DE102007008027A1

DE102007008027A1 - Diodenlaseranordnung sowie Verfahren zum Herstellen einer solchen Anordnung

Info

Publication number: DE102007008027A1
Application number: DE102007008027A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Schulz-Harder; Andreas Dr.-Ing. Meyer; Volker Krause; Christoph Ullmann
Original assignee: Curamik Electronics GmbH; Laserline Gesellschaft fuer Entwicklung und Vertrieb Von Diodenlasern GmbH
Current assignee: Laserline Gesellschaft fuer Entwicklung und Vertrieb Von Diodenlasern GmbH; Rogers Germany GmbH
Priority date: 2007-02-13
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2008-08-21
Also published as: US20080192785A1; US8130807B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Diodenlaseranordnung mit wenigstens einem zumindest einen Emitter aufweisenden Laserbarren und einer Wärmesenkenanordnung zum Kühlen des wenigstens einen Laserbarrens.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Diodenlaseranordnung gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf ein Verfahren zum Herstellen einer Diodenlaseranordnung gemäß Oberbegriff Patentanspruch 20 oder 24.
Hochleistungsdiodenlaser basieren heute überwiegend auf Breitstreifenlasern mit Chipabmessungen von 0,5 ... 1 mm × 1 ... 4 mm und einer Chiphöhe von 100 ... 150 μm. Die laseraktive Schicht der Chips, in der die Laserstrahlung erzeugt wird, ist dabei entlang der größeren Kantenlänge der Chips ausgerichtet, wobei die gebrochenen Kanten eine sehr gute Ebenheit aufweisen und dadurch die End- und Auskoppelspiegel des Lasers bilden. Die Laserstrahlung tritt aus dem Auskoppelspiegel auf einer Breite von typischerweise nur 50 ... 200 μm aus dem Chipmaterial aus. Bei einer Emitterbreite von 100 μm lässt sich eine Ausgangsleistung bis zu 15 W erreichen.
Für Hochleistungsdiodenlaser werden derartige Breitstreifenlaser oder Emitter zu Laserbarren zusammengefasst, in denen dann bis zu hundert einzelne Emitter auf einer Länge von bis zu 10 mm aufeinander folgend vorgesehen sind. Die Endspiegel und Auskoppelspiegel erstrecken sich dann jeweils über die gesamte Länge eines solchen Laserbarrens, mit denen sich dann beispielsweise Leistungen im Bereich zwischen 100 und 150 W erzielen lassen.
Zur Kühlung werden die Laserbarren üblicherweise mit ihrer p-Seite auf Wärmesenken aufgelötet, und zwar insbesondere auch auf aktive Wärmesenken, d. h. auf Wärmesenken, die bzw. deren Kanäle oder Kanalstrukturen von einem Kühlmedium, beispielsweise von Kühlwasser durchströmt werden.
Bekannt ist hierbei insbesondere, zur Erhöhung der Leistung Diodenlaseranordnungen stapelartig auszubilden, und zwar mit mehreren übereinander angeordneten und jeweils an einer Wärmesenke vorgesehenen Laserbarren.
Nachteilig ist bei bekannten Diodenlaseranordnungen, dass die Kühlung der Laserbarren bzw. der Emitter nur einseitig, d. h. an der Montageseite oder p-Seite erfolgt, während die andere Seite, beispielsweise die n-Seite der Laserchips des Laserbarrens lediglich zur Kontaktierung genutzt wird.
Weiterhin sind speziell die bekannten stapelartig ausgebildeten Diodenlaseranordnungen konstruktiv aufwendig und auch störanfällig, und zwar insbesondere deswegen, weil sich konstruktionsbedingt u. a. zahlreiche Übergangsstellen für das Kühlwasser ergeben, die mit Dichtungen, beispielsweise mit O-Ringen abgedichtet werden müssen. Weiterhin sind auch zahlreiche Übergangsstellen bzw. Anschlüsse für die Stromversorgung erforderlich.
Bekannt ist das sogenannten „DCB-Verfahrens" (Direct-Copper-Bond-Technology) beispielsweise zum Verbinden von Metallschichten oder -blechen (z. B. Kupferblechen oder -folien) mit einander und/oder mit Keramik oder Keramikschichten, und zwar unter Verwendung von Metall- bzw. Kupferblechen oder Metall- bzw. Kupferfolien, die an ihren Oberflächenseiten eine Schicht oder einen Überzug (Aufschmelzschicht) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff aufweisen. Bei diesem beispielsweise in der US-PS 37 44 120 oder in der DE-PS 23 19 854 beschriebenen Verfahren bildet diese Schicht oder dieser Überzug (Aufschmelzschicht) ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls (z. B. Kupfers), so daß durch Auflegen der Folie auf die Keramik und durch Erhitzen sämtlicher Schichten diese miteinander verbunden werden können, und zwar durch Aufschmelzen des Metalls bzw. Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Aufschmelzschicht bzw. Oxidschicht.
Dieses DCB-Verfahren weist dann z. B. folgende Verfahrensschritte auf:

• Oxidieren einer Kupferfolie derart, daß sich eine gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt;
• Auflegen des Kupferfolie auf die Keramikschicht;
• Erhitzen des Verbundes auf eine Prozeßtemperatur zwischen etwa 1025 bis 1083°C, z. B. auf ca. 1071°C;
• Abkühlen auf Raumtemperatur.

Bekannt ist weiterhin das sogenannte Aktivlot-Verfahren ( DE 22 13 115 ; EP-A-153 618 ) z. B. zum Verbinden von Metallisierungen bildenden Metallschichten oder Metallfolien, insbesondere auch von Kupferschichten oder Kupferfolien mit Keramikmaterial. Bei diesem Verfahren, welches speziell auch zum Herstellen von Metall-Keramik-Substraten verwendet wird, wird bei einer Temperatur zwischen ca. 800–1000°C eine Verbindung zwischen einer Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie, und einem Keramiksubstrat, beispielsweise Aluminiumnitrid-Keramik, unter Verwendung eines Hartlots hergestellt, welches zusätzlich zu einer Hauptkomponente, wie Kupfer, Silber und/oder Gold auch ein Aktivmetall enthält. Dieses Aktivmetall, welches beispielsweise wenigstens ein Element der Gruppe Hf, Ti, Zr, Nb, Ce ist, stellt durch chemische Reaktion eine Verbindung zwischen dem Lot und der Keramik her, während die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metall eine metallische Hartlöt-Verbindung ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Diodenlaseranordnung aufzuzeigen, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und bei verbesserter Kühlwirkung eine vereinfachte Konstruktion ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Diodenlaseranordnung entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Ein Verfahren zum Herstellen einer Diodenlaseranordnung ist Gegenstand des Patentanspruchs 20 oder 24.
Bei der erfindungsgemäßen Diodenlaseranordnung erfolgt die Kühlung jedes Laserbarrens an zwei Seiten, d. h. sowohl an der n-Seite als auch an der p-Seite der Chips bzw. Emitter. Hierdurch wird nicht nur die Kühlwirkung verbessert, so dass höhere Leistungen möglich sind, sondern durch die beidseitige Kühlung ergibt sich ein thermomechanisch symmetrischer Aufbau, mit dem insbesondere auch negative Einflüsse reduziert werden, die sich aus den Unterschieden des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Material der jeweiligen Wärmesenke und dem Halbleitermaterial bzw. dem Material der Zwischenträger ergeben, über die die Laserbarren mit den Wärmesenken verbunden sind.
Aufgrund des symmetrischen Aufbaus ist auch eine löttechnische Montage bei stark reduziertem Verzug des Laserchips bzw. Laserbarrens (Smile-Effect) möglich, und zwar selbst dann, wenn die Zwischenträger und das Material der Wärmesenken einen deutlich unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweisen.
Als Material für die Zwischenträger oder Trägerschichten, über die der jeweilige Laserbarren mit der angrenzenden Wärmesenke verbunden wird, eignen sich beispielsweise Kupfer/Wolfram-Legierungen mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) von 6–9 ppm/K.
Die jeweilige aktive Wärmesenke besteht zumindest im Montagebereich des jeweiligen Laserbarrens aus mehreren Metall- oder Kupferschichten, die z. B. mittels der DCB-Technik oder durch Aktivlötverfahren miteinander verbunden sind. Der Ausdehnungskoeffizient der Wärmesenke liegt somit beispielsweise in der Größenordnung von 16 ppm/K und unterscheidet sich daher deutlich von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Submounts bzw. Zwischenträgers. Durch den symmetrischen Aufbau, d. h. durch die Verwendung zweier Zwischenträger oder Tragschichten beidseitig von dem jeweiligen Laserbarren und einer anschließenden aktiven Wärmesenke ergibt sich trotz einer Löt-Montage der Zwischenträger an den Wärmesenken keine, zumindest aber keine störende, die spätere Strahlformung negativ beeinflussende Verbiegung des Laserchips.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Diodenlaseranordnung erfolgt beispielsweise in der Form, dass die Laserbarren beidseitig jeweils unter Verwendung eines Hartlots, beispielsweise eines AuSn-Lots mit einem Zwischenträger versehen werden und dann zwischen jeweils zwei aktive Wärmetauscher einer diese Wärmetauscher im Stapel aufweisenden Wärmetauscheranordnung eingesetzt und anschließend die Zwischenträger mit den an diese angrenzenden Wärmetauschern verlötet werden.
Die beiden beidseitig von dem Laserbarren vorgesehenen Zwischenträger oder Trägerschichten weisen dabei die selben oder zumindest im Wesentlichen die selben Abmessungen und Materialeigenschaften auf, so dass nach dem Lötprozess die angestrebte geradlinige Ausbildung des jeweiligen, beidseitig mit jeweils einem aktiven Wärmetauscher verbundenen Laserbarrens erhalten wird.
Die Abmessungen der Zwischenträger sind an den jeweiligen Laserbarren angepasst, und zwar beispielsweise derart, dass der Auskoppelspiegel des Laserbarrens bündig oder nahezu bündig mit einer Seite oder Kante des jeweiligen Zwischenträgers angeordnet ist, während die Zwischenträger an der gegenüberliegenden Seite beispielsweise über den Laserbarren wegstehen.
Die von den Wärmesenken und den dazwischen angeordneten Isolierschichten gebildete Wärmesenkenanordnung bildet eine monolithische Baueinheit, so dass durch Dichtungen abzudichtende Übergangsstellen für das flüssige Kühlmedium, beispielsweise Kühlwasser entfallen. Über die zumindest im Montagebereich der Laserbarren aus einem metallischen Material bestehenden aktiven Wärmesenken ist auch in besonders einfacher Weise die elektrische Kontaktierung der Laserbarren möglich.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
1 und 2 eine Diodenlaseranordnung gemäß der Erfindung in Draufsicht sowie in Seitenansicht;
3 in perspektivischer Darstellung einen Laserbarren, zusammen mit zwei auf den Laserbarren aufgebrachten Zwischenträgern;
4 in schematischer Darstellung die Montage des Laserchips zwischen zwei Wärmesenken der Wärmesenkenanordnung;
5 in vergrößerter Teildarstellung die Wärmesenkenanordnung im Bereich zweier benachbarten Wärmesenken an der Rückseite der Diodenlaseranordnung;
6 eine Darstellung ähnlich 2 bei einer weiteren Ausführungsform.
Die in den Figuren allgemein mit 1 bezeichnete Diodenlaseranordnung besteht im Wesentlichen aus mehreren stapelartig übereinander angeordneten Wärmesenken 2 sowie aus mehreren zwischen den Wärmesenken 2 angeordneten und mit diesen auch elektrisch verbundenen Laserbarren 3, die jeweils eine Vielzahl von Laserlicht aussenden Emittern aufweisen.
Die Wärmesenken 2 sind aktive Wärmesenken bzw. Kühler (Mikrokühler), die von einem Kühlmedium, beispielsweise Wasser durchströmt werden. Hierfür besteht jede Wärmesenke 2 aus einer Vielzahl von Schichten oder Folien 4 und 5 aus einem Metall, beispielsweise Kupfer. Die Schichten 4 und 5 sind mit einem geeigneten Verfahren, beispielsweise mit der DCB-Technik oder einem Aktiv-Lötverfahren einander verbunden. Die zwischen den äußeren Schichten, d. h. bei der für die 2 gewählten Darstellung zwischen der oberen und unteren Schicht 5 angeordneten Schichten 4 sind jeweils strukturiert, d. h. mit Öffnungen und Durchbrüchen versehen, so dass sich in diesen Schichten Strömungskanäle für das Kühlmedium ergeben, die durch die äußeren Schichten, d. h. bei der für die 2 gewählten Darstellung durch die oberen und unteren Schichten 5 nach außen hin dicht verschlossen sind.
Die bei der dargestellten Ausführungsform in Draufsicht jeweils rechteckförmigen Wärmesenken 2 sind stapelartig übereinander liegend zu einer quaderförmigen Wärmesenkenanordnung 6 miteinander verbunden, und zwar derart, dass jeweils zwischen zwei im Stapel aufeinander folgenden Wärmesenken 2 eine Isolierschicht 7 aus einem elektrisch isolierenden Material vorgesehen ist. Letztere erstreckt sich ausgehend von der die Rückseite 1.1 der Diodenlaseranordnung bildenden Schmalseite der Wärmesenkenanordnung 6 in Richtung auf die die Vorderseite 1.2 der Diodenlaseranordnung 1 bildenden Schmalseite der Wärmesenkenanordnung 6, endet aber mit Abstand von dieser Vorderseite 1.2. Hierdurch ergibt sich im Bereich der Vorderseite 1.2 zwischen zwei benachbarten Wärmesenken 2 ein Spalt 8, der sowohl zu der Vorderseite 1.2 als auch zu den beiden Längsseiten 1.3 und 1.4 der Diodenlaseranordnung 1 hin offen ist.
Die Isolierschichten 7 sind beispielsweise solche aus Keramik, beispielsweise aus einer Aluminiumoxid- und/oder Aluminiumnitrid-Keramik. Weiterhin sind die Isolierschichten 7 in einer geeigneten Technik, beispielsweise unter Verwendung der DCB-Technik oder durch Aktiv- oder Hartlöten mit den Wärmesenken 2 flächig verbunden.
Zum Zuführen des Kühlmediums an die einzelnen Wärmesenken 2 bzw. in die dortigen Kanäle sowie zum Abführen des Kühlmediums aus den Wärmesenken 2 sind in der Wärmesenkenanordnung 6 zwei Kanäle 9 und 10 vorgesehen, die mit ihren Achsen senkrecht zu der Ober- und Unterseite der Wärmesenken 2 sowie senkrecht zu den Isolierschichten 7 orientiert und weiterhin auch in Längsrichtung der Wärmesenken 2 gegeneinander versetzt sind. Mit den Kanälen 9 und 10, von denen beispielsweise der Kanal 9 den Zulauf und der Kanal 10 den Rücklauf für das Kühlmedium bilden, ist die Wärmesenkenanordnung 6 an einen nicht dargestellten Kühlkreislauf angeschlossen. Die Kanäle 9 und 10 sind jeweils von deckungsgleich angeordneten Bohrungen in den Wärmesenken 2 bzw. in den dortigen Lagen 4 und 5 sowie in den Isolierschichten 7 gebildet und innerhalb der Wärmesenken 2 in geeigneter Weise mit den dortigen Kühlkanälen verbunden, die sich bis an die Vorderseite 1.2 der Diodenlaseranordnung 1 erstrecken, wie dies in den Figuren schematisch mit 11 angedeutet ist.
Auf jeden Laserbarren 3 ist beidseitig ein Zwischenträger 12 (auch Submount) aufgebracht, und zwar durch Auflöten mit einem geeigneten Lot, beispielsweise mit einem AuSn-Hartlot. Jeder Zwischenträger 12 ist so ausgebildet, dass er den Laserbarren 3 an einer Oberflächenseite über die gesamte Länge abdeckt, mit einer Längsseite bündig mit der die Auskoppelseite oder den Auskoppelspiegel des Laserbarrens 3 bildenden Längsseite dieses Barrens liegt und mit der gegenüberliegenden Längsseite über die den hoch reflektierenden Endspiegel des Laserbarrens 3 bildende Längsseite geringfügig vorsteht, beispielsweise um einige 100 μm. Jeder Zwischenträger 12 besitzt bei der dargestellten Ausführungsform eine Dicke, die etwas größer ist als die Dicke des Laserbarrens 3 und besteht aus einem Material, über welches ein Ausgleich der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Metalls (beispielsweise Kupfer) der Wärmesenken 2 und des Halbleitermaterials der Laserbarren 3 erreichbar ist. Als Material für die Zwischenträger eignet sich beispielsweise eine CuW-Legierung.
Jeder beidseitig mit einem Zwischenträger 12 versehene Laserbarren 3 ist in einen Spalt 8 derart eingesetzt, dass die Laserbarren 3 mit ihrer Auskoppelseite senkrecht zur Längserstreckung der Wärmesenken 2 orientiert jeweils bündig oder annähernd bündig mit der Vorderseite 1.2 der Diodenlaseranordnung 1 liegen. Die Zwischenträger 12 sind durch Löten, beispielsweise Hartlöten mit der jeweils benachbarten Wärmesenke 2 verbunden, und zwar sowohl thermisch als auch elektrisch. Über die thermische Verbindung erfolgt eine optimale Kühlung jedes Laserbarrens 3 sowohl an seiner n-Seite als auch an seiner p-Seite, und zwar über die benachbarte aktive Wärmesenke 2 mit den jeweils bis in den Montagebereich der Laserbarren 3 reichenden Kühlkanäle 11. Über die beiden jedem Laserbarren 3 benachbarten und durch die Isolierschicht 7 elektrisch getrennten metallischen Wärmesenken 2 ist eine einfache elektrische Kontaktierung bzw. Versorgung der Laserbarren 3 möglich. Die Laserbarren 3 können hierbei sowohl elektrisch parallel als auch in Serie betrieben werden.
Über die metallischen Zwischenträger 12 erfolgt zugleich auch eine Kontaktierung der einzelnen Emitter jedes Laserbarrens 3 an deren p-Seite und n-Seite.
Die Herstellung der Diodenlaseranordnung 2 erfolgt beispielsweise in der Form, dass zunächst die einzelnen Wärmesenken unter Verwendung der mit den Öffnungen für die Kanäle 9 und 10 und mit der Profilierung für die Kühlkanäle 11 versehenen metallischen Schichten 4 und 5 hergestellt und dann unter Verwendung dieser Wärmesenken 2 und der ebenfalls mit den Durchlässen für die Kanäle 9 und 10 versehenen Isolierschichten 7 die Wärmesenkenanordnungen 6 gefertigt werden.
In die Schlitze 8 der jeweiligen Wärmesenkenanordnung 6 werden dann von der Vorderseite 1.2 her die mit den Zwischenschichten 12 versehenen Laserbarren 3 (3) eingesetzt und dort durch Festklemmen zumindest vorübergehend fixiert, wie dies in der 4 angedeutet ist. Jeder Zwischenträger 12 ist dabei an seiner den Laserbarren 3 abgewandten Oberflächenseite bereits mit einer Lotschicht 13 versehen. Nach dem Einsetzen sämtlicher mit den Zwischenschichten 12 versehener Laserbarren 3 in die Schlitze 8 erfolgt das Verlöten der Zwischenschichten 12 mit den jeweils benachbarten Wärmesenken 2 unter Erhitzen des gesamten Verbundes auf eine über dem Schmelzpunkt der Lotschichten 13 liegenden Temperatur, allerdings ohne dass der Schmelzpunkt des Lotes erreicht wird, welches für die Verbindung zwischen den Laserbarren 3 und den Zwischenträgern 12 verwendet ist.
Während vorstehend davon ausgegangen wurde, dass in der stapelartigen Wärmesenkenanordnung 6 jeweils eine Isolierschicht 7 zwischen zwei einander benachbarten Wärmesenken 2 vorgesehen ist, zeigt die 6 als weitere Ausführungsform eine Diodenlaseranordnung 1a mit einer Wärmesenkenanordnung 6a, bei der im Inneren der stapelartigen Wärmesenkenanordnung jeweils zwei Wärmesenken 2 unmittelbar aneinander anschließen, der Abstand, den zwei Laserbarren 3 an der Vorderseite 1a.2 der Diodenlaseranordnung voneinander aufweisen, also nicht der einfachen, sondern der doppelten Dicke der Wärmesenken 2 entspricht. Die Laserbarren 3 sind dann bei dieser Ausführungsform jeweils abwechselnd gepolt in den Schlitzen 8 angeordnet, beispielsweise in der Form, dass bei der Darstellung der 6 ausgehend von der Oberseite der oberste Laserbarren 3 mit seiner n-Seite oben liegend, der darunter liegende Laserbarren mit seiner p-Seite oben liegend, der darunter liegende Laserbarren 3 wieder mit seiner n-Seite oben liegend usw. angeordnet sind.
Vorstehend wurde davon ausgegangen, dass bei der Fertigung der Laserdiodenanordnung 1 bzw. 1a zunächst gesondert die jeweilige Wärmesenkenanordnung 6 bzw. 6a hergestellt wird, dann die jeweils beidseitig mit den Zwischenträgern 12 versehenen Laserbarren 3 in die Schlitze 8 eingesetzt und die Zwischenträger über die Lotschicht 13 mit den angrenzenden Wärmesenken 2 verbunden werden.
Eine weitere Möglichkeit der Herstellung besteht darin, dass die Laserbarren 3 jeweils beidseitig unter Verwendung eines geeigneten Lots, beispielsweise des AuSn-Hartlots, mit den Zwischenträgern 12 versehen werden, dass dann in einem einzigen Arbeitsgang (z. B. Hartlötprozess) die Verbindung der Zwischenträger 12 mit den benachbarten Wärmesenken 2 sowie auch die Verbindung der Wärmesenken 2 und Isolierschichten 7 zu der Wärmesenkenanordnung 6 oder 6a erfolgt, und zwar unter Verwendung jeweils eines Lots (Hartlot), welches einen gegenüber dem Lot der Lötverbindung zwischen den Laserbarren 3 und den Zwischenträgern 12 niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, und durch Erhitzen der von den Wärmesenken 2, den Isolierschichten 7 und den Laserbarren 3 mit den Zwischenträgern 12 gebildeten Stapelanordnung. Diese ist hierbei durch wenigstens ein Gewicht beschwert oder auf andere Weise zusammen gehalten, und zwar derart, dass nach dem Löten die Dicke der Lotschicht zwischen jedem Zwischenträger 12 und der angrenzenden Wärmesenke 2 möglichst dünn ist, d. h. überschüssiges Lot dort während des Lötprozesses durch die Beschwerung seitlich abläuft, während innerhalb der Wärmesenkenanordnung 6 oder 6a über die Dicke der Lotschichten ein Ausgleich von Toleranzen erreicht ist. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Dicke der die Zwischenträger 12 mit jeweils einer Wärmesenke 2 verbindenden Lotschicht extrem klein gehalten wird, hier also für die Kühlung der Laserbarren 3 ein optimaler Wärmeübergang erreicht ist, während die Dicke der Lotschichten innerhalb der Wärmesenkenanordnung 6 bzw. 6a keinen, zumindest aber keinen merkbaren Einfluss auf die Kühlwirkung hat, da die Kühlung der Laserbarren 3 ausschließlich über die beidseitig von jedem Laserbarren vorgesehenen Wärmesenken 2 erfolgt.
Bei dem vorgenannten Verfahren besteht zur Vereinfachung der Handhabung auch die Möglichkeit, die Isolierschichten 7 bereits auf den Wärmesenken 2 vorzubereiten, und zwar durch einseitiges Bonden jeder Isolierschicht 7 an einer Wärmesenke 2, beispielsweise mit Hilfe des DCB-Verfahrens oder eines Aktiv-Lötverfahrens usw.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird. So ist es beispielsweise möglich, die zwischen den Wärmesenken 2 angeordneten Isolierschichten, beispielsweise Keramikschichten so auszuführen, dass sie an wenigstens einer Oberflächenseite mit einer Metallisierung versehen sind, und zwar in Form einer Metall- oder Kupferfolie, die mittels des DCB-Prozesses oder durch Aktivlöten auf die entsprechende Keramikschicht aufgebracht ist.
Weiterhin besteht bei der Ausführungsform der 6 die Möglichkeit, die jeweils unmittelbar, d. h. ohne Isolierschicht 7 aneinander anschließenden Wärmesenken 2 zu einer gemeinsamen Wärmesenke zusammen zu fassen.
Die Anzahl der Laserbarren 3 und der Wärmesenken 2 kann auch angepasst an die jeweilige Verwendung beliebig gewählt werden. Insbesondere ist es auch möglich, die Diodenlaseranordnung so herzustellen, dass zwischen zwei benachbarten Wärmesenken 2 jeweils mehrere Laserbarren 3 aneinander anschließend oder aufeinander folgend angeordnet sind. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, die Diodenlaseranordnung so herzustellen, dass sie lediglich einen oder mehrere Laserbarren zwischen zwei benachbarten Wärmesenken aufweist.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Wärmesenkenanordnung 6 bzw. 6a an der Ober- und/oder Unterseite jeweils mit einer weiteren Schicht, beispielsweise mit einer Metallisierung oder Isolierschicht zu versehen.

1, 1a: Diodenlaseranordnung
1.1: Rückseite
1.2, 1a.2: Vorderseite
1.3, 1.4: Längsseite
2: als aktiver Kühler ausgebildete Wärmesenke
3: Laserbarren
4, 5: Schicht der Wärmesenke 2
6, 6a: Wärmesenkenanordnung
7: Isolierschicht bzw. Keramikschicht
8: Schlitz
9, 10: Kanal zum Zuführen und Abführen des Kühlmediums
11: Kühlkanäle
12: Zwischenträger oder Submount
13: Lotschicht
L: Längserstreckung der Wärmesenken 2

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 3744120 [0008]
- DE 2319854 [0008]
- DE 2213115 [0010]
- EP 153618 A [0010]

Claims

Diodenlaseranordnung mit wenigstens einem zumindest einen Emitter aufweisenden Laserbarren (3) und mit einer Wärmesenkenanordnung (6, 6a) zum Kühlen des wenigstens einen Laserbarrens (3), dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Laserbarren (3) beidseitig zumindest thermisch mit jeweils einer zumindest im Montagebereich des Laserbarrens (3) als aktiver Kühler ausgebildeten Wärmesenke (2) verbunden ist.
Diodenlaseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Laserbarren (3) beidseitig, d. h. sowohl mit seiner n-Seite als auch mit seiner p-Seite jeweils elektrisch mit der zumindest im Montagebereich teilweise aus einem elektrisch leitenden Material bestehenden Wärmesenke (2) verbunden ist.
Diodenlaseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindung zwischen dem wenigstens einen Laserbarren (3) und der jeweiligen Wärmesenke (2) eine Zwischenschicht oder ein Zwischenträger (12) aus einem zumindest thermisch gut leitenden, vorzugsweise thermisch und elektrisch gut leitenden Material, zur Reduzierung des Einflusses des unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleitermaterial des Laserbarrens und dem metallischen Material der Wärmesenke vorgesehen ist.
Diodenlaseranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht bzw. der Zwischenträger (12) aus einer CuW-Legierung besteht.
Diodenlaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beidseitig von dem wenigstens einen Laserbarren (3) angeordneten Wärmesenken (2) wenigstens eine Isolierschicht (7) aus einem elektrisch isolierenden Material vorgesehen ist.
Diodenlaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Wärmesenken (2) ein Spalt (8) zur Aufnahme des wenigstens einen Laserbarrens (3), vorzugsweise des wenigstens einen mit den Zwischenträgern (12) versehenen Laserbarrens (3) gebildet ist.
Diodenlaseranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (8) durch die Isolierschicht (7) gebildet ist.
Diodenlaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenken (2) jeweils aus einer Vielzahl von flächig miteinander verbundenen Schichten besteht, von denen innere Schichten (4) zur Ausbildung einer eine Vielzahl von Kühlkanälen (11) aufweisenden Kühlerstruktur strukturiert sind.
Diodenlaseranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die die Wärmesenken (2) bildenden Schichten (4, 5) unter Verwendung der DCB-Technik oder durch Aktivlöten miteinander verbunden sind.
Diodenlaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen zwei benachbarten Wärmesenken (2) angeordnete Isolierschicht (7) eine Keramikschicht, beispielsweise aus Aluminiumoxid- und/oder Aluminiumnitrid ist.
Diodenlaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (7) an wenigstens einer Oberflächenseite mit einer mit der angrenzenden Wärmesenke (2) verbundenen Metallisierung, beispielsweise mit einer diese Metallisierung bildenden Metallschicht oder Metallfolie versehen ist.
Diodenlaseranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung unter Verwendung des DCB-Verfahrens oder Aktivlöt-Verfahrens aufgebracht ist.
Diodenlaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenken (2) und Isolierschichten unter Verwendung des DCB-Verfahrens oder Aktivlöt-Verfahrens mit einander verbunden sind.
Diodenlaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens zwei stapelartig zu einer Wärmesenkenanordnung (6, 6a) verbundene Wärmesenken (2) aufweist.
Diodenlaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehr als zwei stapelartig zu einer Wärmesenkenanordnung (6, 6a) verbundene Wärmesenken (2) aufweist.
Diodenlaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei jeweils beidseitig von wenigstens einem Laserbarren (3) angeordneten Wärmesenken (2) auch wenigstens eine Isolierschicht (7) vorgesehen ist.
Diodenlaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei in der Wärmesenkenanordnung (6) aufeinander folgenden Wärmesenken (2) jeweils wenigstens ein Laserbarren vorgesehen ist.
Diodelaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur zwischen einem Teil der die Wärmesenkenanordnung (6a) bildenden Wärmesenken (2) jeweils wenigstens ein Laserbarren (3) angeordnet ist.
Diodenlaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens zwei durch die Wärmesenken (2) und Isolierschichten (7) hindurchreichende Kanäle (10) zum Zuführen und Abführen des Kühlmediums.
Verfahren zum Herstellen einer Diodenlaseranordnung mit wenigstens einem zumindest einem Emitter aufweisenden Laserbarren (3), der beidseitig mit jeweils mit einem metallischen Zwischenträger (12) versehen ist, und mit einer Wärmesenkenanordnung (6, 6a) zum Kühlen des wenigstens einen Laserbarrens (3), dadurch gekennzeichnet, dass durch Verbinden wenigstens zweier, zumindest an einem Montagebereich des Laserbarrens (3) als aktive Kühler ausgebildeten Wärmesenken (2) über eine Isolierschicht (7) aus einem elektrisch isolierenden Material, z. B. Keramik, eine Wärmesenkenanordnung (6, 6a) erzeugt, dass anschließend der wenigstens eine Laserbarren (3) mit den an diesem vorgesehenen Zwischenträgern (12) zwischen zwei Wärmesenken (2) eingesetzt wird, und dass dann die Zwischenträger (12) mit jeweils einer Wärmesenke (2) an deren Montagebereich verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden der Zwischenträger (12) mit dem wenigstens einen Laserbarren (3) sowie das Verbinden der Zwischenträger (12) mit den Wärmesenken (2) durch Löten, insbesondere Hartlöten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden der Wärmesenken und der wenigstens einen Isolierschicht (7) unter Verwendung des DCB-Verfahrens oder eines Aktivlötverfahrens oder durch Löten, insbesondere Hartlöten erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20–22, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenkenanordnung (6, 6a) mit einer Vielzahl von Montagebereichen zur Aufnahme jeweils wenigstens eines mit den Zwischenträgern (12) versehenen Laserbarrens (3) hergestellt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Diodenlaseranordnung mit wenigstens einem zumindest einem Emitter aufweisenden Laserbarren (3), der beidseitig mit jeweils mit einem metallischen Zwischenträger (12) versehen ist, und mit einer Wärmesenkenanordnung (6, 6a) zum Kühlen des wenigstens einen Laserbarrens (3), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Laserbarren (3), der beidseitig mit einem metallischen Zwischenträger (12) versehen ist, zwischen den Montagebereichen zweier zumindest in diesen Bereichen als aktive Kühler ausgebildeten Wärmesenken (2) angeordnet und in einem gemeinsamen Verfahren die wenigstens zwei Wärmesenken (2) über wenigstens eine Isolierschicht (7) aus einem elektrisch isolierenden Material, z. B. Keramik, sowie zugleich auch die Zwischenträger (12) mit den Montagebereichen der Wärmesenken (2) verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden durch Löten, insbesondere durch Hartlöten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere zu einem Stapel angeordnete Wärmesenken (2) mit zwischen diesen vorgesehenen Isolierschichten (7) und mit Zwischenträgern (12) versehene Laserbarren (3) in einem gemeinsamen Verfahrensschritt zu der Diodenlaseranordnung verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung von mit den Isolierschichten (7) bereits verbundenen Wärmesenken (2).
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschichten (7) unter Verwendung des DCB-Verfahrens oder Aktivlötverfahrens einseitig mit jeweils einer Wärmesenke (2) verbunden sind.