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Aspekte der vorliegenden Erfindung betreffen ein Wärmeableitmodul mit einem eine erste und eine gegenüberliegende zweite Seite aufweisenden Laserdiodenelement, einem ersten Wärmeableitkörper zur konduktiven Kühlung des Laserdiodenelements, der eine erste Kontaktfläche aufweist, einem zweiten Wärmeableitkörper, der eine der ersten Kontaktfläche zugewandte zweite Kontaktfläche aufweist, wobei das Laserdiodenelement zwischen den beiden Wärmeableitkörpern angeordnet ist und dabei die erste Seite so an die erste Kontaktfläche und die zweite Seite so an die zweite Kontaktfläche gefügt sind, daß die erste Seite des Laserdiodenelements thermisch mit der ersten Kontaktfläche und die zweite Seite des Laserdiodenelementes thermisch mit der zweiten Kontaktfläche kontaktiert ist.
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Ein solches Wärmeableitmodul ist beispielsweise dazu vorgesehen, das Laserdiodenelement konduktiv zu kühlen.
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Es ist jedoch auch bekannt, in beiden Wärmeableitkörpern Kühlkanäle vorzusehen, durch die ein Kühlfluid geführt wird, um das Laserdiodenelement zu kühlen. Im Falle der Ausbildung des Laserdiodenelements als Laserdiodenelement ist ein solches Wärmeableitmodul in der
US 2006/0203866 A1 beschrieben, bei dem sich der Kühlkanal durch beide Wärmeableitkörper erstreckt. Mit einem solchen Wärmeableitmodul kann daher nur konvektiv gekühlt werden.
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Aus der
EP 1 401 068 A2 , der
DE 103 28 440 A1 und der
US 2002/0 063 329 A1 sind Wärmeableitmodule mit jeweils zwei Wärmeableitkörpern bekannt, die auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten an einem Laserdiodenelement befestigt sind.
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Aus der
US 5 105 429 A und der
US 2006/0 215 715 A1 sind Diodenlaserstapel mit Mikrokanalwärmensenken bekannt, die auf einer Seite von Laserdiodenelementen angebracht sind.
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Aus der
DE 10 2004 014 911 ist ein Wärmeableitmodul mit einem Halbleiterbaustein bekannt, der zwischen zwei Kühlkörpern angeordnet ist, wobei einer der Kühlkörper Kühlkanäle aufweist.
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Oftmals ist es jedoch bei der Herstellung eines Wärmeableitmoduls noch nicht bekannt, welche Wärmeableitform (konduktiv oder konvektiv) vom Anwender bevorzugt gewählt werden wird.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Wärmeableitmodul der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem je nach Bedarfsfall sowohl eine ausreichende konduktive Kühlung als auch eine ausreichende konvektive Kühlung des Laserdiodenelementes realisiert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Wärmeableitmodul der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß im zweiten Wärmeableitkörper ein Kühlkanal ausgebildet ist, durch den ein Kühlfluid hindurch geleitet werden kann und der sich, in Draufsicht auf die zweite Seite des Laserdiodenelements gesehen (sprich, in einer sich zur zweiten Seite senkrecht erstreckenden Projektion des Laserdiodenelementes), zumindest abschnittsweise im Bereich der zweiten Seite erstreckt, wohingegen sich im ersten Wärmeableitkörper, in Draufsicht auf die erste Seite des Laserdiodenelementes gesehen (sprich, in einer sich zur ersten Seite senkrecht erstreckenden Projektion des Laserdiodenelementes), im Bereich der ersten Seite kein Kanal zum Führen eines Kühlfluids erstreckt, wobei die erste Seite eine Epitaxieseite des Laserdiodenelementes ist, die zweite Seite eine Substratseite des Laserdiodenelementes ist und durch den ersten Wärmeableitkörper ein Einlass und/oder ein Auslass des Kühlkanals verläuft.
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Somit dient der erste Wärmeableitkörper als konduktiver Wärmeableitkörper zur Kühlung des Laserdiodenelements. Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeableitmodul kann das Laserdiodenelement somit in einem ersten Betriebszustand konduktiv gekühlt werden.
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Es ist jedoch auch ein zweiter Betriebszustand möglich, in dem das Laserdiodenelement konvektiv gekühlt wird. Dazu muß lediglich das Kühlfluid durch den Kühlkanal geführt werden, so daß das Laserdiodenelement von seiner zweiten Seite konvektiv gekühlt wird. Im Falle der konvektiven Kühlung kann die konduktive Kühlung über den ersten Wärmeableitkörper zusätzlich genutzt werden. Eine rein konvektive Kühlung ist natürlich auch möglich.
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Damit ist ein Wärmeableitmodul zur Verfügung gestellt, das äußerst flexibel eingesetzt werden kann. Insbesondere ist es mit dem erfindungsgemäßen Wärmeableitmodul möglich, erst nach der Herstellung des Wärmeableitmoduls zu entscheiden, welche Art der Kühlung durchgeführt werden soll, ohne daß konstruktive Änderungen am Wärmeableitmodul notwendig sind.
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Bei dem Wärmeableitmodul können beide Wärmeableitkörper elektrisch leitfähig sein, so daß der erste Wärmeableitkörper elektrisch mit der ersten Kontaktfläche und der zweite Wärmeableitkörper elektrisch mit der zweiten Kontaktfläche kontaktiert ist. Somit ist eine elektrische Kontaktierung des Laserdiodenelements über die Wärmeableitkörper möglich.
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Zumindest einer der beiden Wärmeableitkörper kann einen elektrisch isolierten oder nicht leitfähigen Hauptkörper mit einer darauf ausgebildeten elektrisch leitenden Schicht aufweisen, deren dem Hauptkörper abgewandte Außenseite die erste bzw. zweite Kontaktfläche bildet.
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Insbesondere weist die erste Kontaktfläche einen ersten und zweiten Abschnitt und die zweite Kontaktfläche einen dritten und vierten Abschnitt auf, wobei die Kontaktierung der Wärmeableitkörper mit dem Laserdiodenelement über den ersten und dritten Abschnitt erfolgt. Zwischen dem zweiten und vierten Abschnitt ist bevorzugt eine elektrisch isolierende Zwischenschicht angeordnet, die an den zweiten und vierten Abschnitt gefügt sein kann.
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Die elektrisch isolierende Zwischenschicht kann eine Stützfunktion ausüben, um als Abstandshalter der beiden Wärmeableitkörper in der Art zu wirken, daß ein gewünschter Abstand zwischen dem ersten und dritten Abschnitt vorliegt, um z. B. die mechanische Belastung des zwischen dem ersten und dritten Abschnitt angeordneten Laserdiodenelementes zu minimieren.
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Da der Zulauf und/oder Ablauf des Kühlkanals durch den ersten Wärmeableitkörper läuft, läuft der Zulauf bzw. der Ablauf auch durch die Zwischenschicht.
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Die Zwischenschicht kann die beiden Wärmeableitkörper miteinander thermisch verbinden.
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Die Kontaktflächen können als plane Flächen und/oder als gestufte Flächen ausgebildet sein. Insbesondere können die Kontaktflächen zueinander parallel ausgerichtet sein.
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Das Laserdiodenelement kann als Hochleistungslaser bzw. Hochleistungslaserdiodenelement mit einem Leistungsbereich von 30 W bis zu mehreren 100 W, sowohl für den kontinuierlichen als auch für den gepulsten Betrieb, ausgebildet sein. Der Halbleiterlaser kann als Laserdiodenbarren, als Einzellaserdiode, als vertikaler Laserdiodenstapel oder auch als horizontale Laserdiodenreihe ausgebildet sein.
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Die Verbindung zwischen den einzelnen Elementen ist bevorzugt stoffschlüssig und kann z. B. durch Löten hergestellt sein. Dazu können Weichlote (z. B. Indium) oder Hartlote (z. B. Gold-Zinn) verwendet werden. Hartlote sind aufgrund ihrer hohen Leistungsbeständigkeit bevorzugt.
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Die Wärmeableitkörper können aus Kupfer bestehen oder aus einem Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoff hergestellt sein. Als Metall kann beispielsweise Aluminium, Kupfer, Silber oder Kobalt eingesetzt werden.
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Die Wärmeableitkörper können einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein. Insbesondere können zur Ausbildung der Wärmeableitkörper im wesentlichen quaderförmige Elemente verwendet werden.
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Die elektrisch isolierende Zwischenschicht kann z. B. als Oxid-Schicht oder Nitrid-Schicht ausgebildet sein. So ist z. B. Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Aluminiumnitrid oder Tantaloxid als Material für die Isolierschicht geeignet. Die Isolierschicht kann Diamant (beispielsweise nanokristallinen Diamant) enthalten. Die Isolierschicht kann im Bereich von 100 nm–200 μm liegen.
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Das Laserdiodenelement kann im wesentlichen quaderförmig mit einer Breite von ca. 2–10 mm oder auch größer, einer Länge im Bereich von 0,3–5 mm (bevorzugt 1–2 mm) und einer Dicke von 5–200 μm, wobei die Dicke dem Abstand der ersten und zweiten Seite des Laserdiodenelementes entspricht, ausgebildet sein.
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Bei Ausübung der konduktiven Kühlung kann der erste Wärmeableitkörper an eine Kühleinrichtung als Wärmesenke angeschlossen sein. Vorzugsweise erfolgt der Anschluss der Kühleinrichtung kraftschlüssig an einer Seite der Wärmeableitkörpers, die der ersten Kontaktfläche gegenüber liegt.
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Die Kühleinrichtung kann ein Peltier-Modul und/oder einen Kühlkörper mit einer Kühlstruktur aufweisen, die zur Beströmung mit einem Kühlmittel vorgesehen ist. Bei Verwendung eines flüssigen Kühlmittels kann die Kühlstruktur eine Kühlkanalstruktur sein, die sich in Draufsicht auf die erste Seite des Laserdiodenelementes zumindest abschnittsweise im Bereich des Laserdiodenelementes erstreckt.
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Der Kühlkanal kann Teil einer Kühlkanalstruktur sein oder diese ausbilden. Insbesondere können eine oder mehrere Kühlkanalstrukturen eine Vielzahl von Mikrokühlkanälen aufweisen (das sind Kühlkanäle, deren Querschnittsabmessungen in wenigstens einer Richtung kleiner sind als 1 mm), die strömungstechnisch parallel und/oder seriell durchflossen werden. Dazu kann der zweite Wärmeableitkörper als Schichtkörper ausgebildet sein, bei dem ein oder mehrere Schichten Ausnehmungen aufweisen, die durch benachbarte Schichten zu Kanälen verschlossen werden. Die Schichten sind dichtend miteinander verbunden, vorzugsweise stoffschlüssig. Zur stoffschlüssigen Verbindung der Schichten miteinander bieten sich beispielsweise Verfahren des Diffusionsschweißens, des eutektischen Bondens (beispielsweise das direct-copper-bonding-(DCB-)Verfahren) sowie des Hartlötens und des Weichlötens an.
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Anders als in flüssigkeitsgekühlten Diodenlaserstapeln, in denen die Mikrokanalwärmesenken auf der den Laserdiodenelementen gegenüberliegenden Seiten einen metallischen Bereich aufweisen, der mit der Kontaktfläche für die Laserdiodenelementen elektrisch leitend verbunden ist, kann der erfindungsgemäße zweite Wärmeableitkörper auf der dem Laserdiodenelement gegenüberliegenden Seite elektrisch isolierend sein.
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Ebensowenig muß ein dem Laserdiodenelement und dem Kühlkanal abgewandter Teil des zweiten Wärmeableitkörpers, der zum Beispiel zum Abschluss des Kühlkanals dient, thermisch gut an den zugewandten Teil befestigt sein.
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So kann zum Beispiel eine Mikrokanalstruktur in einen thermisch hoch leitfähigen Hauptkörper durch einfache mechanische spanende Bearbeitung eingebracht werden und durch eine thermisch niedrig leitfähige Platte mittels Kleben verschlossen werden. Sowohl Hauptkörper als auch Platte können elektrisch isolierend sein oder aber elektrisch leitfähig und mit einer elektrischen Isolierung zumindest abschnittsweise verkleidet sein.
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Ganz allgemein können Maßnahmen, Mittel und Anordnungen zur elektrischen Isolierung von, insbesondere elektrisch leitfähigen, kühlmittelführenden Bereichen des ersten und/oder zweiten Wärmeableitkörpers gegenüber elektrisch leitfähigen Bereichen des eigenen oder eines anderen Körpers selbstverständlich auf die erfindungsgemäße Anordnung angewandt beziehungsweise in diese eingebracht werden.
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Zwischenkörper, die gegebenenfalls zwischen die erste Seite des Laserdiodenelementes und die erste Kontaktfläche des ersten Wärmeableitkörpers und/oder zwischen die zweite Seite des Laserdiodenelementes und die zweite Kontaktfläche des zweiten Wärmeableitkörpers gefügt sind, können den erfindungsgemäßen Anordnungen hinzugefügt werden, weil nach wie vor die betreffende Seite des Laserdiodenelementes an die entsprechende Seite des Wärmeableitkörpers gefügt ist, wenn auch nicht unmittelbar sondern mittelbar.
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Ferner sind Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Wärmeableitmoduls in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeableitmoduls, und
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2 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A in 1.
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Bei der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform umfast das erfindungsgemäße Wärmeableitmodul 1 als Laserdiodenelement einen Laserdiodenbarren, der eine Vielzahl von verteilt über seine Breite nebeneinander angeordneten Emittern aufweist. Ferner umfaßt das Wärmeableitmodul 1 einen ersten und einen zweiten elektrisch leitfähigen Wärmeableitkörper 3, 4 sowie eine elektrisch isolierende Zwischenschicht 5.
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Der Laserdiodenbarren 2 sowie die Zwischenschicht 5 sind zwischen den beiden einander zugewandten Kontaktflächen 6, 7 der beiden Wärmeableitkörper 3, 4 angeordnet. Die erste Kontaktfläche 6 weist einen ersten und einen dazu benachbarten zweiten Abschnitt 8, 9 auf, und die zweite Kontaktfläche 7 weist einen dritten und einen dazu benachbarten vierten Abschnitt 10, 11 auf.
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Die Oberseite 12 des Laserdiodenbarrens 2 ist an den dritten Abschnitt 10 gefügt, so daß eine thermische und elektrische Kontaktierung zwischen der Oberseite 12 und dem dritten Abschnitt 10 vorliegt. Die Oberseite 12, die die Substratseite des Laserdiodenbarrens 2 ist, ist mit dem dritten Abschnitt 10 verlötet und somit stoffschlüssig und daher mechanisch fest verbunden.
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In gleicher Weise ist die Unterseite 13 des Laserdiodenbarrens 2 an den ersten Abschnitt 8 der ersten Kontaktfläche 6 des ersten Wärmeableitkörpers 3 gefügt. Somit liegt eine thermische und elektrische Kontaktierung zwischen der Unterseite 13, die die Epitaxieseite des Laserdiodenbarrens 2 ist, und dem ersten Abschnitt 8 vor.
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Insbesondere liegen sowohl die Fügezonen des Lotes als auch die erste und zweite Kontaktfläche 6 und 7 im Bereich einer zu der Ober- und Unterseite 12 und 13 senkrechten Projektion des Laserdiodenbarrens 2, wodurch eine hervorragende Einkopplung der Wärme des Laserdiodenbarrens 2 in die Wärmeableitkörper 3 und 4 erzielt wird.
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Die Zwischenschicht 5 ist mit ihrer Oberseite 14 mit dem vierten Abschnitt 11 der zweiten Kontaktfläche 7 verlötet und die Unterseite 15 der Zwischenschicht 5 ist mit dem zweiten Abschnitt 9 der ersten. Kontaktfläche 6 verlötet. Da die Zwischenschicht 5 als elektrisch isolierende Schicht ausgebildet ist, stellt sie zwar einen thermischen Kontakt zwischen den beiden Wärmeableitkörpern 3, 4 her, jedoch keinen elektrischen Kontakt.
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Der erste Wärmeableitkörper 3 dient zur konduktiven Kühlung der Unterseite 13 des Laserdiodenbarrens 2 und kann mit einer nicht gezeigten Wärmesenke thermisch verbunden (vorzugsweise kraftschlüssig an der dem Laserdiodenbarren 2 gegenüberliegenden Seite) sein.
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Der zweite Wärmeableitkörper 4, der mit seinem vierten Abschnitt 11 der zweiten Kontaktfläche 7 mit der Oberseite 12 des Laserdiodenbarrens 2 in Kontakt steht, ist zur konvektiven Kühlung der Oberseite 12 vorgesehen und weist dazu einen Kühlkanal 16 auf. Wie am besten aus 1 ersichtlich ist, umfaßt der Kühlkanal 16 einen Zulaufabschnitt 17, der in einem, in der Schnittansicht von 2 gesehen, oberhalb der Oberseite 12 des Laserdiodenbarrens 2 liegenden Kühlabschnitt 18 mündet. Von den beiden Enden des Kühlabschnittes 18 erstreckt sich jeweils ein Ablaufabschnitt 19 zum Auslaß 20, der sich, wie aus 2 ersichtlich ist, durch die Zwischenschicht 5 und den ersten Wärmeableitkörper 3 erstreckt. Ferner erstreckt sich durch den ersten Wärmeableitkörper 3 und die Zwischenschicht 5 bis zum Zulaufabschnitt 17 ein Einlaß 21. Über den Einlaß 21 kann ein Kühlfluid dem Kühlkanal 16 zugeführt werden, das den Kühlkanal 16 vom Zulaufabschnitt 17 über den Kühlabschnitt 18 und die Ablaufabschnitte 19 bis zum Auslaß 20 durchströmt, wie durch die Pfeile in der Darstellung von 1 angedeutet ist.
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Ferner umfaßt das Wärmeableitmodul 1 am ersten und zweiten Wärmeableitkörper 3 und 4 jeweils einen Kontakt K1, K2, an die eine Stromquelle 22 zum Betreiben des Laserdiodenbarrens 2 anschließbar ist. Die Kontakte K1, K2 und die Stromquelle 22 sind nur in 2 eingezeichnet.
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Das Wärmeableitmodul 1 kann während des Betriebes des Laserdiodenbarrens 2, in dem der Laserdiodenbarren 2 Laserstrahlung L abgibt, in unterschiedlicher Art und Weise gekühlt werden, ohne daß, der mechanische Aufbau des Wärmeableitmoduls geändert werden muß.
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Wenn durch den Kühlkanal 16 kein Fluid geführt wird, findet eine konduktive Kühlung hauptsächlich über den ersten Wärmeableitkörper 3 statt, da die meiste Wärme beim Betrieb des Laserdiodenbarrens 2 im Bereich der Epitaxieseite 13 erzeugt wird. Über den zweiten Wärmeableitkörper 4 und die Zwischenschicht 5 findet auch eine gewisse konduktive Kühlung der Oberseite 12 des Laserdiodenbarrens 2 während des Betriebes statt. Der Anteil dieser Kühlung ist jedoch deutlich geringer als die Kühlung der Epitaxieseite 13 über den ersten Wärmeableitkörper 3. Es ist möglich, auf den konduktiven Kühlanteil über den zweiten Wärmeableitkörper 4 zu verzichten. So kann z. B. die Zwischenschicht aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit hergestellt sein.
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Des Weiteren ist es möglich, mit dem Wärmeableitmodul 1 den Laserdiodenbarren 2 konvektiv zu kühlen. Dazu wird ein Kühlfluid (hier eine Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser) über den Einlaß 21 durch den Kühlkanal 16 bis zum Auslaß 20 geführt, so daß die Substratseite 12 des Laserdiodenbarrens 2 effektiv gekühlt wird. Dies ist darin begründet, daß sich der Kühlabschnitt 18, in Draufsicht auf die Substratseite 12 gesehen, im Bereich der Substratseite 12 erstreckt (1). Anders gesagt, der Kühlabschnitt 18 des Kühlkanals 16 liegt direkt oberhalb des Laserdiodenbarrens 2, wie in 2 ersichtlich ist.
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Die Epitaxieseite 13 wird weiterhin konduktiv mittels des ersten Wärmeableitkörpers 3 gekühlt. Eine konvektive Kühlung findet mit dem ersten Wärmeableitkörper 3 nicht statt, da im ersten Wärmeableitkörper 3, in Draufsicht auf die Epitaxieseite 13 des Laserdiodenbarrens 2 gesehen, im Bereich der Epitaxieseite 12 kein Kühlkanal verläuft.
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Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeableitmodul 1 erstreckt sich somit unterhalb des Laserdiodenbarrens 2 und daher im ersten Wärmeableitkörper 3 kein Kühlkanal, wie z. B. 2 zu entnehmen ist.
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Der Auslaß und Einlaß 20 und 21 sind zwar durch den ersten Wärmeableitkörper 3 geführt, jedoch in einem so großen Abstand von der Epitaxieseite 13 des Laserdiodenbarrens 2, daß sie keine übermäßige konvektive Kühlung der Epitaxieseite 13 bewirken. Daher kühlt der erste Wärmeableitkörper 3 im wesentlichen nur konduktiv, ohne daß sein thermischer Widerstand durch Ein- und Auslaß 20, 21 nennenswert vergrößert ist.
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Das erfindungsgemäße Wärmeableitmodul läßt sich als Standardbauelement fertigen, das für unterschiedliche Kühlanordnungen, passiv (konduktiv), aktiv (konvektiv) oder sogar beide zugleich zur weiteren Verringerung des thermischen Widerstandes, gerüstet ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform führen der Einlaß 21 und der Auslaß 20 durch den ersten Wärmeableitkörper 3 und die Zwischenschicht 5.
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In einer bevorzugten Weiterbildung dieses Ausführungsbeispieles ist anstatt des einen Kühlkanals
16 der Kühlabschnitt
18 mit einer Vielzahl von Mikrokühlkanälen versehen, beispielsweise in einer der Konfigurationen, die in der Offenlegungsschrift
DE 100 47 780 A1 gezeigt ist. Der Inhalt der
DE 100 47 780 A1 wird diesbezüglich hiermit aufgenommen.