laser elements laser bars a. first laser bar b. second laser bar c. third laser bar
  • first heat-conducting body b. second heat-conducting body
  • first contact body b. second contact body
  • first layer area b. second layer area
  • first layer area width b. second layer area width

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserstrahlungsquelle (1) auf Basis von gestapelten Diodenlaserbarren (4), bei welcher die Abwärme durch Wärmeleitkörper (7) in einer Richtung entgegen der Strahlrichtung abgeleitet wird. Die Erfindung beinhaltet eine metallische Schicht (13), die mit einer Strukturbreite strukturiert ist, welche kleiner ist als die Dicke eines Diodenlaserbarrens. Aufgrund dieser Abmessungen werden die Laserbarren nicht kurzgeschlossen, wenn die Wärmeleitkörper auf die metallische Schicht gelötet werden. Im Vergleich zu bekannten Laserstrahlquellen ähnlicher Bauart können höhere Fertigungstoleranzen der Bauteile zugelassen werden. Die Stapelhöhe kann im Vergleich zu bekannten Laserstrahlquellen größer sein, d.h. es können mehr Diodenlaserelemente je Stapel verbaut werden.

Description

Laserstrahlungsquelle und Verfahren zur Herstellung einer Laserstrahlungsquelle und Verwendung eines Lötprozesses
Technisches Gebiet Die Erfindung betrifft eine Laserstrahlungsquelle auf Basis von gestapelten Diodenlaserelemen- ten, insbesondere Laserbarren, bei welcher die Abwärme durch Wärmeleitung in einer Richtung entgegen der Strahlrichtung abgeleitet wird. Solche Laserstrahlungsquellen werden insbesondere für den quasikontinuierlichen Betrieb (qcw) kommerziell angeboten. Daneben können solche Strahlungsquellen auch für den Dauerstrichbetrieb (cw) oder Pulsbetrieb geeignet sein. Stand der Technik
Ein Stapel (Stack) von Laserbarren ist beispielsweise aus US 4825081 A bekannt. Die Herstellung dieser Laserstrahlungsquelle stellt, insbesondere wenn viele Barren übereinander gestapelt werden sollen, hohe Anforderungen an die Toleranzen der Dicke der Barren und der Ab- messungen der Wärmeleitkörper. Daher ist die Herstellung solcher Laserstrahlungsquellen teuer. Selbst bei geringen Abweichungen von den Sollmaßen kann es zu einer erhöhten Ausfallrate bei der Herstellung der Laserstrahlungsquellen kommen. Ähnliche Laserstrahlungsquellen mit den gleichen Nachteilen sind beispielsweise auch aus US 6352873 B1 und
US 20080037602 A1 bekannt. In US 6188707 B1 wird versucht, diesem Problem durch schma- lere Befestigungsflächen der Wärmeleitkörper entgegenzuwirken. Nachteilig ist die schlechtere Wärmeableitung einer solchen Anordnung. In US 5835518 A wird versucht, dem Toleranzproblem entgegenzuwirken, indem zunächst nur die Wärmeleitkörper an den Träger angelötet werden und die Laserbarren erst in einem zweiten Schritt in den Schlitzen befestigt werden. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig und kann außerdem zu schlecht reproduzierbaren Lötspalten zwi- sehen den Barren und den Wärmeleitkörpern führen. In US 200400821 12 A1 werden Substrate an den Wärmeleitkörpern angebracht, die die Befestigungsflächen gegenüber den Wärmeleitkörpern elektrisch isolieren. Dadurch können höhere Toleranzen zugelassen werden, allerdings sind in diesem Falle aufwendige Substrate erforderlich und die Wärmeableitung wird nachteilig verringert. Aus WO 2007/082508 A1 ist eine Laserstrahlungsquelle bekannt, bei welchem zwi- sehen zwei Laserbarren zwei Wärmeleitkörper mit jeweils einem Luftspalt dazwischen angeordnet sind. Das Toleranzproblem wird dadurch vermieden, jedoch werden nachteiligerweise mehr Teile benötigt, und wegen der Luftspalte kann nur ein weniger dichtes Strahlungsfeld von Laserstrahlung erzeugt werden, als es ohne Luftspalte möglich wäre. Aus DE 69704000 T2, ebenso wie aus US 5985684 A ist eine Laserdiodenanordnung mit einem Stapel von Laserbarren, zwischen denen jeweils ein Wärmeleitkörper angeordnet ist, bekannt, die mit einer elektrisch isolierenden Rückebene oder einzeln isoliert mit einer elektrisch leitenden Rückebene verbunden sind. Beide Varianten sind aufwendig herzustellen und können nachteilige Grenzflächen im Wärmestrom aufweisen.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laserstrahlungsquelle auf Basis von Diodenlaserelementen darzustellen, die sich einfach und kostengünstig herstellen lässt. Bei hoher Packungsdichte der Diodenlaserelemente soll eine adäquate Wärmeableitung der Abwärme von den Diodenla- serelementen möglich sein. Außerdem soll ein Herstellungsverfahren angegeben werden, das eine reproduzierbare Herstellung der Laserstrahlungsquelle mit hoher Ausbeute ermöglicht.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Laserstrahlquelle lässt sich einfach und kostengünstig herstellen. Bei dieser Laserstrahlquelle führen erhöhte Fertigungstoleranzen der Bauteile nicht zu einer Erhöhung der Ausschussrate. Im Vergleich zu bekannten Laserstrahlquellen ähnlicher Bauart können höhere Fertigungstoleranzen der Bauteile zugelassen werden. Dadurch ist die Herstellung der erfindungsgemäßen Laserquelle kostengünstiger. Die Stapelhöhe kann größer sein, d.h. es können mehr Diodenlaserelemente je Stapel verbaut werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass gleichartige Trägerplatten für verschiedene Laserstrahlquellen mit unterschiedlichen Barrenabständen und Barrendicken verwendet werden können. Durch die Verwendung von gleichen Teilen für verschiedene Laserstrahlquellen können die Herstellungskosten weiter reduziert werden. Lösung der Aufgabe:
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Laserstrahlungsquelle umfassend
• einen Stapel von Diodenlaserelementen, wobei die Diodenlaserelemente bezüglich eines Koordinatensystems xyz in mehreren xy-Ebenen parallel angeordnet sind, wobei zwischen jeweils zwei Diodenlaserelementen wenigstens ein elektrisch leitfähiger Wärmeleitkörper angeordnet ist, wobei im Stapel mehrere Wärmeleitkörper vorhanden sind und jeder Wärmeleitkörper eine Befestigungsfläche aufweist und die Befestigungsflächen der Wärmeleit- körper in einer xz-Ebene liegen, wobei die Befestigungsflächen benachbarter Wärmeleitkörper einen ersten Abstand zueinander haben,
• wenigstens einen mehrschichtigen Träger umfassend wenigstens eine erste metallische Schicht, die in Schichtbereiche gegliedert ist, und eine elektrisch isolierende Schicht, wobei die erste metallische Schicht eine Montagefläche aufweist.
Der Stapel ist an den Befestigungsflächen der Wärmeleitkörper mit der Montagefläche verbunden. Die Schichtbereiche weisen wenigstens im Bereich der Montagefläche in einer x-Projektion jeweils eine Schichtbereichsbreite bezüglich der z-Richtung auf. Erfindungsgemäß sind mehre- re benachbarte Schichtbereiche derart ausgebildet, daß die jeweilige Schichtbereichsbreite kleiner ist als der erste Abstand.
Außerdem beschrieben wird die Verwendung eines Lötprozeßes zur Herstellung einer Laserstrahlungsquelle umfassend mehrere Diodenlaserelemente und mehrere Wärmeleitkörper mittels eines Lots, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Lötprozeß sowohl mehrere Wärmeleitkörper an der Montagefläche eines Trägers befestigt werden, als auch eine vor dem Lötprozeß über das Lot bestehende elektrische Verbindung zwischen benachbarten Wärmeleitkörpern durch den Lötprozeß unterbrochen wird. Diese Verwendung kann vorteilhaft zur Lösung der Aufgabe sein.
Zur Lösung der Aufgabe wird außerdem ein Verfahren zur Herstellung der Laserstrahlungsquelle angegeben, welches folgende Schritte umfassen kann:
a. Bereitstellen von mehreren Diodenlaserelementen,
b. Bereitstellen von mehreren elektrisch leitfähigen Wärmeleitkörpern mit jeweils wenigstens einer Befestigungsfläche,
c. Bereitstellen wenigstens eines ebenen, mehrschichtigen plattenförmigen Trägers umfassend wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht und wenigstens eine erste metallische Schicht, die in elektrisch voneinander isolierte Schichtbereiche gegliedert ist, wobei die erste metallische Schicht eine Montagefläche aufweist,
d. Stapeln der Diodenlaserelemente in einer Stapelrichtung z, wobei die Diodenlaserelemente in mehreren xy- Ebenen parallel angeordnet sind und zwischen jeweils zwei Diodenlaserelementen wenigstens ein Wärmeleitkörper angeordnet ist, wobei die Befestigungsflächen der Wärmeleitkörper in einer Ebene liegen und die Befestigungsflächen benachbarter Wärmeleitkörper einen ersten Abstand zueinander haben,
e. Verbinden der Befestigungsflächen der Wärmeleitkörper mit der Montagefläche. Erfindungsgemäß weist jeder Schichtbereich wenigstens im Bereich der Montagefläche jeweils eine Schichtbereichsbreite in der Stapelrichtung z auf. Mehrere benachbarte Schichtbereiche sind derart ausgebildet, daß die jeweilige Schichtbereichsbreite kleiner ist als der erste Abstand. Insbesondere kann eine Laserstrahlungsquelle nach den Ansprüchen 1 bis 6 nach diesem Ver- fahren hergestellt werden.
Beschreibung
Die erfindungsgemäße Laserstrahlungsquelle umfasst einen Stapel von Diodenlaserelementen. Die Diodenlaserelemente können Strahlquellen sein, die als Laserbarren ausgebildet sind. Ein Laserbarren kann in bekannter Weise als kantenemittierendes Bauteil ausgebildet sein und einen oder bevorzugt mehrere Emitter umfassen, welche in einer x-Richtung jeweils versetzt zueinander angeordnet sein können. Der Laserbarren kann bevorzugt in x-Richtung eine Breite zwischen 3 mm und 12 mm haben. Er kann bevorzugt zwischen 3 und 100 Emitter aufweisen, handelsüblich sind insbesondere Laserbarren mit 5, 7, 19 oder 49 Emittern. Der Mittenabstand benachbarter Emitter kann bevorzugt zwischen 0.1 mm und 1 mm betragen. Die Dicke des Laserbarrens kann in einer z-Richtung bevorzugt zwischen 0,05 mm und 0,2 mm betragen. Die Resonatorlänge der Emitter eines Laserbarrens in einer y-Richtung kann bevorzugt zwischen 0,5 mm und 6 mm liegen. Die Richtung der Zentralstrahlen der emittierten Laserstrahlung kann die y-Richtung sein. Die Richtungen x,y und z können rechtwinklig zueinander sein. Der Laserbarren kann eine bekannte epitaktisch hergestellte Schichtfolge als p-n-Übergang mit einem Quantengraben aufweisen. Die einzelnen Emitter können beispielsweise als Breitstreifenemitter oder als Stegwellenleiter ausgebildet sein. Es können auch mehrere Schichtfolgen mit jeweils wenigstens einem Quantengraben, d. h. mehrere elektrisch in Serie liegende p-n Übergänge vorhanden sein. Solche Barren werden auch als Nanostack bezeichnet. Dann sind mehrere Emitter in z-Richtung übereinander gestapelt.
Ein Laserbarren kann durch einen elektrischen Strom gepumpt werden. Zum Stromeintrag können eine erste elektrische Kontaktfläche und eine zweite elektrische Kontaktfläche an jedem Laserbarren vorgesehen sein. Die Diodenlaserelemente können bezüglich des o.g. Koordinatensystems in mehreren xy-
Ebenen parallel angeordnet sein. Zwischen jeweils zwei Diodenlaserelementen ist wenigstens ein elektrisch leitfähiger Wärmeleitkörper angeordnet. Dadurch kann sichergestellt werden, daß die genannten jeweils zwei Diodenlaserelemente über den Wärmeleitkörper elektrisch verbunden sind. Der Stapel kann ein erstes und ein letztes Diodenlaserelement aufweisen. Damit sind die beiden äußeren Diodenlaserelemente des Stapels gemeint. Im Stapel können mehrere Wärmeleitkörper vorhanden sein. Dabei kann der Stapel so ausgebildet sein, dass jeder Wär- meleitkörper mit genau zwei Laserbarren verbunden ist und jeder Laserbarren mit Ausnahme des ersten und des letzten Laserbarrens mit genau zwei Wärmeleitkörpem verbunden ist. Der Stapel kann weiterhin einen ersten und einen zweiten Kontaktkörper umfassen. An dem ersten Laserbarren kann der erste Kontaktkörper angebracht sein. An dem letzten Laserbarren kann der zweite Kontaktkörper angebracht sein. Im Stapel können die Diodenlaserelemente in Serie geschaltet sein. Der erste und der zweite Kontaktkörper können zum elektrischen Anschluß des Stapels vorgesehen sein. Der Betriebsstrom der Diodenlaserelemente kann vom ersten Kontaktkörper durch den Stapel zum zweiten Kontaktkörper fließen. Der erste Kontaktkörper kann als Anodenanschluß, der zweite Kontaktkörper als Kathodenanschluß ausgebildet sein.
Jeder Wärmeleitkörper kann eine Befestigungsfläche aufweisen. Auch die eventuell vorgesehe- nen Kontaktkörper können eine solche Befestigungsfläche aufweisen. Die Befestigungsflächen können in einer xz-Ebene liegen. Die Befestigungsflächen benachbarter Wärmeleitkörper können einen ersten Abstand zueinander haben. Dieser erste Abstand kann in z-Richtung vorliegen. Er kann im Wesentlichen der Dicke der Diodenlaserelemente, d.h. deren Ausdehnung in z- Richtung, entsprechen. Das kann bedeuten, daß der erste Abstand auch um die Dicke von Fü- gemittelschichten größer sein kann als die Dicke des Diodenlaserelements. Der erste Abstand ist erforderlich, um einen Kurzschluß von Diodenlaserelementen zu vermeiden. In einer bevorzugten Ausführungsform können die Wärmeleitkörper quaderförmig sein. Die Wärmeleitkörper können beispielsweise aus Silber, Kupfer, Molybdän, oder Wolfram gefertigt sein. Sie können ebenfalls vorteilhaft aus Wolframkupfer gefertigt sein, welches pulvermetallurgisch hergestellt werden kann. Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, die Wärmeleitkörper aus einem metallhaltigen Verbundwerkstoff herzustellen, beispielsweise Silber-Diamant, Kupfer-Diamant, Aluminium- Diamant oder einem Metall-Grafit-Verbund. Solche Materialien sind beispielsweise aus
DE 102007051796 A1 und EP 0364155 bekannt. Ebenfalls kann ein metallhaltiger Werkstoff verwendet werden, der Kohlenstoff-Nanotubes enthält. Von Vorteil kann eine gute Wärmeleitfä- higkeit und eine gute elektrische Leitfähigkeit des Materials sein. Die Wärmeleitkörper können oberflächlich beschichtet sein, um beispielsweise eine gute Lötbarkeit herzustellen. Beispielsweise kann eine bekannte Ni/Au Beschichtung erfolgen.
Die Laserstrahlungsquelle kann wenigstens einen mehrschichtigen Träger umfassen. Vorteilhaft kann der Träger eben, beispielsweise plattenförmig, ausgebildet sein. Der Träger umfasst eine elektrisch isolierende Schicht. Die elektrisch isolierende Schicht kann als eine Platte aus einem keramischen Material ausgebildet sein. Beispielweise kann die Platte aus Al203, AIN, BeO, SiC bestehen. In Betracht kämen weiterhin andere Materialien wie Kunststoff oder Diamant. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit kann vorteilhaft sein, um die Abwärme vom Stapel ableiten zu können. Die Dicke der elektrisch isolierenden Schicht kann beispielsweise vorteilhaft zwischen 0,2mm und 5mm betragen, beispielsweise kann eine Standarddicke von 0,25mm, 0,38mm, 0,5mm, 0,63mm, 1 mm, 2mm oder 5mm verwendet werden. Durch eine ausreichend dicke elektrisch isolierende Schicht kann eine mechanische Stabilität des Trägers bereitgestellt werden. Es kann aber auch eine dünne elektrisch isolierende Schicht verwendet werden. Die Dicke kann beispielsweise zwischen 1 μηι und 100 Mm liegen. Falls eine mechanische Stabilität des Trägers erforderlich ist, kann diese Stabilität dann durch eine andere Schicht, beispielsweise eine zweite metallische Schicht, bereitgestellt werden.
Der Träger umfasst weiterhin wenigstens eine erste metallische Schicht. Die erste metallische Schicht kann beispielsweise vorteilhaft eine Dünnschichtmetallisierung mit einer Schichtdicke (Ausdehnung in y-Richtung) von 0,1 pm bis 20 pm sein, die auf eine als Keramikplatte ausgebildete elektrisch isolierende Schicht aufgetragen sein kann. Die erste metallische Schicht kann beispielsweise durch Sputtern hergestellt werden. Auch das Einbrennen einer Metallisierungspaste wäre möglich. Die erste metallische Schicht kann auch vorteilhaft als Dickschichtmetallisierung mit einer Dicke von 10 pm bis 500 pm ausgebildet sein. Eine derartige Schicht läßt sich beispielsweise mit dem bekannten DCB-Verfahren (direct copper bonding) herstellen. Auch ein galvanischer Schichtaufbau kommt zur Herstellung in Betracht.
Die erste metallische Schicht weist eine Montagefläche auf. Die Montagefläche kann dadurch bestimmt sein, dass der Stapel mit dieser Fläche verbunden ist. Die Verbindung ist derart ausgeführt, daß die Befestigungsflächen der Wärmeleitkörper mit der Montagefläche verbunden sind. Die Montagefläche kann als Fläche innerhalb der Außenkontur der y-Projektion des Stapels auf die erste metallische Schicht betrachtet werden, welche auch die Projektion der Zwischenräume zwischen benachbarten Befestigungsflächen mit umfassen soll. Die Montagefläche kann auch als y-Projektion des Stapels einschließlich der Wärmeleitkörper, Diodenlaserelemen- te und Kontaktkörper auf die erste metallische Schicht betrachtet werden. Der Träger kann vor- teilhaft in x-Richtung die gleiche Breite aufweisen wie die Wärmeleitkörper, oder er kann eine etwas kleinere Breite aufweisen als die Wärmeleitkörper, damit beispielsweise die Laserstrahlungsquellen hernach mit möglichst wenig Zwischenraum in x-Richtung aneinandergereiht werden können. Der Träger kann auch vorteilhaft in x-Richtung eine größere Ausdehnung (Breite) aufweisen als die Wärmeleitkörper, um beispielsweise eine verbesserte Wärmespreizung der Abwärme der Laserstrahlungsquelle zu erreichen. Die Verbindung der Befestigungsflächen mit der Montagefläche kann vorteilhaft einen geringen Wärmeübergangswiderstand aufweisen. Die Verbindung kann beispielsweise mit einem ersten Fügemittel erfolgen. Die Verbindung kann durch einen Lötprozeß erfolgen. Vorteilhaft kann ein metallisches Lot als Fügemittel verwendet werden. Das Fügemittel kann auch als metallische Schicht ausgebildet sein. Beispielsweise können Gold-Zinn Lot oder Weichlote verwendet werden, die beispielsweise Zinn und/oder Indium enthalten. Weiterhin können eines oder mehrere der folgenden Metalle in dem Lot vorhanden sein: Silber, Kupfer, Gallium, Wismut, Blei, Cadmium. Alternativ kann beispielsweise auch ein metallisches Lot verwendet werden, welches metallische Nanopartikel enthält, die ei- nen niedrigeren Schmelzpunkt aufweisen als das Grundmetall. Solche Nanopartikel können zusammen mit einem organischen Bindemittel als Lotpaste vorliegen. Solche Lotpasten werden auch als Nanosinterpasten bezeichnet. Besonders geeignet können druckfreie Silber- Sinterpasten sein, beispielsweise die kommerziell erhältliche„High Thermal Silver Sintering Paste" XT2773R7 von Kyocera. Alternativ kann vorteilhaft auch ein Klebstoff, beispielsweise ein Wärmeleitklebstoff, als erstes Fügemittel verwendet werden.
Die erste metallische Schicht kann vorteilhaft aus einem solchen Metall bestehen, welches während des Fügeprozesses im festen Aggregatzustand verbleibt, während das Fügemittel während des Fügeprozesses verflüssigt oder versintert wird. Der Fügeprozeß kann vorteilhaft bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der ersten metallischen Schicht und ober- halb der Schmelztemperatur des Fügemittels durchgeführt werden.
Die erste metallische Schicht ist in Schichtbereiche gegliedert. Aufgabe dieser Gliederung ist es, einen elektrischen Kurzschluß der Diodenlaserelemente über die Wärmeleitkörper und die erste metallische Schicht zu vermeiden. Unter einem Kurzschluß kann man in diesem Fall verstehen, dass wenigstens ein Teil, beispielsweise mehr als 1%, des zugeführten Betriebsstro- mes nicht durch ein Diodenlaserelement fließt, sondern auf andere Weise von einem zu einem anderen Wärmeleitkörper geleitet wird. Die Schichtbereiche können beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass zunächst eine durchgängige erste metallische Schicht auf der elektrisch isolierenden Schicht hergestellt wird, beispielsweise durch Sputtern oder das Einbrennen einer Metallisierungspaste. Die erste metallische Schicht kann auch zunächst als durchgängige Dickschicht beispielsweise mit dem DCB-Verfahren hergestellt werden. Hernach können die Schichtbereiche durch eine Ätzmaske abgedeckt und durch einen Ätzprozeß voneinander getrennt werden. Alternativ können die Schichtbereiche auch durch das selektive Entfernen von Material der ersten metallischen Schicht beispielsweise durch Abtragen mit einem Laserstrahl oder einem Schleifwerkzeug hergestellt werden. Durch das Entfernen von Material können somit Lücken zwischen benachbarten Schichtbereichen entstehen. Außerdem können die Schichtbereiche auch durch selektives Auftragen von Schichtmaterial, beispielsweise durch Siebdruck einer Metallisierungspaste hergestellt werden. Die Schichtbereiche können auch mittels einer Maske hergestellt werden, wobei die Lücken durch die Maske bei der Schichtherstel- lung abgedeckt werden. Die Schichtbereiche können auch galvanisch verstärkt werden, um die Schichtdicke zu erhöhen. Die Schichtbereiche können dadurch definiert sein, dass sie vor dem Verbinden der Befestigungsflächen mit der Montagefläche nicht durch Material der ersten metallischen Schicht miteinander verbunden sind. Im mathematischen Sinne kann es sich also bezüglich des Schichtmaterials der ersten metallischen Schicht um nicht zusammenhängende Gebiete handeln. Vorteilhaft können daher benachbarte Schichtbereiche durch Lücken (Unterbrechungen) voneinander getrennt sein. Eine Lücke kann dadurch bestimmt sein, daß an der jeweiligen Stelle in der Ebene der ersten metallischen Schicht kein metallisches Material der ersten metallischen Schicht vorhanden ist. Im Bereich der Montagefläche können mehrere in x- Richtung verlaufende Lücken der ersten metallischen Schicht vorhanden sein, wobei mehrere Abstände benachbarter Lücken kleiner sind als der erste Abstand. Die Lücken selbst können eine Breite (Ausdehnung in z-Richtung) vorteilhaft zwischen 5 μιη und 100 μηι haben, besonders vorteilhaft zwischen 5 μιη und 50 μιτι haben. Je schmaler die Lücken sind, desto besser kann nämlich die Wärmeableitung vom Stapel sein. Zu schmale Lücken könnten andererseits Kurzschlüsse verursachen. Die Schichtbereiche können voneinander elektrisch isoliert sein. Das muß aber nicht der Fall sein. Die Schichtbereiche können vor dem Fügeprozeß beispielsweise durch eine als metallische Lotschicht ausgebildete Fügemittelschicht verbunden sein. Eine solche Lotschicht kann beispielsweise als Lotfolie vorliegen. Eine solche Lotschicht kann alternativ auch durch Bedampfen des Trägers hergestellt werden. Hierbei kann vorteilhaft die Seite des Trägers bedampft werden, auf der sich die erste metallische Schicht befindet. Dabei kann eine Lotschicht auf der ersten metallischen Schicht entstehen. Die Lotschicht kann, muß aber nicht, zunächst eine elektrische Verbindung mehrerer Schichtbereiche bewirken. Während des Fügeprozesses kann die Lotschicht aufschmelzen. Dabei kann das flüssige Lot die Schichtbereiche der ersten metallischen Schicht benetzen, während das Lot die elektrisch isolierende Schicht nicht benetzen kann. Es kann dadurch zu einer Entnetzung (umgangssprach- lieh Abperlen) des Lotes an der freiliegenden Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht kommen. Das Lot kann also die Stellen der elektrisch isolierenden Schicht, welche nicht von einem Schichtbereich bedeckt sind, nicht benetzen, sondern es kann an diesen Stellen entnet- zen und beispielsweise durch die Oberflächenspannung des Lotes zum nächsten Schichtbereich gelangen. Dadurch kann während des Fügeprozesses eine eventuell bestehende elektri- sehe Verbindung benachbarter Wärmeleitkörper über das Fügemittel (Lot) unterbrochen werden. Auch nach dem Fügeprozess bleiben diese elektrischen Unterbrechungen erhalten. Daher kann beispielsweise ein Lötprozeß in der hier beschriebenen Weise vorteilhaft dazu verwendet werden, sowohl mehrere Wärmeleitkörper an der Montagefläche eines Trägers zu befestigen, als auch eine vor dem Lötprozeß über das Lot bestehende elektrische Verbindung zwischen benachbarten Wärmeleitkörpern durch den Lötprozeß zu unterbrechen. Diese Verwendung ei- nes Lötprozesses ist weiter unten beschrieben.
Die Lücken zwischen benachbarten Schichtbereichen können mit einem elektrisch isolierenden Füllmittel gefüllt sein. Als elektrisch isolierendes Füllmittel kommen beispielsweise organische Kleb- oder Füllstoffe in Betracht, beispielsweise Silikone, Acrylate, Epoxidharze oder Polyurethane. Diese können beispielsweise thermisch härtend, lichthärtend oder chemisch här- tend ausgebildet sein. Alternativ kommen anorganische Kleb- oder Füllmittel in Betracht, beispielsweise Zemente oder Silikate, beispielsweise Wasserglas. Eine Füllung kann den Vorteil haben, dass Kurzschlüsse zwischen den Wärmeleitkörpern noch besser vermieden werden können. Dabei kann es ausreichend sein, wenn die Lücken nur teilweise mit dem Füllmittel gefüllt sind. Das kann bedeuten, dass die Füllung nur in bestimmten Teilflächen der ersten metal- lischen Schicht vorgesehen ist und/oder, dass die Füllung jeweils nicht das gesamte Volumen der Lücken ausfüllt, bzw., dass die Lücken nicht bis zur Oberkante aufgefüllt sind. Das Füllmittel kann in fließfähiger Form in die Lücken appliziert werden und es kann hernach ausgehärtet werden. Alternativ können die Lücken auch ungefüllt vorgesehen sein.
Nach dem Fügeprozeß, bei dem die Befestigungsflächen mit der Montagefläche verbunden werden, können dennoch mehrere Schichtbereiche durch das erste Fügemittel und/oder eine der Montageflächen elektrisch verbunden sein. Wesentlich ist, daß zwei benachbarte Montageflächen nicht mit ein und denselben Schichtbereich verbunden werden. Dann würde nämlich ein Kurzschluß des jeweiligen Diodenlaserelements auftreten. Aus diesem Grund können die Schichtbereiche so gestaltet sein, dass zwei benachbarte Montageflächen nicht mit ein und demselben Schichtbereich verbunden werden, auch wenn bestimmte Fertigungstoleranzen auftreten, durch die die Lage eines Wärmeleitkörpers zu der Montagefläche bezüglich der z- Richtung verschoben sein kann, wenn man verschiedene Exemplare der Laserstrahlungsquelle miteinander vergleicht. Die Schichtbereiche weisen im Bereich der Montagefläche in einer x- Projektion jeweils eine Schichtbereichsbreite auf. Die Schichtbereichsbreite eines einzelnen Schichtbereichs kann in der z-Richtung gemessen werden. Die Schichtbereiche können sich, müssen aber nicht, über die Montagefläche hinaus erstrecken. Insbesondere im Falle streifenförmig ausgebildeter Schichtbereiche können die Schichtbereichsbreiten auch in einem yz- Schnitt, der den Stapel enthält, gemessen werden. Die Schichtbereiche sind derart ausgebildet, dass für mehrere benachbarte Schichtbereiche die jeweilige Schichtbereichsbreite kleiner ist als der erste Abstand. Dadurch kann sichergestellt werden, daß ein solcher Schichtbereich in keinem Fall den ersten Abstand überbrücken kann. Bei einer derartigen Überbrückung könnten nämlich sonst zwei Wärmeleitkörper elektrisch verbunden werden, was einem Kurzschluß der ersten und zweiten Kontaktfläche des zwischen diesen Wärmeleitkörpern befindlichen Dioden- laserelements gleichkäme. Das betreffende Diodenlaserelement könnte dann keine Laserstrahlung emittieren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform können Schichtbereiche derart ausgebildet sein, dass für mehrere benachbarte Schichtbereiche die jeweilige Schichtbereichsbreite kleiner ist als die Dicke eines Diodenlaserelements. Vorteilhaft kann man gleich dicke Diodenlaserelemente verwenden. Anderenfalls kann man als Referenz das dünnste Dio- denlaserelement nehmen. Besonders vorteilhaft können sämtliche Schichtbereiche, die sich bezüglich der z-Koordinate (Stapelrichtung) im Abschnitt zwischen dem ersten und dem letzten Diodenlaserelement des Stapels befinden, derart ausgebildet sein, dass die Schichtbereichsbreite kleiner ist als die Dicke eines der Diodenlaserelemente und/ oder kleiner ist als der erste Abstand. Die ersten Abstände zwischen je zwei benachbarten Befestigungsflächen können alle gleich sein. Falls das nicht zutrifft, kann man als Referenz den kleinsten der ersten Abstände nehmen.
Daher ist ein solcher Kurzschluß zu vermeiden. Trotzdem können, jedoch nicht ausschließlich, auch solche Schichtbereiche vorgesehen sein, deren Schichtbereichsbreite größer ist als der erste Abstand. Beispielsweise kann unter dem ersten Kontaktkörper ein derart breiter Schicht- bereich vorgesehen sein, ohne daß der Gedanke der Erfindung konterkariert werden würde.
Der erste Abstand kann beispielsweise der Höhe der Diodenlaserelemente in z-Richtung entsprechen und vorteilhaft zwischen 80 pm und 300 pm betragen. Die Schichtbereichsbreite kann beispielsweise zwischen 10 pm und 150 pm betragen, allerdings erfindungsgemäß kleiner als der erste Abstand. Beispielsweise kann man bei einem ersten Abstand von 100 pm eine Schichtbereichsbreite von 60 pm wählen. Dann können zwei Wärmeleitkörper nicht durch einen Schichtbereich kurzgeschlossen werden. Werden nun beispielsweise 20 Laserelemente mit 19 Wärmeleitkörpern und zwei Kontaktkörpern auf einem Träger angeordnet, kann sich von einem Exemplar der Laserstrahlungsquelle zum nächsten die Stapelhöhe (Höhe des gesamten Stapels in z-Richtung) um 200 pm unterscheiden, wenn die Diodenlaserelemente jeweils eine Hö- hentoleranz von 10 pm haben können. Hinzu können noch die Toleranzen der Wärmeleitkörper und eines zweiten Fügemittels kommen. Dadurch kann nicht vorbestimmt sein, auf welchem der Schichtbereiche jede Befestigungsfläche befestigt wird. Dennoch kann, wie oben beschrieben, bei der erfindungsgemäßen Laserstrahlungsquelle ein Kurzschluß zwischen zwei Wärmeleitkörpern vermieden werden. Außerdem kann beispielsweise eine zweite metallische Schicht vorhanden sein. Diese kann beispielsweise auf der Seite der elektrisch isolierenden Schicht angeordnet sein, die der ersten metallischen Schicht gegenüber liegt. Diese zweite metallische Schicht kann eine Krümmung des Trägers unter thermischer Belastung entgegenwirken und/oder zur Befestigung der Laser- Strahlungsquelle beispielsweise an einem Kühlkörper vorgesehen sein. Die zweite metallische Schicht kann die gleiche Schichtdicke haben, wie die erste metallische Schicht. Es kann aber auch vorteilhaft sein, die zweite metallische Schicht mit einer anderen Schicht auszuführen, als die erste metallische Schicht. Beispielsweise kann die erste metallische Schicht dünner ausgeführt sein als die zweite metallische Schicht, um beispielsweise die erste metallische Schicht besser strukturieren zu können, während die zweite metallische Schicht die Wärme besser verteilen kann. Ebenso ist es möglich, die erste metallische Schicht aus einem anderen Material herzustellen als die zweite metallische Schicht. Beispielsweise kann die erste metallische Schicht vorteilhaft Kupfer umfassen, das sich gut strukturieren läßt. Die zweite metallische Schicht kann beispielsweise Silber umfassen, welches eine bessere Wärmeleitfähigkeit auf- weist. Die erste metallische Schicht kann selbst aus mehreren Einzelschichten aufgebaut sein, vorteilhaft kann es sein, eine Einzelschicht aus reinem Kupfer vorzusehen, auf der eine Diffusionssperrende Nickelschicht und anschließend eine Goldschicht und/oder eine Lotschicht vorgesehen ist. Die zweite metallische Schicht kann ebenfalls selbst aus mehreren Einzelschichten aufgebaut sein, vorteilhaft kann es sein, eine Einzelschicht aus reinem Kupfer oder Silber vor- zusehen, auf der eine Diffusionssperrende Nickelschicht und anschließend eine Goldschicht vorgesehen ist. Zwischen der isolierenden Schicht und der ersten bzw. zweiten metallischen Schicht kann außerdem eine haftvermittelnde Schicht vorgesehen sein, die beispielsweise Titan und/oder Platin enthalten kann.
Die Schichtbereiche können in einer vorteilhaften Ausführung streifenförmig ausgebildet sein. Das bedeutet, daß sie in der x-Richtung durchgängig sein können und in der z-Richtung eine konstante Breite aufweisen können. Die Streifen können parallel sein und in der z-Richtung gleichmäßig zueinander versetzt angeordnet sein. Der Abstand zwischen benachbarten Streifen kann vorteilhaft geringer sein, als die Breite der Streifen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung können die Schichtbereiche als Raster ausgebildet sein. Dabei können die Schichtbereiche beispielsweise kreisförmig oder vieleckig, beispielsweise rechteckig ausgebildet sein. Die Schichtbereiche können in einem Muster mit jeweils einem Versatz in z-Richtung und einem Versatz in x-Richtung angeordnet sein. Mehrere Schichtbereichsbreiten können gleich groß ausgebildet sein und/oder eine gleiche Außenkontur aufweisen.
Zwischen den Schichtbereichen können Lücken, die man auch als Unterbrechungen bezeichnen kann, vorhanden sein. In einem ersten Abschnitt zwischen den Befestigungsflächen kön- nen die Lücken nicht mit Fügemittel überbrückt sein und/oder in einem zweiten Abschnitt können die Lücken zwischen benachbarten Schichtbereichen wenigstens teilweise mit Fügemittel gefüllt sein. Der zweite Abschnitt kann sich unter den Befestigungsflächen befinden. Der erste Abschnitt kann sich an solchen Stellen befinden, an denen keine Befestigungsfläche aufliegt, d.h. zwischen zwei benachbarten Befestigungsflächen. Unter„überbrückt sein" ist hier das Be- stehen eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den Schichtbereichen zu verstehen.
Um eine Laserstrahlungsquelle herzustellen, sind mehrere Diodeniaserelemente und mehrere der oben beschriebenen elektrisch leitfähigen Wärmeleitkörper mit jeweils wenigstens einer Befestigungsfläche bereitzustellen. Außerdem ist wenigstens ein mehrschichtiger plattenförmi- ger Träger bereitzustellen. Wie oben beschrieben umfasst der Träger wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht und wenigstens eine erste metallische Schicht, die in elektrisch voneinander isolierte Schichtbereiche gegliedert ist, wobei die erste metallische Schicht eine Montagefläche aufweist,
Die Diodeniaserelemente können gestapelt werden, wobei zwischen jeweils zwei Diodenla- serelementen wenigstens ein Wärmeleitkörper angeordnet ist, wobei die Befestigungsflächen der Wärmeleitkörper in einer Ebene liegen und die Befestigungsflächen benachbarter Wärmeleitkörper einen ersten Abstand zueinander haben. Die Stapelrichtung kann die z-Richtung sein. Der erste Abstand kann die Entfernung in z-Richtung sein.
Die Befestigungsflächen der Wärmeleitkörper werden mit der Montagefläche des Trägers verbunden. Dazu kann ein erster Fügeprozeß vorgesehen sein. Der erste Fügeprozeß kann mit einem ersten Fügemittel, beispielsweise einem ersten Lot, erfolgen.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die Diodeniaserelemente mit den jeweils benachbarten Wärmeleitkörpern und/oder den eventuell vorgesehenen oben beschriebenen Kontaktkörpern zu verbinden. Dazu kann ein zweiter Fügeprozeß vorgesehen sein. Der zweite Fügeprozeß kann mit einem zweiten Fügemittel, beispielsweise einem zweiten Lot, erfolgen. Der zweite Fü- geprozeß kann vorteilhaft vor dem ersten Fügeprozeß ausgeführt werden. Dazu können Stufenlote verwendet werden, die einen unterschiedlichen Schmelzpunkt aufweisen. Alternativ kann der erste Fügeprozeß vorteilhaft gleichzeitig mit dem zweiten Fügeprozeß ausgeführt werden. Dabei kann das erste Lot (Fügemittel) das gleiche sein, wie das zweite Lot (weiteres Fügemittel).
Jeder Schichtbereich kann wenigstens im Bereich der Montagefläche jeweils eine Schichtbe- reichsbreite in Stapelrichtung aufweisen. Die Schichtbereiche können sich, müssen aber nicht, über die Montagefläche hinaus erstrecken. In diesem Fall kann jeder Schichtbereich auch außerhalb des Bereiches der Montagefläche eine Schichtbereichsbreite aufweisen. Mehrere benachbarte Schichtbereiche sind derart ausgebildet, daß die jeweilige Schichtbereichsbreite kleiner ist als der erste Abstand. Vorteilhaft kann ein erstes Fügemittel in Form einer metallischen Lotschicht vor dem Verbinden der Befestigungsflächen mit der Montagefläche bereitgestellt werden. Die Lotschicht kann dabei zunächst mehrere oder sämtliche Schichtbereiche elektrisch kurzschließen. Das Verbinden der Befestigungsflächen mit der Montagefläche kann ein Fügeprozeß sein, der dann mittels der genannten Lotschicht erfolgt, indem die Lotschicht bei einer Löttemperatur oberhalb der Schmelztemperatur der Lotschicht aufgeschmolzen werden kann. Durch den Fügeprozeß können gleichzeitig die elektrischen Kurzschlüsse zwischen benachbarten Schichtbereichen aufgehoben werden.
Die metallische Lotschicht kann auf den Befestigungsflächen und/oder auf den Schichtbereichen bereitgestellt werden. Sie kann dazu als dünne Schicht auf die Befestigungsflächen und/oder auf die erste metallische Schicht bzw. die Schichtbereiche aufgetragen worden sein. Die Lotschichtdicke kann vorteilhaft zwischen 1 μιη und 20 im betragen. Wird die metallische Lotschicht auf den Schichtbereichen bereitgestellt, kann sie vorteilhaft in der Weise bereitgestellt werden, daß die Lücken zwischen den Schichtbereichen frei von Lot sind. In diesem Falle können Kurzschlüsse am fertigen Bauteil eventuell noch zuverlässiger vermieden werden. Es kann allerdings ebenfalls vorteilhaft sein, wenn die Lücken nicht frei von Lot sind. Im letzteren Fall kann beispielsweise auf eine Maske bei einer Lotbedampfung verzichtet werden. Wenn die metallische Lotschicht auf die Befestigungsflächen aufgetragen wird, kann das Auftragen auch so erfolgen, daß nicht nur die Befestigungsflächen der Wärmeleitkörper belotet werden, sondern auch noch weitere Flächen der Wärmeleitkörper. Insbesondere können die Wärmeleitkör- per allseitig mit der metallischen Lotschicht versehen werden, d. h. das Lot kann allseitig auf die Wärmeleitkörper aufgetragen worden sein. Mehrseitig belotete Wärmeleitkörper können insbesondere in dem Fall, daß der erste und der zweite Fügeprozeß gleichzeitig erfolgen sollen, von Vorteil sein. Ein Lötprozeß kann zur Herstellung einer Laserstrahlungsquelle umfassend mehrere Diodenla- serelemente und mehrere Wärmeleitkörper verwendet werden. Der Lötprozeß erfolgt mittels eines Lotes. Durch den Lötprozeß können sowohl mehrere Wärmeleitkörper an der Montagefläche eines Trägers befestigt werden, als auch eine vor dem Lötprozeß über das Lot bestehende elektrische Verbindung zwischen benachbarten Wärmeleitkörpern durch den Lötprozeß unterbrochen werden.
Die Figuren zeigen Folgendes:
Fig. 1 zeigt einen yz-Schnitt eines ersten Ausführungsbeispiels.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt A des yz-Schnitts des ersten Ausführungsbeispiels. Fig. 3 zeigt eine xz-Ansicht des Stapels des ersten Ausführungsbeispiels. Fig. 4 zeigt eine xz-Ansicht des Trägers des ersten Ausführungsbeispiels. Fig. 5 zeigt eine xz-Ansicht des ersten Ausführungsbeispiels. Fig. 6 zeigt eine xz-Ansicht des Trägers eines zweiten Ausführungsbeispiels.
Fig. 7 zeigt eine xz-Ansicht des Trägers eines dritten Ausführungsbeispiels.
Fig. 8 zeigt einen yz-Schnitt des dritten Ausführungsbeispiels. Fig. 9 zeigt einen yz-Schnitt des dritten Ausführungsbeispiels vor dem Zusammenbau.
Fig. 10 zeigt einen Ausschnitt des yz-Schnitts des dritten Ausführungsbeispiels vor dem Fügeprozeß. Fig. 1 1 zeigt einen Ausschnitt des yz-Schnitts des dritten Ausführungsbeispiels nach dem Fügeprozeß.
Fig. 12 zeigt einen Ausschnitt des yz-Schnitts des Trägers eines vierten Ausführungsbeispiels. Fig. 13 zeigt einen Ausschnitt des yz-Schnitts des vierten Ausführungsbeispiels vor dem Fügeprozeß.
Fig. 14 zeigt einen Ausschnitt des yz-Schnitts des vierten Ausführungsbeispiels nach dem Fü- geprozeß.
Fig. 15 zeigt einen Ausschnitt des yz-Schnitts des Trägers eines fünften Ausführungsbeispiels.
Fig. 16 zeigt einen Ausschnitt des yz-Schnitts des fünften Ausführungsbeispiels vor dem Füge- prozeß.
Fig. 17 zeigt eine xy-Ansicht des eines sechsten Ausführungsbeispiels.
Fig. 18 zeigt einen yz-Schnitt einer Laserstrahlungsquelle nach dem Stand der Technik.
Ausführungsbeispiele:
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Laserstrahlungsquelle 1 in einem yz-Schnitt. Der Stapel 3 umfasst vier Diodenlaserelemente 4, die als Laserbarren ausgebildet sind. Drei der Laserbarren sind als erster 4.a, zweiter 4.b und dritter 4.c Laserbarren individuell bezeichnet. Außerdem sind drei Wärmeleitkörper 7 vorhanden. Zwischen dem ersten und dem zweiten Laserbarren befindet sich ein erster Wärmeleitkörper 7.a. Zwischen dem zweiten und dem dritten Laserbarren befindet sich ein zweiter Wärmeleitkörper 7.b. Am ersten Laserbarren ist ein erster Kontaktkörper 8.a angeschlossen, am letzten Laserbarren ein zweiter Kontaktkörper 8.b. Die Kontaktkörper sind in der gleichen Weise ausgebildet wie die Wärmeleitkörper und dienen ebenfalls auch zur Wärmeableitung. Die Laserbarren des Stapels sind elektrisch in Serie geschaltet, wobei der erste Kontaktkörper als Anode (+ Anschluß) und der zweite Kontaktkörper als Kathode (- Anschluß) dient. Wenn ein Betriebsstrom fließt, wird Laserstrahlung 2 von den Laserbarren in y-Richtung ausgesendet. Diese kann divergent sein, in der Figur ist nur die Hauptstrahlungsrichtung eingezeichnet. Der Stapel ist auf einem ebenen, mehrschichtigen plat- tenförmigen Träger 1 1 angeordnet, über den die Abwärme des Stapels in Richtung -y abgeleitet werden kann. Der Träger umfasst eine elektrisch isolierende Schicht 12, die als Keramikplatte aus AIN ausgeführt ist. Auf der Keramikplatte befindet sich eine erste metallische Schicht 13 mit einer Dicke von 50 μιη aus Kupfer. Die erste metallische Schicht ist in Schichtbereiche 16 gegliedert. Außerdem ist die Lage eines Ausschnitts A angegeben. Fig. 2 zeigt den Ausschnitt A, dessen Lage in Fig. 1 angegeben ist. Jeder Schichtbereich hat eine Schichtbereichsbreite 18. Ein erster Schichtbereich 16.a hat eine erste Schichtbereichsbreite 18.a. Benachbart ist ein zweiter Schichtbereich 16.b, der eine zweite Schichtbereichsbreite aufweist. Zwischen beiden befindet sich eine Lücke 19. In diesem Ausführungsbeispiel sind alle Schichtbereichsbreiten 18 gleich groß, ebenso die Breiten der Lücken 19. Der Abstand benachbarter Lücken 20 entspricht hier der Schichtbereichsbreite 18. Die Befestigungsflächen 9 sind über ein Fügemittel 21 mit dem Träger verbunden. Zwischen benachbarten Befestigungsflächen 9 ist ein erster Abstand 10 vorhanden, der der Dicke 6 des Laserbarrens 4 (d.h. der Ausdehnung in z-Richtung) zuzüglich zweier Schichten eines weiteren Fügemittels 22 ent- spricht. Mit dem weiteren Fügemittel sind die Laserbarren mit den Wärmeleitkörpern verbunden. Man sieht, dass die Schichtbereichsbreiten 18 alle gleich groß sind und größer als der erste Abstand 10 und auch größer als die Dicke 6 eines der gleich dicken Diodenlaserelemente. Gekennzeichnet sind weiterhin ein erster Abschnitt 25, in welchem benachbarte Schichtbereiche 16 nicht mit dem Fügemittel überbrückt sind. Daneben sind zwei zweite Abschnitte 26 angege- ben, in welchen die Lücken 19 mit Fügemittel 21 gefüllt sind. Zur Herstellung dieses Ausführungsbeispiels kann zunächst der Stapel mit einem hochschmelzenden Lot oder einer Sinterpaste als weiterem (zweitem) Fügemittel vorgefertigt werden. Ein solcher vorgefertigter Stapel 3 ist in Fig. 3 in einer xz-Ansicht dargestellt. In dieser Ansicht sieht man die Emitter 5 der Laserbarren. In Fig. 4 ist der Träger 1 1 mit der Montagefläche 15 in einer xz-Ansicht dargestellt. Die Schichtbereiche 16 erstrecken sich über die Montagefläche hinaus. Zwei Schichtbereiche sind als großflächiger Schichtbereich 17 ausgebildet, d.h. mit einer Schichtbereichsbreite, die größer ist, als der erste Abstand. Nun kann das (erste) Fügemittel 21 auf die Befestigungsflächen 9 der Wärmeleitkörper und Kontaktkörper des vorgefertigten Stapels aufgetragen werden. Das Fügemittel kann ein Lot mit einer niedrigeren Schmelztemperatur sein. In einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels kann vorteilhaft eine Sinterpaste als Fügemittel 21 verwendet werden. Danach wird in einem zweiten Lötprozeß oder Sinterprozeß der Stapel auf dem Träger befestigt. Fig. 5 zeigt die fertige Laserstrahlungsquelle des ersten Ausführungsbeispiels in einer xz- Ansicht.
In Fig. 6 ist der Träger 11 eines zweiten Ausführungsbeispiels dargestellt. Die Schichtbereiche sind als Streifen 23 ausgebildet.
In Fig. 7 ist der Träger 11 eines dritten Ausführungsbeispiels dargestellt. Die Schichtbereiche sind als Raster 24 von abgerundet rechteckigen Flächen ausgebildet. Die Montagefläche 15 ist in diesem Beispiel die gesamte Oberfläche der ersten metallischen Schicht. In Fig. 8 ist ein yz-Schnitt des dritten Ausführungsbeispiels zu sehen. In einer Abwandlung um- fasst der Träger optional zusätzlich eine zweite metallische Schicht 14.
Wie in Fig. 9 dargestellt, kann das dritte Ausführungsbeispiel dadurch hergestellt werden, daß ein vorgefertigter Stapel mittels einer Lotfolie 21 , die als Fügemittel dient, auf den Träger gelötet wird. Wie in der vergrößerten Ausschnittdarstellung nach Fig. 10 zu sehen ist, schließt die Lotfolie 21 beim Auflegen des Stapels die Schichtbereiche 16 kurz. Beim Lötprozeß wird nun das Lot aufgeschmolzen und benetzt die Schichtbereiche, während eine Benetzung der Keramikplatte 12 nicht erfolgt. Wie in Fig. 1 1 dargestellt, werden also in dem ersten Abschnitt 25 die elektrischen Verbindungen benachbarter Schichtbereiche über das Lot beseitigt. Somit werden durch den Lötprozeß sowohl die Wärmeleitkörper an der Montagefläche eines Trägers befestigt, als auch eine vor dem Lötprozeß über das Lot bestehende elektrische Verbindung zwischen benachbarten Wärmeleitkörpern durch den Lötprozeß unterbrochen. Überschüssiges Lot unter den Befestigungsflächen kann in den zweiten Abschnitten 26 in die Lücken 19 ausweichen und diese teilweise verfüllen. Um Kurzschlüsse zu vermeiden, sollte die Lotmenge so do- siert werden, dass die Lücken im ersten Abschnitt nicht verfüllt werden können.
Fig. 12 zeigt den einen Ausschnitt des Trägers eines vierten Ausführungsbeispiels. Die
Schichtbereiche, bezeichnet sind hier ein erster Schichtbereich 16.a und ein zweiter Schichtbereich 16.b, sind hier Dünnschichtmetallisierung auf einer Keramikplatte 12 als elektrisch isolierende Schicht ausgeführt. Die Dicke der ersten metallischen Schicht kann beispielsweise zwi- sehen 1 μιη und 20 μιη betragen. Die Oberseite des Trägers, d.h. die Seite, auf welcher sich die erste metallische Schicht befindet, ist mit einem Lot 21 bedampft worden. Die dabei entstandene Lotschicht erstreckt sich nicht nur über die Schichtbereiche, sondern es befindet sich auch Lotmaterial in den Lücken 19. Daher können die Schichtbereiche zunächst durch das metallische Lot elektrisch verbunden sein. In einem nächsten Schritt wird, wie in Fig. 13 dargestellt, ein vorgefertigter Stapel, welcher mehrere Wärmeleitkörper 7 und mehrere Diodenlaserelemen- te 4 (in dem Ausschnitt ist nur eines der Diodenlaserelemente dargestellt), und Kontaktkörper (im Ausschnitt nicht dargestellt) umfasst, auf den Träger aufgesetzt. Die Bauteile des Stapels sind mit einem weiteren Fügemittel 22 bereits verbunden.
In einem weiteren Schritt wird ein Lötprozeß ausgeführt. Dazu wird der Träger mitsamt dem Stapel auf die Löttemperatur erwärmt und ggf. mit einem Druck beaufschlagt. Dabei schmilzt das Lot und benetzt die Schichtbereiche. Das Resultat ist in Fig. 14 dargestellt. In den Lücken 19 findet eine Entnetzung des Lotes von der freiliegenden Oberfläche der Keramikplatte statt. Das Entnetzen kann man sich als Abperlen des Lotes von der Keramikoberfläche vorstellen. Dabei werden im ersten Abschnitt 25 die elektrischen Verbindungen benachbarter Schichtbereiche, z.B. 16.a, 16.b, unterbrochen. In den zweiten Abschnitten 26, die in der Darstellung unter den Befestigungsflächen der Wärmeleitkörper liegen, können die Lücken 19 teilweise oder vollständig mit Lot gefüllt sein. Das liegt daran, daß die Befestigungsflächen lötbar ausgeführt sind und daher vom Lot benetzt werden.
In einer Abwandlung des vierten Ausführungsbeispiels sind die Bauteile des Stapels gemäß Fig. 13 noch nicht verbunden, sondern es ist lediglich ein weiteres jungfräuliches (d.h noch nicht aufgeschmolzenes) Lot 22 zwischen den Bauteilen deponiert. Das weitere Lot 22 kann dasselbe sein, wie das Lot 21. Während des Lötprozesses schmelzen nun das Lot 21 und das weitere Lot 22 auf und beide Verbindungen werden mit einem Lötprozeß hergestellt. Das Resultat ist ebenfalls das in Fig. 14 dargestellte.
Fig. 15 zeigt den einen Ausschnitt des Trägers eines fünften Ausführungsbeispiels. Die
Schichtbereiche, bezeichnet sind hier ein erster Schichtbereich 16.a und ein zweiter Schichtbereich 16. b, sind hier Dünnschichtmetallisierung auf einer Keramikplatte 12 als elektrisch isolie- rende Schicht ausgeführt. Die Dicke der ersten metallischen Schicht kann beispielsweise zwischen 1 μηι und 20 pm betragen. Ein metallisches Lot 21 befindet sich auf den Schichtbereichen. Die derart bereitgestellte Lotschicht erstreckt sich nur über die Schichtbereiche und es befindet sich kein Lotmaterial in den Lücken 19. Daher sind die Schichtbereiche beim Bereitstellen des Trägers elektrisch voneinander isoliert. In einem nächsten Schritt wird, wie in Fig. 16 dargestellt, ein Stapel, welcher mehrere Wärmeleitkörper 7 und mehrere Diodenlaserelemente 4 (in dem Ausschnitt ist nur eines der Diodenlaserelemente dargestellt), und Kontaktkörper (im Ausschnitt nicht dargestellt) umfasst, auf den Träger aufgesetzt. Die Befestigungsflächen der Kontaktkörper sind ebenfalls mit einer Lotschicht versehen. Dann kann die Laserstrahlungsquelle wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen hergestellt werden. Das Resultat ist ähnlich dem des vierten Ausführungsbeispiels. In einer ersten Abwandlung dieses fünften Ausführungsbeispiels (nicht dargestellt) sind die Befestigungsflächen nicht mit einer Lotschicht versehen, sondern die metallische Lotschicht als erstes Fügemittel wird nur auf den Schichtbereichen bereitgestellt. In einer zweiten Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels (nicht dargestellt) sind die Wärmeleitkörper nicht nur an den Befestigungsflächen, sondern mehrseitig oder allsei- tig mit der Lotschicht versehen worden.
Fig. 17 zeigt eine xy-Ansicht eines sechsten Ausführungsbeispiels. Der Träger 1 1 ist hier schmaler bezüglich der x-Richtung ausgeführt, als der Stapel 3. Die Laserbarren, Wärmeleit- körper und Kontaktkörper 8 sind jeweils gleich breit bezüglich der x-Richtung. Auf diese Weise kann eine besonders platzsparende Laserstrahlungsquelle 1 bereitgestellt werden.
In allen genannten Ausführungsbeispielen kann der Träger 11 in einer ersten Version ohne zweite metallische Schicht oder in einer zweiten Version mit einer zweiten metallischen Schicht 14 ausgebildet sein.
Fig. 18 zeigt zum Vergleich eine bekannte Laserstrahlungsquelle. Infolge der Aufsummierung von Toleranzen kann es zu einer Verschiebung der Wärmeleitkörper 7 mit ihren Befestigungsflächen 9 gegenüber den nach dem Stand der Technik mit einer großen Schichtbereichsbreite ausgebildeten Schichtbereichen 16 in z-Richtung kommen. Im Extremfall kann das dazu führen, daß Laserbarren über die Schichtbereiche kurzgeschlossen werden.
Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass die Figuren nicht maßstäblich gezeichnet sind.
Bezugszeichenliste:
I . Laserstrahlungsquelle
2. Laserstrahlung
3. Stapel
4. Diodenlaserelemente, Laserbarren a. erster Laserbarren b. zweiter Laserbarren c. dritter Laserbarren
5. Emitter
6. Dicke des Diodenlaserelements
7. Wärmeleitkörper
a. erster Wärmeleitkörper b. zweiter Wärmeleitkörper
8. Kontaktkörper
a. erster Kontaktkörper b. zweiter Kontaktkörper
9. Befestigungsfläche
10. erster Abstand
I I . Träger
12. elektrisch isolierende Schicht
3. erste metallische Schicht
14. zweite metallische Schicht
15. Montagefläche
16. Schichtbereich
a. erster Schichtbereich b. zweiter Schichtbereich
17. großflächiger Schichtbereich
18. Schichtbereichsbreite
a. erste Schichtbereichsbreite b. zweite Schichtbereichsbreite
19. Lücke
20. Abstand benachbarter Lücken
21. Fügemittel 22. weitere Fügemittel
23. Schichtbereich als Streifen ausgebildet
24. Raster
25. erster Abschnitt
26. zweiter Abschnitt

Claims

Patentansprüche:
1. Laserstrahlungsquelle(l ), umfassend
• einen Stapel (3) von Diodenlaserelementen (4), wobei die Diodenlaserelemente bezüglich eines Koordinatensystems xyz in mehreren xy-Ebenen parallel angeordnet sind, wobei zwischen jeweils zwei Diodenlaserelementen wenigstens ein elektrisch leitfähiger Wärmeleitkörper (7) angeordnet ist, wobei im Stapel mehrere Wärmeleitkörper vorhanden sind und jeder Wärmeleitkörper eine Befestigungsfläche (9) aufweist und die Befestigungsflächen der Wärmeleitkörper in einer xz-Ebene liegen, wobei die Befestigungsflächen benachbarter Wärmeleitkörper einen ersten Abstand (10) zueinander haben,
• wenigstens einen mehrschichtigen Träger (1 1 ), umfassend wenigstens eine erste metallische Schicht (13), die in Schichtbereiche (16) gegliedert ist, und eine elektrisch isolierende Schicht (12), wobei die erste metallische Schicht eine Montagefläche (15) aufweist,
wobei der Stapel an den Befestigungsflächen der Wärmeleitkörper mit der Montagefläche verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schichtbereiche (16) wenigstens im Bereich der Montagefläche in einer x-Projektion jeweils eine Schichtbereichsbreite (17) bezüglich der z-Richtung aufweisen, wobei mehrere benachbarte Schichtbereiche (16.a, 16.b) derart ausgebildet sind, daß die jeweilige Schichtbereichsbreite (18.a, 18.b) kleiner ist als der erste Abstand (10).
2. Laserstrahlquelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsflächen mittels eines Fügemittels (21 ) mit der ersten metallischen Schicht verbunden sind.
3. Laserstrahlquelle nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtbereiche streifenförmig (23) ausgebildet sind.
4. Laserstrahlquelle nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtbereiche als Raster (24) ausgebildet sind.
5. Laserstrahlquelle nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schichtbereichsbreiten (17) gleich groß ausgebildet sind.
6. Laserstrahlquelle nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schichtbereichen (16) Lücken (19) vorhanden sind, wobei die Lücken in einem ersten Abschnitt (25) zwischen den Befestigungsflächen (9) nicht mit Fügemittel (21 ) überbrückt sind und/oder die Lücken (19) in einem zweiten Abschnitt (26) zwischen den Schichtbereichen unter den Befestigungsflächen (9) wenigstens teilweise mit Fügemittel (21) gefüllt sind.
7. Laserstrahlquelle nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schichtbereichen (16) Lücken (19) vorhanden sind, wobei die Lücken wenigstens teilweise mit einem elektrisch isolierenden Füllmittel gefüllt sind.
8. Verfahren zur Herstellung einer Laserstrahlungsquelle (1 ), umfassend
a. Bereitstellen von mehreren Diodenlaserelementen (4),
b. Bereitstellen von mehreren elektrisch leitfähigen Wärmeleitkörpern (7) mit jeweils wenigstens einer Befestigungsfläche (9),
c. Bereitstellen wenigstens eines mehrschichtigen Trägers (1 1), umfassend wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht (12) und wenigstens eine erste metallische Schicht (13), die in elektrisch voneinander isolierte Schichtbereiche (16) gegliedert ist, wobei die erste metallische Schicht eine Montagefläche (15) aufweist,
d. Stapeln der Diodenlaserelemente in einer Stapelrichtung z, wobei die Diodenla- serelemente in mehreren xy- Ebenen parallel angeordnet sind und zwischen jeweils zwei Diodenlaserelementen wenigstens ein Wärmeleitkörper angeordnet ist, wobei die Befestigungsflächen der Wärmeleitkörper in einer Ebene liegen und die Befestigungsflächen benachbarter Wärmeleitkörper einen ersten Abstand (10) zueinander haben,
e. Verbinden der Befestigungsflächen der Wärmeleitkörper mit der Montagefläche, dadurch gekennzeichnet, dass
jeder Schichtbereich (16) wenigstens im Bereich der Montagefläche jeweils eine Schichtbereichsbreite (17) in Stapelrichtung z aufweist, wobei mehrere benachbarte Schichtbereiche (16. a, 16. b) derart ausgebildet sind, daß die jeweilige Schichtbereichsbreite (18. a, 18.b) kleiner ist als der erste Abstand (10).
9. Verfahren nach Anspruch 8, außerdem umfassend
f. Bereitstellen einer metallischen Lotschicht (21 ),
wobei Schritt f vor Schritt e ausgeführt wird und das Verbinden in Schritt e mittels der Lotschicht erfolgt
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Lotschicht (2 ) auf den Befestigungsflächen (9) und/ oder auf den Schichtbereichen (16) bereitgestellt wird 1 1. Verwendung eines Lötprozesses zur Herstellung einer Laserstrahlungsquelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Lötprozeß sowohl mehrere Wärmeleitkörper an der Montagefläche (15) eines Trägers (1 1 ) befestigt werden, als auch eine vor dem Lötprozeß über das Lot (21 ) bestehende elektrische Verbindung zwi- sehen benachbarten Wärmeleitkörpern (7) durch den Lötprozeß unterbrochen wird.
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