DE102009026413A1

DE102009026413A1 - Halbleiterlasermodul und Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102009026413A1
Application number: DE102009026413A
Authority: DE
Inventors: Werner Herden; Hans-Jochen Schwarz; Wolfgang Pittroff
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2010-11-25
Also published as: EP2433343A1; WO2010133572A1; JP2012527754A; US8891567B2; JP5843756B2; US20120106582A1

Abstract

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

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterlasermodul mit einem Substrat und mit mindestens einem auf dem Substrat angeordneten Halbleiterlaser, wobei das Substrat einen Schichtaufbau aufweist bestehend aus mindestens einer ersten Primärschicht, die einen thermischen Kontakt zu dem Halbleiterlaser realisiert.
Die Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren für ein derartiges Halbleiterlasermodul.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterlasermodul und ein Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass mit einem kostengünstigen Aufbau eine effektive Kühlung des Halbleiterlasers bei einem Pulsbetrieb gegeben ist.
Diese Aufgabe wird bei dem Halbleiterlasermodul der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Halbleiterlaser so ausgebildet ist, dass er Wärmepulse mit einer minimalen spezifischen Wärmemenge von etwa 3 Millijoule (mJ) je Quadratmillimeter (mm²) abgibt, vorzugsweise etwa 5 mJ/mm², und mit einer Pulsdauer von etwa 100 Mikrosekunden (μs) bis etwa 2000 μs, und dass die Primärschicht eine Schichtdicke aufweist, die zwischen etwa 200 Mikrometer (μm) und etwa 2000 μm beträgt, vorzugsweise zwischen etwa 400 μm und etwa 2000 μm.
Untersuchungen der Anmelderin zufolge ist bei einer derartigen Abstimmung zwischen dem Halbleiterlaser und der zu seiner Kühlung vorgesehenen Primärschicht eine optimale Ableitung der während des gepulsten Betriebs des Halbleiterlasers freiwerdenden Wärmeenergie gegeben. Insbesondere ist aufgrund der erfindungsgemäß gewählten Schichtdicke der Primärschicht sichergestellt, dass zumindest ein überwiegender Anteil eines von dem Halbleiterlaser abgegebenen Wärmepulses von der Primärschicht aufgenommen werden kann, so dass eine effiziente und gleichzeitig kostengünstige Kühlung des Halbleiterlasers bei seinem Pulsbetrieb möglich ist. Insbesondere erfordert das erfindungsgemäße Prinzip im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen keine Schichtdicken für die Primärschicht, die wesentlich mehr als zwei Millimeter betragen, so dass das erfindungsgemäße Halbleiterlasermodul kostengünstig gefertigt werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls ist die Pulsfrequenz der Wärmepulse kleiner etwa 400 Hertz (Hz), vorzugsweise kleiner etwa 100 Hz, so dass in den Pulspausen die in der Primärschicht „zwischengespeicherte” Wärme abgeleitet werden kann an einen Kühlkörper. Damit wird die Primärschicht vorteilhaft abgekühlt und ist anschließend wieder bereit zur schnellen Aufnahme eines von dem Halbleiterlaser erzeugten Wärmepulses.
Pulsdauern und Pulspausen der vorstehend genannten Größe treten insbesondere bei einer Verwendung des Halbleiterlasers zum optischen Pumpen anderer Lasersysteme auf, speziell von passiv gütegeschalteten Lasersystemen, die z. B. in Laserzündkerzen von Brennkraftmaschinen zur Erzeugung von Laserzündimpulsen verwendet werden. Daher eignet sich das erfindungsgemäße Halbleiterlasermodul in besonderer Weise als Pumplichtquelle für laserbasierte Zündsysteme von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen oder auch stationären Großgasmotoren.
Eine noch weiter verbesserte Ableitung der von dem Halbleiterlaser erzeugten Wärmepulse ist einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zufolge gegeben, wenn eine zweite Primärschicht vorgesehen ist, die in thermischem Kontakt zu dem Halbleiterlaser steht, insbesondere mit einer Oberfläche des Halbleiterlasers, die von der ersten Primärschicht abgewandt ist.
Zur Reduktion von thermomechanischen Spannungen während des Betriebs des Halbleiterlasers kann einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge vorgesehen sein, dass die Primärschicht und eine mit der Primärschicht verbundene Sekundärschicht des Substrats so ausgebildet, insbesondere aufeinander abgestimmt, sind, dass ein resultierender thermischer Ausdehnungskoeffizient der beiden Schichten im Bereich einer dem Halbleiterlaser zugewandten Oberfläche etwa mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterlasers übereinstimmt. Besonders bevorzugt beträgt die Abweichung der betreffenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten voneinander maximal etwa 20 Prozent, vorzugsweise etwa 10 Prozent.
Besonders bevorzugt weist die Primärschicht Kupfer und/oder Gold und/oder Silber und/oder weitere Materialien mit vergleichbarer Wärmekapazität und vergleichbarer Wärmeleitfähigkeit auf. Bevorzugt werden duktile Materialien zur Ausbildung der Primärschicht verwendet, um eine effiziente Mikrostrukturierung der dem Halbleiterlaser zugewandten Oberfläche mit dem Ziel zu ermöglichen, plastisch verformbare Mikrostrukturen auf der Oberfläche zu erzeugen, die bei dem Zusammenfügen der Komponenten einen verbesserten Formschluss und damit auch einen geringeren Wärmewiderstand bewirken.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Patentanspruch 7 angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasermoduls mit einem Substrat und mit mindestens einem auf dem Substrat angeordneten Halbleiterlaser, wobei das Substrat einen Schichtaufbau aufweist, bestehend aus mindestens einer ersten Primärschicht, die einen thermischen Kontakt zu dem Halbleiterlaser realisiert, ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:

– Herstellen einer Primärschicht mit einer Schichtdicke, die zwischen etwa 200 μm und etwa 2000 μm beträgt, vorzugsweise zwischen etwa 400 μm und etwa 2000 μm,
– Verbinden des Halbleiterlasers mit der Primärschicht.

Um einen möglichst wärmewiderstandsarmen formschlüssigen Übergang einer Epitaxieseite des Halbleiterlasers zu der Primärschicht zu gewährleisten, ist bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, dass der Schritt des Verbindens des Halbleiterlasers mit der Primärschicht erfolgt durch:

– Hart- oder Weichlöten mit einer Lotschichtdicke, die kleiner ist als etwa 40 μm, bevorzugt etwa 10 μm,
– Zusammenlegieren der Komponenten unter Verwendung einer Flüssigmetallschicht, insbesondere eines Gallium-Indium-Zinn-Eutektikums,
– Reibschweißen,
– Bonden mittels Ultraschall,
– thermisches Bonden,
– Klemmen, insbesondere unter Einfügen einer Flüssigmetallschicht, insbesondere eines Gallium-Indium-Zinn-Eutektikums, zwischen den Komponenten.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass vordem Schritt des Verbindens mindestens eine Oberfläche der beiden zu verbindenden Komponenten einer Mikrostrukturierung unterzogen wird, die regelmäßige und/oder statistisch verteilte, vorzugsweise plastisch verformbare, Mikrostrukturen auf der Oberfläche erzeugt. Dadurch ist vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, einen Toleranzausgleich bezüglich des Formschlusses der zusammenzufügenden Oberflächen zu realisieren, weil die plastisch verformbaren Mikrostrukturen bei dem Verbinden des Halbleiterlasers mit der Primärschicht plastisch verformt werden und dadurch Unregelmäßigkeiten der beteiligten Oberflächen ausgleichen können. Hierdurch ergibt sich ein optimierter Formschluss und damit ein geringerer Wärmewiderstand der Verbindung zwischen dem Halbleiterlaser und der Primärschicht.
Eine weiter verbesserte Verbindung zwischen dem Halbleiterlaser und der Primärschicht ist erfindungsgemäß dadurch gegeben, dass die miteinander zu verbindenden Oberflächen mit einer Goldschicht oder einer Gold-Nickel-Schicht beschichtet werden. Alternativ zu der Mikrostrukturierung der Primärschicht bzw. des Halbleiterlasers selbst können deren Oberflächen auch mit einem geeigneten mikrostrukturierbaren Material wie z. B. einer Goldschicht, überzogen werden, und die erfindungsgemäße Mikrostruktur wird in der Goldschicht erzeugt, beispielsweise durch elektronischen Abtrag mit gepulstem Strom.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:
1a eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls während einer aktiven Phase des Pulsbetriebs des Halbleiterlasers,
1b das Halbleiterlasermodul gemäß 1a mit einem deaktivierten Halbleiterlaser,
2a, 2b eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls in unterschiedlichen Betriebsarten,
3a, 3b eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls in unterschiedlichen Betriebsarten,
4 noch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls,
5 schematisch eine Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls vor dem Verbinden des Halbleiterlasers mit der ihn aufnehmenden Primärschicht, und
6 ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1a zeigt schematisch eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls 100 in einem ersten Betriebszustand. Das Halbleiterlasermodul 100 weist einen Halbleiterlaser 120 auf, der mit einem Substrat 110 verbunden ist. Der Halbleiterlaser 120 erzeugt in dem ersten Betriebszustand, bevorzugt in einem Pulsbetrieb, Laserstrahlung 200, die u. a. zum optischen Pumpen weiterer Lasersysteme (nicht gezeigt) verwendet werden kann.
Das Substrat 110 dient neben der mechanischen Halterung des Halbleiterlasers 120 primär der Temperierung, insbesondere Kühlung, des Halbleiterlasers 120.
Das Substrat 110 weist hierzu eine den Halbleiterlaser 120 aufnehmende Primärschicht 111 auf, die in gutem thermischem Kontakt zu dem Halbleiterlaser 120 steht. Die Primärschicht 111 ist auf ihrer dem Halbleiterlaser 120 abgewandten Oberfläche mit einer Sekundärschicht 112 verbunden. Die Sekundärschicht 112 ihrerseits ist auf einer Wärmesenke 113 angeordnet, die beispielsweise als Kühlkörper und/oder als Peltierelement und/oder als Wärmerohr (”heat pipe”) ausgebildet ist.
Die Primärschicht 111 ist bevorzugt aus Silber und/oder Gold und/oder Kupfer ausgebildet, während die Sekundärschicht 112 bevorzugt aus einem keramischen Material wie z. B. Aluminiumnitrid, AlN, ausgebildet ist oder auch Materialsysteme aus Kupfer und Diamant umfasst.
Der Halbleiterlaser 120 ist auf die Anwendung in einem Pulsbetrieb optimiert, insbesondere auf einen Pulsbetrieb, wie er für das optische Pumpen weiterer Lasereinrichtungen (nicht gezeigt) benötigt wird. Beispielsweise kann der Halbleiterlaser 120 Pumplichtimpulse 200 abgeben, mit denen Lasereinrichtungen mit passiver Güteschaltung optisch gepumpt werden. Solche Systeme eignen sich bevorzugt zum Einsatz in laserbasierten Zündsystemen von Brennkraftmaschinen, beispielsweise von Kraftfahrzeugen.
Erfindungsgemäß ist der Halbleiterlaser 120 so ausgebildet, dass er Wärmepulse mit einer minimalen spezifischen Wärmemenge von etwa 3 mJ je mm² abgibt, vorzugsweise etwa 5 mJ je mm², wobei die Pulsdauer von etwa 100 μs bis etwa 2000 μs beträgt.
Eine Dicke d1 der Primärschicht 111 ist erfindungsgemäß zu etwa 200 μm bis etwa 2000 μm, vorzugsweise zwischen etwa 400 μm und etwa 2000 μm gewählt.
Bei der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Konfiguration ergibt sich Untersuchungen der Anmelderin zufolge eine optimierte Ableitung der von dem Halbleiterlaser 120 während seines Pulsbetriebs erzeugten Wärmepulse in die Primärschicht 111, vgl. die nicht näher bezeichneten Pfeile in 1a. Insbesondere ist bei der erfindungsgemäßen Wahl der Schichtdicke d1 vorteilhaft sichergestellt, dass die Primärschicht 111 einen kompletten von dem Halbleiterlaser 120 abgegebenen Wärmepuls aufnehmen kann, bevor dieser die in 1a darunter angeordnete Sekundärschicht 112 erreicht. D. h., die erfindungsgemäße Primärschicht 111 arbeitet gleichsam als lokaler Zwischenspeicher für die von dem Halbleiterlaser 120 abzuführenden Wärmepulse.
Bei den verhältnismäßig langen Pulspausen, die sich aus einer bevorzugten Pulsfrequenz der Wärmepulse von weniger als etwa 400 Hz, vorzugsweise weniger als etwa 100 Hz, ergeben, ist sichergestellt, dass die Wärme aus der Primärschicht 111 über die Sekundärschicht 112 zu der Wärmesenke 113 abgeführt werden kann. Dieser Betriebszustand ist in 1b dargestellt, vgl. die nicht näher bezeichneten Pfeile, die den Wärmetransport während einer Pulspause aus der Primärschicht 111 zu dem Kühlkörper 113 andeuten.
Im Vergleich zu herkömmlichen Halbleiterlasermodulen, die üblicherweise für Dauerstrich(cw)-Anwendungen ausgelegt sind, weist das erfindungsgemäße Halbleiterlasermodul 100 eine besonders kostengünstige Konstruktion auf, da das erfindungsgemäße Prinzip eine Zwischenspeicherung der von dem Halbleiterlaser 120 erzeugten Wärmepulse in der Primärschicht 111 vorsieht, verbunden mit einer nachfolgenden, während einer Pulspause erfolgenden, Wärmeableitung 111 über die Sekundärschicht 112 zu der Wärmesenke 113.
Das bedeutet, das erfindungsgemäße Halbleiterlasermodul 100 kann mit verhältnismäßig großen Pulsleistungen betrieben werden, ohne gleichzeitig eine wesentlich aufwändigere Kühlung durch eine entsprechende Ausbildung des Substrats 110 zu benötigen, wie sie von herkömmlichen Systemen bekannt ist.
Dadurch ist eine wirtschaftliche Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls 100 möglich. Insbesondere kann für die Sekundärschicht 112 ein Material gewählt werden, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material der Primärschicht 111, weil für die Wärmeleitung durch die Sekundärschicht 112, die verhältnismäßig langen Pulspausen genutzt werden.
In den 2a, 2b ist eine weitere Ausführungsform 100a des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls abgebildet. Das Halbleiterlasermodul 100a verfügt über zwei Primärschichten 111, 111', wodurch eine im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 1a, 1b gesteigerte Wärmespeicherfähigkeit der Primärschichten 111, 111 gegeben ist. Diese Erfindungsvariante ermöglicht einen Betrieb des Halbleiterlasers 120 mit größeren Pulsleistungen.
2a veranschaulicht hierbei wiederum einen ersten Betriebszustand des Halbleiterlasermoduls 100a mit einem aktiven Halbleiterlaser 120, der einen Laserimpuls 200 abstrahlt. Der hierbei entstehende Wärmepuls ist durch die von dem Halbleiterlaser 120 in die Primärschichten 111, 111' ausgehenden Pfeile veranschaulicht.
2b zeigt einen weiteren, einer Pulspause entsprechenden, Betriebszustand des erfindungsgemäßen Halbleiterasermoduls 100a, bei dem der Halbleiterlaser 120 deaktiviert ist und die zuvor (2a) in die Primärschichten 111, 111' eingetragene Wärme über den Halbleiterlaser 120, die Sekundärschicht 112 und die Wärmesenke 113 abtransportiert wird.
3a, 3b zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls, bei dem beidseits des Halbleiterlasers 120 eine Kombination aus einer Primärschicht 111, 111' und einer ihr zugeordneten Sekundärschicht 112, 112' vorgesehen ist.
Die Wärmesenke 113 ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an den in 3a links liegenden Stirnseiten der Substratschichten 111, 112, 111', 112' angeordnet.
3a gibt wiederum einen Betriebszustand an, in dem ein von dem Halbleiterlaser 120 erzeugter Wärmepuls in den Primärschichten 111, 111' gespeichert wird, während 3b das Ableiten des zuvor gespeicherten Wärmepulses aus den Primärschichten 111, 111' über die Sekundärschichten 112, 112' zu der Wärmesenke 113 veranschaulicht.
4 zeigt eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls 100, bei der die Primärschicht 111 und die Sekundärschicht 112 Bestandteil eines direct copper bonded, DCB-Substrats sind, dessen Primärschicht 111 aus Kupfer besteht und eine Schichtdicke von etwa 400 μm aufweist, und dessen Sekundärschicht 112 aus Aluminiumnitrid (AlN) besteht, das vorliegend eine Dicke von etwa 630 μm aufweist.
Um eine optimierte Anpassung des den Halbleiterlaser 120 aufnehmenden Substrats zu erzielen, ist dem Schichtaufbau 111, 112 eine weitere Schicht 114 zugeordnet, so dass sich eine bezüglich der Sekundärschicht 112 symmetrische Konfiguration 111, 112, 114 von Materialien hinsichtlich ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten ergibt. Der aus dem Schichtaufbau 111, 112, 114 resultierende thermische Ausdehnungskoeffizient im Bereich der Kontaktfläche zu dem Halbleiterlaser 120 ist bevorzugt an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterlasers 120 angepasst, um eine Beschädigung des Halbleiterlasers 120 aufgrund von bei der Erwärmung auftretenden thermomechanischen Spannungen zu vermeiden.
Anstelle der in 4 abgebildeten Substratvariante mit einem DCB-Substrat kann auch ein DC40-Substrat verwendet werden, welches einen Schichtaufbau 111, 112, 114 bestehend aus einer Kupferschicht 111, einer DC40 (Kupfer-Diamant)-Schicht 112 und einer Kupferschicht 114 aufweist.
Gegenüber der DCB-Substratvariante hat dies den Vorteil, dass die DC40-Material aufweisende Sekundärschicht 112 aufgrund ihrer höheren Wärmeleitfähigkeit eine bessere Wärmespreizung ermöglicht als eine Aluminiumnitrid aufweisende Schicht. Die Kupferschichten 111, 114 können bevorzugt auf das DC40-Material 112 gebondet, beispielsweise mittels Thermokompressionsbonden, oder gelötet sein. Die DC40-Schicht 112 kann beispielsweise eine Schichtdicke von etwa 400 μm aufweisen.
5 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasermoduls vor dem Verbinden des Halbleiterlasers 120 mit der ihn aufnehmenden Primärschicht 111.
Wie aus 5 ersichtlich ist, weist die Primärschicht 111 an ihrer dem Halbleiterlaser 120 zugewandten Oberfläche 111a eine Mikrostrukturierung 111b auf, die beispielsweise aus regelmäßigen oder auch statistisch verteilten Mikrostrukturen in Form von Gräben und/oder Türmchen und/oder schwammartigen Strukturen besteht. Die Mikrostrukturierung 111b umfasst bevorzugt plastisch verformbare Mikrostrukturen, die bei dem Verbinden des Halbleiterlasers 120 mit der Primärschicht 111 plastisch verformt werden und dadurch einen optimierten Formschluss zwischen den Kontaktoberflächen der Komponenten 111, 120 sicherstellen, wodurch sich vorteilhaft auch der Wärmewiderstand dieser Verbindung reduziert.
Bei einer bevorzugten Erfindungsvariante weisen die Mikrostrukturen 111b Elemente wie z. B. Türmchen auf, deren größte Abmessung senkrecht zu der Oberfläche 111a im Bereich von etwa 5 μm bis etwa 100 μm liegt. Der Durchmesser der Türmchen beträgt bevorzugt weniger als etwa 10 μm, insbesondere weniger als etwa 2 μm, und ein mittlerer Abstand zwischen benachbarten Türmchen sollte weniger als etwa 4 μm, vorzugsweise etwa 0,5 μm betragen.
6 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 300 wird die erfindungsgemäße Primärschicht 111 mit einer Schichtdicke d1 (1a) von etwa 200 μm bis etwa 2000 μm, vorzugsweise etwa 400 μm bis etwa 2000 μm hergestellt.
In einem nachfolgenden Schritt 305 wird die vorstehend bereits unter Bezugnahme auf 5 beschriebene Mikrostrukturierung 111b auf mindestens einer der Oberflächen 111a der Verbindungspartner 111, 120 aufgebracht.
Anschließend werden der Halbleiterlaser 120 und die Primärschicht 111 miteinander verbunden, was in Schritt 310 erfolgt und beispielsweise durch Verklemmen der Komponenten 111, 120 realisiert werden kann. Hierbei wird ein hinreichend hoher Druck ausgeübt, um die plastisch verformbaren Mikrostrukturen 111b zu deformieren, so dass gegebenenfalls vorhandene Oberflächenfehler der Verbindungspartner 111, 120 ausgeglichen werden.
Besonders bevorzugt kann das Verbinden 310 des Halbleiterlasers 120 mit der Primärschicht 111, 111' auch erfolgen durch:

– Hart- oder Weichlöten mit einer Lotschichtdicke, die kleiner ist als etwa 40 μm, bevorzugt etwa 10 μm,
– Zusammenlegieren der Komponenten 111, 111', 120 unter Verwendung einer Flüssigmetallschicht, insbesondere eines Gallium-Indium-Zinn-Eutektikums,
– Reibschweißen,
– Bonden mittels Ultraschall,
– thermisches Bonden,
– Klemmen, insbesondere unter Einfügen einer Flüssigmetallschicht, insbesondere eines Gallium-Indium-Zinn-Eutektikums, zwischen den Komponenten 111, 111', 120.

Das Legieren der Komponenten 111, 111', 120 erfolgt bevorzugt bei Temperaturen von kleiner gleich etwa 150°C.
Eine weiter verbesserte Verbindung zwischen dem Halbleiterlaser 120 und der Primärschicht 111 ist dann gegeben, wenn die Oberfläche 111a (5) der Primärschicht 111 mit einer Goldschicht oder einer Gold-Nickel-Schicht oder dergleichen beschichtet wird.
Neben der vorstehend beschriebenen Mikrostrukturierung 305 der Oberfläche 111a (5) der Primärschicht 111 kann auch eine herkömmliche Oberflächenbearbeitung mit dem Ziel einer möglichst geringen Rauhtiefe erfolgen, beispielsweise durch Diamantfräsen oder dergleichen. Die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Verbindung der Oberflächen beziehungsweise zur Verringerung der jeweiligen Wärmewiderstände können auch auf die Schichten 111, 112, 113 untereinander angewandt bzw. miteinander kombiniert werden.

Claims

Halbleiterlasermodul (100) mit einem Substrat (110) und mit mindestens einem auf dem Substrat (110) angeordneten Halbleiterlaser (120), wobei das Substrat (110) einen Schichtaufbau aufweist bestehend aus mindestens einer ersten Primärschicht (111), die einen thermischen Kontakt zu dem Halbleiterlaser (120) realisiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterlaser (120) so ausgebildet ist, dass er Wärmepulse mit einer minimalen spezifischen Wärmemenge von etwa 3 mJ je mm² abgibt, vorzugsweise etwa 5 mJ je mm², und mit einer Pulsdauer von etwa 100 μs bis etwa 2000 μs, und dass die Primärschicht (111) eine Schichtdicke (d1) aufweist, die zwischen etwa 200 μm und etwa 2000 μm beträgt, vorzugsweise zwischen etwa 400 μm und etwa 2000 μm.
Halbleiterlasermodul (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsfrequenz der Wärmepulse kleiner etwa 400 Hz ist, vorzugsweise kleiner etwa 100 Hz.
Halbleiterlasermodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Primärschicht (111') vorgesehen ist, die in thermischem Kontakt zu dem Halbleiterlaser (120) steht, insbesondere mit einer Oberfläche des Halbleiterlasers (120), die von der ersten Primärschicht (111) abgewandt ist.
Halbleiterlasermodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sekundärschicht (112, 112') auf einer von dem Halbleiterlaser (120) abgewandten Oberfläche der Primärschicht (111, 111') angeordnet und thermisch mit der Primärschicht (111, 111') verbunden ist.
Halbleiterlasermodul (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärschicht (111, 111') und die Sekundärschicht (112, 112') so ausgebildet sind, dass ein resultierender thermischer Ausdehnungskoeffizient der beiden Schichten (111, 112; 111', 112') im Bereich einer dem Halbleiterlaser (120) zugewandten Oberfläche etwa mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterlasers (120) übereinstimmt.
Halbleiterlasermodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärschicht (111, 111') Kupfer und/oder Gold und/oder Silber aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasermoduls (100) mit einem Substrat (110) und mit mindestens einem auf dem Substrat (110) angeordneten Halbleiterlaser (120), wobei das Substrat (110) einen Schichtaufbau aufweist bestehend aus mindestens einer ersten Primärschicht (111), die einen thermischen Kontakt zu dem Halbleiterlaser (120) realisiert, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Herstellen (300) einer Primärschicht mit einer Schichtdicke (d1), die zwischen etwa 200 μm und etwa 2000 μm beträgt, vorzugsweise zwischen etwa 400 μm und etwa 2000 μm, – Verbinden (310) des Halbleiterlasers (120) mit der Primärschicht (100).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Verbindens (310) des Halbleiterlasers (120) mit der Primärschicht (111, 111') erfolgt durch: – Hart- oder Weichlöten mit einer Lotschichtdicke, die kleiner ist als etwa 40 μm, bevorzugt etwa 10 μm, – Zusammenlegieren der Komponenten (111, 111', 120) unter Verwendung einer Flüssigmetallschicht, insbesondere eines Gallium Indium-Zinn-Eutektikums, – Reibschweißen, – Bonden mittels Ultraschall, – thermisches Bonden, – Klemmen, insbesondere unter Einfügen einer Flüssigmetallschicht, insbesondere eines Gallium-Indium-Zinn-Eutektikums, zwischen den Komponenten (111, 111', 120).
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verbinden (310) mindestens eine Oberfläche (111a) der beiden Komponenten (111, 111', 120) einer Mikrostrukturierung (305) unterzogen wird, die regelmäßige und/oder statistisch verteilte, vorzugsweise plastisch verformbare, Mikrostrukturen (111b) auf der Oberfläche (111a) erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen (111b) Gräben und/oder Türmchen und/oder schwammartige Strukturen aufweisen, deren größte Ausdehnung senkrecht zu der Oberfläche (111a) im Bereich von etwa 5 μm bis etwa 100 μm liegt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verbinden (310) die zu verbindenden Komponenten (111, 111', 120) so miteinander verpresst werden, dass sich die Mikrostrukturen (111b) plastisch verformen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander zu verbindenden Oberflächen (111a) mit einer Goldschicht oder einer Gold-Nickel-Schicht beschichtet werden.