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WO2009103531A1 - Heat-dissipation polyvalent heat transfer device for at least one semi-conductor element, and associated testing and operating method - Google Patents

Heat-dissipation polyvalent heat transfer device for at least one semi-conductor element, and associated testing and operating method Download PDF

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Publication number
WO2009103531A1
WO2009103531A1 PCT/EP2009/001187 EP2009001187W WO2009103531A1 WO 2009103531 A1 WO2009103531 A1 WO 2009103531A1 EP 2009001187 W EP2009001187 W EP 2009001187W WO 2009103531 A1 WO2009103531 A1 WO 2009103531A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat
heat transfer
coolant
transfer device
conducting body
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/001187
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German (de)
French (fr)
Inventor
Dirk Lorenzen
Original Assignee
Dirk Lorenzen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dirk Lorenzen filed Critical Dirk Lorenzen
Publication of WO2009103531A1 publication Critical patent/WO2009103531A1/en

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    • H01S5/4025Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar

Definitions

  • Heat removal technology polyvalent heat transfer device for at least one semiconductor device and associated test and operating method
  • the invention relates to a heat transfer device for at least one semiconductor component, in particular at least one laser diode element, according to the preamble of claim 1.
  • semiconductor components generate heat substantially in the region of their component-specific, heat-source-related, heat sources which are located in the region of their pn junctions which are active during operation, wherein the pn junction can also contain a thin, electrically insulating zone.
  • a laser diode element as an example of a heat-generating semiconductor device, having an electro-optically active, light-generating and guiding region disposed in the pn junction region generally has at least one epitaxial-side and at least one substrate-side contact surface arranged on opposite sides of the active region , Since the epitaxial-side contact surface of the light-generating and heat-generating active zone is generally much closer than the substrate-side contact surface, a laser diode element by default epitaxial side cooled via an epitaxial heat conduction body by it is attached with its epitaxial contact surface in cohesive connection with the receiving surface of a planteleit stresses. In this case, heat generated in the pn junction is emitted via the contact surface or the contact surfaces and via the receiving surface to the heat-conducting body.
  • the heat removal is in principle completed with at least one convective heat transfer through at least one heat transfer structure to a liquid or gaseous coolant.
  • the heat conduction body either the conductive cooling and, where it is designed as a continuous solid and the heat spreads to a relation to the receiving surface enlarged connection surface through which the heat is delivered to a heat sink; or he serves the convective cooling, wherein a flowed through by a liquid cooling medium channel structure, such as microchannels, below the laser diode element, that is in the region of a projection of the laser diode element in the direction perpendicular to the contact surface, are arranged in the heat conducting body and serve as a heat transfer structure.
  • a liquid cooling medium channel structure such as microchannels
  • microchannels in such designed as a Mikrokanalleysenkeratileit analyses
  • the location of microchannels in such is according to the prior art heat removal technically useful, because the area in which the heat transfer takes place in the circulating cooling medium, the heat source with respect to their heat input surface in the heat-conducting directly opposite and essentially no, causes thermal resistance-increasing deflection or constriction of the heat flow waist in the area of conductive heat transport.
  • the heat-conducting body in principle has no possibility of convective heat release to a coolant.
  • the convective heat release to a coolant must be provided from the outside by a correspondingly formed heat removal device, which receives the heat from the heat conducting body and emits via a heat transfer structure to a coolant.
  • Thermal conductors according to the prior art can be used either conductively or convectively by cooling.
  • a heat transfer device has at least one semiconductor component and a heat conduction body.
  • the semiconductor component is an electrical, electro-optical, opto-electrical or opto-optical component which has at least one pn junction which generates heat during operation of the component, the function of the heat transfer apparatus being independent of the type of heat generation mechanism.
  • the heat transfer device for laser diode elements or high-performance light-emitting diodes has proved to be particularly advantageous. In the following, reference is made to laser diode elements as a representative of high-performance light-emitting diodes.
  • the heat-conducting body of the heat-transfer device has at least one receiving surface for material-bonding connection with at least one contact surface of at least one semiconductor component.
  • various embodiments of the receiving surface are conceivable. In the following, for reasons of simplification, only the reception area will be discussed. But this should also mean the option of multiple recording areas.
  • a plurality of semiconductor elements for example individual light-emitting diodes, which emit light in different frequency ranges of the visible color spectrum, or laser diode elements which emit light in different frequency ranges of the red light, the near infrared and / or ultraviolet, it may also be advantageous to provide multiple receiving surfaces on a single heat conducting body.
  • the shape, texture and the material of the receiving surface may vary depending on the mounting surface of the semiconductor device.
  • the semiconductor component is integrally connected to the receiving surface of the heat conduction body by means of one of a plurality of different possible connection methods with the receiving surface of the heat conduction body.
  • the cohesive connection is the prerequisite according to the invention for an optimum heat transfer between the semiconductor component and the heat-conducting body, because non-cohesive connections always suffer from a heat transfer impeded by voids.
  • Soldering which requires a corresponding pre-treatment of the receiving surface of the heat-conducting body and / or the mounting surface of the semiconductor component, is one of the preferred cohesive bonding methods. Such pretreatments include surface buffing, cleaning methods, and methods of coating with adhesion promoting, diffusion-limiting, protective, and / or wetting-promoting materials, particularly metallic ones.
  • the solder itself is applied to one of the connection partners before the connection process or is introduced separately between the connection partners.
  • Heat transfer devices have proven particularly advantageous whose laser diode elements are fastened to the epitaxial contact surface in the region of the receiving surface of the heat conduction body.
  • a laser or light-emitting diode element can also be arranged on the substrate surface on the receiving surface of the heat-conducting body.
  • the heat-conducting body also has at least one channel structure as a heat transfer structure.
  • channel structure encompasses all types of cavities in the heat conduction body, into which a liquid coolant can be introduced and from which a liquid coolant can be discharged, including first a simple channel in the form of a continuous bore in the heat conduction body and, moreover, specifically and in particular also all types of cavity structures which have an enlarged surface for efficient convective heat transfer in a selective region of the heat conduction body into which a liquid coolant can be introduced and from which a liquid coolant can be discharged deliberately positioned (micro) channels, for example produced by layering plates with recesses or holes, porous structures with random cavity distribution, for example in sintered bodies, pore channels, and cooling rib rows or cooling column fields on an inner surface of theticianleit stresses.
  • the channels may be formed by recesses or etching, for example.
  • the heat-conducting body For feeding the channel or the channel structure with a liquid coolant, the heat-conducting body preferably has at least one inlet opening, which communicates with the channel or the channel structure.
  • the heat-conducting body For discharging the liquid coolant from the channel or the channel structure, the heat-conducting body preferably has at least one drain opening, which communicates with the channel or the channel structure. Liquid passing through the channel structure of the meleitgro ⁇ ers flows, receives the heat generated during operation of the semiconductor device and then performs this.
  • the heat transfer device is characterized in that the heat-conducting body can be used both in a cooling manner and in a conductive cooling manner.
  • This is inventively achieved in that at least one channel or a channel structure completely outside of a perpendicular to the contact surface extending heat source projection of the component-specific functional principle caused integral heat source region of the thermally conductive body in materially connected semiconductor component arranged and thus not in the region of the main heat flow in pure conductively cooled case lies.
  • Said heat source region comprises all pn junctions used in the operation of the semiconductor component and thus the main heat sources of the semiconductor component.
  • the expansion of the heat source region may be minimally limited to the smallest possible confinement volume for all heat-generating pn junctions in the semiconductor device or may extend completely over the entire volume of the semiconductor device.
  • the heat source region according to the invention can extend over the pn junctions of two or more semiconductor components or completely over a volume comprising all the semiconductor components.
  • the heat-conducting body preferably has no cavities which are within the projection.
  • the cohesive connection of the receiving surface of the michleit stresses with the contact surface of the semiconductor device may consist of a single joint zone, wherein the receiving surface of the michleit stressess is substantially parallel to the contact surface of the semiconductor device.
  • the cohesive connection of the receiving surface of the heat conduction body with the contact surface of the semiconductor component may have an intermediate body, which is materially connected to the receiving surface of the heat conduction body via a first joining zone as well as being materially bonded to the contact surface of the semiconductor component via a second joining zone.
  • the first and the second joining zone may be substantially parallel to each other and arranged on opposite sides of the intermediate body.
  • the first and second joining zones may also be arranged substantially perpendicular to one another.
  • the contact surface of the semiconductor device and the receiving surface of the heat conducting body are arranged substantially perpendicular to each other, wherein the heat conducting body can be completely outside the heat source projection of the semiconductor device. It is only a question of the order of the individual joining steps, whether the intermediate body may be part of the bathleit stresses: If the intermediate body in a first Joining step materially connected to the semiconductor device, and this composite of semiconductor device and intermediate body in a second Joining step cohesively with the Thermal body connected, so the intermediate body can be considered as a separate body.
  • the intermediate body is connected to the heat-conducting body in the first joining step, then the intermediate body can be regarded as part of the heat-conducting body, in which case the receiving surface is arranged on the intermediate body for material connection to the contact surface of the semiconductor component.
  • the channel structure of the heat conducting body is arranged outside the heat source projection of the semiconductor component. The invention suffers from a substantial, production-related advantage in that a possible covering of the channel structure apart from the projection of the semiconductor component does not have to be electrically or thermally conductive, because the cover does not necessarily have to conduct heat from the semiconductor component into the channel structure.
  • the invention also comes without a cover of the Channel structure, if coolant supply and discharge are connected directly to the channel structure and attached to the heat conduction body.
  • the heat transfer device is additionally characterized in that the heat conduction body has at least one attachment surface for a conductive heat transfer to at least one heat removal body.
  • the heat removal body may be considered to be part of a heat removal device in thermal communication with the heat conducting body, the heat removal body delivering the heat it receives from the heat conducting body via a heat transfer structure to a coolant flowing through the heat transfer structure.
  • the heat dissipation body according to the invention is an alternative or additional heat dissipation to the heat conducting body.
  • the heat transfer from the heat-conducting body to the heat-dissipating body can take place both directly (directly) and indirectly (indirectly) via one or more intermediate bodies without a further intermediate body.
  • a heat absorbing body which is in direct contact with the heat conducting body, spread the heat and spread to the heat transfer body transmitted.
  • the thermal connection between the connection surface of the heat conducting body and the heat transfer structure of the heat dissipation body is consistently cohesively.
  • a cohesive connection is the best prerequisite for optimum heat transfer between heat-conducting body and heat-dissipating body, because non-cohesive connections always suffer from a heat transfer impeded by voids.
  • the attachment of the heat-dissipating body to the heat-absorbing body need not necessarily be cohesive with sufficient heat spreading. This is particularly true when a heat input surface of the heat receiving body, which is in material connection with the connection surface of the heat conducting body, is smaller than a heat discharge surface of the heat receiving body, which is in contact with the heat dissipation body.
  • the heat removal body of the heat transfer device is a heat sink alternative or optional heat sink with convective heat dissipation.
  • the term heat sink in the sense of the invention encompasses all types of devices which have at least one heat transfer structure specially designed for heat transfer to a flowing liquid or gaseous coolant, wherein a coolant circuit forming the coolant flow can be open or closed.
  • These heat sinks include, for example, open air-flowed fin coolers and water-carrying microchannel heat sinks.
  • Evaporative cooling devices, such as spray coolers or heat pipes may be heat sinks with integrated closed coolant circuits that generally deliver the heat to a heat sink with heat transfer to an open coolant loop. Alternatively, combinations of the described heat sinks are possible.
  • a Peltier element or a plurality of Peltier elements electrically connected in series and / or parallel to a Peltier module can be arranged, which introduce an electrically generated temperature difference into the heat transfer device.
  • a Peltier module is integrated in the heat removal body.
  • the heat dissipation from the heat transfer device according to the invention is done according to the invention by the heat transfer to at least one coolant.
  • the heat transfer device allows a depending on the case selectable, sufficient heat dissipation for cooling the semiconductor device via the heat conducting body with delivery the heat to a first, preferably liquid, coolant, for example water, or via the heat dissipation body with the release of heat to a second coolant, for example air.
  • the invention thus enables a universal use of the heat conduction body for conductive cooling, which is characterized by the heat transfer to the heat dissipation body, and on the other for convective cooling, which is characterized by the heat transfer to the flowing through the heat conducting body coolant, depending on Application area and / or user request.
  • Another advantage of the combination of conductive and convective cooling of the heat conduction allows, for example, in the case of insufficient convective cooling of planteleit stresses additionally rely on a possible convective cooling in the heat sink and thus use both convective heat transfer paths simultaneously, whereby a better heat dissipation property is achieved.
  • This allows both heat removal paths-those in the heat-conducting body and those in the heat-dissipating body-to be used for dissipating heat to both coolants.
  • Particularly effective is the heat transfer device when both the first coolant and the second coolant is a liquid, preferably water.
  • the heat transfer device allows the use of a simple and inexpensive to manufacture its heat conducting body, which is suitable for sufficient convective cooling for semiconductor devices, wherein the connection of a more complex heat transfer structure having heat removal body on the heat conducting body can exceed the saucosity, wherein the connection of a more complex heat transfer structure having heat removal body on the heat conducting body can exceed the saucosity, wherein the connection of a more complex heat transfer structure having heat removal body on the heat conducting body can exceed the saucoefficientschaf- th the bathleit stresses.
  • the heat removal body may include a channel structure located in the heat source projection.
  • the channel structure of the heat removal body may have channels, in at least one dimension perpendicular to the flow direction or to the channel longitudinal axis are smaller than the smallest dimension of channels in the channel structure of theticianleit stresses.
  • the channel structure of the heat removal body may have more channels than the channel structure of theticianleit stressess.
  • the heat source projection of the semiconductor component preferably comprises the entire region of the heat conduction body, which is formed on the opposite side of the contact surface.
  • the width of the semiconductor device does not have to match the width of the heat conduction, so that of course, a channel structure laterally - ie right and left or front and rear - may be formed in the heat conduction without lying in the projection.
  • the position of the connection surface is independent of the position of the contact surface and the receiving surface.
  • connection surface for the conductive heat transfer to the heat dissipation body is at least partially within the projection of the at least one mounted on the heat conducting semiconductor device, so that the heat without detour, ie as directly as possible, is transferable to the heat dissipation body. An increased thermal resistance by deflection or narrowing of the heat flow waist can thus be prevented.
  • connection surface for example for structural and / or design reasons, is perpendicular to the contact surface, then this layer requires a deflection of the heat flow, which is preferably accompanied by a heat spread. Regardless of a heat spread, a heat flux with deflection always causes a higher thermal resistance than with heat flow without deflection.
  • the decision for the heat conduction less favorable heat deflection is the advantages of the invention of the heat transfer device not in question. Even if after a deflection of the heat flow, the heat is partially guided through the channel structure in the heat conducting, but the deflection area in the heat-conducting body of cavities and allows a deflection without thermal conduction restrictions that go beyond the actual deflection.
  • the region of the heat-conducting body is free of cavities, over which the essential part of the heat flow extends from the receiving surface to the attachment surface.
  • the described heat transfer device is designed for cooling of a multiplicity of different semiconductor components.
  • the arrangement is particularly advantageously suitable for laser diode elements, such as laser diodes or single-laser bars.
  • laser diode elements such as laser diodes or single-laser bars.
  • Further heat sources in addition to edge and surface emitting laser diodes or laser diode arrays are light-emitting diodes, semiconductor switching elements and optically pumped semiconductor lasers and sunlight-absorbing solar cells, wherein the semiconductor material can be both inorganic and organic.
  • the heat transfer device can be used for cooling any type of components.
  • An arrangement of the receiving surface for the cohesive assembly of edge-emitting laser diode elements has also proven to be particularly advantageous, which has a common edge with an angled end face of the heat-conducting body, the light-emitting surface of the laser diode element being oriented parallel to the front end face and approximately with the face in one plane.
  • An inclined to the receiving surface front end face allows the unrestricted propagation of the laser diode element emitted beam at least in sections of the beam, which are arranged in the beam path before or during the beam shaping by a first, the light emitting surface downstream optical element.
  • in the light emission direction on the side facing away from the receiving surface side of the end face extending over the receiving surface out areas of the heat conducting body according to the invention contain a channel structure for convective heat transfer.
  • the at least one channel in the heat dissipation body is preferably arranged in a region below the receiving surface plane near the heat input region.
  • a channel structure consists of a multiplicity of channels which, at least in sections, have an elongated extension in the direction of a channel longitudinal axis as the reference axis for the alignment of the channel section.
  • a possible embodiment of the channels of a channel structure is the perpendicular to the receiving surface arranging the channels.
  • the heat-conducting body on the upper side, ie on the receiving surface an inlet opening and on the underside, ie in the region of the connection surface, a drain opening.
  • a channel which couples the two openings extends only in one plane, the plane passing through both openings and perpendicular to the receiving surface and attachment surface.
  • the inlet and outlet openings can be reversed, whereby the flow direction of the coolant turns over.
  • the inlet and outlet openings can be arranged not only on respectively opposite sides of the heat conducting body but also on only one side of the heat conducting body.
  • the channels are to be understood as the parallelism of the planes that run through the individual channels.
  • the parallelism of the channels is not limited to the vertical extent, but may also refer to channels formed in different horizontal planes parallel to the receiving surface.
  • Each channel or each channel structure preferably has at least one inlet and at least one outlet, which can be used for the supply or discharge of a coolant.
  • Such a common inlet or outlet can in this case be formed by additional channels in the heat conducting body.
  • a common inlet and outlet has proven to be particularly advantageous since all channels can be coupled to a coolant source or sink by a single inlet and outlet opening.
  • the heat-conducting body can be formed from a single or a plurality of different materials. In order to achieve a particularly good heat dissipation property, a low thermal resistance or a good thermal conductivity must be taken into account when choosing the material. The material must also allow the formation of the channel structures.
  • Heat-conducting bodies made of copper, diamond or a carbon composite material have proved to be particularly advantageous. Copper, for example, also has the advantage of being electrically conductive and thus allows the semiconductor component mounted thereon to be supplied with electric current. Diamond has the highest thermal conductivity of all known solids in all three spatial directions.
  • Carbon composite materials, for example, diamond-metal composites have the advantage that their thermal expansion coefficients can be adapted to those of the semiconductor device, which allows a mechanically low-voltage cohesive connection of the semiconductor device with the heat-conducting body.
  • the heat source projection in the heat conduction body is free of channel structures and cavities, while in the remaining region of the heat conduction body microchannels are designed for convective cooling.
  • the formation of the heat-conducting body from an L-shaped basic body has proved to be particularly advantageous, the receiving area being arranged on the end face of the shorter leg and the inner surface of the longer leg parallel to the receiving area being used for the material-locking fastening.
  • recesses are introduced, which form, with adjacent second and third layers at least in sections, a closed channel structure through which the coolant can be guided.
  • the wetted with the liquid cooling medium surfaces of the confuseleit- and / or -abschreib stressess may be at least partially provided with at least one protective layer, which is less erosion and / or susceptible to corrosion than the base material of the réelleleit stressess or the basic material constituents of the cooling channels forming material structure .
  • the protective layers can be electrically conductive or electrically largely insulating.
  • an electrically largely insulating protective layer which extends over the entire area of the surfaces of the heat-dissipating and / or discharge body which are wetted with the liquid cooling medium, the liquid cooling medium is opposite to an electrical potential which may possibly be at the heat-conducting and / or or -abschreib emotions for electrical connection to the semiconductor device is applied, separated.
  • electrically highly conductive cooling media such as custom or seawater can optionally be used here for cooling, without causing a potential-induced electrochemical corrosion of the heat transfer structure.
  • the heat-conducting body combines a number of functions.
  • the thermal function namely the derivation of the generated heat of the semiconductor device, has already been explained in detail several times.
  • a heat conducting body which is at least partially made of an electrically conductive material, simultaneously usable for electrical contacting of the semiconductor element.
  • the semiconductor element can be supplied with electrical current via the heat conducting body.
  • the channel structure is electrically isolated from the contact surface to prevent unwanted electrochemical processes with the coolant.
  • the channel structure is introduced into an electrically conductive base body, either the inner surfaces of the channel structure wetted by the coolant can carry an electrical insulation layer or the base body can support outer sides on at least one of the receiving surface.
  • the required electrical insulation can also be achieved by an electrical insulation layer introduced into the cohesive connection of the receiving surface with the contact surface.
  • the heat-conducting body consists of an electrically insulating or electrically insulated base body, then either an electrical conductor is provided on the base body or an electrical conductor is to be inserted as an intermediate body into the integral connection between the receiving surface and the contact surface.
  • the heat conducting body can be used as a primary cooling device with convective cooling Heat sink can be considered and the heat removal body as a secondary heat sink, if the heat removal body undergoes convective cooling.
  • the heat transfer device according to the invention now permits an advantageous method (claim 16) for starting up and testing semiconductor components in an intermediate step during their integration into the heat transfer device. For this purpose, a cohesive connection of the semiconductor component to the heat-conducting body is initially set up in a first step.
  • the inlet opening or the inlet openings or the common inlet of the channel structure with a liquid source and the drain opening or drain openings or the common drain of the channel structure is connected to a liquid sink, so that a circulation of liquid in the heat conducting body and allowing operation of the heat conducting body as primary heat sinks.
  • functional tests of the at least one semiconductor component are carried out, wherein at least one parameter is detected in the form of a measured value.
  • the semiconductor component has a second contact surface in addition to a first contact surface, then this may be provided with a contact element via which the electrical connection of the semiconductor component, for example to a current source, takes place.
  • the semiconductor component can already be operated and tested on the heat conduction body as a primary heat sink without the primary heat sink being thermally connected to a secondary heat sink provided for it at a later stage of construction, ie the heat removal body.
  • This circumstance makes it possible to exclude unsuitable semiconductor devices as needed in advance of and from the further processing in a third step, namely the connection to the secondary heat sink.
  • diode laser components have a heat conduction body and one or more laser diode elements.
  • all the diode laser components have similar characteristics, such as an approximately equal operating point (eg, approximately equal power) same current and / or approximate the same emission wavelength for the same current).
  • the laser diode elements may be arranged on a respective own heat conducting body or on a common heat conducting body. The inventive method allows such a selection and compilation of a plurality of diode laser components before their cohesive connection to a common heat dissipation body, from which the diode laser components after assembly can not be recovered without damage - let alone leaving no residue.
  • the channel structure provided for convective heat dissipation in the heat conduction body no longer necessarily has to be usable. It is sufficient for the purposes of the invention that the convective - in particular forced convective - heat dissipation provided channel structure in the heat conducting body in the course of the process steps for the preparation of the heat transfer device and measurement of the laser diode element to the ultimate chosen application at least temporarily for convective cooling of the laser diode element during operation is available.
  • the heat conduction body After successful trial operation of the semiconductor component, which is mounted on it, the heat conduction body is fastened via its connection surface for a conductive heat transfer - also called heat discharge surface - to a heat removal device with a heat removal body, which is designed for convective heat dissipation.
  • a heat removal device with a heat removal body, which is designed for convective heat dissipation.
  • the convective heat removal there is designed especially for forced convective heat removal and, in terms of its heat removal efficiency, preferably exceeds that of the heat conduction body.
  • An advantage of the invention is thus that a semiconductor component with a heat-conducting body, in particular a diode laser component, is cooled sufficiently in an intermediate production step exclusively by convective cooling, so that it can be operated and tested, without resorting to a further heat sink.
  • the heat transfer device also allows a (test) method (claim 17) exclusively using the conductive cooling property of the heat conduction body.
  • a convective cooling heat removal device is releasably, preferably non-positively, attached to the connection surface of the heat conduction body before functional tests are carried out for at least one semiconductor component.
  • at least one parameter is detected. Due to the sufficient conductive cooling is dispensed with during the test operation on the convective cooling in planteleit emotions. In this way, a testing of the semiconductor component under certain circumstances can be realized in which a convective cooling of the heat-conducting body is not given, for example, because of missing connections for the coolant supply and / or removal.
  • connection with the heat removal device is released and the heat conducting body according to the invention brought into connection with the heat dissipation body.
  • the heat dissipation device may be identical to the heat dissipation body.
  • a further method (claim 18) provides for the heat transfer device according to the invention a test mode of operation with convective cooling of the heat conducting body and the application mode with convective cooling of the heat removal body.
  • the heat conducting body of the invention allows both the operation of the semiconductor device in exclusively conductive as well as in an exclusively convective cooling.
  • the arrangement of the channels or the channel structure outside the heat source projection of the semiconductor element, the heat dissipation properties are only slightly worse than a heat conducting body, which is designed specifically for the conductive or especially for the convective cooling.
  • the parameters which are detected in the test-wise operation of an electro-optical component, in particular a laser diode element, preferably in the form of a measured value, include the electrical operating current, the electrical operating voltage, the emitted radiation power and the spectrum of the emitted radiation.
  • Fig. 1a to Fig. 1k the sketchy plan views (uncoated), side views (simply painted) and front views (twice painted) of different variants of embodiments the heat conducting body in a heat transfer device according to the invention with an edge emitting laser diode bar as a heat source;
  • FIG 11 is a side view of a first embodiment of the heat transfer device with a laser diode bar as a heat source.
  • Fig. 1 m the top view of the first embodiment
  • FIG. 2a shows the front view of a second embodiment of the heat transfer device with an edge emitting single laser diode as a heat source.
  • Fig. 2b is a plan view of the second embodiment
  • 3a shows the plan view of a third embodiment of the heat transfer device with three light-emitting diodes as heat sources.
  • FIG. 4a shows the central cross section through an exploded view of a first variant of a fourth embodiment of the heat transfer device, in which the coolant supply and - takes place in and out of the heat conducting body via a connection body on the semiconductor device side facing the heat conducting body;
  • 4b shows the central cross section through the representation of the first variant of the fourth embodiment in the mounted state
  • 4c shows the central cross-section through an exploded view of a second variant of the fourth embodiment of the heat transfer device, in which the coolant supply and discharge into and out of the heat-conducting body takes place via a heat-absorbing body on the side of the heat-conducting body facing away from the semiconductor component;
  • 4d shows the central cross section through the representation of the second variant of the fourth embodiment in the mounted state
  • 5a shows the plan view of the first variant of a heat conducting body of a fifth embodiment of the heat transfer device, in which the heat source facing surface away from the heat source, a series of elongated recesses are introduced;
  • Fig. 5b is a plan view of an electrically insulating insulating plate with two openings as a component of the fifth embodiment of the heat transfer device;
  • 5c shows the plan view of a first variant of a subassembly of a first variant of a diode laser component of the fifth exemplary embodiment of the heat transfer device formed by applying the insulating plate to the first variant of the heat conduction body;
  • 5d shows the central cross section through a first variant of a diode laser component of the fifth embodiment of the heat transfer device according to the invention
  • FIG. 5f is a plan view of a composite of insulating plate and the electrically insulating Schichtkör- per part of the second variant of the fifth embodiment of the heat transfer device;
  • 5h shows the plan view of a third variant of a heat conduction body of the fifth embodiment of the heat transfer device, in which the heat source facing surface away from the heat source, a series of elongated recesses are introduced;
  • FIG. 5i shows the plan view of a composite of the fifth exemplary embodiment of the heat transfer device formed by applying the insulating plate to the third variant of the heat conducting body
  • FIG. 5j shows the central cross section through a third variant of a diode laser component with the third variant of the heat conducting body of the fifth embodiment of the heat transfer device according to the invention
  • 5I shows the central cross section of a fifth exemplary embodiment of the heat transfer device with the fourth variant of a diode laser component, in which the coolant supply and removal into the heat conduction body takes place via a connection body;
  • 6a is a plan view of the heat conducting body of a sixth embodiment of the heat transfer device, in which a number of columns are introduced into a base body;
  • 6b shows the central cross section of the sixth embodiment of the heat transfer device according to the invention in the form of a diode laser component, in which the coolant is supplied into the heat conducting body via a heat absorption body;
  • FIG. 7a shows the plan view of the heat conducting body of a seventh embodiment of the heat transfer device, in which three fields of bores are introduced into a base body;
  • Fig. 7b is the central cross section of the heat transfer device of the seventh embodiment
  • 7c shows the central cross section of a first preferred embodiment of the seventh embodiment of the heat transfer device in the form of a diode laser
  • 7d shows the central cross section of a second preferred embodiment of the seventh embodiment of the heat transfer device in the form of a diode laser; and 7e the central cross section of a third preferred embodiment of the seventh embodiment of the heat transfer device in the form of a diode laser.
  • 7f shows the central cross section of a fourth preferred embodiment of the seventh exemplary embodiment of the heat transfer device in the form of a diode laser stack.
  • FIG. 8a shows the plan view of a first variant of a heat conduction body of an eighth exemplary embodiment of the heat transfer device, in which channels are introduced eccentrically into the heat conduction body;
  • 8b is a side view of a diode laser component with the first variant of a heat conducting body of the eighth embodiment of the heat transfer device;
  • FIG. 8c shows the plan view of a second variant of a heat conduction body of the eighth embodiment of the heat transfer device, in which channels are introduced eccentrically into the heat conduction body;
  • the reference numerals used in the figures are composed of three digits (XYY), wherein the first digit (X) designates the embodiment and the second and third digits (YY) designate the number of the element itself.
  • XYY first digit
  • YY second and third digits
  • Like-numbered (YY) elements are the same or similar in nature in the various embodiments, and will be described in detail only upon their first use in order to provide improved readability and intelligibility of the description which follows. Elements or functional units of the illustrated embodiments are interchangeable and corresponding combinations are explicitly included here.
  • the thermal conduction body according to the invention is not limited to a specific arrangement with regard to the position of the connection surface to the receiving or contact surface.
  • formed as elongated channels parts of the channel structure are limited neither to a specific orientation of the channel longitudinal axes with respect to the receiving or contact surface nor to a certain extent of their extension, especially in the longitudinal direction even to a certain location outside the heat source projection volume in the heat conducting body.
  • inlet and outlet openings for supplying coolant to the channel structure are also not fixed to a specific configuration with regard to their position relative to one another and with respect to the receiving surface or contact surface.
  • a heat conduction body serving as a cuboid having six outer surfaces - a pair of two opposing upper and lower major surfaces, a pair of two opposing front and rear surfaces, and a pair of two opposing left and right side surfaces - Is formed, wherein in each case a first surface pair is oriented perpendicular to the other two surface pairs:
  • the attachment surface can be arranged on the same surface of the cuboid as the receiving surface, on a surface opposite her or an angularly oriented to her surface. It can be on one or more surfaces.
  • the channel longitudinal axes may be aligned parallel to a normal of each of the three pairs of faces, individually or in sections, also parallel to two or more normals of the three pairs of faces.
  • the channel longitudinal axes may also be oriented parallel to one or more, inclined to all three Desichenplonormalen, direction or directions as well as partially or completely random. If, in an at least approximately parallel arrangement of the contact surface to the receiving surface, the receiving surface is not flush with at least one edge of two surfaces, then in principle any region of the heat conducting body outside the heat source projection is suitable for containing at least part of the channel structure.
  • the heat source projection extends from the upper to lower major surface through the heat conducting body, and the channel structure at least in sections between the heat source projection and at least one of the surfaces Front surface, back surface, left side surface and right side surface lie.
  • the channel structure can also be located away from the heat-conducting body regions, which in a cross-like widening of the extent of the heat source projection volume in the direction of said surfaces Front surface, rear surface, left side surface and right side surface are arranged in the heat conducting body.
  • Inlet and outlet ports may be disposed on one and the same outer surface of the cuboid or on different, opposite or angled surfaces that are oriented toward each other. They can be arranged on the same surface both as the receiving surface and as the attachment surface, as well as on one or more of the receiving surface or the attachment surface or on one or two surfaces or surfaces oriented at an angle to the receiving surface or the attachment surface. In particular, one or both openings may be arranged in the connection surface.
  • FIGS. 1 a to 1 k ' Laser diode bar as heat source. They illustrate a variety of arrangements that can take the contact surfaces, receiving surfaces and bonding surfaces with each other and with respect to the channel structure, and the various configurations and arrangements of channel structures in rondleitoasan.
  • FIGS. 1a and 1a ' 110 designating the checkered shaded laser diode element, 113 the directional arrow of the light emission, 120 the heat conducting body, 122 the heat source projection shown dotted in the heat conducting body, with 123 possible, represented by a thick bar, connecting surfaces for cohesive attachment of a heat sink, with the dashed outlines one or more channels of the channel structure according to the invention.
  • a presentation of possible or possibly indispensable inflows and outflows as well as inlets and outlets is dispensed with in order to focus on the essential aspects of the following variants.
  • FIGS. 1a and 1a ' 110 designating the checkered shaded laser diode element, 113 the directional arrow of the light emission, 120 the heat conducting body, 122 the heat source projection shown dotted in the heat conducting body, with 123 possible, represented by a thick bar, connecting surfaces for cohesive attachment of a heat sink, with the dashed outlines one or more channels of the channel structure according to the invention.
  • connection surfaces for cohesive connection with one or more heat dissipation bodies are located - namely a first connection surface, on the The underside of the heat conduction body opposite the laser diode bar is arranged, and a second connection surface, which is arranged perpendicular to the contact surface or parallel to the light exit surface on a rear side of the heat conduction body facing away from the light emission direction, are also illustrated in the following figures 1b to 1k ', further connection surfaces, for example can be arranged on a front side of the heat conduction body lying in the light emission direction, and on a top surface of the heat conduction body facing the connection surface, on a side surface of the heat conduction body which is on the left relative to the light emission direction and on a side surface of the heat conduction body which is on the right with respect to the light emission direction, both side surfaces being perpendicular to the top side. and underside of the heat conducting body are aligned as well as perpendicular to the front and back of theticianleit stresses
  • Fig. 1b shows a heat conducting body in which a plurality of channels are arranged with their longitudinal axes parallel to each other and parallel to the light emission direction in the heat conducting body.
  • Fig. 1c shows a heat conducting body in which a plurality of channels with their longitudinal axes parallel to each other, parallel to the laser bar width direction, that is: parallel to the contact surface and perpendicular to the light emission direction, are arranged in the heat conducting body.
  • FIGS. 1b 'and 1c' show that there are various possibilities in side view to execute these channels.
  • they can be introduced as at least partially closable cooling fins both in the O- side of the saut emotionss and in the underside of the réelleleit stressess, are completely introduced into a single layer or in multiple layers in the heat conducting body, or continuously from the top to bottom of the Extend galleryleit stressess.
  • FIGS. 1d to 1e ' Examples of the integration of an intermediate body in the cohesive connection of the heat conducting body and the laser diode bars are shown in FIGS. 1d to 1e '.
  • the contact surface of the laser diode bar and the connection surface of the heat conducting body are perpendicular to each other, which leads to the heat source projection are arranged completely outside of the heat body in the intermediate body.
  • the position of the channel structure in the heat-conducting body is arbitrary in such an arrangement, with special variants being able to be given priority as needed.
  • a plurality of channels may be arranged with their longitudinal axes parallel to each other and parallel to the light emission direction in the heat conducting body.
  • the plan view of Fig. 1e shows two groups, each with a plurality of channels, which are arranged with their longitudinal axes parallel to each other and perpendicular to the contact surface in the heat conducting body.
  • a heat source projection which is extended against the light emission direction as far as the rear attachment surface remains free of channels, so that unimpeded heat conduction from the receiving surface to the attachment surface results.
  • Fig. 1e show that the channels may be embedded in the heat-conducting body, or may extend continuously from the top to the bottom.
  • FIG. 1f to 1g ' show the arrangement of two channels each, which are arranged one above the other in a laser diode element in the light emission direction upstream region or projection of the heat conducting body.
  • the arrangement of Figs. 1f and 1f ' differ from the arrangement of Figs. 1g and 1g' in that in the first case, the heat conducting body is formed with a step which rises above a shoulder behind the projection and the receiving surfaces, while in the second case, an intermediate body carrying the laser diode bars is fastened on the receiving surface of the heat conduction body at a sufficient distance from the front end face.
  • 1h to 1i show the arrangement of channels on both sides of the heat source projection, wherein the channels are arranged on the left and right with respect to the light emission direction in the heat conduction body .
  • Fig. 1h or 1h two channels are parallel to each other and parallel to the light emission direction in the heat conducting body arranged.
  • Fig. 1i and 1i are each a group of channels with their longitudinal axes parallel to each other and arranged perpendicular to the contact surface in the heat conducting body and extending continuously from the top to the bottom.
  • FIGS. 1j to 1k ' show more complex channel structures may also be arranged in the heat conduction body, for example those which connect features of the channel structures shown in FIGS. 1f to 1g' to features of the channel structures illustrated in FIGS. 1h to 1i ".
  • two superimposed U-shaped channels extend around the heat source projection with the center leg of the channels being in the region of a projection of the heat conducting body opposite the laser diode bar.
  • the channel structure extends almost completely around the heat source projection, with a reversal of the coolant flow being provided in the central region of the projection which allows the channels to be connected via two off-center ports.
  • the flow of fluid largely fluidly form symmetrically to the heat source, so that the laser diode in operation no appreciable temperature difference between its left and right side undergoes, as is possible in contrast to the previous example.
  • FIG. 11 shows a sketch of the side view of a first exemplary embodiment of the heat transfer device with a heat conducting body 120 and a semiconductor component 110 as the heat source, wherein the semiconductor component 110 - here an edge emitting laser diode bar - is arranged on the edge of the front side of the heat conducting body 120.
  • the light emission direction of the laser diode bar is illustrated by an arrow 113.
  • the contact surface of the semiconductor element 110 facing away from the heat-conducting body 120 is shown by reference numeral 112.
  • a first channel structure 130 is formed which has a first inlet 141 and a first outlet 151.
  • the channel structure 130 is in this case designed as a microchannel structure.
  • an inlet opening 140 is formed for receiving a coolant, whereby the coolant of the first channel structure 130 can be fed.
  • a drain port 150 is coupled to the first drain 151 to drain the coolant from the first channel structure 130.
  • connection surface 123 which allows the heat to be transferred to a heat-removal body fastened there (see Figures 4a / b and 5I) or to a heat-absorbing body of a heat-removal device containing the heat-removal body (see Fig. 7c).
  • the heat source projection 122 of the semiconductor component 110 perpendicular to its contact surface is - as is illustrated by the dashed boundary line - arranged in the front region of the heat conducting body 120 below the semiconductor device 110.
  • the heat conduction body 120 is formed in the region of the heat source projection for the reduction of the thermal resistance without a cavity and from a single piece.
  • the described heat conducting body 120 makes it possible to convectively dissipate the heat of the semiconductor component 110 by means of a coolant flowing through the first channel structure 130.
  • the heat-conducting body 120 is conductively conductive with or without a mediating heat-absorbing body (see Fig. 7c) a connected heat dissipation body coolable. Both heat dissipation variants can be used simultaneously or individually and thus allow a particularly flexible use of the heat conducting body 120 in the heat transfer device.
  • Fig. 1m the sketchy representation of the top view of the first embodiment is shown.
  • the multiplicity of the first channel structures 130 is in this case designed such that the supply of the coolant into the first inlet 141 of the first channel structure 130 takes place through the common inlet opening 140.
  • the channels of the first channel structure 130 are arranged in parallel and coupled together by a common inlet 141.
  • the common drain opening 150 not visible is the common drain opening 150, which allows a discharge of the coolant.
  • the emission direction of the laser bar is represented by arrows 113. The large number of arrows illustrates that a laser diode bar with multiple emitters is used.
  • FIGS. 2 a and 2 b A second exemplary embodiment is shown in FIGS. 2 a and 2 b, where the heat generating semiconductor component 210 is a single laser diode.
  • Fig. 2a shows a sketchy representation of the front view.
  • the semiconductor component 210 is applied centrally on the heat conducting body 220, wherein the single laser diode is arranged on the edge of the front side and the emission direction thus lies out of the image plane in the direction of the observer.
  • a second channel structure 231 is formed, which is connected in parallel to the flow of the first channel structure 230.
  • the second channel structure 231 has a second inlet 242 or a second outlet 252, which directs the coolant from the inlet opening 240 to the second channel structure 231 or from the second channel structure 231 to the outlet opening 250.
  • the channel structures 230 and 231 are formed on the left and right of the projection 222, which is marked and bounded by the dashed lines in FIG. 2a. Also in this dressingleit stresses 220 run no channels or other cavities in the range of the projection in order to keep the thermal resistance as low as possible and thus to take advantage of the invention to take advantage.
  • the channel structures 230, 231 are arranged laterally of the longitudinal sides of the largest lateral extent of the semiconductor element 210.
  • the individual channels of the respective channel structures 230, 231 are in this case arranged parallel to one another and, with respect to the longitudinal axis, are the largest lateral extent of the semiconductor element 210 aligned vertically.
  • the main extension of the individual channels takes place in the vertical direction, so that the coolant flows from top to bottom.
  • the first and second inlets 241 and 242 of the first and second channel structures 230 and 231 are coupled together, so that via the single inlet opening 240 cooling liquid is supplied. Also, the single drain opening 250 is sufficient to drain cooling liquid from the first and second drains 251 and 252.
  • FIG. 3a and 3b show two views of a heat transfer device according to a third exemplary embodiment for cooling three semiconductor components 310, in this case light-emitting diodes, of which a first emits in the blue spectral range, a second in the green spectral range and a third in the red spectral range.
  • the light emission directions are indicated by the three arrows 313.
  • the three light-emitting diodes are applied via electrically separated base conductors 325 to an electrically insulating base body 325 which together with the conductor tracks 324 and 326 forms the heat conducting body 320 and two channel structures 330 and 331, in this case microchannel structures , having.
  • Non-designated bonding wires form an electrical connection of the electrical contact surfaces 312 of the light emitting diodes facing away from the heat conducting body 320 with the electrical conductor tracks 326, while the contact surfaces facing the heat conducting body 320 rest directly on the electrical conductor tracks 324.
  • This arrangement is suitable for example as a light source for video projectors, which can be operated depending on the choice of heat dissipation method in two different classes of light intensity.
  • the heat removal device (not shown) connected to the connection surface 323 can be used as a heat sink, in which the heat is previously spread over a heat absorption body and passed directly or via a Peltier module into a fin cooler, which transfers the heat to passing ambient air emits.
  • the heat-conducting body 320 can be used as a heat sink with convective release of the heat to a liquid cooling medium circulating through the microchannels.
  • the heat-generating semiconductor component 410 is a laser diode bar.
  • FIG. 4a shows the central cross section through an exploded view of a diode laser component 415
  • FIG. 4b shows the FIG Diode laser component 415 in cross-sectional view in the assembled state.
  • the coolant supply and removal into and out of the heat-conducting body 420 takes place via a connection body 480, which is fastened on the side of the heat-conducting body 420 facing the laser diode element.
  • the heat conducting body 420 is a microchannel heat sink made by joining five layers of copper.
  • the laser diode bar is attached with indium solder at the edge to the front side of the heat conducting body 420.
  • an insulating plate 460 is fastened directly on the side of the heat conduction body 420 facing the semiconductor component 410 away from the semiconductor component 410 on the heat conduction body 420.
  • the insulating plate 460 is a polyimide film that prevents direct current flow between the heat conducting body 420 and the terminal body 480.
  • an electrically conductive contact element 470 for electrically contacting the semiconductor component 410 on the heat conducting body 420 facing away from the contact surface 412 of the semiconductor device 410 is used.
  • the electrical contact element 470 is a copper sheet strip, which is attached to the laser diode bar with electrically conductive adhesive.
  • connection body 480 is arranged on the contact element 470 and is formed from an electrically insulating base body 482.
  • An electrical layer 483 on the electrically insulating base body 482 is a manufacturing component of the connection body 480 and forms an electrical contact with the electrically conductive contact element 470.
  • a first connection element 481 is designed for electrically contacting the electrical layer 483 of the connection body 480, which is electrically connected to the electrically conductive contact element 470, and allows it to be connected to a current source (not shown).
  • a first coolant connection element 448 is fastened to the connection body 480 and serves to receive a coolant and to supply the coolant to the inlet opening 440 in the heat conduction body 420.
  • a flow 447 of the connection body 480 is configured for the supply line such that the coolant flows through a first contact element opening 471 and a first Isolierplatt tobruch 461 in the inlet opening 440 of the sauceleit stressess 420 can be conducted and from there into the channel structure 430 greygelei- tet is.
  • An inlet sealing ring 445 seals the inlet opening 440 from the coolant flowing from the connection body 480 into the inlet opening 440.
  • connection body 480 For dispensing the coolant, the connection body 480 has a second coolant connection element 458.
  • the coolant is removed from the channel structure 430 to the drain opening 450 of the heat conducting body 420. conducts and from there through a second Isolierplatt tobruch 462 and a second contact element breakthrough 472 transferred to a return 457 of the connection body 480.
  • An outlet sealing ring 455 is used on the return side for sealing.
  • the heat-conducting body 420 is adhesively attached to an electrically conductive heat-absorbing body 490 made of copper, which has a second electrical connection element 491, with an electrically conductive adhesive which is applied to the connection surface 423.
  • the connection element 491 is designed to make contact with at least one electrical connection of a current source (not shown), wherein the connection of the current source for connecting a current source, which is coupled to the first connection element 481, is opposite in polarity.
  • the heat transfer device 415 is completed by a heat removal body 498 fastened to the heat absorption body 490, which has a heat transfer structure (not shown) for alternative or additional convective heat transfer to the channel structure in the heat conduction body.
  • this heat transfer structure is a rib structure, which is flown through by a fan or a fan with ambient air.
  • the heat transfer from the heat-receiving body 490 to the heat-removal body 498 is improved by an electrically insulating heat-conducting foil 499 placed between the heat-absorbing body 490 and the heat-dissipating body 498.
  • the heat transfer device allows in this fourth embodiment, particularly advantageous to power the laser bar.
  • the first connection element 481 which is coupled to a first connection of a current source, is electrically coupled by the metallic layer 483 and the contact element 470 to the contact surface 412 of the semiconductor component 410 facing away from the heat conduction body 420.
  • the insulating plate 460 prevents the electrical contacting of the heat conducting body 420 with the contact element 470.
  • the contact surface 411 of the semiconductor component 410 facing the heat conducting body 420 is electrically conductively coupled to the heat conducting body 420.
  • the heat conducting body 420 and the heat receiving body 490 are electrically conductive and both are connected via the second connection element 491 with a second, opposite to the first connection terminal of a power source.
  • the sealing rings 445 and 455 additionally prevent current from coming into contact with the cooling liquid.
  • no channel structure is formed in the projection of the base of the laser bar, which allows the laser diode element to be cooled both convectively and conductively.
  • the projection comprises in particular the region of the heat conducting body 420, the between the receiving surface (see Fig. 6a, 5c, 6a and 7a) and the semiconductor device 410 is located.
  • the heat-absorbing body 490 also has no channels in this area, so that in the case of purely conductive cooling, a very low thermal resistance is also to be found here.
  • the heat conducting body 420 combines a number of functions in the heat transfer device. First, it allows the convective and conductive cooling of the semiconductor device, so has a thermal function. At the same time it serves as an electrical contact and allows the supply or removal of electricity. And thirdly, the heat-conducting body 420 can also be used for fastening the heat-absorbing member 490.
  • a second variant of the fourth embodiment is shown in Figs. 4c and 4d.
  • the second variant differs from the first variant essentially in that the cooling liquid is not supplied via the connecting body 480 to the heat conducting body and discharged from the heat conducting body, but via the heat receiving body 490.
  • the electrically conductive Contact element 470 consists of a plurality of bonding wires, which are fastened with their first ends to the substrate-side contact surface 412 of the laser diode bar 410 and with their second ends to a metal layer 467 of a formed as a layered body 465 electrical insulation body.
  • the layered body 465 consists of an insulating layer 466 made of aluminum oxide, which, for mechanical reasons of symmetry, is provided with a metal layer 468 made of copper on its side facing the heat-conducting body 420 and with a metal layer 467 made of copper on its side facing away from the heat-conducting body 420.
  • FIGS. 5a-l serve to illustrate four different variants of a fifth embodiment of the heat transfer device according to the invention, which is characterized in that a number of grooves 530 away from the semiconductor device 510 - here the laser diode bar 510 - in one, the semiconductor device facing and Contact surface parallel surface of the furnishedleit stressess 520 are introduced.
  • the four different variants represent four different embodiments of heat-conducting bodies 520 characterized in this way.
  • FIGS. 5a-d represent components of a first variant
  • FIGS. 5e-f components of a second variant
  • FIG. 5k the component of a fourth variant
  • FIG. 5I the heat transfer device 515 in a fourth variant.
  • a series of grooves 530 are introduced into the said surface of the heat conducting body 520 (FIGS. 5a, 5e, 5h).
  • the introduction can be achieved by mechanical processing such as sawing or milling, chemically by isotropic or anisotropic etching or by laser cutting and by combinations of the mentioned methods.
  • the row of slots 530 is at least in one section, which is opposite the region between the two openings 561 and 562, sealed to a closed channel structure.
  • the grooves 530 are aligned with respect to their longitudinal axes parallel to at least one connecting line between the two openings 561 and 562, so that a flow through the Nuten Herbert 530 by the inlet of a cooling liquid in the first opening 561 and outlet of the cooling liquid through the second opening 562 is possible ( Fig. 5c, Fig. 5f, Fig.
  • the mounting of the insulating plate 560 is preferably carried out after the laser diode bar assembly on the heat conducting body 520 using an adhesive.
  • an aluminum oxide ceramic as an insulating element, an aluminum nitride ceramic is used, which is provided on both sides with a copper layer and on the side facing away from the heat-conducting body has a projecting beyond the ceramic contact lug made of copper.
  • the copper layer facing the heat-conducting body 520 is soldered to the cooling structure before the laser diode bar assembly and a row of bonding wires is used as the electrical contact element, electrically connecting the copper layer facing away from the heat-conducting body 520 to the free laser diode contact surface connect.
  • the electrical contact element 570 is a copper sheet which has been fastened with electrically conductive adhesive to the contact surface of the laser diode bar facing away from the heat conduction body, has a connection element 581 for fixing an electrical contact, and has an opening 571, which is in register with the first opening 561 as well as with the second opening 562 of the insulating plate 560 (FIGS. 5d, 5g, 5j, 5k).
  • the coolant supply to the first opening 561 and the coolant discharge from the second opening 562 can be made through the one opening 571 in the contact element.
  • the contact element 570 is electrically separated from the slot row 530.
  • the heat conduction body 520 is made in one piece and is electrically conductive, so that the ribs between the grooves 530 are in electrical connection with the contact surface of the laser diode bar 510, which is firmly attached to the receiving surface (FIG. 5d).
  • the receiving surface For electrical insulation of the channel structure relative to the coolant, it can be provided on the surface with an electrically insulating layer.
  • the heat-conducting body consists of an L-shaped main body 525 and a laminated body 565, wherein the receiving surface is arranged on the end face of the shorter leg of the L-shaped main body 525 and the plate on the, parallel to the receiving surface, leg inner surface of the longer leg of the L-shaped main body 525 is attached (Fig. 5g).
  • the main body consists of a carbon-metal composite whose thermal expansion coefficient approximately corresponds to that of the laser diode bar.
  • the layered body 565 consists of an insulation layer 566 made of highly thermally conductive aluminum nitride (AIN) which, for mechanical symmetry reasons, is provided with a metal layer 568 made of copper on its side facing the main body 525 and with a metal layer 567 of copper on its side remote from the main body 525 is.
  • the grooves 530 are introduced (FIG. 5e).
  • the ratio of the layer thicknesses of the copper and aluminum nitride layers to one another is preferably selected such that the layered body in the layer plane (in-plane) has a thermal expansion coefficient which approximately corresponds to that of the main body 525.
  • both components, laser diode bars 510 and composite 565, by means of a highly reliable gold-tin solder cohesively to the body 525 are soldered.
  • the ribs between the grooves 530 are advantageously electrically insulated both from the electrical potential at the contact surface of the laser diode bar 510 facing the receiving surface and from the contact surface of the laser diode bar 510 facing away from the receiving surface, so that the coolant is exclusively electrical wetted neutral components.
  • the same double electrical insulation is achieved with the heat-conducting body 520 of the third variant (FIG. 5j). It consists of a laminated body in which a main body 525 consists of a highly thermally conductive, electrically insulating or superficially electrically insulated material and two on each other opposite surfaces of metal layers of copper. It is the laser diode element facing copper layers in two electrically separate subsections of a first layer 524 and a second layer 526 subdivided to keep the cooling structure floating, which is introduced in the form of grooves 530 in the second metal layer 526.
  • the first metal layer 524 provides the receiving surface 521 for mounting the laser diode bar 510 and is also suitable for power supply to and from the laser diode bar 510. For this purpose, it extends as a current-carrying layer 524 from the side of the main body facing the laser diode bar 510 to the side of the main body facing away from the laser diode bar 510.
  • the main body 525 is subdivided into further layers - two electrically insulating layers and an intermediate body arranged between the two electrically insulating layers, which in turn may consist of several layers (FIG. 5k).
  • the part of the first metal layer 524 facing the laser diode bar is in electrical connection with the part of the first metal layer 524 facing away from the laser diode bar via a through-connection which extends through the main body (not shown).
  • FIG. 5I illustrates the integration of the fourth variant of the diode laser component 514 from FIG. 5k into a fifth exemplary embodiment of the heat transfer device according to the invention.
  • the first, second and third diode laser components shown in FIGS. 5d, 5g and 5j may be integrated into the heat transfer device.
  • connection body 580 which is fixed on the laser diode bar 510 side facing the heat conducting body 520, wherein the coolant wets only electrically neutral components.
  • Recesses 546 and 556 serve to receive the inlet sealing ring 545 and outlet sealing ring 555, respectively.
  • the first insulation plate breakthrough 561 is provided for transferring the coolant from the connection body 580 into the heat conducting body 520, while the second insulation plate opening 562 for transferring the coolant from the heat conducting body 520 into the connection body 580 is provided.
  • the heat-conducting body 520 is finally fixed with indium solder on a heat-absorbing body 590 made of copper, which transfers the heat absorbed by the heat-conducting body 520 heat to a heat dissipation body, not shown, and transmits the electric current from an electrical connection element 591 to the metallic current-carrying layer 524.
  • the cooling channels X30 can not only be introduced directly into the heat-conducting body X20, but also into a substitute body which can be structured more easily and which is connected to a part of the heat-conducting body X20 or into a continuous cylindrical recess in the heat-conducting body X20 is used.
  • the plan view of the heat conducting body 620 of the sixth embodiment of the heat transfer device is shown in FIG. 6a.
  • the channel structure 630 is formed by a series of columns, which are introduced in a main body 625 and extend from the heat source side facing the main body 625 on the opposite, the heat source side facing away from the main body 625.
  • the heat-conducting body 620 has a main body 625 of electrically insulating CVD diamond with the first metal layer 624 attached to the diamond, a copper foil, onto which the semiconductor component 610, here the laser diode bar, with the method described in DE 19644941 C1 by means of a gold-tin -Lotes attached and broken into sections.
  • FIG. 6b illustrates the central cross-section of the sixth embodiment of the heat transfer device, in which the coolant is supplied into the heat-conducting body 620 via a connection body 680 which is fastened on the side of the heat-conducting body 620 facing the laser diode element 610.
  • the removal of coolant from the heat-conducting body 620 takes place via the heat-absorbing body 690, which is fastened on the side of the heat-conducting body 620 facing away from the laser diode element 610.
  • the heat-absorbing body 690 is part of a heat dissipation device according to the invention, which is not completely shown, and is formed from a composite of silicon, silicon carbide and diamond, as described in WO 2002 042 240 A2. On this heat-absorbing body 690 of the heat-conducting body 620 is fixed by means of a tin-containing solder.
  • the insulating plate 660 is a ceramic substrate.
  • the electrically conductive contact element 670 is a copper sheet strip, which is attached to the laser diode bar with electrically conductive adhesive.
  • the channels can also be introduced by means of anisotropic etching in a replacement body made of silicon, which is inserted into a continuous cylindrical recess in the diamond body.
  • the cooling liquid can be supplied via the already described first coolant connection element 648 of the connection body 680. From there, it can be guided through the gaps in the main body 625 and thus through the heat-conducting body 620, wherein the heat is absorbed by the coolant and can be delivered via the second coolant connection element 658 of the heat-absorbing body 690.
  • Figs. 7a-e show the heat transfer device of a seventh embodiment.
  • 7a shows a plan view of the heat conduction body 720 of the exemplary embodiment.
  • the heat conduction body 720 has the main body 725 with two groups of bores which extend in three fields from the side facing the heat source of the main body 725 to the opposite, the heat source facing away, Side of the body 725 extend.
  • the heat conducting body 720 consists of a diamond-metal composite, which is electrically insulated on the surface.
  • Three conductor tracks are applied to the main body 725, which surround the main body 725 as a metal layer of copper in each case in a ring-shaped or U-shaped band and thus conduct electrical current from the underside of the main body 725 facing away from the laser diode bar to the laser diode bar Allow top of the body 725 and vice versa.
  • a first conductor trace, the first metal layer 724, is electrically connected to a first contact surface of the semiconductor device 710, wherein for receiving the semiconductor device 710, the receiving surface 721 is provided, and extends in a U-shape over a perpendicular to the top and bottom inclined front end face of the main body 725 from the top to the bottom.
  • a second conductive line is configured to be electrically connected to a second electrical contact surface of the semiconductor device 710.
  • the second conductor surrounds the main body 725 as a metal layer 775 in an annular manner perpendicular to the end face and the top / bottom oriented side surfaces, and is at least partially disposed on the semiconductor device 710 side facing the base body 725 and thereby in particular for power supply or -ab Entry to or by the semiconductor device 710 suitable.
  • a third conductor, the second metal layer 726 has no electrical function but only serves to maintain a large-area planar mounting surface on the top and bottom of the bathleit stresses.
  • the third conductor extends U-shaped over the front side of the main body 725 opposite rear end surface from the top to the bottom.
  • the openings 727 and 728 are designed to supply and discharge coolant into the first and second passage structure 730 and 731, which is formed by the bores in the main body 725.
  • Fig. 7b is shown a central cross section of the heat transfer device of the seventh embodiment. The section is taken along the dashed line of Fig. 7a.
  • the connection body 780 and the heat absorption body 790, to which the coolant connection elements 748 and 758 are attached are shown. The coolant supply and removal takes place via the heat-absorbing body 790, which is fastened on the side facing away from the laser diode element of the heat-conducting body 720.
  • the coolant flow in this case leads from the first group of a field of bores, the first channel structure 730, via a cavity 732 in the connection body 780, which is fastened to the side of the heat conduction body facing the laser diode element, to the second group of bores, the second channel structure 731 are arranged in two fields of holes on both sides of the first field of holes.
  • the cavity 732 is formed on the semiconductor component 710 facing side of the bathleit stresses 720, allows the fluidic connection between the two channel structures 730 and 731 and causes the second channel structure 731 of the first channel structure 730 is connected in series. At the same time it is ensured in this arrangement that the coolant wets only electrically neutral areas.
  • the semiconductor component 710 here the laser diode bar, is fastened on the heat conducting body 720 by means of a gold-tin solder.
  • the electrical contact element 770 is a thin plate of a tungsten-copper composite, which is also attached to the laser diode bar with gold-tin.
  • An electrical connection element 774 made of a metal foil of laser diode bar thickness is arranged between the electrically conductive contact element 770 and the metal layer 775 and connects them to one another in an electrically conductive manner.
  • the heat absorption body 790 in this embodiment consists of a composite of copper and aluminum nitride plates, wherein only the outer, the heat conducting body 720 facing metal layers are shown th.
  • the first metallic layer 793 on the electrically partially insulated heat-receiving body 790 is in electrical contact with the metal layer 724 of the heat-conducting body 720.
  • the second metallic layer 794 is similarly in electrical contact with the metal layer 775.
  • the metallic layer 795 is also in electrical contact with the metal layer 726; however, this, like the metal layer 726, has no electrical function.
  • the metallic layer 795 also has an opening 796, just as the second metal layer 726 has an opening 729 on the side facing away from the semiconductor component, which is provided for transferring the coolant from the heat-receiving body 790 into the heat-conducting body 720.
  • FIG. 7b shows the first coolant connection element 748, by means of which coolant can be supplied via the inlet 747 into the first channel structure 730.
  • Fig. 7c shows the central cross section of a first preferred embodiment of the seventh exemplary embodiment.
  • the heat transfer device is in the form of a diode laser component in which the heat absorption body 790, which is fastened on the side of the heat conduction body 720 facing away from the laser diode element, has a Peltier module 797.
  • the Peltier module 797 is thermally connected on its cold side to the heat source and on its hot side to a heat removal body 798 according to the invention as a heat sink.
  • a connection body 780 in the form of a combineddeffenzu wool- and -ab fertilettis with coolant connection elements 748 and 758 and forward and return lines 747 and 757 on the laser diode element facing side of the bathleit stressess 720 is connected and to supply the dieleit stressess 720 with a liquid coolant used.
  • the opening 796 in the metallic layer 795 of the heat absorption body is designed such that it allows the flow of the coolant from the first group of bores 730 into the second group of bores 731.
  • the heat removal body 798 is soldered directly to the connection surface 723 on the side of the heat conduction body 720 facing away from the laser diode element with a tin solder.
  • a channel structure 735 is inserted into a stack of copper layers in the heat sink 798 which is sandwiched between two aluminum nitride plates (not explicitly shown).
  • a first coolant connection element 738 which is attached to the heat dissipation body 798.
  • an inlet 736 for coolant is formed in the heat removal body 798, which allows the supply of coolant to the channel structure 735.
  • a drain 737 is formed in the heat removal body 798.
  • Fig. 7e shows a central cross section through a third preferred embodiment of the seventh embodiment.
  • the heat removal body 798 on the side facing away from the laser diode element the heat conducting body 720 is fixed, has the channel structure 735 already shown in Fig. 7d.
  • the heat-conducting body 720 is included as a heat sink by the local channel structures 730 and 731 are supplied with coolant via flow flow paths, which are fluidically connected in parallel to the channel structure 735 of the heat receiving body 790.
  • connection body 780 secured on the side of the heat conduction body 720 facing the laser diode element with a cavity 732 achieves a serial connection of the second channel structure 731 to the first channel structure 730.
  • a heat transfer device 715 is suitable, as shown in FIG. 7f, for cooling a plurality of diode laser components 714, which are stacked in the direction perpendicular to the contact surface 711 of the edge-emitting laser diode element 710.
  • the serial electrical connection between two first and second diode laser components 714 and 714 'adjacent one another in such a diode laser stack 715 is realized by an electrical connection element 776 which makes electrical contact with the contact element 770 of the first diode laser components 714 and with the first current-carrying metal layer 724 2 'of the second diode laser component 714 and is arranged at least in sections between the first and second diode laser components 714 and 714'.
  • This heat transfer device is particularly suitable for cooling laser diode elements which are operated in pulse or qcw mode.
  • the diode laser stack illustrated there contains diode laser components of a first variant, shown in the side view in FIG. 8b, which are equipped with a first variant of a heat conducting body 820, shown in the plan view of FIG. 8a.
  • the said heat-conducting body 820 consists of a cuboid main body 825 with an upper side, an upper side opposite the underside, a front-side end face and one of the Stim surface opposite rear end surface, both of which extend from the top to the bottom.
  • a metallic current-carrying layer 824 extends from the top over the front to the bottom.
  • a receiving surface 821 for the material-locking attachment of a laser diode bar 810 is provided in the upper side of the main body 825.
  • two microchannel structures 830 and 831 are inserted on both sides eccentrically to the left and right of the dash-dotted symmetry line.
  • microchannel structures 830 and 831 that are open in the main body are covered by an insulating plate 860. While the laser diode barren 810 is fastened with its epitaxial-side contact surface to the metallic current-carrying layer 824, an electrical contact element 870 opposite the metallic current-carrying layer 824 is firmly bonded to the substrate-side contact surface 812 opposite the epitaxial-side contact surface 811, which has a strain-relieving end section facing away from the laser diode bar 810 is attached to the insulating plate.
  • An advantage of the present arrangement of the microchannel structures 830 and 831 in the heat conduction body is that they are located far away from a central region 825 of the heat conduction body 820 that is available for unimpeded heat conduction to the connection surface 823.
  • the unhindered heat conduction from the laser diode bar 810 to the rear attachment surface 823 is perfected in the second variant of the heat conduction body 820, as shown in FIG. 8c.
  • the channel structures lie entirely outside the heat source projection of an extended heat source region opposite to the light emission direction up to the plane of the attachment surface 823.
  • the heat-conducting body 820 has a width from the lateral extent of the heat-source area parallel to the contact area and perpendicular to the light-emitting direction and a height from the extension of the face in the direction perpendicular to the contact area. no recess on. As shown in FIG.
  • the channel structures in the relevant second variant of the heat conduction body are connected via inlet and outlet channels 841 and 851 to the inlet openings 840 and 850, wherein the inlet and outlet channels 841 and 851 introduced as Nuten in the receiving surface 821 opposite side of the base body and closed by cover plates 839.
  • FIG. 8e shows how the diode laser components 814 of the first variant, with the formation of a diode laser stack 815 with its rear connection surface 823, are connected via an adhesive joint to a heat absorber.
  • meharm 890 are connected, which is cooled by a Peltier module 797, the hot side is connected to the heat dissipation body 798 according to the invention.
  • the series electrical connection is effected by directly contacting the substrate-side electrical contact element 870 of a first diode laser component 814 with the current-carrying metal layer 824 'of the first diode laser component 814 adjacent second diode laser component 814'.
  • For contacting also includes the formation of an electrically conductive cohesive connection, for example by means of an electrically conductive adhesive.
  • the heat-absorbing body 890 simultaneously serves as a connection body for the coolant supply and removal to the individual heat-conducting bodies of the diode laser stack.
  • it has an inlet 847, which can be supplied with coolant via a first coolant connection element 848 from a coolant source, and a drain 857, which can deliver the coolant via a second coolant connection element 858 to a coolant depression.
  • two inlet channels branch off from the inlet 847 to the two inlets 840 of each heat-conducting body 820 and two outflow channels to the two outlets 850 of each heat-conducting body 820 from the outlet 857.
  • the diode laser stack 815 of the eighth embodiment is advantageously suitable for cooling laser diode elements 810, which are operated in the pulse or qcw mode.
  • the heat-conducting body 820 is suitable for conductive heat transfer to a heat-dissipated body 898 cooled with ambient air at a low duty cycle and at a high duty cycle for convective heat transfer to water flowing through its channel structures 830 and 831.
  • the heat removal body 898 is fixed instead of the heat receiving body 890 via an adhesive joint to the rear attachment surfaces 823 of the heat conducting body 820 and has a channel structure for the convective transfer of heat to a liquid coolant, which optionally parallel or serially through the channel structures 830 and 831 of the heat conducting body 820 can flow.
  • connection body 48 Flow / inlet in connection body 48 first coolant connection element

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Abstract

The invention relates to a heat transfer device (15) having at least one semi-conductor element (10) and a heat conducting body (20). The semi-conductor element has a heat source region, which encloses the pn junctions thereof generating heat during operation. The heat conducting body (20) comprises at least one receiving surface (21) for the bonded connection to a contact surface (11, 12) of the semi-conductor element (10), and at least one channel structure (30, 31). The heat transfer device (15) is characterized in that the channel structure (30, 31) is disposed completely outside a projection (22) of the heat source region, which extends perpendicular to the contact surface (11, 12). The heat transfer device is also characterized by at least one connection surface (23) of the heat conducting body (20), said surface being provided for a conductive heat transfer to a heat dissipation body (98) comprising at least one heat transfer structure (35). During the operation of the heat transfer device (15), at least one coolant selectively flows at least through the channel structure (30, 31) of the heat conducting body (20), or through the heat transfer structure (35) of the heat dissipation body (98).

Description

Wärmeabfuhrtechnisch polyvalente Wärmeübertragungsvorrichtung für wenigstens ein Halbleiterbauelement sowie zugehöriges Test- und Betriebsverfahren Heat removal technology polyvalent heat transfer device for at least one semiconductor device and associated test and operating method
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung für mindestens ein Halbleiterbauelement, insbesondere mindestens ein Laserdiodenelement, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a heat transfer device for at least one semiconductor component, in particular at least one laser diode element, according to the preamble of claim 1.
Halbleiterbauelemente erzeugen im Betrieb Wärme im wesentlichen im Bereich ihrer bauelementspezifischen funktionsprinzipbedingten Wärmequellen, die im Bereich ihrer im Betrieb aktiven pn-Übergänge lokalisiert sind, wobei der pn-Übergang auch eine dünne, elektrisch isolierende Zone enthalten kann. Ein Laserdiodenelement, als ein Beispiel für ein wärmeerzeugendes Halbleiterbauelement, mit einer im pn-Übergangsbereich angeordneten elektro-optisch aktiven, lichterzeugenden und -führenden Zone besitzt im Allgemeinen wenigstens eine epitaxieseitige und wenigstens eine substratseitige Kontaktfläche, die auf einander gegenüberliegenden Seiten der aktiven Zone angeordnet sind. Da die epitaxieseitige Kontaktfläche der neben Licht auch wärmeerzeugenden aktiven Zone im Allgemeinen wesentlich näher liegt als die substratseitige Kontaktfläche, wird ein Laserdiodenelement standardmäßig epitaxieseitig über einen epitaxieseitig angebrachten Wärmeleitkörper gekühlt, indem es mit seiner epitaxieseitigen Kontaktfläche in stoffschlüssiger Verbindung mit der Aufnahmefläche eines Wärmeleitkörpers befestigt ist. Dabei wird im pn-Übergang erzeugte Wärme über die Kontaktfläche oder den Kontaktflächen und über die Aufnahmefläche an den Wärmeleitkörper abgegeben.During operation, semiconductor components generate heat substantially in the region of their component-specific, heat-source-related, heat sources which are located in the region of their pn junctions which are active during operation, wherein the pn junction can also contain a thin, electrically insulating zone. A laser diode element, as an example of a heat-generating semiconductor device, having an electro-optically active, light-generating and guiding region disposed in the pn junction region generally has at least one epitaxial-side and at least one substrate-side contact surface arranged on opposite sides of the active region , Since the epitaxial-side contact surface of the light-generating and heat-generating active zone is generally much closer than the substrate-side contact surface, a laser diode element by default epitaxial side cooled via an epitaxial heat conduction body by it is attached with its epitaxial contact surface in cohesive connection with the receiving surface of a Wärmeleitkörpers. In this case, heat generated in the pn junction is emitted via the contact surface or the contact surfaces and via the receiving surface to the heat-conducting body.
Wärmeleitkörper und Laserdiodenelement bilden zusammen mit den für einen Betrieb nötigen Elementen zur elektrischen Kontaktierung des Laserdiodenelementes eine Diodenlaserkomponente, sofern der Wärmeleitkörper die Voraussetzung für eine betriebsspezifisch ausreichende Ableitung und/ oder Abfuhr der Wärme des Laserdiodenelementes besitzt.Wärmeleitkörper and laser diode element form together with the necessary for operation elements for electrically contacting the laser diode element, a diode laser component, if the heat-conducting body has the prerequisite for a company-specific sufficient dissipation and / or dissipation of the heat of the laser diode element.
Innerhalb einer für den Betrieb der Diodenlaserkomponente vorgesehenen Wärmeübertragungsvorrichtung ist die Wärmeabfuhr prinzipiell mit wenigstens einer konvektiven Wärmeübertragung durch wenigstens einer Wärmeübertragungsstruktur an ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel abgeschlossen.Within a heat transfer device provided for the operation of the diode laser component, the heat removal is in principle completed with at least one convective heat transfer through at least one heat transfer structure to a liquid or gaseous coolant.
Im Stand der Technik dient der Wärmeleitkörper entweder der konduktiven Kühlung und, wobei er wird als durchgängiger Festkörper ausgeführt wird und die Wärme auf eine gegenüber der Aufnahmefläche vergrößerte Anbindungsfläche spreizt, über die die Wärme an einen Kühlkörper abgegeben wird; oder er dient der konvektiven Kühlung, wobei eine von einem flüssigen Kühlmedium durchströmte Kanalstruktur, beispielsweise Mikrokanäle, unterhalb des Laserdiodenelementes, das heißt im Bereich einer Projektion des Laserdiodenelementes in zur Kontaktfläche senkrechter Richtung, im Wärmeleitkörper angeordnet sind und als Wärmeübertragungsstruktur dienen. Die Lage von Mikrokanälen in einem solchen, als Mikrokanalwärmesenke ausgebildeten Wärmeleitkörper ist nach dem Stand der Technik wärmeabfuhrtechnisch sinnvoll, weil der Bereich, in dem der Wärmeübergang in das zirkulierende Kühlmedium erfolgt, der Wärmequelle hinsichtlich ihrer Wärmeeintragsfläche in den Wärmeleitkörper direkt gegenüberliegt und im wesentlichen keine, den thermischen Widerstand erhöhende Umlenkung oder Einengung der Wärmeflusstaille im Bereich des konduktiven Wärme- transportes hervorruft.In the prior art, the heat conduction body either the conductive cooling and, where it is designed as a continuous solid and the heat spreads to a relation to the receiving surface enlarged connection surface through which the heat is delivered to a heat sink; or he serves the convective cooling, wherein a flowed through by a liquid cooling medium channel structure, such as microchannels, below the laser diode element, that is in the region of a projection of the laser diode element in the direction perpendicular to the contact surface, are arranged in the heat conducting body and serve as a heat transfer structure. The location of microchannels in such, designed as a Mikrokanalwärmesenke Wärmeleitkörper is according to the prior art heat removal technically useful, because the area in which the heat transfer takes place in the circulating cooling medium, the heat source with respect to their heat input surface in the heat-conducting directly opposite and essentially no, causes thermal resistance-increasing deflection or constriction of the heat flow waist in the area of conductive heat transport.
Im rein konduktiv kühlenden Fall dagegen besitzt der Wärmeleitkörper prinzipiell keine Möglichkeit der konvektiven Wärmeabgabe an ein Kühlmittel. Die konvektive Wärmeabgabe an ein Kühlmittel muss von außen her durch eine entsprechend ausgebildete Wärmeabfuhrvorrichtung geschaffen werden, die die Wärme vom Wärmeleitkörper aufnimmt und über eine Wärmeübertragungsstruktur an ein Kühlmittel abgibt.In the purely conductive cooling case, however, the heat-conducting body in principle has no possibility of convective heat release to a coolant. The convective heat release to a coolant must be provided from the outside by a correspondingly formed heat removal device, which receives the heat from the heat conducting body and emits via a heat transfer structure to a coolant.
Dem gegenüber liegt in einem konvektiv gekühlten Wärmeleitkörper die Wärmeabgabe an ein Kühlmittel im Wärmeleitkörper selbst vor.In contrast, in a convectively cooled heat-conducting body, the heat is released to a coolant in the heat-conducting body itself.
Wärmeleitkörper gemäß dem Stand der Technik sind entweder konduktiv oder konvektiv kühlend verwendbar. Konduktiv kühlenden Wärmeleitkörpern fehlt die Kanalstruktur beziehungsweise fehlen die Mikrokanäle für die konvektive Kühlung und bei konvektiv kühlenden Wärmeieitkörpern liegen die Mikrokanäle, die das Wärmetransportfluid führen, in einem Wärmeflusspfad, der bei rein konduktiver Nutzung der konvektiv kühlenden Wärmeleitkörper einen gegenüber den konduktiv kühlenden Wärmeleitkörpern deut- lieh erhöhten thermischen Widerstand verursachen würde. Oftmals ist jedoch bei der Herstellung einer Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere einer Diodenlaserkomponente, und vor seiner eventuellen Integration in ein System aus mehreren Diodenlaserkomponenten und/oder in ein Modul noch nicht bekannt, welche Wärmeabfuhrpfade und/ oder -technik letztendlich vom Anwender gewählt werden wird, insbesondere dann, wenn die Wahl hinsichtlich zweier verschiedener Kühlmittel, beispielsweise Luft und Wasser erfolgen soll.Thermal conductors according to the prior art can be used either conductively or convectively by cooling. Conductive cooling Wärmeleitkörpern missing the channel structure or missing the microchannels for convective cooling and convective cooling Wärmieitkörpern the microchannels that carry the heat transfer fluid in a heat flow path, the borrowed in purely conductive use of convective cooling heat sink compared to the conductively cooling Wärmeleitkörpern would cause increased thermal resistance. Often, however, in the manufacture of a heat transfer device, particularly a diode laser component, and before its eventual integration into a system of multiple diode laser components and / or into a module, it is not yet known which heat removal paths and / or technique will ultimately be chosen by the user, especially then if the choice is to be made with respect to two different refrigerants, for example air and water.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit einem Wärmeleitkörper vorzusehen, wobei der Wärmeleitkörper für die Kühlung eines Halbleiterbauelements universell und kühlungstechnisch polyvalent, das heißt konvektiv und/oder konduktiv kühlend, verwendbar ist. Ferner ist während der Herstellung der Wärmeübertragungsvorrichtung ein Verfahren zum Durchführen von Funktionstests zu realisieren, das während einer Testbetriebsphase des Halbleiterbauelementes ein sich vom Anwendungsbetrieb unterscheidendes Wärmeübertragungsverfahren verwendet, welches sich hinsichtlich seines thermischen Widerstands nur unwesentlich oder höchstens geringfügig von dem im Anwendungsbe- trieb verwendeten Wärmeübertragungsverfahren unterscheidet.It is an object of the invention to provide a heat transfer device with a heat conducting body, wherein the heat conducting body for the cooling of a semiconductor device universal and cooling technology polyvalent, that is convective and / or conductively cooling, can be used. Furthermore, during the production of the heat transfer device to implement a method for performing functional tests, which during a test operating phase of the semiconductor device uses a different from the application operation heat transfer method, which differs only slightly or only slightly different in terms of its thermal resistance of the heat transfer method used in the application.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 16 bis 18 gelöst.The object is achieved with the features of claims 1 and 16 to 18.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.Advantageous embodiments are the subject of dependent claims.
Gemäß Anspruch 1 weist eine Wärmeübertragungsvorrichtung mindestens ein Halbleiterbauelement und einen Wärmeleitkörper auf. Das Halbleiterbauelement ist hierbei ein elektrisches, elektro-optisches, opto- elektrisches oder opto-optisches Bauelement, das zumindest einen im Betrieb des Bauelementes wärmeerzeugenden pn-Übergang aufweist, wobei die Funktion der Wärmeübertragungsvorrichtung unabhängig von der Art des Entstehungsmechanismus der Wärme ist. Als besonders vorteilhaft hat sich die Wärmeübertragungsvorrichtung für Laserdiodenelemente oder Hochleistungsleuchtdioden erwiesen. Im Folgenden wird stellvertretend für Hochleistungsleuchtdioden auf Laserdiodenelemente Bezug genommen.According to claim 1, a heat transfer device has at least one semiconductor component and a heat conduction body. In this case, the semiconductor component is an electrical, electro-optical, opto-electrical or opto-optical component which has at least one pn junction which generates heat during operation of the component, the function of the heat transfer apparatus being independent of the type of heat generation mechanism. The heat transfer device for laser diode elements or high-performance light-emitting diodes has proved to be particularly advantageous. In the following, reference is made to laser diode elements as a representative of high-performance light-emitting diodes.
Der Wärmeleitkörper der Wärmeübertragungsvorrichtung weist mindestens eine Aufnahmefläche zur stoffschlüssigen Verbindung mit wenigstens einer Kontaktfläche von mindestens einem Halbleiterbauelement auf. Abhängig vom Halbleiterbauelement und vom beabsichtigten Einsatzbereich sind verschiedene Ausbildungen der Aufnahmefläche denkbar. Im Folgenden wird zur Vereinfachung teilweise nur von der Aufnahmefläche gesprochen. Damit soll aber auch die Option von mehreren Aufnahmeflächen gemeint sein. Zur Kühlung mehrerer Halbleiterelemente, beispielsweise von Einzelleuchtdioden, die Licht in ver- schiedenen Frequenzbereichen des sichtbaren Farbspektrums emittieren, oder Laserdiodenelementen, die Licht in verschiedenen Frequenzbereichen des roten Lichtes, des nahen Infrarots und/ oder Ultravio- letts emittieren, kann es zudem vorteilhaft sein, mehrere Aufnahmeflächen auf einem einzigen Wärmeleitkörper bereitzustellen. Auch die Form, Beschaffenheit und das Material der Aufnahmefläche kann je nach Montagefläche des Halbleiterbauelements variieren.The heat-conducting body of the heat-transfer device has at least one receiving surface for material-bonding connection with at least one contact surface of at least one semiconductor component. Depending on the semiconductor device and the intended application range, various embodiments of the receiving surface are conceivable. In the following, for reasons of simplification, only the reception area will be discussed. But this should also mean the option of multiple recording areas. For cooling a plurality of semiconductor elements, for example individual light-emitting diodes, which emit light in different frequency ranges of the visible color spectrum, or laser diode elements which emit light in different frequency ranges of the red light, the near infrared and / or ultraviolet, it may also be advantageous to provide multiple receiving surfaces on a single heat conducting body. Also, the shape, texture and the material of the receiving surface may vary depending on the mounting surface of the semiconductor device.
Das Halbleiterbauelement ist mittels eines aus einer Vielzahl verschiedener möglicher Verbindungsverfahren mit der Aufnahmefläche des Wärmeleitkörpers stoffschlüssig mit der Aufnahmefläche des Wärmeleitkörpers verbunden. - A -The semiconductor component is integrally connected to the receiving surface of the heat conduction body by means of one of a plurality of different possible connection methods with the receiving surface of the heat conduction body. - A -
Die stoffschlüssige Verbindung ist die erfindungsgemäße Voraussetzung für einen optimalen Wärmeübergang zwischen Halbleiterbauelement und Wärmeleitkörper, weil nicht stoffschlüssige Verbindungen stets an einem durch Hohlraumeinschlüsse behinderten Wärmeübergang leiden. Zu den bevorzugten stoffschlüssigen Verbindungsverfahren zählt insbesondere das Löten, das eine ent- sprechende Vorbehandlung der Aufnahmefläche des Wärmeleitkörpers und/oder der Montagefläche des Halbleiterbauelementes erfordert. Zu diesen Vorbehandlungen zählen Oberflächenbeebnungsverfahren, Reinigungsverfahren und Verfahren zur Beschichtung mit haftvermittelnden, diffusionsbeschränkenden, schützenden und/oder benetzungsförderlichen Materialien, insbesondere metallischer Natur. Das Lot selbst ist vor dem Verbindungsprozess auf einen der Verbindungspartner aufgebracht oder ist separat zwischen die Verbindungspartner eingebracht.The cohesive connection is the prerequisite according to the invention for an optimum heat transfer between the semiconductor component and the heat-conducting body, because non-cohesive connections always suffer from a heat transfer impeded by voids. Soldering, which requires a corresponding pre-treatment of the receiving surface of the heat-conducting body and / or the mounting surface of the semiconductor component, is one of the preferred cohesive bonding methods. Such pretreatments include surface buffing, cleaning methods, and methods of coating with adhesion promoting, diffusion-limiting, protective, and / or wetting-promoting materials, particularly metallic ones. The solder itself is applied to one of the connection partners before the connection process or is introduced separately between the connection partners.
Besonders vorteilhaft haben sich Wärmeübertragungsvorrichtungen erwiesen, deren Laserdiodenelemente mit der epitaxieseitigen Kontaktfläche im Bereich der Aufnahmefläche des Wärmeleitkörpers befestigt sind. Ein Laser- oder Leuchtdiodenelement kann aber selbstverständlich auch substratseitig auf der Auf- nahmefläche des Wärmeleitkörpers angeordnet sein.Heat transfer devices have proven particularly advantageous whose laser diode elements are fastened to the epitaxial contact surface in the region of the receiving surface of the heat conduction body. Of course, a laser or light-emitting diode element can also be arranged on the substrate surface on the receiving surface of the heat-conducting body.
Der Wärmeleitkörper weist zudem als Wärmeübertragungsstruktur mindestens einen Kanalstruktur auf. auf Der Begriff „Kanalstruktur" umfasst dabei alle Arten von Hohlräumen im Wärmeleitkörper, in die ein flüssiges Kühlmittel eingebracht und aus der ein flüssiges Kühlmittel abgeführt werden kann. Dazu zählen zunächst ein einfacher Kanal in Form einer durchgängigen Bohrung im Wärmeleitkörper und darüber hinaus ausdrücklich und insbesondere auch alle Arten von Hohlraumstrukturen, die eine zur effizienten konvektiven Wärmeübertragung vergrößerte Oberfläche in einem selektiven Bereich des Wärmeleitkörpers aufweisen, in die ein flüssiges Kühlmittel eingebracht und aus der ein flüssiges Kühlmittel abgeführt werden kann. Derartige Hohlraumstrukturen sind beispielsweise Anordnungen von einzelnen und/ oder sich verzweigenden bewusst positionierten (Mikro-) Kanälen, beispielsweise hergestellt durch Schichtung von Platten mit Ausnehmungen oder Bohrungen, poröse Strukturen mit zufälliger Hohlraumverteilung, beispielsweise in Sinterkörpern, Porenkanäle, sowie Kühlrippenreihen oder Kühlsäulenfelder an einer inneren Oberfläche des Wärmeleitkörpers. Die Kanäle können zum Beispiel durch Aussparungen oder Ätzen ausgebildet werden. Zur Beschickung des Kanals oder der Kanalstruktur mit einem flüssigen Kühl- mittel weist der Wärmeleitkörper vorzugsweise wenigstens eine Zulauföffnung auf, die mit dem Kanal oder der Kanalstruktur in Verbindung steht. Zur Ableitung des flüssigen Kühlmittels aus dem Kanal oder der Kanalstruktur weist der Wärmeleitkörper vorzugsweise wenigstens eine Ablauföffnung auf, die mit dem Kanal oder der Kanalstruktur in Verbindung steht. Flüssigkeit, die durch die Kanalstruktur des War- meleitköφers fließt, nimmt die im Betrieb vom Halbleiterbauelement erzeugten Wärme auf und führt diese anschließend ab.The heat-conducting body also has at least one channel structure as a heat transfer structure. The term "channel structure" encompasses all types of cavities in the heat conduction body, into which a liquid coolant can be introduced and from which a liquid coolant can be discharged, including first a simple channel in the form of a continuous bore in the heat conduction body and, moreover, specifically and in particular also all types of cavity structures which have an enlarged surface for efficient convective heat transfer in a selective region of the heat conduction body into which a liquid coolant can be introduced and from which a liquid coolant can be discharged deliberately positioned (micro) channels, for example produced by layering plates with recesses or holes, porous structures with random cavity distribution, for example in sintered bodies, pore channels, and cooling rib rows or cooling column fields on an inner surface of the Wärmeleitkörpers. The channels may be formed by recesses or etching, for example. For feeding the channel or the channel structure with a liquid coolant, the heat-conducting body preferably has at least one inlet opening, which communicates with the channel or the channel structure. For discharging the liquid coolant from the channel or the channel structure, the heat-conducting body preferably has at least one drain opening, which communicates with the channel or the channel structure. Liquid passing through the channel structure of the meleitköφers flows, receives the heat generated during operation of the semiconductor device and then performs this.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkörper sowohl kon- vektiv kühlend als auch konduktiv kühlend einsetzbar ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass mindestens ein Kanal bzw. eine Kanalstruktur vollständig außerhalb der einer sich senkrecht zur Kontaktfläche erstreckenden Wärmequellenprojektion des bauelementspezifisch funktionsprinzipbeding- ten integralen Wärmequellenbereiches des mit dem Wärmeleitkörper in stoffschlüssiger Verbindung stehenden Halbleiterbauelementes angeordnet und somit nicht im Bereich des Hauptwärmeflusses im rein konduktiv gekühlten Fall liegt. Der genannte Wärmequellenbereich umfasst alle im Betrieb des Halbleiterbauelementes genutzten pn-Übergänge und damit die Hauptwärmequellen des Halbleiterbauelementes. Die Ausdehnung des Wärmequellenbereiches kann sich minimal auf das kleinstmögliche Einschlussvolumen für alle wärmeerzeugenden pn-Übergänge im Halbleiterbauelement beschränken oder sich vollständig über das gesamte Volumen des Halbleiterbauelementes erstrecken. Bei der Existenz von mehre- ren Halbleiterbauelementen kann sich der erfindungsgemäße Wärmequellenbereich über die pn- Übergänge von zwei oder mehr Halbleiterbauelementen erstrecken oder vollständig über ein, alle Halbleiterbauelemente umfassendes Volumen.The heat transfer device is characterized in that the heat-conducting body can be used both in a cooling manner and in a conductive cooling manner. This is inventively achieved in that at least one channel or a channel structure completely outside of a perpendicular to the contact surface extending heat source projection of the component-specific functional principle caused integral heat source region of the thermally conductive body in materially connected semiconductor component arranged and thus not in the region of the main heat flow in pure conductively cooled case lies. Said heat source region comprises all pn junctions used in the operation of the semiconductor component and thus the main heat sources of the semiconductor component. The expansion of the heat source region may be minimally limited to the smallest possible confinement volume for all heat-generating pn junctions in the semiconductor device or may extend completely over the entire volume of the semiconductor device. In the case of the existence of a plurality of semiconductor components, the heat source region according to the invention can extend over the pn junctions of two or more semiconductor components or completely over a volume comprising all the semiconductor components.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung des Kanals oder der Kanalstruktur vollständig außerhalb der ge- nannten erfindungsgemäßen Wärmequellenprojektion lässt sich im konduktiv gekühlten Fall ein thermischer Widerstand erzielen, der nur wenig von der einer Wärmeübertragungsvorrichtung abweicht, deren Wärmeableitanordnung keine Hohlräume - insbesondere keine kühlmittelführenden (Mikro- oder Poren-) Kanäle - aufweist. Da der an sich etwas schlechter wärmeleitfähige, weil mit Hohlräumen versehene Bereich zur erzwungenen konvektiven Wärmeübertragung vorzugsweise ganz in der Nähe des von zur er- zwungenen konvektiven Wärmeübertragung in fluiddurchströmten Hohlräumen ausgesparten Bereiches in den Wärmeleitkörper eingebracht werden kann, ist auch im Fall der konvektiven Kühlung des Wärmeleitkörpers nur ein wenig höherer thermischer Widerstand zu erwarten als bei Mikrokanalwärmesenken nach dem Stand der Technik.With the inventive arrangement of the channel or the channel structure completely outside the above-mentioned heat source projection according to the invention can be achieved in the conductively cooled case, a thermal resistance which differs only slightly from that of a heat transfer device whose Wärmeableitanordnung no cavities - especially no coolant-carrying (micro- or pores -) channels - has. Since the per se somewhat less thermally conductive because cavitated area for forced convective heat transfer preferably in the vicinity of the recessed for forced convective heat transfer in fluid cavities in the heat conduction area can be introduced into the heat-conducting body, is also in the case of convective cooling of the Wärmeleitkörpers expect only a little higher thermal resistance than in microchannel heat sinks according to the prior art.
Durch einen vollständigen Verzicht auf Kanäle oder Kanalstrukturen in der Wärmequellenprojektion des Halbleiterelements im Wärmeleitkörper ist der thermische Widerstand für einen Wärmefluss durch den Wärmeleitkörper zumindest lokal minimiert. Dies ist jedoch nicht mit einem Verzicht von Kanälen bzw. Kanalstrukturen im restlichen Wärmeleitkörper zu verwechseln. Nur der für die konduktive Kühlung besonders wichtige Bereich - der Bereich innerhalb der Wärmequellenprojektion - ist von Kanälen bzw. Kanalstrukturen zur Kühlmittelführung frei.By completely dispensing with channels or channel structures in the heat source projection of the semiconductor element in the heat conducting body, the thermal resistance for heat flow through the heat conducting body is minimized at least locally. However, this is not a waiver of channels or Channel structures in the remaining heat-conducting body to be confused. Only the area which is particularly important for conductive cooling - the area within the heat source projection - is free of channels or channel structures for guiding the coolant.
Neben den zur Kühlung verwendeten Kanalstrukturen ist es zudem wünschenswert, dass auch keine sonstigen Hohlräume und/oder Verunreinigungen im Projektionsbereich vorhanden sind; und bis auf eine werkstoffbedingt mögliche Restporosität weist der Wärmeleitkörper vorzugsweise keine Hohlräume auf, die innerhalb der Projektion liegen.In addition to the channel structures used for cooling, it is also desirable that no other cavities and / or impurities are present in the projection area; and except for a material-based possible residual porosity, the heat-conducting body preferably has no cavities which are within the projection.
Hinsichtlich der Verbindung zwischen Aufnahme- und Kontaktfläche ist hervorzuheben, dass die stoffschlüssige Verbindung der Aufnahmefläche des Wärmeleitkörpers mit der Kontaktfläche des Halbleiterbauelementes aus einer einzigen Fügezone bestehen kann, wobei die Aufnahmefläche des Wärmeleitkörpers im wesentlichen parallel zu Kontaktfläche des Halbleiterbauelementes ist. Andererseits kann die stoffschlüssige Verbindung der Aufnahmefläche des Wärmeleitkörpers mit der Kon- taktfläche des Halbleiterbauelementes einen Zwischenkörper aufweisen, der sowohl über eine erste Fügezone mit der Aufnahmefläche des Wärmeleitkörpers stoffschlüssig verbunden ist als auch über eine zweite Fügezone mit der Kontaktfläche des Halbleiterbauelementes stoffschlüssig verbunden ist. Dabei können die erste und die zweite Fügezone zueinander im wesentlichen parallel liegen und auf einander gegenüberliegenden Seiten des Zwischen körpers angeordnet sein. Die erste und die zweite Füge- zone können auch zueinander im wesentlichen senkrecht angeordnet sein. Damit sind auch die Kontaktfläche des Halbleiterbauelementes und die Aufnahmefläche des Wärmeleitkörpers im wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet, wobei der Wärmeleitkörper vollständig außerhalb der Wärmequellenprojek- tion des Halbleiterbauelementes liegen kann. Dabei ist es nur eine Frage der Reihenfolge der einzelnen Fügeschritte, ob der Zwischenkörper ein Teil des Wärmeleitkörpers sein kann: Wird der Zwischenkörper in einem ersten Fügeschritt stoffschlüssig mit dem Halbleiterbauelement verbunden, und wird dieser Verbund aus Halbleiterbauelement und Zwischenkörper in einem zweiten Fügeschritt stoffschlüssig mit dem Wärmeleitkörper verbunden, so kann der Zwischenkörper als separater Körper betrachtet werden. Wird der Zwischenkörper hingegen im ersten Fügeschritt mit dem Wärmeleitkörper verbunden, so kann der Zwischenkörper als Teil des Wärmeleitkörpers angesehen werden, wobei in diesem Fall die Aufnahmefläche zur stoffschlüssigen Verbindung mit der Kontaktfläche des Halbleiterbauelementes auf dem Zwischenkörper angeordnet ist. Hinsichtlich der geometrischen Anordnung der Körper zueinander ist das Ergebnis unabhängig von der Reihenfolge der Fügeschritte. In allen Fällen ist die Kanalstruktur des Wärmeleitkörpers außerhalb der Wärmequellenprojektion des Halbleiterbauelementes angeordnet. Einen wesentlichen, fertigungstechnischen, Vorteil erfährt die Erfindung dadurch, dass eine mögliche Abdeckung der Kanalstruktur abseits der Projektion des Halbleiterbauelementes nicht elektrisch oder thermisch leitfähig sein muss, weil die Abdeckung nicht notwendigerweise Wärme vom Halbleiterbauele- ment in die Kanalstruktur leiten muss. Anders als im Stand der Technik, in dem Kanäle zur ungehinderten Wärmeaufnahme in der Projektion des Halbleiterbauelementes liegen und damit notwendigerweise eine Abdeckung zwischen Kanalstruktur und Halbleiterbauelement zum Schutz des Halbleiterbauelementes vor Kontakt mit dem Kühlmittel vorhanden sein muss, kommt die Erfindung auch gänzlich ohne eine Abdeckung der Kanalstruktur aus, wenn Kühlmittelzu- und abführkörper direkt an die Kanalstruktur ange- schlössen und am Wärmeleitkörper befestigt werden.With regard to the connection between receiving and contact surface is to emphasize that the cohesive connection of the receiving surface of the Wärmeleitkörpers with the contact surface of the semiconductor device may consist of a single joint zone, wherein the receiving surface of the Wärmeleitkörpers is substantially parallel to the contact surface of the semiconductor device. On the other hand, the cohesive connection of the receiving surface of the heat conduction body with the contact surface of the semiconductor component may have an intermediate body, which is materially connected to the receiving surface of the heat conduction body via a first joining zone as well as being materially bonded to the contact surface of the semiconductor component via a second joining zone. In this case, the first and the second joining zone may be substantially parallel to each other and arranged on opposite sides of the intermediate body. The first and second joining zones may also be arranged substantially perpendicular to one another. Thus, the contact surface of the semiconductor device and the receiving surface of the heat conducting body are arranged substantially perpendicular to each other, wherein the heat conducting body can be completely outside the heat source projection of the semiconductor device. It is only a question of the order of the individual joining steps, whether the intermediate body may be part of the Wärmeleitkörpers: If the intermediate body in a first Joining step materially connected to the semiconductor device, and this composite of semiconductor device and intermediate body in a second Joining step cohesively with the Thermal body connected, so the intermediate body can be considered as a separate body. If, on the other hand, the intermediate body is connected to the heat-conducting body in the first joining step, then the intermediate body can be regarded as part of the heat-conducting body, in which case the receiving surface is arranged on the intermediate body for material connection to the contact surface of the semiconductor component. With regard to the geometric arrangement of the bodies to each other, the result is independent of the order of the joining steps. In all cases, the channel structure of the heat conducting body is arranged outside the heat source projection of the semiconductor component. The invention suffers from a substantial, production-related advantage in that a possible covering of the channel structure apart from the projection of the semiconductor component does not have to be electrically or thermally conductive, because the cover does not necessarily have to conduct heat from the semiconductor component into the channel structure. Unlike in the prior art, in which channels for unimpeded heat absorption in the projection of the semiconductor device and thus necessarily a cover between the channel structure and semiconductor device to protect the semiconductor device must be present before contact with the coolant, the invention also comes without a cover of the Channel structure, if coolant supply and discharge are connected directly to the channel structure and attached to the heat conduction body.
Die erfindungsgemäße Wärmeübertragungsvorrichtung ist zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkörper wenigstens eine Anbindungsfläche für einen konduktiven Wärmeübergang an wenigstens einen Wärmeabfuhrkörper aufweist. Der Wärmeabfuhrkörper kann seinerseits als Teil einer Wärmeabfuhrvorrichtung aufgefasst werden, die mit dem Wärmeleitkörper in thermischer Verbindung steht, wobei der Wärmeabfuhrkörper die Wärme, die er von Wärmeleitkörper aufnimmt, über eine Wärmeübertragungsstruktur an ein Kühlmittel abgibt, das durch die Wärmeübertragungsstruktur strömt. Damit dient der Wärmeabfuhrkörper erfindungsgemäß einer zum Wärmeleitkörper alternativen oder zusätzlichen Wärmeabfuhr. Dabei kann die Wärmeübertragung von dem Wärmeleitkörper an den Wärmeabfuhrkörper sowohl unmittelbar (direkt) und ohne einen weiteren Zwischenkörper als auch mittelbar (indirekt) über einen oder mehrere Zwischenkörper erfolgen. Beispielsweise kann ein Wärmeaufnahmekörper, der in direktem Kontakt mit dem Wärmeleitkörper steht, die Wärme spreizen und gespreizt an den Wärmeabfuhrkörper übertragen.The heat transfer device according to the invention is additionally characterized in that the heat conduction body has at least one attachment surface for a conductive heat transfer to at least one heat removal body. In turn, the heat removal body may be considered to be part of a heat removal device in thermal communication with the heat conducting body, the heat removal body delivering the heat it receives from the heat conducting body via a heat transfer structure to a coolant flowing through the heat transfer structure. Thus, the heat dissipation body according to the invention is an alternative or additional heat dissipation to the heat conducting body. In this case, the heat transfer from the heat-conducting body to the heat-dissipating body can take place both directly (directly) and indirectly (indirectly) via one or more intermediate bodies without a further intermediate body. For example, a heat absorbing body which is in direct contact with the heat conducting body, spread the heat and spread to the heat transfer body transmitted.
Bevorzugt ist die thermische Verbindung zwischen der Anbindungsfläche des Wärmeleitkörpers und der Wärmeübertragungsstruktur des Wärmeabfuhrkörpers durchgängig stoffschlüssig. Je nach Anzahl der Zwischenkörper befinden sich in diesem Fall eine Fügezone (kein Zwischenkörper) oder mehrere Fügezonen (ein oder mehrere Zwischenkörper) zwischen dem Wärmeleitkörper und dem Wärmeabfuhrkörper. Eine stoffschlüssige Verbindung ist die beste Voraussetzung für einen optimalen Wärmeübergang zwischen Wärmeleitkörper und Wärmeabfuhrkörper, weil nicht stoffschlüssige Verbindungen stets an einem durch Hohlraumeinschlüsse behinderten Wärmeübergang leiden.Preferably, the thermal connection between the connection surface of the heat conducting body and the heat transfer structure of the heat dissipation body is consistently cohesively. Depending on the number of intermediate bodies, in this case there is a joining zone (no intermediate body) or a plurality of joining zones (one or more intermediate bodies) between the heat-conducting body and the heat-dissipating body. A cohesive connection is the best prerequisite for optimum heat transfer between heat-conducting body and heat-dissipating body, because non-cohesive connections always suffer from a heat transfer impeded by voids.
Nun kann durch eine stoffschlüssige Verbindung von Wärmeabfuhrkörper und Wärmeleitkörper der Wärmeabfuhrkörper als Teil des Wärmeleitkörpers angesehen werden. Erfindungswesentlich ist in diesem Zusammenhang die Tatsache, dass beide Körper vor dem Verbindungsprozess separat vorliegen und beide Körper unabhängig voneinander die Wärmeleitung an eine speziell jeweils ihnen zugeordnete Wärmeübertragungsstruktur für einen konvektiven Wärmeübergang an ein Kühlmittel gewährleisten können.Now can be regarded as part of the Wärmeleitkörpers by a material connection of heat dissipation body and heat conducting body of the heat removal body. Essential to the invention is in this Connection the fact that both bodies are present separately before the connection process and both bodies can independently ensure the heat conduction to a specially assigned each heat transfer structure for a convective heat transfer to a coolant.
Im Falle der Verwendung eines wärmespreizenden Wärmeaufnahmekörpers als Zwischenkörper muss bei ausreichender Wärmespreizung die Befestigung des Wärmeabfuhrkörpers am Wärmeaufnahmekörper nicht notwendigerweise stoffschlüssig sein. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn eine Wärmeeintragsfläche des Wärmeaufnahmekörpers, die in stoffschlüssiger Verbindung mit der Anbindungsfläche des Wärmeleitkörpers steht, kleiner ist als eine Wärmeabgabefläche des Wärmeaufnahmekörpers, die in Kontakt mit dem Wärmeabfuhrkörper steht.In the case of using a heat-spreading heat-absorbing body as an intermediate body, the attachment of the heat-dissipating body to the heat-absorbing body need not necessarily be cohesive with sufficient heat spreading. This is particularly true when a heat input surface of the heat receiving body, which is in material connection with the connection surface of the heat conducting body, is smaller than a heat discharge surface of the heat receiving body, which is in contact with the heat dissipation body.
Erfindungsgemäß ist der Wärmeabfuhrkörper der Wärmeübertragungsvorrichtung eine zum Wärmeleitkörper alternative oder optionale Wärmesenke mit konvektiver Wärmeabfuhr. Der Begriff der Wärmesenke umfasst im Sinne der Erfindung alle Arten von Vorrichtungen, die wenigstens eine zur Wärmeübertragung an ein strömendes flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel besonders ausgebildete Wärmeübertragungsstruktur aufweisen, wobei ein die Kühlmittelströmung bildender Kühlmittelkreislauf offen oder geschlossen sein kann. Zu diesen Wärmesenken zählen beispielsweise offene luftumströmte Rippenkühler und wasserdurchflossene Mikrokanalwärmesenken. Verdampfungskühlein- richtungen, beispielsweise Spray-Kühler oder Wärmerohre, können Wärmesenken mit integrierten geschlossenen Kühlmittelkreisläufen sein, die die Wärme im allgemeinen an einen Kühlkörper mit Wärmeübertragung an einen offenen Kühlmittelkreislauf abgeben. Alternativ sind Kombinationen der beschriebenen Wärmesenken möglich.According to the invention, the heat removal body of the heat transfer device is a heat sink alternative or optional heat sink with convective heat dissipation. The term heat sink in the sense of the invention encompasses all types of devices which have at least one heat transfer structure specially designed for heat transfer to a flowing liquid or gaseous coolant, wherein a coolant circuit forming the coolant flow can be open or closed. These heat sinks include, for example, open air-flowed fin coolers and water-carrying microchannel heat sinks. Evaporative cooling devices, such as spray coolers or heat pipes, may be heat sinks with integrated closed coolant circuits that generally deliver the heat to a heat sink with heat transfer to an open coolant loop. Alternatively, combinations of the described heat sinks are possible.
Zwischen dem Wärmeleitkörper und der Wärmeübertragungsstruktur des Wärmeabfuhrkörpers können ein Peltierelement oder mehrere zu einem Peltiermodul elektrisch seriell und/ oder parallel geschaltete Peltierelemente angeordnet sein, die eine elektrisch erzeugte Temperaturdifferenz in die Wärmeübertragungsvorrichtung einbringen. Besonders bevorzugt ist ein Peltiermodul in den Wärmeabfuhrkörper integriert.Between the heat conducting body and the heat transfer structure of the heat removal body, a Peltier element or a plurality of Peltier elements electrically connected in series and / or parallel to a Peltier module can be arranged, which introduce an electrically generated temperature difference into the heat transfer device. Particularly preferably, a Peltier module is integrated in the heat removal body.
Die Wärmeabfuhr aus der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung geschieht erfindungsgemäß durch die Wärmeübertragung an wenigstens ein Kühlmittel.The heat dissipation from the heat transfer device according to the invention is done according to the invention by the heat transfer to at least one coolant.
Die erfindungsgemäße Wärmeübertragungsvorrichtung gestattet eine je nach Bedarfsfall wählbare, ausreichende Wärmeabfuhr zur Kühlung des Halbleiterbauelements über den Wärmeleitkörper mit Abgabe der Wärme an ein erstes, vorzugsweise flüssiges, Kühlmittel, beispielsweise Wasser, oder über den Wärmeabfuhrkörper mit Abgabe der Wärme an ein zweites Kühlmittel, beispielsweise Luft. Die Erfindung ermöglicht somit einen universellen Einsatz des Wärmeleitkörpers zum einen zur konduktiven Kühlung, die durch die Wärmeabgabe an den Wärmeabfuhrkörper gekennzeichnet ist, und zum an- deren zur konvektiven Kühlung, die durch die Wärmeabgabe an das durch den Wärmeleitkörper strömende Kühlmittel gekennzeichnet ist, abhängig vom Einsatzbereich und/ oder Anwenderwunsch. Ein weiterer Vorteil der Kombination von konduktiver und konvektiver Kühlung des Wärmeleitkörpers gestattet es beispielsweise im Falle einer nicht ausreichenden konvektiven Kühlung des Wärmeleitkörpers zusätzlich auf eine mögliche konvektive Kühlung im Wärmeabfuhrkörper zurückzugreifen und somit beide konvektiven Wärmeübertragungswege gleichzeitig einzusetzen, wodurch eine bessere Wärmeabfuhreigenschaft erzielt wird. Damit können beide Wärmeabfuhrpfade -jener im Wärmeleitkörper und jener im Wärmeabfuhrkörper - zur Wärmeabgabe an beide Kühlmittel genutzt werden. Besonders effizient ist die Wärmeübertragungsvorrichtung wenn sowohl das erste Kühlmittel als auch das zweite Kühlmittel eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, ist.The heat transfer device according to the invention allows a depending on the case selectable, sufficient heat dissipation for cooling the semiconductor device via the heat conducting body with delivery the heat to a first, preferably liquid, coolant, for example water, or via the heat dissipation body with the release of heat to a second coolant, for example air. The invention thus enables a universal use of the heat conduction body for conductive cooling, which is characterized by the heat transfer to the heat dissipation body, and on the other for convective cooling, which is characterized by the heat transfer to the flowing through the heat conducting body coolant, depending on Application area and / or user request. Another advantage of the combination of conductive and convective cooling of the heat conduction allows, for example, in the case of insufficient convective cooling of Wärmeleitkörpers additionally rely on a possible convective cooling in the heat sink and thus use both convective heat transfer paths simultaneously, whereby a better heat dissipation property is achieved. This allows both heat removal paths-those in the heat-conducting body and those in the heat-dissipating body-to be used for dissipating heat to both coolants. Particularly effective is the heat transfer device when both the first coolant and the second coolant is a liquid, preferably water.
Darüber hinaus ermöglicht die Wärmeübertragungsvorrichtung die Verwendung eines seiner Form nach einfachen und kostengünstig herzustellenden Wärmeleitkörpers, der zur ausreichenden konvektiven Kühlung für Halbleiterbauelemente verwendbar ist, wobei der Anschluss des eine komplexere Wärmeübertragungsstruktur aufweisenden Wärmeabfuhrkörpers an den Wärmeleitkörper die Wärmeabfuhreigenschaf- ten des Wärmeleitkörpers übertreffen kann.In addition, the heat transfer device allows the use of a simple and inexpensive to manufacture its heat conducting body, which is suitable for sufficient convective cooling for semiconductor devices, wherein the connection of a more complex heat transfer structure having heat removal body on the heat conducting body can exceed the Wärmeabfuhreigenschaf- th the Wärmeleitkörpers.
Beispielsweise kann der Wärmeabfuhrkörper eine Kanalstruktur enthalten, die in der Wärmequellenprojektion liegt. Außerdem kann die Kanalstruktur des Wärmeabfuhrkörpers Kanäle besitzen, in wenigstens einer Abmessungen senkrecht zur Strömungsrichtung beziehungsweise zur Kanallängsachse kleiner sind als die kleinste Abmessung von Kanälen in der Kanalstruktur des Wärmeleitkörpers. Darüber hinaus kann die Kanalstruktur des Wärmeabfuhrkörpers mehr Kanäle besitzen als die Kanalstruktur des Wärmeleitkörpers. Die beiden letzten Eigenschaften zusammengenommen sorgen damit für eine vergrößerte Wärmeeintragsfläche in das Kühlmittel und damit bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit für einen besonders niedrigen thermischen Widerstand der Wärmeübertragungsvorrichtung. Tatsächlich kann der thermische Widerstand der Wärmeübertragungsvorrichtung im Zustand der konduk- tiven Kühlung des Wärmeleitkörpers niedriger sein als im Zustand der konvektiven Kühlung des Wärmeleitkörpers allein.For example, the heat removal body may include a channel structure located in the heat source projection. In addition, the channel structure of the heat removal body may have channels, in at least one dimension perpendicular to the flow direction or to the channel longitudinal axis are smaller than the smallest dimension of channels in the channel structure of the Wärmeleitkörpers. In addition, the channel structure of the heat removal body may have more channels than the channel structure of the Wärmeleitkörpers. Taken together, the two last properties thus ensure an increased heat input area into the coolant and thus at the same flow rate for a particularly low thermal resistance of the heat transfer device. In fact, the thermal resistance of the heat transfer device may be lower in the state of conducive cooling of the heat conduction body than in the state of convective cooling of the heat conduction body alone.
Die Wärmequellenprojektion des Halbleiterbauelementes umfasst vorzugsweise den gesamten Bereich des Wärmeleitkörpers, der auf der Kontaktfläche gegenüberliegenden Seite ausgebildet ist. Insbesondere sei darauf verwiesen, dass die Breite des Halbleiterbauelementes nicht mit der Breite des Wärmeleitkörpers übereinstimmen muss, so dass natürlich auch eine Kanalstruktur seitlich - also rechts und links beziehungsweise vorne und hinten - im Wärmeleitkörper ausgebildet sein kann, ohne in der Projektion zu liegen.The heat source projection of the semiconductor component preferably comprises the entire region of the heat conduction body, which is formed on the opposite side of the contact surface. In particular it should be noted that the width of the semiconductor device does not have to match the width of the heat conduction, so that of course, a channel structure laterally - ie right and left or front and rear - may be formed in the heat conduction without lying in the projection.
Prinzipiell ist die Lage der Anbindungsfläche unabhängig von der Lage der Kontaktfläche und der Aufnahmefläche.In principle, the position of the connection surface is independent of the position of the contact surface and the receiving surface.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt die Anbindungsfläche zur konduktiven Wärmeübergabe an den Wärmeabfuhrkörper zumindest abschnittsweise innerhalb der Projektion des zumindest einen auf dem Wärmeleitkörper befestigten Halbleiterbauelementes, so dass die Wärme ohne Umweg, also möglichst direkt, an den Wärmeabfuhrkörper übertragbar ist. Ein erhöhter thermischer Widerstand durch Umlenkung oder Einengung der Wärmeflusstaille kann damit verhindert werden.In an advantageous embodiment, the connection surface for the conductive heat transfer to the heat dissipation body is at least partially within the projection of the at least one mounted on the heat conducting semiconductor device, so that the heat without detour, ie as directly as possible, is transferable to the heat dissipation body. An increased thermal resistance by deflection or narrowing of the heat flow waist can thus be prevented.
Liegt die Anbindungsfläche, beispielsweise aus aufbau- und/ oder gestaltungstechnischen Gründen, senkrecht zur Kontaktfläche, so erfordert diese Lage eine Umlenkung des Wärmeflusses, die vorzugswei- se mit einer Wärmespreizung einhergeht. Unabhängig von einer Wärmespreizung verursacht ein Wärme- fluss mit Umlenkung immer einen höheren thermischen Widerstand als bei Wärmefluss ohne Umlenkung. Die Entscheidung für die wärmeleittechnisch ungünstigere Wärmeumlenkung stellt die die erfindungsgemäßen Vorzüge der Wärmeübertragungsvorrichtung jedoch nicht in Frage: Selbst wenn nach einer Umlenkung des Wärmeflusses die Wärme teilweise durch die Kanalstruktur im Wärmeleitkörper geführt wer- den, so ist jedoch das Umlenkungsgebiet im Wärmeleitkörper frei von Hohlräumen und gestattet eine Umlenkung ohne wärmeleittechnische Einschränkungen, die über die eigentliche Umlenkung hinausgehen.If the connection surface, for example for structural and / or design reasons, is perpendicular to the contact surface, then this layer requires a deflection of the heat flow, which is preferably accompanied by a heat spread. Regardless of a heat spread, a heat flux with deflection always causes a higher thermal resistance than with heat flow without deflection. However, the decision for the heat conduction less favorable heat deflection is the advantages of the invention of the heat transfer device not in question. Even if after a deflection of the heat flow, the heat is partially guided through the channel structure in the heat conducting, but the deflection area in the heat-conducting body of cavities and allows a deflection without thermal conduction restrictions that go beyond the actual deflection.
Vorzugsweise ist der Bereich des Wärmeleitkörpers frei von Hohlräumen, über den sich der wesentliche Teil des Wärmeflusses von der Aufnahmefläche zur Anbindungsfläche erstreckt. Geometrisch formuliert bedeutet dies, dass sich bei jeder winklig zur Kontaktfläche orientierten Anbindungsfläche die Wärmequellenprojektion im Wärmeleitkörper über das Halbleiterbauelement hinaus in Richtung der Anbindungs- flächen bis zur Anbindungsfläche erstreckt.Preferably, the region of the heat-conducting body is free of cavities, over which the essential part of the heat flow extends from the receiving surface to the attachment surface. Geometrically formulated, this means that for each connection surface oriented at an angle to the contact surface, the heat source projection in the heat conduction body extends beyond the semiconductor component in the direction of the connection surfaces up to the connection surface.
Die beschriebene Wärmeübertragungsvorrichtung ist zur Kühlung von einer Vielzahl von verschiedenen Halbleiterbauelementen ausgelegt. Wie bereits angedeutet, ist die Anordnung besonders vorteilhaft für Laserdiodenelemente geeignet, wie beispielsweise Laserdioden oder Einzellaserbarren. Weitere Wärmequellen neben kanten- und oberflächenemittierenden Laserdioden oder Laserdiodenfeldern sind Leuchtdioden, Halbleiterschaltelemente sowie optisch gepumpte Halbleiterlaser und das Sonnenlicht absorbierende Solarzellen, wobei das Halbleitermaterial sowohl anorganisch als auch organisch sein kann. Grundsätzlich ist die Wärmeübertragungsvorrichtung aber zur Kühlung jeglicher Arten von Bauelementen verwendbar.The described heat transfer device is designed for cooling of a multiplicity of different semiconductor components. As already indicated, the arrangement is particularly advantageously suitable for laser diode elements, such as laser diodes or single-laser bars. Further heat sources in addition to edge and surface emitting laser diodes or laser diode arrays are light-emitting diodes, semiconductor switching elements and optically pumped semiconductor lasers and sunlight-absorbing solar cells, wherein the semiconductor material can be both inorganic and organic. In principle, however, the heat transfer device can be used for cooling any type of components.
Als besonders vorteilhaft hat sich auch eine Anordnung der Aufnahmefläche für die stoffschlüssige Mon- tage von kantenemittierenden Laserdiodenelementen gezeigt, die eine gemeinsame Kante mit einer winklig zu ihr orientierten frontseitigen Stirnfläche des Wärmeleitkörper aufweist, wobei die Lichtaustrittsfläche des Laserdiodenelementes parallel zur frontseitigen Stirnfläche ausgerichtet ist und näherungsweise mit der Stirnfläche in einer Ebene liegt. Eine zur Aufnahmefläche geneigte frontseitige Stirnfläche gestattet die uneingeschränkte Ausbreitung der vom Laserdiodenelement emittierten Strahlenbündel zumindest in Teilabschnitten der Strahlenbündel, die im Strahlengang vor oder während der Strahlformung durch eine erstes, der Lichtemissionsfläche nachgeordneten, optisches Element angeordnet sind. Darüber hinaus können auch in Lichtemissionsrichtung auf der der Aufnahmefläche abgewandten Seite der Stirnfläche sich über die Aufnahmefläche heraus erstreckende Bereiche des Wärmeleitkörpers eine erfindungsgemäße Kanalstruktur zur konvektiven Wärmeübertragung enthalten.An arrangement of the receiving surface for the cohesive assembly of edge-emitting laser diode elements has also proven to be particularly advantageous, which has a common edge with an angled end face of the heat-conducting body, the light-emitting surface of the laser diode element being oriented parallel to the front end face and approximately with the face in one plane. An inclined to the receiving surface front end face allows the unrestricted propagation of the laser diode element emitted beam at least in sections of the beam, which are arranged in the beam path before or during the beam shaping by a first, the light emitting surface downstream optical element. In addition, in the light emission direction on the side facing away from the receiving surface side of the end face extending over the receiving surface out areas of the heat conducting body according to the invention contain a channel structure for convective heat transfer.
Der mindestens eine Kanal im Wärmeableitkörper ist vorzugsweise in einem Bereich unterhalb der Aufnahmeflächenebene nahe des Wärmeeintragsgebiets angeordnet.The at least one channel in the heat dissipation body is preferably arranged in a region below the receiving surface plane near the heat input region.
Bevorzugt besteht eine Kanalstruktur aus einer Vielzahl von Kanälen, die zumindest abschnittsweise eine längliche Ausdehnung in Richtung einer Kanal-Längsachse als Bezugsachse für die Ausrichtung des Kanalabschnittes aufweisen.Preferably, a channel structure consists of a multiplicity of channels which, at least in sections, have an elongated extension in the direction of a channel longitudinal axis as the reference axis for the alignment of the channel section.
Eine mögliche Ausgestaltung der Kanäle einer Kanalstruktur ist das zur Aufnahmefläche senkrechte Anordnen der Kanäle. Hierbei weist der Wärmeleitkörper an der Oberseite, also an der Aufnahmefläche, eine Zulauföffnung und an der Unterseite, also im Bereich der Anbindungsfläche, eine Ablauföffnung auf. Ein Kanal, der die beiden Öffnungen koppelt, erstreckt sich ausschließlich in einer Ebene, wobei die Ebene durch beide Öffnungen sowie senkrecht zur Aufnahmefläche und Anbindungsfläche verläuft.A possible embodiment of the channels of a channel structure is the perpendicular to the receiving surface arranging the channels. Here, the heat-conducting body on the upper side, ie on the receiving surface, an inlet opening and on the underside, ie in the region of the connection surface, a drain opening. A channel which couples the two openings extends only in one plane, the plane passing through both openings and perpendicular to the receiving surface and attachment surface.
Die Zu- und Ablauföffnungen können vertauscht sein, wodurch sich die Flussrichtung des Kühlmittels umdreht. Alternativ können die Zu- und Ablauföffnungen nicht nur auf jeweils entgegen liegenden Seiten des Wärmeleitkörpers sondern auch auf nur einer einzigen Seite des Wärmeleitkörpers angeordnet sein.The inlet and outlet openings can be reversed, whereby the flow direction of the coolant turns over. Alternatively, the inlet and outlet openings can be arranged not only on respectively opposite sides of the heat conducting body but also on only one side of the heat conducting body.
Bei der Ausbildung mehrerer Kanäle in einem Wärmeleitkörper ermöglicht ein paralleles Anordnen der Kanäle das Ausbilden einer Vielzahl von Kanälen auf sehr engem Raum. Unter der parallelen Anordnung der Kanäle ist hierbei die Parallelität der Ebenen, die durch die einzelnen Kanäle verlaufen, zu verstehen. Die Parallelität der Kanäle beschränkt sich nicht nur auf die vertikale Ausdehnung, sondern kann sich auch auf Kanäle, die in verschiedenen horizontalen, zur Aufnahmefläche parallelen, Ebenen ausgebildet sind, beziehen.In forming multiple channels in a heat conducting body, arranging the channels in parallel allows a plurality of channels to be formed in a very small space. Under the parallel arrangement In this case, the channels are to be understood as the parallelism of the planes that run through the individual channels. The parallelism of the channels is not limited to the vertical extent, but may also refer to channels formed in different horizontal planes parallel to the receiving surface.
Jeder Kanal bzw. jede Kanalstruktur weist vorzugsweise mindestens einen Zulauf und mindestens einen Ablauf auf, die für die Zufuhr bzw. Abfuhr eines Kühlmittels verwendbar sind. Um die Integration der Wärmeübertragungsvorrichtung in ein Kühlmittelführungssystem zu erleichtern, ist es vorteilhaft, bei mehreren Kanälen in einem Wärmeleitkörper den Zulauf bzw. Ablauf zu einem gemeinsamen Zulauf und/oder einem gemeinsamen Ablauf zusammenzufassen. Ein solcher gemeinsamer Zulauf bzw. Ablauf kann hierbei durch zusätzliche Kanäle im Wärmeleitkörper ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft hat sich zudem ein gemeinsamer Zulauf und Ablauf erwiesen, da durch eine einzige Zulauf- und Ablauföffnung leicht alle Kanäle mit einer Kühlmittelquelle bzw. -senke koppelbar sind.Each channel or each channel structure preferably has at least one inlet and at least one outlet, which can be used for the supply or discharge of a coolant. In order to facilitate the integration of the heat transfer device into a coolant guide system, it is advantageous to combine the inlet or outlet into a common inlet and / or a common outlet when there are several channels in a heat conducting body. Such a common inlet or outlet can in this case be formed by additional channels in the heat conducting body. In addition, a common inlet and outlet has proven to be particularly advantageous since all channels can be coupled to a coolant source or sink by a single inlet and outlet opening.
Der Wärmeleitkörper ist aus einem einzigen oder einer Vielzahl von verschiedenen Materialien ausbildbar. Um eine besonders gute Wärmeabfuhreigenschaft zu erreichen, ist bei der Materialwahl auf einen niedrigen thermischen Widerstand beziehungsweise eine gute thermische Leitfähigkeit zu achten. Das Material muss zudem das Ausbilden der Kanalstrukturen ermöglichen. Als besonders vorteilhaft haben sich Wärmeleitkörper aus Kupfer, Diamant oder einem Kohlenstoff-Verbundmaterial erwiesen. Kupfer beispielsweise bietet zudem den Vorteil elektrisch leitfähig zu sein und erlaubt somit, das darauf angebrachte Halbleiterbauelement mit elektrischem Strom zu versorgen. Diamant besitzt die höchste Wärme- leitfähig aller bekannten Festkörper in allen drei Raumrichtungen. Kohlenstoff- Verbundmaterialien, beispielsweise Diamant-Metall-Verbundwerkstoffe besitzen den Vorteil, dass ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten an den des Halbleiterbauelementes angepasst werden können, was eine mechanisch spannungsarme stoffschlüssige Verbindung des Halbleiterbauelementes mit dem Wärmeleitkörper ermöglicht.The heat-conducting body can be formed from a single or a plurality of different materials. In order to achieve a particularly good heat dissipation property, a low thermal resistance or a good thermal conductivity must be taken into account when choosing the material. The material must also allow the formation of the channel structures. Heat-conducting bodies made of copper, diamond or a carbon composite material have proved to be particularly advantageous. Copper, for example, also has the advantage of being electrically conductive and thus allows the semiconductor component mounted thereon to be supplied with electric current. Diamond has the highest thermal conductivity of all known solids in all three spatial directions. Carbon composite materials, for example, diamond-metal composites have the advantage that their thermal expansion coefficients can be adapted to those of the semiconductor device, which allows a mechanically low-voltage cohesive connection of the semiconductor device with the heat-conducting body.
An den Wärmeleitkörper werden besondere Anforderungen gestellt. Die Wärmequellenprojektion im Wärmeleitkörper ist frei von Kanalstrukturen und Hohlräumen, während im restlichen Bereich des Wärme- leitkörpers Mikrokanäle für die konvektive Kühlung ausgebildet sind.At the heat-conducting body special requirements are made. The heat source projection in the heat conduction body is free of channel structures and cavities, while in the remaining region of the heat conduction body microchannels are designed for convective cooling.
Als besonders vorteilhaft hat sich deshalb das Ausbilden des Wärmeleitkörpers aus einem L-förmigen Grundkörper erwiesen, wobei die Aufnahmefläche auf der Endfläche des kürzeren Schenkels angeordnet ist und die zur Aufnahmefläche parallele Innenfläche des längeren Schenkels zur stoffschlüssigen Befes- tigung eines Schichtkörpers dient, in den zumindest in einer ersten Schicht Ausnehmungen eingebracht sind, die mit benachbarten zweiten und dritten Schichten zumindest abschnittsweise eine abgeschlossene Kanalstruktur bilden, durch die das Kühlmittel geführt werden kann.Therefore, the formation of the heat-conducting body from an L-shaped basic body has proved to be particularly advantageous, the receiving area being arranged on the end face of the shorter leg and the inner surface of the longer leg parallel to the receiving area being used for the material-locking fastening. In the at least in a first layer recesses are introduced, which form, with adjacent second and third layers at least in sections, a closed channel structure through which the coolant can be guided.
Die mit dem flüssigen Kühlmedium benetzten Oberflächen des Wärmeleit- und/oder -abfuhrkörpers können zumindest abschnittsweise mit wenigstens einer Schutzschicht versehen sein, die weniger erosions- und/oder korrosionsanfällig ist als das Basismaterial des Wärmeleitkörpers bzw. der stofflichen Basisbestandteile der die Kühlkanäle bildenden stofflichen Struktur. Die Schutzschichten können elektrisch leitfähig oder elektrisch weitgehend isolierend sein. Im Falle einer elektrisch weitgehend isolierenden Schutz- Schicht, die sich über den gesamten Bereich, der mit dem flüssigen Kühlmedium benetzten Oberflächen des Wärmeableit- und/oder -abfuhrkörpers erstreckt, ist das flüssige Kühlmedium gegenüber einem elektrischen Potential, das möglicherweise am Wärmeleit- und/oder -abfuhrkörper zur elektrischen Anbindung an das Halbleiterbauelement anliegt, getrennt. Selbst elektrisch hoch leitfähige Kühlmedien wie Brauchoder Seewasser können hier gegebenenfalls zur Kühlung verwendet werden, ohne eine potentialbedingte elektrochemische Korrosion der Wärmeübertragungsstruktur zu verursachen.The wetted with the liquid cooling medium surfaces of the Wärmeleit- and / or -abfuhrkörpers may be at least partially provided with at least one protective layer, which is less erosion and / or susceptible to corrosion than the base material of the Wärmeleitkörpers or the basic material constituents of the cooling channels forming material structure , The protective layers can be electrically conductive or electrically largely insulating. In the case of an electrically largely insulating protective layer which extends over the entire area of the surfaces of the heat-dissipating and / or discharge body which are wetted with the liquid cooling medium, the liquid cooling medium is opposite to an electrical potential which may possibly be at the heat-conducting and / or or -abfuhrkörper for electrical connection to the semiconductor device is applied, separated. Even electrically highly conductive cooling media such as custom or seawater can optionally be used here for cooling, without causing a potential-induced electrochemical corrosion of the heat transfer structure.
Wie bereits mehrfach angedeutet wurde, vereint der Wärmeleitkörper eine Reihe von Funktionen. Die thermische Funktion, nämlich die Ableitung der erzeugten Wärme des Halbleiterbauelementes, wurde bereits mehrfach detailliert erläutert. Ferner ist ein Wärmeleitkörper, der zumindest teilweise aus einem elektrisch leitenden Material besteht ist, gleichzeitig zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterelements verwendbar. Somit kann über den Wärmeleitkörper das Halbleiterelement mit elektrischem Strom versorgt werden.As already indicated several times, the heat-conducting body combines a number of functions. The thermal function, namely the derivation of the generated heat of the semiconductor device, has already been explained in detail several times. Furthermore, a heat conducting body, which is at least partially made of an electrically conductive material, simultaneously usable for electrical contacting of the semiconductor element. Thus, the semiconductor element can be supplied with electrical current via the heat conducting body.
Vorzugsweise ist die Kanalstruktur elektrisch von der Kontaktfläche isoliert, um unerwünschten elektrochemischen Prozessen mit dem Kühlmittel vorzubeugen. Ist die Kanalstruktur in einen elektrisch leitfähi- gen Grundkörper eingebracht, so können entweder die vom Kühlmittel benetzten Innenflächen der Kanalstruktur eine elektrische Isolationsschicht tragen oder der Grundkörper auf wenigstens einer der Aufnahmefläche zugewandten Außenseiten. Alternativ kann die geforderte elektrische Isolierung auch durch eine in die stoffschlüssige Verbindung der Aufnahmefläche mit der Kontaktfläche eingebrachte elektrische Isolationsschicht erzielt werden. Besteht der Wärmeleitkörper aus einem elektrisch isolierenden oder elektrisch isolierten Grundkörper, so ist entweder auf dem Grundkörper ein elektrischer Leiter vorzusehen oder ein elektrischer Leiter als Zwischenkörper in die stoffschlüssige Verbindung zwischen Aufnahmefläche und Kontaktfläche einzufügen. Bereits der Wärmeleitkörper allein bietet zudem die mechanische Funktion der Halterung des Halbleiterbauelementes, die - wie im folgenden erläutert - eine herausragende erfindungswesentliche Eigenschaft der Wärmeübertragungsvorrichtung zur Geltung bringt: Hinsichtlich der Stationen des Wärmeflusses in der Wärmeübertragungsvorrichtung kann der Wärmeleit- körper bei konvektiv kühlender Nutzung als primäre Wärmesenke angesehen werden und der Wärmeabfuhrkörper als sekundäre Wärmesenke, sofern der Wärmeabfuhrkörper eine konvektive Kühlung erfährt. Die erfindungsgemäße Wärmeübertragungsvorrichtung erlaubt nun ein vorteilhaftes Verfahren (Anspruch 16) zur Inbetriebnahme und zum Testen von Halbleiterbauelementen in einem Zwischenschritt während ihrer Integration in die Wärmeübertragungsvorrichtung. Dazu wird zunächst in einem ersten Schritt eine stoffschlüssige Verbindung des Halbleiterbauelementes mit dem Wärmeleitkörper eingerichtet. Anschließend wird bzw. werden in einem zweiten Schritt die Zulauföffnung bzw. die Zulauföffnungen oder der gemeinsame Zulauf der Kanalstruktur mit einer Flüssigkeitsquelle und die Ablauföffnung bzw. Ablauföffnungen oder der gemeinsame Ablauf der Kanalstruktur mit einer Flüssigkeitssenke verbunden, so dass eine Zirkulation von Flüssigkeit im Wärmeleitkörper und ein Betrieb des Wärmeleitkörpers als primäre Wärmesenken ermöglicht wird. Danach werden Funktionstests des mindestens einen Halbleiterbauelements durchgeführt, wobei mindestens ein Parameter in Form eines Messwertes erfasst wird.Preferably, the channel structure is electrically isolated from the contact surface to prevent unwanted electrochemical processes with the coolant. If the channel structure is introduced into an electrically conductive base body, either the inner surfaces of the channel structure wetted by the coolant can carry an electrical insulation layer or the base body can support outer sides on at least one of the receiving surface. Alternatively, the required electrical insulation can also be achieved by an electrical insulation layer introduced into the cohesive connection of the receiving surface with the contact surface. If the heat-conducting body consists of an electrically insulating or electrically insulated base body, then either an electrical conductor is provided on the base body or an electrical conductor is to be inserted as an intermediate body into the integral connection between the receiving surface and the contact surface. Already the heat conducting body alone also offers the mechanical function of the holder of the semiconductor component, which - as explained below - brings out an outstanding property of the heat transfer device which is essential to the invention. With regard to the stations of the heat flow in the heat transfer device, the heat conducting body can be used as a primary cooling device with convective cooling Heat sink can be considered and the heat removal body as a secondary heat sink, if the heat removal body undergoes convective cooling. The heat transfer device according to the invention now permits an advantageous method (claim 16) for starting up and testing semiconductor components in an intermediate step during their integration into the heat transfer device. For this purpose, a cohesive connection of the semiconductor component to the heat-conducting body is initially set up in a first step. Subsequently, or in a second step, the inlet opening or the inlet openings or the common inlet of the channel structure with a liquid source and the drain opening or drain openings or the common drain of the channel structure is connected to a liquid sink, so that a circulation of liquid in the heat conducting body and allowing operation of the heat conducting body as primary heat sinks. Thereafter, functional tests of the at least one semiconductor component are carried out, wherein at least one parameter is detected in the form of a measured value.
Weist das Halbleiterbauelement zusätzlich zu einer ersten Kontaktfläche eine zweite Kontaktfläche auf, so kann diese mit einem Kontaktelement versehen sein, über welches der elektrische Anschluss des Halblei- terbauelementes, beispielsweise an eine Stromquelle erfolgt.If the semiconductor component has a second contact surface in addition to a first contact surface, then this may be provided with a contact element via which the electrical connection of the semiconductor component, for example to a current source, takes place.
Damit kann das Halbleiterbauelement bereits auf dem Wärmeleitkörper als primäre Wärmesenke betrieben und getestet werden, ohne dass die primäre Wärmesenke thermisch an eine, für ihn in einem späteren Aufbaustadium vorgesehene, sekundäre Wärmesenke - das heißt den Wärmeabfuhrkörper - ange- bunden ist. Dieser Umstand gestattet es, ungeeignete Halbleiterbauelemente bei Bedarf rechtzeitig vor und von der Weiterverarbeitung in einem dritten Schritt, nämlich des Anschlusses an die sekundäre Wärmesenke, auszuschließen.In this way, the semiconductor component can already be operated and tested on the heat conduction body as a primary heat sink without the primary heat sink being thermally connected to a secondary heat sink provided for it at a later stage of construction, ie the heat removal body. This circumstance makes it possible to exclude unsuitable semiconductor devices as needed in advance of and from the further processing in a third step, namely the connection to the secondary heat sink.
Diodenlaserkomponenten weisen im Folgenden einen Wärmeleitkörper und ein oder mehrere Laserdio- denelemente auf. Insbesondere bei der Zusammenstellung mehrerer Diodenlaserkomponenten für eine Anordnung bestehend aus mehreren Diodenlaserkomponenten, in der die Diodenlaserkomponenten an einem gemeinsamen Wärmeabfuhrkörper befestigt werden, ist es vorteilhaft, wenn alle Diodenlaserkomponenten ähnliche Eigenschaften aufweisen, wie zum Beispiel einen näherungsweise gleichen Arbeitspunkt (beispielsweise eine annähernd gleiche Leistung bei gleichem Strom und/oder eine näherungswei- se gleiche Emissionswellenlänge bei gleichem Strom). Hierbei können die Laserdiodenelemente auf einem jeweils eigenen Wärmeleitkörper oder auf einem gemeinsamen Wärmeleitkörper angeordnet sein. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine derartige Selektion und Zusammenstellung von einer Vielzahl von Diodenlaserkomponenten vor ihrer stoffschlüssigen Anbindung an einen gemeinsamen Wärmeabfuhrkörper, von dem die Diodenlaserkomponenten nach der Montage nicht wieder schadlos - geschweige denn rückstandslos - entfernt werden können.In the following, diode laser components have a heat conduction body and one or more laser diode elements. In particular, in assembling a plurality of diode laser components for an array of multiple diode laser components in which the diode laser components are mounted on a common heat sink, it is advantageous if all the diode laser components have similar characteristics, such as an approximately equal operating point (eg, approximately equal power) same current and / or approximate the same emission wavelength for the same current). Here, the laser diode elements may be arranged on a respective own heat conducting body or on a common heat conducting body. The inventive method allows such a selection and compilation of a plurality of diode laser components before their cohesive connection to a common heat dissipation body, from which the diode laser components after assembly can not be recovered without damage - let alone leaving no residue.
Dabei muss am Ende aller Montageschritte die zur konvektiven Wärmeabfuhr vorgesehene Kanalstruktur im Wärmeleitkörper nicht mehr notwendigerweise nutzbar sein. Es genügt im Sinne der Erfindung, dass die zur konvektiven - insbesondere erzwungenen konvektiven - Wärmeabfuhr vorgesehene Kanalstruktur im Wärmeleitkörper im Verlaufe der Verfahrensschritte zur Herstellung der Wärmeübertragungsvorrichtung und Messung des Laserdiodenelementes bis zur letztendlich gewählten Anwendung wenigstens zeitweise zur konvektiven Kühlung des Laserdiodenelementes im Betrieb nutzbar ist.At the end of all assembly steps, the channel structure provided for convective heat dissipation in the heat conduction body no longer necessarily has to be usable. It is sufficient for the purposes of the invention that the convective - in particular forced convective - heat dissipation provided channel structure in the heat conducting body in the course of the process steps for the preparation of the heat transfer device and measurement of the laser diode element to the ultimate chosen application at least temporarily for convective cooling of the laser diode element during operation is available.
Der Wärmeleitkörper wird nach erfolgreichem Probebetrieb des Halbleiterbauelementes, das auf ihm montiert ist, über seine Anbindungsfläche für einen konduktiven Wärmeübergang - auch Wärmeabflussfläche genannt - vorzugsweise stoffschlüssig an eine Wärmeabfuhrvorrichtung mit einem Wärmeabfuhrkörper befestigt, der für die konvektive Wärmeabfuhr ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die dortige konvektive Wärmeabfuhr besonders zur erzwungenen konvektiven Wärme- abfuhr ausgebildet und übersteigt hinsichtlich seiner Wärmeabfuhreffizienz vorzugsweise diejenige des Wärmeleitkörpers.After successful trial operation of the semiconductor component, which is mounted on it, the heat conduction body is fastened via its connection surface for a conductive heat transfer - also called heat discharge surface - to a heat removal device with a heat removal body, which is designed for convective heat dissipation. Preferably, the convective heat removal there is designed especially for forced convective heat removal and, in terms of its heat removal efficiency, preferably exceeds that of the heat conduction body.
Ein Vorteil der Erfindung ist somit, dass ein Halbleiterbauelement mit einem Wärmeleitkörper, insbesondere eine Diodenlaserkomponente, in einem Produktionszwischenschritt ausschließlich durch konvektive Kühlung ausreichend gekühlt wird, so dass dieses betrieben und getestet werden kann, ohne dass auf einen weiteren Kühlkörper zurückgegriffen wird.An advantage of the invention is thus that a semiconductor component with a heat-conducting body, in particular a diode laser component, is cooled sufficiently in an intermediate production step exclusively by convective cooling, so that it can be operated and tested, without resorting to a further heat sink.
Alternativ erlaubt die Wärmeübertragungsvorrichtung auch ein (Test-) Verfahren (Anspruch 17), das ausschließlich die konduktive Kühleigenschaft des Wärmeleitkörpers verwendet. Hierbei wird eine konvektiv kühlende Wärmeabfuhrvorrichtung an der Anbindungsfläche des Wärmeleitkörpers lösbar, vorzugsweise kraftschlüssig, befestigt, bevor Funktionstests für mindestens ein Halbleiterbauelement durchgeführt werden. Während des Betreibens des Halbleiterbauelementes wird mindestens ein Parameter erfasst. Aufgrund der ausreichenden konduktiven Kühlung wird während des Testbetriebes auf die konvektive Kühlung im Wärmeleitkörper verzichtet. Hierdurch ist ein Testen des Halbleiterbauelementes unter Umständen realisierbar, in denen eine konvek- tive Kühlung des Wärmeleitkörpers nicht gegeben ist, beispielsweise wegen fehlender Anschlüsse für die Kühlmittelzu- und/ oder -abfuhr. Nach der Durchführung des Funktionstests wird die Verbindung mit der Wärmeabfuhrvorrichtung gelöst und der Wärmeleitkörper erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Wärmeabfuhrkörper gebracht. Selbstverständlich kann die Wärmeabfuhrvorrichtung mit dem Wärmeabfuhrkörper identisch sein. Ein weiteres Verfahren (Anspruch 18) sieht für die erfindungsgemäße Wärmeübertragungsvorrichtung einen testweisen Betrieb bei konvektiver Kühlung des Wärmeleitkörpers vor und den Anwendungsbetrieb bei konvektiver Kühlung des Wärmeabfuhrkörpers.Alternatively, the heat transfer device also allows a (test) method (claim 17) exclusively using the conductive cooling property of the heat conduction body. In this case, a convective cooling heat removal device is releasably, preferably non-positively, attached to the connection surface of the heat conduction body before functional tests are carried out for at least one semiconductor component. During operation of the semiconductor device, at least one parameter is detected. Due to the sufficient conductive cooling is dispensed with during the test operation on the convective cooling in Wärmeleitkörper. In this way, a testing of the semiconductor component under certain circumstances can be realized in which a convective cooling of the heat-conducting body is not given, for example, because of missing connections for the coolant supply and / or removal. After carrying out the functional test, the connection with the heat removal device is released and the heat conducting body according to the invention brought into connection with the heat dissipation body. Of course, the heat dissipation device may be identical to the heat dissipation body. A further method (claim 18) provides for the heat transfer device according to the invention a test mode of operation with convective cooling of the heat conducting body and the application mode with convective cooling of the heat removal body.
Der Wärmeleitkörper der Erfindung gestattet sowohl das Betreiben des Halbleiterbauelementes bei ausschließlich konduktiver als auch bei einer ausschließlich konvektiven Kühlung. Durch die Anordnung der Kanäle bzw. der Kanalstruktur außerhalb der Wärmequellenprojektion des Halbleiterelementes sind die Wärmeabfuhreigenschaften nur in geringem Maße schlechter als bei einem Wärmeleitkörper, der speziell für die konduktive oder speziell für die konvektive Kühlung ausgebildet ist.The heat conducting body of the invention allows both the operation of the semiconductor device in exclusively conductive as well as in an exclusively convective cooling. The arrangement of the channels or the channel structure outside the heat source projection of the semiconductor element, the heat dissipation properties are only slightly worse than a heat conducting body, which is designed specifically for the conductive or especially for the convective cooling.
Bei Funktionstests mit einer extrem hohen Belastung der Halbleiterbauelemente ist mit einer überdurchschnittlichen Wärmeentwicklung zu rechnen. In einem solchen Fall ist durch eine konvektive und gleichzeitig konduktive Kühlung sichergestellt, dass das Halbleiterbauelement ausreichend gekühlt und damit vor Schäden geschützt ist. Da im tatsächlichen Einsatz des Halbleiterbauelements solch eine hohe Belas- tung über einen längeren Zeitraum selten oder nie auftritt, ist die Kombination der beiden Kühlungsarten später nicht mehr erforderlich und man beschränkt sich auf eines der beiden Wärmeabfuhrverfahren. Die Erfindung gestattet somit das Durchführen von Funktionstests, die über die normale Belastung eines Halbleiterbauelementes hinausgehen. Zu den Parametern, die bei dem testweisen Betrieb eines elektro-optischen Bauelementes, insbesondere eines Laserdiodenelementes, vorzugsweise in Form eines Messwertes erfasst werden, zählen der elektrischer Betriebsstrom, die elektrische Betriebsspannung, die emittierte Strahlungsleistung und das Spektrum der emittierten Strahlung.In functional tests with an extremely high load on the semiconductor components, an above-average heat development can be expected. In such a case, it is ensured by convective and at the same time conductive cooling that the semiconductor component is sufficiently cooled and thus protected against damage. Since in the actual use of the semiconductor component such a high load rarely or never occurs over a longer period of time, the combination of the two types of cooling is later no longer necessary and one is limited to one of the two heat removal methods. The invention thus allows performance of functional tests beyond the normal loading of a semiconductor device. The parameters which are detected in the test-wise operation of an electro-optical component, in particular a laser diode element, preferably in the form of a measured value, include the electrical operating current, the electrical operating voltage, the emitted radiation power and the spectrum of the emitted radiation.
Anhand von Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:With reference to figures embodiments of the invention will be explained in more detail. Show it:
Fig. 1a bis Fig. 1k' die skizzenhaften Draufsichten (ungestrichen), Seitenansichten (einfach angestrichen) und Frontansichten (zweifach angestrichen) verschiedener Varianten von Ausführungsbeispielen der Wärmeleitkörper in einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung mit einem kantenemittierenden Laserdiodenbarren als Wärmequelle;Fig. 1a to Fig. 1k 'the sketchy plan views (uncoated), side views (simply painted) and front views (twice painted) of different variants of embodiments the heat conducting body in a heat transfer device according to the invention with an edge emitting laser diode bar as a heat source;
Fig. 11 die Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung mit einem Laserdiodenbarren als Wärmequelle;11 is a side view of a first embodiment of the heat transfer device with a laser diode bar as a heat source.
Fig. 1 m die Draufsicht des ersten Ausführungsbeispieles;Fig. 1 m, the top view of the first embodiment;
Fig. 2a die Frontansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung mit einer kantenemittierenden Einzellaserdiode als Wärmequelle;2a shows the front view of a second embodiment of the heat transfer device with an edge emitting single laser diode as a heat source.
Fig. 2b die Draufsicht des zweiten Ausführungsbeispieles;Fig. 2b is a plan view of the second embodiment;
Fig. 3a die Draufsicht eines dritten Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung mit drei Leuchtdioden als Wärmequellen;3a shows the plan view of a third embodiment of the heat transfer device with three light-emitting diodes as heat sources.
Fig. 3b die Seitenansicht des dritten Ausführungsbeispieles;3b, the side view of the third embodiment;
Fig. 4a den mittigen Querschnitt durch eine Explosionsdarstellung einer ersten Variante eines vierten Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung, bei der die Kühlmittelzufuhr und - abfuhr in den bzw. aus dem Wärmeleitkörper über einen Anschlusskörper an der dem Halbleiterbauelement zugewandten Seite des Wärmeleitkörpers erfolgt;4a shows the central cross section through an exploded view of a first variant of a fourth embodiment of the heat transfer device, in which the coolant supply and - takes place in and out of the heat conducting body via a connection body on the semiconductor device side facing the heat conducting body;
Fig. 4b den mittigen Querschnitt durch die Darstellung der ersten Variante des vierten Ausführungs- beispieles im montierten Zustand;4b shows the central cross section through the representation of the first variant of the fourth embodiment in the mounted state;
Fig. 4c den mittigen Querschnitt durch eine Explosionsdarstellung einer zweiten Variante des vierten Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung, bei der die Kühlmittelzufuhr und - abfuhr in den bzw. aus dem Wärmeleitkörper über einen Wärmeaufnahmekörper an der dem Halbleiterbauelement abgewandten Seite des Wärmeleitkörpers erfolgt;4c shows the central cross-section through an exploded view of a second variant of the fourth embodiment of the heat transfer device, in which the coolant supply and discharge into and out of the heat-conducting body takes place via a heat-absorbing body on the side of the heat-conducting body facing away from the semiconductor component;
Fig. 4d den mittigen Querschnitt durch die Darstellung der zweiten Variante des vierten Ausführungsbeispieles im montierten Zustand; Fig. 5a die Draufsicht auf die erste Variante eines Wärmeleitkörpers eines fünften Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung, in dessen der Wärmequelle zugewandten Oberfläche abseits der Wärmequelle eine Reihe von länglichen Ausnehmungen eingebracht sind;4d shows the central cross section through the representation of the second variant of the fourth embodiment in the mounted state; 5a shows the plan view of the first variant of a heat conducting body of a fifth embodiment of the heat transfer device, in which the heat source facing surface away from the heat source, a series of elongated recesses are introduced;
Fig. 5b die Draufsicht auf eine elektrisch isolierende Isolierplatte mit zwei Durchbrüchen als Bauteil des fünften Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung;Fig. 5b is a plan view of an electrically insulating insulating plate with two openings as a component of the fifth embodiment of the heat transfer device;
Fig. 5c die Draufsicht auf eine durch Aufbringen der Isolierplatte auf die erste Variante des Wärmeleitkörpers gebildete erste Variante einer Unterbaugruppe einer ersten Variante einer Dioden- laserkomponente des fünften Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung;5c shows the plan view of a first variant of a subassembly of a first variant of a diode laser component of the fifth exemplary embodiment of the heat transfer device formed by applying the insulating plate to the first variant of the heat conduction body;
Fig. 5d den mittigen Querschnitt durch eine erste Variante einer Diodenlaserkomponente des fünften Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung;5d shows the central cross section through a first variant of a diode laser component of the fifth embodiment of the heat transfer device according to the invention;
Fig. 5e die Draufsicht auf einen elektrisch isolierenden Schichtkörper als Bauteil einer zweiten Variante des fünften Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung, in dessen Oberfläche eine Reihe von länglichen Ausnehmungen eingebracht sind;5e the plan view of an electrically insulating layered body as a component of a second variant of the fifth exemplary embodiment of the heat transfer device, in the surface of which a series of elongate recesses are introduced;
Fig. 5f die Draufsicht auf einen Verbund aus Isolierplatte und dem elektrisch isolierenden Schichtkör- per als Bauteil der zweiten Variante des fünften Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung;FIG. 5f is a plan view of a composite of insulating plate and the electrically insulating Schichtkör- per part of the second variant of the fifth embodiment of the heat transfer device;
Fig. 5g den mittigen Querschnitt durch eine zweite Variante einer Diodenlaserkomponente mit einer zweiten Variante des Wärmeleitkörpers des fünften Ausführungsbeispieles der erfindungsge- mäßen Wärmeübertragungsvorrichtung;5g the central cross section through a second variant of a diode laser component with a second variant of the heat conducting body of the fifth embodiment of the inventive heat transfer device;
Fig. 5h die Draufsicht auf eine dritte Variante eines Wärmeleitkörpers des fünften Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung, in dessen der Wärmequelle zugewandten Oberfläche abseits der Wärmequelle eine Reihe von länglichen Ausnehmungen eingebracht sind;5h shows the plan view of a third variant of a heat conduction body of the fifth embodiment of the heat transfer device, in which the heat source facing surface away from the heat source, a series of elongated recesses are introduced;
Fig. 5i die Draufsicht auf einen durch Aufbringen der Isolierplatte auf die dritte Variante des Wärmeleitkörpers gebildeten Verbund des fünften Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung; Fig. 5j den mittigen Querschnitt durch eine dritte Variante einer Diodenlaserkomponente mit der dritten Variante des Wärmeleitkörpers des fünften Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung;FIG. 5i shows the plan view of a composite of the fifth exemplary embodiment of the heat transfer device formed by applying the insulating plate to the third variant of the heat conducting body; FIG. 5j shows the central cross section through a third variant of a diode laser component with the third variant of the heat conducting body of the fifth embodiment of the heat transfer device according to the invention;
Fig. 5k den mittigen Querschnitt durch eine vierte Variante einer Diodenlaserkomponente mit einer vierten Variante des Wärmeleitkörpers des fünften Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung;5k the central cross section through a fourth variant of a diode laser component with a fourth variant of the heat conducting body of the fifth embodiment of the heat transfer device according to the invention;
Fig. 5I den mittigen Querschnitt eines fünften Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrich- tung mit der vierten Variante einer Diodenlaserkomponente, bei der die Kühlmittelzufuhr und - abfuhr in den Wärmeleitkörper über einen Anschlusskörper erfolgt;5I shows the central cross section of a fifth exemplary embodiment of the heat transfer device with the fourth variant of a diode laser component, in which the coolant supply and removal into the heat conduction body takes place via a connection body;
Fig. 6a die Draufsicht auf den Wärmeleitkörper eines sechsten Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung, bei dem eine Reihe von Spalten in einen Grundkörper eingebracht sind;6a is a plan view of the heat conducting body of a sixth embodiment of the heat transfer device, in which a number of columns are introduced into a base body;
Fig. 6b den mittigen Querschnitt des sechsten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung in Form einer Diodenlaserkomponente, bei der die Kühlmittelzufuhr in den Wärmeleitkörper über einen Wärmeaufnahmekörper erfolgt;6b shows the central cross section of the sixth embodiment of the heat transfer device according to the invention in the form of a diode laser component, in which the coolant is supplied into the heat conducting body via a heat absorption body;
Fig. 7a die Draufsicht auf den Wärmeleitkörper eines siebten Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung, bei dem drei Felder von Bohrungen in einen Grundkörper eingebracht sind;7a shows the plan view of the heat conducting body of a seventh embodiment of the heat transfer device, in which three fields of bores are introduced into a base body;
Fig. 7b den mittigen Querschnitt der Wärmeübertragungsvorrichtung des siebten Ausführungsbeispieles;Fig. 7b is the central cross section of the heat transfer device of the seventh embodiment;
Fig. 7c den mittigen Querschnitt einer ersten bevorzugten Weiterbildung des siebten Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung in Form eines Diodenlasers;7c shows the central cross section of a first preferred embodiment of the seventh embodiment of the heat transfer device in the form of a diode laser;
Fig. 7d den mittigen Querschnitt einer zweiten bevorzugten Weiterbildung des siebten Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung in Form eines Diodenlasers; und Fig. 7e den mittigen Querschnitt einer dritten bevorzugten Weiterbildung des siebten Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung in Form eines Diodenlasers.7d shows the central cross section of a second preferred embodiment of the seventh embodiment of the heat transfer device in the form of a diode laser; and 7e the central cross section of a third preferred embodiment of the seventh embodiment of the heat transfer device in the form of a diode laser.
Fig. 7f den mittigen Querschnitt einer vierten bevorzugten Weiterbildung des siebten Ausführungs- beispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung in Form eines Diodenlaserstapels.7f shows the central cross section of a fourth preferred embodiment of the seventh exemplary embodiment of the heat transfer device in the form of a diode laser stack.
Fig. 8a die Draufsicht einer ersten Variante eines Wärmeleitkörper eines achten Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung, bei dem Kanäle außermittig in den Wärmeleitkörper eingebracht sind;FIG. 8a shows the plan view of a first variant of a heat conduction body of an eighth exemplary embodiment of the heat transfer device, in which channels are introduced eccentrically into the heat conduction body; FIG.
Fig. 8b die Seitenansicht einer Diodenlaserkomponente mit der ersten Variante eines Wärmeleitkörpers des achten Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung;8b is a side view of a diode laser component with the first variant of a heat conducting body of the eighth embodiment of the heat transfer device;
Fig. 8c die Draufsicht einer zweiten Variante eines Wärmeleitkörper des achten Ausführungsbeispie- les der Wärmeübertragungsvorrichtung, bei dem Kanäle außermittig in den Wärmeleitkörper eingebracht sind;FIG. 8c shows the plan view of a second variant of a heat conduction body of the eighth embodiment of the heat transfer device, in which channels are introduced eccentrically into the heat conduction body; FIG.
Fig. 8d die Seitenansicht einer Diodenlaserkomponente mit der zweiten Variante eines Wärmeleitkörper des achten Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung;8d the side view of a diode laser component with the second variant of a heat conducting body of the eighth embodiment of the heat transfer device;
Fig. 8e den mittigen Querschnitt des achten Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung in Form eines Diodenlaserstapels von Diodenlaserelementen mit der ersten Variante des Wärmeleitkörpers.8e the central cross section of the eighth embodiment of the heat transfer device in the form of a diode laser stack of diode laser elements with the first variant of the heat conducting body.
Die in den Figuren dargestellten Elemente sind nicht maßstäblich und auch die Verhältnisse der Elemente zueinander dienen nur der Verdeutlichung.The elements shown in the figures are not to scale and the relationships of the elements to each other are only illustrative.
Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen setzen sich aus drei Ziffern (XYY) zusammen, wobei die erste Stelle (X) das Ausführungsbeispiel und die zweite und dritte Stelle (YY) die Nummer des Elementes selbst kennzeichnet. Elemente mit gleicher Nummer (YY) sind in den verschiedenen Ausführungsbeispielen gleicher oder ähnlicher Natur und werden, um eine verbesserte Lesbarkeit und Verständlichkeit der nun folgenden Beschreibung zu erreichen, nur bei ihrer ersten Verwendung ausführlich beschrieben. Elemente oder funktionale Einheiten der dargestellten Ausführungsbeispiele sind untereinander austauschbar und entsprechende Kombinationen sind hier explizit mit eingeschlossen.The reference numerals used in the figures are composed of three digits (XYY), wherein the first digit (X) designates the embodiment and the second and third digits (YY) designate the number of the element itself. Like-numbered (YY) elements are the same or similar in nature in the various embodiments, and will be described in detail only upon their first use in order to provide improved readability and intelligibility of the description which follows. Elements or functional units of the illustrated embodiments are interchangeable and corresponding combinations are explicitly included here.
Einleitend die Beschreibung der Ausführungsbeispiele sei ausdrücklich hervorgehoben, dass der erfin- dungsgemäße Wärmeleitkörper hinsichtlich der Lage der Anbindungsfläche zur Aufnahme- beziehungsweise Kontaktfläche nicht auf eine bestimmte Anordnung beschränkt ist. Des weiteren sind als längliche Kanäle ausgebildete Teile der Kanalstruktur weder auf eine bestimmte Orientierung der Kanallängsachsen bezüglich der Aufnahme- beziehungsweise Kontaktfläche noch auf eine bestimmte Erstreckung ihrer Ausdehnung insbesondere in Längsrichtung noch auch auf eine bestimmte Lage außerhalb des Wärme- quellenprojektionsvolumens im Wärmeleitkörper beschränkt. Schließlich sind auch Einlass- und Auslassöffnungen zur Kühlmittelversorgung der Kanalstruktur hinsichtlich ihrer Lage zueinander und bezüglich der Aufnahme- beziehungsweise Kontaktfläche nicht auf eine bestimmte Konfiguration festgelegt. Zur Veranschaulichung dieser erfindungsinhärenten Universalität möge ein Wärmeleitkörper dienen, der als Quader mit sechs Außenflächen - einem Paar von zwei einander gegenüberliegenden oberen und unteren Hauptflächen, einem Paar von zwei einander gegenüberliegenden Front- und Rückflächen, und einem Paar von zwei einander gegenüberliegenden linken und rechten Seitenflächen - ausgebildet ist, wobei jeweils ein erstes Flächenpaar senkrecht zu den beiden anderen Flächenpaaren orientiert ist: Die Anbindungsfläche kann auf derselben Fläche des Quaders angeordnet sein wie die Aufnahmefläche, auf einer ihr gegenüberliegenden Fläche oder einer winklig zu ihr orientierten Fläche. Sie kann auf einer oder auf mehreren Flächen liegen.By way of introduction, the description of the exemplary embodiments is expressly emphasized that the thermal conduction body according to the invention is not limited to a specific arrangement with regard to the position of the connection surface to the receiving or contact surface. Furthermore, formed as elongated channels parts of the channel structure are limited neither to a specific orientation of the channel longitudinal axes with respect to the receiving or contact surface nor to a certain extent of their extension, especially in the longitudinal direction even to a certain location outside the heat source projection volume in the heat conducting body. Finally, inlet and outlet openings for supplying coolant to the channel structure are also not fixed to a specific configuration with regard to their position relative to one another and with respect to the receiving surface or contact surface. To illustrate this universality inherent in the invention, a heat conduction body serving as a cuboid having six outer surfaces - a pair of two opposing upper and lower major surfaces, a pair of two opposing front and rear surfaces, and a pair of two opposing left and right side surfaces - Is formed, wherein in each case a first surface pair is oriented perpendicular to the other two surface pairs: The attachment surface can be arranged on the same surface of the cuboid as the receiving surface, on a surface opposite her or an angularly oriented to her surface. It can be on one or more surfaces.
Die Kanallängsachsen können parallel zur einer Normalen jeder der drei Flächenpaare ausgerichtet sein, einzeln oder abschnittsweise auch parallel zu zwei oder mehr Normalen der drei Flächenpaare. Die Kanallängsachsen können auch parallel zu einer oder mehreren, zu allen drei Fächenpaarnormalen geneigten, Richtung beziehungsweise Richtungen orientiert sein sowie teilweise oder gänzlich regellos. Liegt bei einer zumindest näherungsweise parallelen Anordnung der Kontaktfläche zur Aufnahmefläche die Aufnahmefläche nicht bündig mit wenigstens einer Kante zweier Flächen, so ist prinzipiell jeder Bereich des Wärmeleitkörpers außerhalb der Wärmequellenprojektion geeignet, wenigstens einen Teil der Kanalstruktur zu enthalten. Sei ohne der Beschränkung der Allgemeinheit die Aufnahmefläche auf der oberen Hauptfläche abseits einer Kante mit einer benachbarten Fläche angeordnet, so erstreckt sich die Wärmequellenprojektion von der oberen zur unteren Hauptfläche durch den Wärmeleitkörper, und die Kanalstruktur kann zumindest abschnittsweise zwischen der Wärmequellenprojektion und wenigstens einer der Flächen Frontfläche, Rückfläche, linke Seitenfläche und rechte Seitenfläche liegen. Alternativ oder optional kann die Kanalstruktur auch abseits der Wärmeleitkörperbereiche, die in kreuzartiger Aufweitung der Erstreckung des Wärmequellenprojektionsvolumens in Richtung der genannten Flächen Frontfläche, Rückfläche, linke Seitenfläche und rechte Seitenfläche liegen im Wärmeleitkörper angeordnet sein.The channel longitudinal axes may be aligned parallel to a normal of each of the three pairs of faces, individually or in sections, also parallel to two or more normals of the three pairs of faces. The channel longitudinal axes may also be oriented parallel to one or more, inclined to all three Fächenpaarnormalen, direction or directions as well as partially or completely random. If, in an at least approximately parallel arrangement of the contact surface to the receiving surface, the receiving surface is not flush with at least one edge of two surfaces, then in principle any region of the heat conducting body outside the heat source projection is suitable for containing at least part of the channel structure. Without limiting the generality, if the receiving surface is located on the upper major surface apart from an edge having an adjacent surface, the heat source projection extends from the upper to lower major surface through the heat conducting body, and the channel structure at least in sections between the heat source projection and at least one of the surfaces Front surface, back surface, left side surface and right side surface lie. Alternatively or optionally, the channel structure can also be located away from the heat-conducting body regions, which in a cross-like widening of the extent of the heat source projection volume in the direction of said surfaces Front surface, rear surface, left side surface and right side surface are arranged in the heat conducting body.
Einlass- und Auslassöffnung können auf ein- und derselben Außenfläche des Quaders angeordnet sein oder auf unterschiedlichen, einander gegenüberliegenden oder winklig zu einander orientierten Flächen. Sie können auf derselben Fläche angeordnet sein sowohl wie die Aufnahmefläche als auch wie die An- bindungsfläche, sowie auf einer der Aufnahmefläche beziehungsweise der Anbindungsfläche gegenüberliegenden oder auf einer oder zwei zu der Aufnahmefläche beziehungsweise der Anbindungsfläche winklig orientierten Fläche beziehungsweise Flächen. Insbesondere kann eine oder können beide Öffnungen in der Anbindungsfläche angeordnet sein.Inlet and outlet ports may be disposed on one and the same outer surface of the cuboid or on different, opposite or angled surfaces that are oriented toward each other. They can be arranged on the same surface both as the receiving surface and as the attachment surface, as well as on one or more of the receiving surface or the attachment surface or on one or two surfaces or surfaces oriented at an angle to the receiving surface or the attachment surface. In particular, one or both openings may be arranged in the connection surface.
Einen Ausschnitt aus der Vielfalt der möglichen Konfigurationen reflektieren die in Fig. 1a bis Fig. 1k' gezeigten skizzenhaften Draufsichten (ungestrichen), Seitenansichten (einfach angestrichen) und Frontansichten (zweifach angestrichen) verschiedener Varianten von Ausführungsbeispielen der Wärmeleitkörper in einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung mit einem kantenemittierenden Laserdio- denbarren als Wärmequelle. Sie veranschaulichen eine Vielzahl von Anordnungen, die die Kontaktflächen, Aufnahmeflächen und Anbindungsflächen untereinander und bezüglich der Kanalstruktur einnehmen können, sowie die vielfältigen Ausgestaltungen und Anordnungen von Kanalstrukturen in Wärmeleitkörpern.A detail of the variety of possible configurations is reflected in the sketchy plan views (uncoated), side views (simply painted) and front views (two-stroke) of different variants of exemplary embodiments of the heat conduction bodies in a heat transfer device according to the invention with an edge emitting view shown in FIGS. 1 a to 1 k ' Laser diode bar as heat source. They illustrate a variety of arrangements that can take the contact surfaces, receiving surfaces and bonding surfaces with each other and with respect to the channel structure, and the various configurations and arrangements of channel structures in Wärmeleitkörpern.
Beispielhaft werden zum Zwecke der besseren Übersichtlichkeit nur in den Fig. 1a und 1a' Bezugszeichen verwendet, die mit 110 das kariert schraffierte dargestellte Laserdiodenelement bezeichnen, mit 113 den Richtungspfeil der Lichtemission, mit 120 den Wärmeleitkörper, mit 122 die gepunktet dargestellte Wärmequellenprojektion im Wärmeleitkörper, mit 123 mögliche, durch einen dicken Balken dargestellte, Anbindungsflächen zur stoffschlüssigen Befestigung eines Wärmeabfuhrkörpers, mit 130 die gestrichelten Umrisse eine oder mehrerer Kanäle der erfindungsgemäßen Kanalstruktur. Des weiteren wird auf eine Darstellung von möglichen oder gegebenenfalls unerlässlichen Zu- und Abläufen sowie Ein- und Auslässen verzichtet, um den Schwerpunkt auf die wesentlichen Aspekte der folgenden Varianten zu legen. In den Fig. 1b bis Fig. 1k' ist die Lichtemission bei Seitenan- und Draufsichten stets nach links gerichtet und bei Frontansichten aus der Zeichnungsebene in Richtung des Betrachters. Während in Fig. 1a und 1a' nur ein einziger Kanal, der parallel zur Kontaktfläche und senkrecht zur Lichtemissionsrichtung orientiert ist, im Wärmeleitkörper angeordnet ist, sind in den Folgefiguren 1b bis 1k' stets mehrere, zueinander parallele Kanäle im Wärmeleitkörper angeordnet. Während in Fig. 1a und 1a' nur zwei Anbindungsflächen zur stoffschlüssigen Verbindung mit einem oder mehreren Wärmeabfuhrkörpern eingezeichnet sind - nämlich eine erste Anbindungsfläche, die auf der dem Laserdiodenbarren gegenüberliegenden Unterseite des Wärmeleitkörpers angeordnet ist, und eine zweite Anbindungsfläche, die auf einer der Lichtemissionsrichtung abgewandten Rückseite des Wärmeleitkörpers senkrecht zur Kontaktfläche beziehungsweise parallel zur Lichtaustrittsfläche angeordnet ist, - , sind in den Folgefiguren 1b bis 1k' auch weitere Anbindungsflächen veranschaulicht, die beispielsweise an einer in Lichtemissionsrichtung liegenden Frontseite des Wärmeleitkörpers angeordnet sein können, sowie auf einer der Anbindungsfläche zugewandten Oberseite des Wärmeleitkörpers, auf einer bezüglich der Lichtemissionsrichtung linken Seitenfläche des Wärmeleitkörpers und auf einer bezüglich der Lichtemissionsrichtung rechten Seitenfläche des Wärmeleitkörpers, wobei beide Seitenflächen sowohl senkrecht zur Ober- und Unterseite des Wärmeleitkörpers ausgerichtet sind als auch senkrecht zur Front- und Rückseite des Wärmeleitkörpers.By way of example, for the sake of clarity, reference numerals are used only in FIGS. 1a and 1a ', 110 designating the checkered shaded laser diode element, 113 the directional arrow of the light emission, 120 the heat conducting body, 122 the heat source projection shown dotted in the heat conducting body, with 123 possible, represented by a thick bar, connecting surfaces for cohesive attachment of a heat sink, with the dashed outlines one or more channels of the channel structure according to the invention. Furthermore, a presentation of possible or possibly indispensable inflows and outflows as well as inlets and outlets is dispensed with in order to focus on the essential aspects of the following variants. In FIGS. 1b to 1k ', the light emission is always directed to the left in the case of side and top views, and in the case of front views from the plane of the drawing in the direction of the viewer. While in Fig. 1a and 1a 'only a single channel, which is oriented parallel to the contact surface and perpendicular to the light emission direction, is arranged in the heat conducting body, in the follower figures 1b to 1k' always several, mutually parallel channels in the heat conducting body. While in Fig. 1a and 1a 'only two connection surfaces for cohesive connection with one or more heat dissipation bodies are located - namely a first connection surface, on the The underside of the heat conduction body opposite the laser diode bar is arranged, and a second connection surface, which is arranged perpendicular to the contact surface or parallel to the light exit surface on a rear side of the heat conduction body facing away from the light emission direction, are also illustrated in the following figures 1b to 1k ', further connection surfaces, for example can be arranged on a front side of the heat conduction body lying in the light emission direction, and on a top surface of the heat conduction body facing the connection surface, on a side surface of the heat conduction body which is on the left relative to the light emission direction and on a side surface of the heat conduction body which is on the right with respect to the light emission direction, both side surfaces being perpendicular to the top side. and underside of the heat conducting body are aligned as well as perpendicular to the front and back of the Wärmeleitkörpers.
Fig. 1b zeigt einen Wärmeleitkörper, in dem eine Vielzahl von Kanälen mit ihren Längsachsen parallel zu einander und parallel zur Lichtemissionsrichtung im Wärmeleitkörper angeordnet sind.Fig. 1b shows a heat conducting body in which a plurality of channels are arranged with their longitudinal axes parallel to each other and parallel to the light emission direction in the heat conducting body.
Fig. 1c zeigt einen Wärmeleitkörper, in dem eine Vielzahl von Kanälen mit ihren Längsachsen parallel zu einander, parallel zur Laserbarrenbreitenrichtung, das heißt: parallel zur Kontaktfläche und senkrecht zur Lichtemissionsrichtung, im Wärmeleitkörper angeordnet sind.Fig. 1c shows a heat conducting body in which a plurality of channels with their longitudinal axes parallel to each other, parallel to the laser bar width direction, that is: parallel to the contact surface and perpendicular to the light emission direction, are arranged in the heat conducting body.
Die Fig. 1b' und 1c' zeigen, dass es in der Seitenansicht verschiedene Möglichkeiten gibt, diese Kanäle auszuführen. So können sie als zumindest abschnittsweise verschließbare Kühlrippen sowohl in die O- berseite des Wärmeleitkörpers als auch in die Unterseite des Wärmeleitkörpers eingebracht werden, in eine einzelne Lage oder in mehreren Lagen vollständig in den Wärmeleitkörper eingebracht werden, oder sich durchgängig von der Oberseite zur Unterseite des Wärmeleitkörpers erstrecken.FIGS. 1b 'and 1c' show that there are various possibilities in side view to execute these channels. Thus, they can be introduced as at least partially closable cooling fins both in the O- side of the Wärmeleitkörpers and in the underside of the Wärmeleitkörpers, are completely introduced into a single layer or in multiple layers in the heat conducting body, or continuously from the top to bottom of the Extend Wärmeleitkörpers.
Beispiele für die Integration eines Zwischenkörpers in die stoffschlüssige Verbindung von Wärmeleitkörper und Laserdiodenbarren zeigen die Figuren 1d bis 1e'. Wie beiden Ansichten zu entnehmen ist, liegen die Kontaktfläche des Laserdiodenbarrens und die Anbindungsfläche des Wärmeleitkörpers senkrecht zueinander, was dazu führt, das die Wärmequellenprojektion vollständig außerhalb des Wärmeleitkörpers im Zwischen körper angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist in so einer Anordnung die Lage der Kanalstruktur im Wärmeleitkörper beliebig, wobei speziellen Ausführungsvarianten je nach Bedarf der Vorrang eingeräumt werden kann. Wie in der Draufsicht von Fig. 1d dargestellt ist, können eine Vielzahl von Kanälen mit ihren Längsachsen parallel zu einander und parallel zur Lichtemissionsrichtung im Wärmeleitkörper angeordnet sein. Die Seitenansichten in Fig. 1d' zeigen, dass verschiedene Kanallagen übereinander in Richtung senkrecht zur Kontaktfläche gestapelt werden können, wobei ein Wärmeleitungsbereich im Wärmeleitkörper von Kanä- len ausgespart bleiben kann, der durch eine Projektion der Aufnahmefläche senkrecht zur rückseitigen Anbindungsfläche definiert wird.Examples of the integration of an intermediate body in the cohesive connection of the heat conducting body and the laser diode bars are shown in FIGS. 1d to 1e '. As can be seen from both views, the contact surface of the laser diode bar and the connection surface of the heat conducting body are perpendicular to each other, which leads to the heat source projection are arranged completely outside of the heat body in the intermediate body. According to the invention, the position of the channel structure in the heat-conducting body is arbitrary in such an arrangement, with special variants being able to be given priority as needed. As shown in the plan view of Fig. 1d, a plurality of channels may be arranged with their longitudinal axes parallel to each other and parallel to the light emission direction in the heat conducting body. The side views in FIG. 1 d 'show that different channel layers can be stacked one above the other in the direction perpendicular to the contact surface, with a heat conduction region in the heat conduction body of the can be left out, which is defined by a projection of the receiving surface perpendicular to the rear attachment surface.
Die Draufsicht von Fig. 1e zeigt zwei Gruppen mit jeweils einer Vielzahl von Kanälen, die mit ihren Längsachsen parallel zueinander und senkrecht zur Kontaktfläche im Wärmeleitkörper angeordnet sind. Dabei bleibt eine gegen die Lichtemissionsrichtung bis zur rückseitigen Anbindungsfläche ausgedehnte Wärmequellenprojektion frei von Kanälen, so dass sich eine ungehinderte Wärmeleitung von der Aufnahmefläche zur Anbindungsfläche ergibt.The plan view of Fig. 1e shows two groups, each with a plurality of channels, which are arranged with their longitudinal axes parallel to each other and perpendicular to the contact surface in the heat conducting body. In this case, a heat source projection which is extended against the light emission direction as far as the rear attachment surface remains free of channels, so that unimpeded heat conduction from the receiving surface to the attachment surface results.
Die Seitenansichten in Fig. 1e' zeigen, dass die Kanäle in den Wärmeleitkörper eingebettet sein können, oder aber sich von der Oberseite zur Unterseite durchgehend erstrecken können.The side views in Fig. 1e 'show that the channels may be embedded in the heat-conducting body, or may extend continuously from the top to the bottom.
Die Fig. 1f bis 1g' zeigen die Anordnung von jeweils zwei Kanälen, die übereinander in einem dem Laserdiodenelement in Lichtemissionsrichtung vorgelagerten Bereich oder Vorsprung des Wärmeleitkörpers angeordnet sind. Die Anordnung der Fig. 1f und 1f ' unterscheiden sich von der Anordnung der Fig. 1g und 1g' dadurch, dass im ersten Fall der Wärmeleitkörper mit einer Stufe ausgeformt ist, die sich über einen Absatz hinter dem Vorsprung erhebt und die Aufnahmeflächen umfasst, während im zweiten Fall ein den Laserdiodenbarren tragender Zwischenkörper in einem ausreichenden Abstand von der frontseitigen Stirnfläche auf der Aufnahmefläche des Wärmeleitkörpers befestigt ist.1f to 1g 'show the arrangement of two channels each, which are arranged one above the other in a laser diode element in the light emission direction upstream region or projection of the heat conducting body. The arrangement of Figs. 1f and 1f 'differ from the arrangement of Figs. 1g and 1g' in that in the first case, the heat conducting body is formed with a step which rises above a shoulder behind the projection and the receiving surfaces, while in the second case, an intermediate body carrying the laser diode bars is fastened on the receiving surface of the heat conduction body at a sufficient distance from the front end face.
Die Fig. 1h bis 1i" zeigen die Anordnung von Kanälen beiderseits der Wärmequellenprojektion, wobei die Kanäle links und rechts bezüglich der Lichtemissionsrichtung im Wärmeleitkörper angeordnet sind. In Fig. 1h beziehungsweise 1h" sind jeweils zwei Kanäle parallel zu einander und parallel zur Lichtemissionsrichtung im Wärmeleitkörper angeordnet. In Fig. 1i beziehungsweise 1i" sind jeweils eine Gruppe von Kanälen mit ihren Längsachsen parallel zueinander und senkrecht zur Kontaktfläche im Wärmeleitkörper angeordnet und erstrecken sich durchgehend von der Oberseite zur Unterseite.1h to 1i "show the arrangement of channels on both sides of the heat source projection, wherein the channels are arranged on the left and right with respect to the light emission direction in the heat conduction body .. In Fig. 1h or 1h" two channels are parallel to each other and parallel to the light emission direction in the heat conducting body arranged. In Fig. 1i and 1i "are each a group of channels with their longitudinal axes parallel to each other and arranged perpendicular to the contact surface in the heat conducting body and extending continuously from the top to the bottom.
Wie die Fig. 1j bis 1k' zeigen, können auch komplexere Kanalstrukturen im Wärmeleitkörper angeordnet sein, beispielsweise solche, die Merkmale der in den Figuren 1f bis 1g' dargestellten Kanalstrukturen mit Merkmalen der in Fig. 1h bis 1i" dargestellten Kanalstrukturen verbinden.As FIGS. 1j to 1k 'show, more complex channel structures may also be arranged in the heat conduction body, for example those which connect features of the channel structures shown in FIGS. 1f to 1g' to features of the channel structures illustrated in FIGS. 1h to 1i ".
So erstrecken sich in dem in Fig. 1j und 1j' dargestellten Beispiel zwei übereinander liegende U-förmige Kanäle um die Wärmequellenprojektion herum, wobei der Mittelschenkel der Kanäle im Bereich eines Vorsprungs des Wärmeleitkörpers gegenüber dem Laserdiodenbarren liegt. In dem in Fig. 1k und 1k' dargestellten Beispiel erstreckt sich die Kanalstruktur fast vollständig um die Wärmequellenprojektion herum, wobei im Zentralbereich des Vorsprung eine Umkehr des Kühlmittelflusses vorgesehen ist, die es gestattet, zum einen die Kanäle über zwei außermittig angeordnete Zu- und Ablauföffnungen an einen Kühlmittelkreislauf anzuschließen und zum anderen den Kühlmittelfluss strömungstechnisch weitgehend symmetrisch zur Wärmequelle auszubilden, so dass der Laserdiodenbarren im Betrieb keine nennenswerte Temperaturdifferenz zwischen seiner linken und rechten Seite erfährt, wie dies im Gegensatz dazu im vorangegangen Beispiel möglich ist.Thus, in the example shown in FIGS. 1j and 1j, two superimposed U-shaped channels extend around the heat source projection with the center leg of the channels being in the region of a projection of the heat conducting body opposite the laser diode bar. In the example illustrated in FIGS. 1k and 1k ', the channel structure extends almost completely around the heat source projection, with a reversal of the coolant flow being provided in the central region of the projection which allows the channels to be connected via two off-center ports To connect drainage openings to a coolant circuit and on the other hand, the flow of fluid largely fluidly form symmetrically to the heat source, so that the laser diode in operation no appreciable temperature difference between its left and right side undergoes, as is possible in contrast to the previous example.
Fig. 11 zeigt die skizzenhafte Darstellung der Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvorrichtung mit einem Wärmeleitkörper 120 und einem Halbleiterbauelement 110 als Wärmequelle, wobei das Halbleiterbauelement 110 - hier ein kantenemittierender Laserdiodenbarren - an der Kante der Frontseite des Wärmeleitkörpers 120 angeordnet ist. Die Lichtemissionsrichtung des Laserdiodenbarrens ist durch einen Pfeil 113 verdeutlicht. Zudem wird durch das Bezugszeichen 112 die dem Wärmeleitkörper 120 abgewandte Kontaktfläche des Halbleiterelements 110 gezeigt.11 shows a sketch of the side view of a first exemplary embodiment of the heat transfer device with a heat conducting body 120 and a semiconductor component 110 as the heat source, wherein the semiconductor component 110 - here an edge emitting laser diode bar - is arranged on the edge of the front side of the heat conducting body 120. The light emission direction of the laser diode bar is illustrated by an arrow 113. In addition, the contact surface of the semiconductor element 110 facing away from the heat-conducting body 120 is shown by reference numeral 112.
Im hinteren, das heißt bezüglich des Laserdiodenbarrens entgegen der Lichtemission liegenden, Bereich des Wärmeleitkörpers 120 ist eine erste Kanalstruktur 130 ausgebildet, die einen ersten Zulauf 141 und einen ersten Ablauf 151 aufweist. Die Kanalstruktur 130 ist hierbei als Mikrokanalstruktur ausgebildet. Auf einer, dem Laserdiodenbarren zugewandten, Oberseite des Wärmeleitkörpers 120 ist eine Zulauföffnung 140 zur Aufnahme eines Kühlmittels ausgebildet, wodurch das Kühlmittel der ersten Kanalstruktur 130 zuleitbar ist. Gleichermaßen ist eine Ablauföffnung 150 mit dem ersten Ablauf 151 gekoppelt, um das Kühlmittel aus der ersten Kanalstruktur 130 abzuleiten. Die der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite des Wärmeleitkörpers 120 bildet eine Anbindungsfläche 123 aus, die es bei einem konduktiven Wärmeübergang gestattet, die Wärme an einen dort befestigbaren Wärmeabfuhrkörper (vgl. Fig. 4a/ b und 5I) beziehungsweise an einen Wärmeaufnahmekörper einer den Wärmeabfuhrkörper enthaltenden Wärmeabfuhrvorrichtung abzugeben (vgl. Fig. 7c).In the rear region, that is to say of the laser diode bar opposite to the light emission, of the heat-conducting body 120, a first channel structure 130 is formed which has a first inlet 141 and a first outlet 151. The channel structure 130 is in this case designed as a microchannel structure. On an upper side of the heat-conducting body 120 facing the laser diode bar, an inlet opening 140 is formed for receiving a coolant, whereby the coolant of the first channel structure 130 can be fed. Likewise, a drain port 150 is coupled to the first drain 151 to drain the coolant from the first channel structure 130. The underside of the heat-conducting body 120 opposite the upper side forms a connection surface 123, which allows the heat to be transferred to a heat-removal body fastened there (see Figures 4a / b and 5I) or to a heat-absorbing body of a heat-removal device containing the heat-removal body (see Fig. 7c).
Die Wärmequellenprojektion 122 des Halbleiterbauelements 110 senkrecht zu seiner Kontaktfläche ist - wie durch die gestrichelte Begrenzungslinie verdeutlicht wird - im vorderen Bereich des Wärmeleitkörpers 120 unterhalb des Halbleiterbauelements 110 angeordnet. Im Projektionsvolumen selbst sind keine Kanalstrukturen ausgebildet, und der Wärmeleitkörper 120 ist im Bereich der Wärmequellenprojektion zur Reduzierung des thermischen Widerstands ohne einen Hohlraum und aus einem einzigen Stück ausge- bildet.The heat source projection 122 of the semiconductor component 110 perpendicular to its contact surface is - as is illustrated by the dashed boundary line - arranged in the front region of the heat conducting body 120 below the semiconductor device 110. In the projection volume itself, no channel structures are formed, and the heat conduction body 120 is formed in the region of the heat source projection for the reduction of the thermal resistance without a cavity and from a single piece.
Der beschriebene Wärmeleitkörper 120 gestattet es, durch ein Kühlmittel, das durch die erste Kanalstruktur 130 fließt, die Wärme des Halbleiterbauelements 110 konvektiv abzuleiten. Alternativ ist der Wärmeleitkörper 120 mit oder ohne einen vermittelnden Wärmeaufnahmekörper (vgl. Fig. 7c) konduktiv durch einen angeschlossenen Wärmeabfuhrkörper kühlbar. Beide Wärmeabfuhrvarianten sind gleichzeitig oder einzeln einsetzbar und gestatten somit einen besonders flexiblen Einsatz des Wärmeleitkörpers 120 in der Wärmeübertragungsvorrichtung.The described heat conducting body 120 makes it possible to convectively dissipate the heat of the semiconductor component 110 by means of a coolant flowing through the first channel structure 130. Alternatively, the heat-conducting body 120 is conductively conductive with or without a mediating heat-absorbing body (see Fig. 7c) a connected heat dissipation body coolable. Both heat dissipation variants can be used simultaneously or individually and thus allow a particularly flexible use of the heat conducting body 120 in the heat transfer device.
In Fig. 1m wird die skizzenhafte Darstellung der Draufsicht des ersten Ausführungsbeispieles gezeigt. Die Vielzahl der ersten Kanalstrukturen 130 ist hierbei so ausgebildet, dass die Zuleitung des Kühlmittels in den ersten Zulauf 141 der ersten Kanalstruktur 130 durch die gemeinsame Zulauföffnung 140 erfolgt. Hierbei sind die Kanäle der ersten Kanalstruktur 130 parallel angeordnet und durch einen gemeinsamen Zulauf 141 miteinander gekoppelt. Nicht zu sehen ist die gemeinsame Ablauföffnung 150, die ein Ableiten des Kühlmittels gestattet. Auch in Fig. 1b ist die Emissionsrichtung des Laserbarrens durch Pfeile 113 dargestellt. Die Vielzahl der Pfeile verdeutlicht, dass ein Laserdiodenbarren mit mehreren Emittern verwendet wird.In Fig. 1m the sketchy representation of the top view of the first embodiment is shown. The multiplicity of the first channel structures 130 is in this case designed such that the supply of the coolant into the first inlet 141 of the first channel structure 130 takes place through the common inlet opening 140. Here, the channels of the first channel structure 130 are arranged in parallel and coupled together by a common inlet 141. Not visible is the common drain opening 150, which allows a discharge of the coolant. Also in Fig. 1b, the emission direction of the laser bar is represented by arrows 113. The large number of arrows illustrates that a laser diode bar with multiple emitters is used.
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2a und 2b dargestellt, wobei es sich dort bei dem wärmeer- zeugenden Halbleiterbauelement 210 um eine Einzellaserdiode handelt. Fig. 2a zeigt eine skizzenhafte Darstellung der Frontansicht. Das Halbleiterbauelement 210 ist mittig auf dem Wärmeleitkörper 220 aufgebracht, wobei die Einzellaserdiode an der Kante der Frontseite angeordnet ist und die Emissionsrichtung somit aus der Bildebene heraus in Richtung des Betrachters liegt.A second exemplary embodiment is shown in FIGS. 2 a and 2 b, where the heat generating semiconductor component 210 is a single laser diode. Fig. 2a shows a sketchy representation of the front view. The semiconductor component 210 is applied centrally on the heat conducting body 220, wherein the single laser diode is arranged on the edge of the front side and the emission direction thus lies out of the image plane in the direction of the observer.
Zusätzlich zu der ersten Kanalstruktur 230 ist eine zweite Kanalstruktur 231 ausgebildet, die der ersten Kanalstruktur 230 strömungstechnisch parallel zugeschaltet ist. Die zweite Kanalstruktur 231 weist wie die erste Kanalstruktur 230 einen zweiten Zulauf 242 bzw. einen zweiten Ablauf 252 auf, der das Kühlmittel von der Zulauföffnung 240 zu der zweiten Kanalstruktur 231 leitet bzw. von der zweiten Kanalstruktur 231 zur Ablauföffnung 250 leitet.In addition to the first channel structure 230, a second channel structure 231 is formed, which is connected in parallel to the flow of the first channel structure 230. Like the first channel structure 230, the second channel structure 231 has a second inlet 242 or a second outlet 252, which directs the coolant from the inlet opening 240 to the second channel structure 231 or from the second channel structure 231 to the outlet opening 250.
Die Kanalstrukturen 230 und 231 sind links bzw. rechts der Projektion 222 ausgebildet, die gekennzeichnet und begrenzt ist durch die gestrichelten Linien in Fig. 2a. Auch in diesem Wärmeleitkörper 220 verlaufen keine Kanäle oder sonstige Hohlräume im Bereich der Projektion, um den thermischen Widerstand so gering wie möglich zu halten und sich somit die Vorteile der Erfindung zu Nutzen zu machen.The channel structures 230 and 231 are formed on the left and right of the projection 222, which is marked and bounded by the dashed lines in FIG. 2a. Also in this Wärmeleitkörper 220 run no channels or other cavities in the range of the projection in order to keep the thermal resistance as low as possible and thus to take advantage of the invention to take advantage.
Wie in der Draufsicht des zweiten Ausführungsbeispiels in Fig. 2b zu sehen ist, sind die Kanalstrukturen 230, 231 seitlich der Längsseiten der größten lateralen Ausdehnung des Halbleiterelements 210 angeordnet. Die einzelnen Kanäle der jeweiligen Kanalstrukturen 230, 231 sind hierbei parallel zueinander angeordnet und sind bezüglich der Längsachse der größten lateralen Ausdehnung des Halbleiterelements 210 senkrecht ausgerichtet. Die Haupterstreckung der einzelnen Kanäle erfolgt in vertikaler Richtung, so dass das Kühlmittel von oben nach unten fließt.As can be seen in the plan view of the second exemplary embodiment in FIG. 2b, the channel structures 230, 231 are arranged laterally of the longitudinal sides of the largest lateral extent of the semiconductor element 210. The individual channels of the respective channel structures 230, 231 are in this case arranged parallel to one another and, with respect to the longitudinal axis, are the largest lateral extent of the semiconductor element 210 aligned vertically. The main extension of the individual channels takes place in the vertical direction, so that the coolant flows from top to bottom.
Die ersten und zweiten Zuläufe 241 und 242 der ersten und zweiten Kanalstrukturen 230 und 231 sind miteinander gekoppelt, so dass über die einzige Zulauföffnung 240 Kühlflüssigkeit zugeleitet wird. Auch die einzige Ablauföffnung 250 ist ausreichend, um Kühlflüssigkeit aus den ersten und zweiten Abläufen 251 und 252 abzuleiten.The first and second inlets 241 and 242 of the first and second channel structures 230 and 231 are coupled together, so that via the single inlet opening 240 cooling liquid is supplied. Also, the single drain opening 250 is sufficient to drain cooling liquid from the first and second drains 251 and 252.
Fig. 3a und 3b zeigen zwei Ansichten einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß einem dritten Ausfüh- rungsbeispiel zur Kühlung von drei Halbleiterbauelementen 310, hier Leuchtdioden, von denen eine erste im blauen Spektralbereich, eine zweite im grünen Spektralbereich und eine dritte im roten Spektralbereich emittiert. Die Lichtemissionsrichtungen sind durch die drei Pfeile 313 angezeigt. Zur getrennten elektrischen Ansteuerung sind die drei Leuchtdioden über elektrisch von einander getrennte, metallische Leiterzüge 324 auf einen elektrisch isolierenden Grundkörper 325 aufgebracht, der zusammen mit den Leiter- zügen 324 und 326 den Wärmeleitkörper 320 bildet und zwei Kanalstrukturen 330 und 331 , hier Mikroka- nalstrukturen, aufweist.3a and 3b show two views of a heat transfer device according to a third exemplary embodiment for cooling three semiconductor components 310, in this case light-emitting diodes, of which a first emits in the blue spectral range, a second in the green spectral range and a third in the red spectral range. The light emission directions are indicated by the three arrows 313. For separate electrical actuation, the three light-emitting diodes are applied via electrically separated base conductors 325 to an electrically insulating base body 325 which together with the conductor tracks 324 and 326 forms the heat conducting body 320 and two channel structures 330 and 331, in this case microchannel structures , having.
Nicht bezeichnete Bonddrähte bilden eine elektrische Verbindung der von dem Wärmeleitkörper 320 abgewandten elektrischen Kontaktflächen 312 der Leuchtdioden mit den elektrischen Leiterzügen 326 aus, während die dem Wärmeleitkörper 320 zugewandten Kontaktflächen direkt auf den elektrischen Leiterzügen 324 aufliegen.Non-designated bonding wires form an electrical connection of the electrical contact surfaces 312 of the light emitting diodes facing away from the heat conducting body 320 with the electrical conductor tracks 326, while the contact surfaces facing the heat conducting body 320 rest directly on the electrical conductor tracks 324.
Diese Anordnung ist beispielsweise als Lichtquelle für Videoprojektoren geeignet, die sich je nach Auswahl der Wärmeabfuhrmethode in zwei unterschiedlichen Klassen der Lichtstärke betreiben lassen. In einer Gruppe mit einer niedrigen Lichtstärke ist die an der Anbindungsfläche 323 angeschlossene (nicht dargestellte) Wärmeabfuhrvorrichtung als Wärmesenke verwendbar, in der die Wärme zuvor über einen Wärmeaufnahmekörper gespreizt und direkt oder über ein Peltiermodul in einen Rippenkühler geführt wird, der die Wärme an vorbeiströmende Umgebungsluft abgibt. Bei einer hohen Lichtstärke ist der Wärmeleitkörper 320 als Wärmesenke unter konvektiver Abgabe der Wärme an ein durch die Mikrokanäle zirkulierendes flüssiges Kühlmedium verwendbar.This arrangement is suitable for example as a light source for video projectors, which can be operated depending on the choice of heat dissipation method in two different classes of light intensity. In a group with a low light intensity, the heat removal device (not shown) connected to the connection surface 323 can be used as a heat sink, in which the heat is previously spread over a heat absorption body and passed directly or via a Peltier module into a fin cooler, which transfers the heat to passing ambient air emits. At a high light intensity, the heat-conducting body 320 can be used as a heat sink with convective release of the heat to a liquid cooling medium circulating through the microchannels.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel, von dem eine erste Variante in den Fig. 4a und 4b dargestellt ist, ist das wärmeerzeugende Halbleiterbauelement 410 ein Laserdiodenbarren. Die Fig. 4a zeigt den mittigen Querschnitt durch eine Explosionsdarstellung einer Diodenlaserkomponente 415 und Fig. 4b zeigt die Diodenlaserkomponente 415 in Querschnittsansicht im montierten Zustand. Die Kühlmittelzufuhr und - abfuhr in den bzw. aus dem Wärmeleitkörper 420 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über einen Anschlusskörper 480, der auf der dem Laserdiodenelement zugewandten Seite des Wärmeleitkörpers 420 befestigt ist.In a fourth embodiment, of which a first variant is shown in FIGS. 4a and 4b, the heat-generating semiconductor component 410 is a laser diode bar. FIG. 4a shows the central cross section through an exploded view of a diode laser component 415 and FIG. 4b shows the FIG Diode laser component 415 in cross-sectional view in the assembled state. In this exemplary embodiment, the coolant supply and removal into and out of the heat-conducting body 420 takes place via a connection body 480, which is fastened on the side of the heat-conducting body 420 facing the laser diode element.
Der Wärmeleitkörper 420 ist eine Mikrokanalwärmesenke, die durch das Verbinden von fünf Lagen Kupfer hergestellt ist. Der Laserdiodenbarren ist mit Indiumlot an der Kante zur Frontseite des Wärmeleitkörpers 420 befestigt. Ferner ist eine Isolierplatte 460 direkt auf der dem Halbleiterbauelement 410 zugewandten Seite des Wärmeleitkörpers 420 abseits des Halbleiterbauelements 410 am Wärmeleitkörper 420 befes- tigt. Bei der Isolierplatte 460 handelt es sich um eine Polyimidfolie, die einen direkten Stromfluss zwischen dem Wärmeleitkörper 420 und dem Anschlusskörper 480 unterbindet. Zusätzlich wird ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement 470 zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauelements 410 auf der dem Wärmeleitkörper 420 abgewandten Kontaktfläche 412 des Halbleiterbauelements 410 verwendet. Das elektrische Kontaktelement 470 ist ein Kupferblechstreifen, der mit elektrisch leitfähigem Klebstoff am Laserdiodenbarren befestigt ist.The heat conducting body 420 is a microchannel heat sink made by joining five layers of copper. The laser diode bar is attached with indium solder at the edge to the front side of the heat conducting body 420. Furthermore, an insulating plate 460 is fastened directly on the side of the heat conduction body 420 facing the semiconductor component 410 away from the semiconductor component 410 on the heat conduction body 420. The insulating plate 460 is a polyimide film that prevents direct current flow between the heat conducting body 420 and the terminal body 480. In addition, an electrically conductive contact element 470 for electrically contacting the semiconductor component 410 on the heat conducting body 420 facing away from the contact surface 412 of the semiconductor device 410 is used. The electrical contact element 470 is a copper sheet strip, which is attached to the laser diode bar with electrically conductive adhesive.
Der Anschlusskörper 480 ist auf dem Kontaktelement 470 angeordnet und ist aus einem elektrisch isolierenden Grundkörper 482 ausgebildet. Eine elektrische Schicht 483 auf dem elektrisch isolierenden Grundkörper 482 ist ein fertigungstechnischer Bestandteil des Anschlusskörpers 480 und bildet einen elektrischen Kontakt mit dem elektrisch leitfähigen Kontaktelement 470 aus. Ein erstes Anschlusselement 481 ist zur elektrischen Kontaktierung der elektrischen Schicht 483 des Anschlusskörpers 480, der elektrisch in Verbindung mit dem elektrisch leitfähigen Kontaktelement 470 steht, ausgebildet und gestattet den Anschluss an eine Stromquelle (nicht gezeigt).The connection body 480 is arranged on the contact element 470 and is formed from an electrically insulating base body 482. An electrical layer 483 on the electrically insulating base body 482 is a manufacturing component of the connection body 480 and forms an electrical contact with the electrically conductive contact element 470. A first connection element 481 is designed for electrically contacting the electrical layer 483 of the connection body 480, which is electrically connected to the electrically conductive contact element 470, and allows it to be connected to a current source (not shown).
Ein erstes Kühlmittelanschlusselement 448 ist am Anschlusskörper 480 befestigt und dient zur Aufnahme eines Kühlmittels und zur Zuleitung des Kühlmittels zur Zulauföffnung 440 im Wärmeleitkörper 420. Ein Vorlauf 447 des Anschlusskörpers 480 ist hierbei für die Zuleitung so ausgebildet, dass das Kühlmittel durch einen ersten Kontaktelementdurchbruch 471 und einen ersten Isolierplattendurchbruch 461 in die Zulauföffnung 440 des Wärmeleitkörpers 420 leitbar ist und von dort in die Kanalstruktur 430 weitergelei- tet wird. Ein Einlassdichtring 445 dichtet die Zulauföffnung 440 gegenüber dem vom Anschlusskörper 480 in die Zulauföffnung 440 fließenden Kühlmittel ab.A first coolant connection element 448 is fastened to the connection body 480 and serves to receive a coolant and to supply the coolant to the inlet opening 440 in the heat conduction body 420. A flow 447 of the connection body 480 is configured for the supply line such that the coolant flows through a first contact element opening 471 and a first Isolierplattdurchbruch 461 in the inlet opening 440 of the Wärmeleitkörpers 420 can be conducted and from there into the channel structure 430 weitergelei- tet is. An inlet sealing ring 445 seals the inlet opening 440 from the coolant flowing from the connection body 480 into the inlet opening 440.
Zur Abgabe des Kühlmittels weist der Anschlusskörper 480 ein zweites Kühlmittelanschlusselement 458 auf. Das Kühlmittel wird aus der Kanalstruktur 430 zur Ablauföffnung 450 des Wärmeleitkörpers 420 ge- leitet und von dort durch einen zweiten Isolierplattendurchbruch 462 und einen zweiten Kontaktelement- durchbruch 472 an einen Rücklauf 457 des Anschlusskörpers 480 überführt. Ein Auslassdichtring 455 ist rücklaufseitig zur Abdichtung eingesetzt.For dispensing the coolant, the connection body 480 has a second coolant connection element 458. The coolant is removed from the channel structure 430 to the drain opening 450 of the heat conducting body 420. conducts and from there through a second Isolierplattdurchbruch 462 and a second contact element breakthrough 472 transferred to a return 457 of the connection body 480. An outlet sealing ring 455 is used on the return side for sealing.
Der Wärmeleitkörper 420 ist mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff, der auf die Anbindungsfläche 423 aufgetragen ist, stoffschlüssig an einen elektrisch leitenden Wärmeaufnahmekörper 490 aus Kupfer befestigt, der ein zweites elektrisches Anschlusselement 491 aufweist. Das Anschlusselement 491 ist zur Kontaktierung mit wenigstens einem elektrischen Anschluss einer Stromquelle (nicht gezeigt) ausgebildet, wobei der Anschluss der Stromquelle zum Anschluss einer Stromquelle, die mit dem ersten Anschluss- element 481 gekoppelt ist, gegenpolig ist.The heat-conducting body 420 is adhesively attached to an electrically conductive heat-absorbing body 490 made of copper, which has a second electrical connection element 491, with an electrically conductive adhesive which is applied to the connection surface 423. The connection element 491 is designed to make contact with at least one electrical connection of a current source (not shown), wherein the connection of the current source for connecting a current source, which is coupled to the first connection element 481, is opposite in polarity.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung 415 wird komplettiert durch einen am Wärmeaufnahmekörper 490 befestigte Wärmeabfuhrkörper 498, die eine - nicht dargestellte - Wärmeübertragungsstruktur für eine zur Kanalstruktur im Wärmeleitkörper alternativen oder zusätzlichen konvektiven Wärmeübertragung auf- weist. Im vorliegenden Fall sei diese Wärmeübertragungsstruktur eine Rippenstruktur, die durch ein Gebläse beziehungsweise einem Lüfter mit Umgebungsluft beströmt wird. Der Wärmeübergang vom Wärmeaufnahmekörper 490 zum Wärmeabfuhrkörper 498 wird durch eine zwischen Wärmeaufnahmekörper 490 und Wärmeabfuhrkörper 498 gebrachte elektrisch isolierende Wärmeleitfolie 499 verbessert.The heat transfer device 415 is completed by a heat removal body 498 fastened to the heat absorption body 490, which has a heat transfer structure (not shown) for alternative or additional convective heat transfer to the channel structure in the heat conduction body. In the present case, this heat transfer structure is a rib structure, which is flown through by a fan or a fan with ambient air. The heat transfer from the heat-receiving body 490 to the heat-removal body 498 is improved by an electrically insulating heat-conducting foil 499 placed between the heat-absorbing body 490 and the heat-dissipating body 498.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung gestattet bei diesem vierten Ausführungsbeispiel besonders vorteilhaft den Laserbarren mit Strom zu versorgen. Das erste Anschlusselement 481, das mit einem ersten Anschluss einer Stromquelle gekoppelt ist, ist durch die metallische Schicht 483 und das Kontaktelement 470 elektrisch mit der dem Wärmeleitkörper 420 abgewandten Kontaktfläche 412 des Halbleiterbauelements 410 gekoppelt. Gleichzeitig verhindert die Isolierplatte 460 die elektrische Kontaktierung des Wär- meleitkörpers 420 mit dem Kontaktelement 470. Die dem Wärmeleitkörper 420 zugewandte Kontaktfläche 411 des Halbleiterbauelements 410 ist elektrisch leitend mit dem Wärmeleitkörper 420 gekoppelt. Ebenso ist der Wärmeleitkörper 420 und der Wärmeaufnahmekörper 490 elektrisch leitend ausgebildet und beide sind über das zweite Anschlusselement 491 mit einem zweiten, zum ersten Anschluss gegenpoligen Anschluss einer Stromquelle verbunden. Die Dichtringe 445 und 455 verhindern zusätzlich, dass Strom mit der Kühlflüssigkeit in Berührung kommt.The heat transfer device allows in this fourth embodiment, particularly advantageous to power the laser bar. The first connection element 481, which is coupled to a first connection of a current source, is electrically coupled by the metallic layer 483 and the contact element 470 to the contact surface 412 of the semiconductor component 410 facing away from the heat conduction body 420. At the same time, the insulating plate 460 prevents the electrical contacting of the heat conducting body 420 with the contact element 470. The contact surface 411 of the semiconductor component 410 facing the heat conducting body 420 is electrically conductively coupled to the heat conducting body 420. Likewise, the heat conducting body 420 and the heat receiving body 490 are electrically conductive and both are connected via the second connection element 491 with a second, opposite to the first connection terminal of a power source. The sealing rings 445 and 455 additionally prevent current from coming into contact with the cooling liquid.
Wie durch die gestrichelte Linie gekennzeichnet ist, ist in der Projektion der Grundfläche des Laserbarrens keine Kanalstruktur ausgebildet, wodurch sich das Laserdiodenelement sowohl konvektiv als auch konduktiv kühlen lässt. Die Projektion umfasst insbesondere den Bereich des Wärmeleitkörpers 420, der zwischen der Aufnahmefläche (vgl. Fig. 6a, 5c, 6a und 7a) und dem Halbleiterbauelement 410 liegt. Darüber hinaus weist der Wärmeaufnahmekörper 490 in diesem Bereich ebenfalls keine Kanäle auf, so dass im Falle einer rein konduktiven Kühlung auch hier ein sehr geringer thermischer Widerstand vorzufinden ist.As indicated by the dashed line, no channel structure is formed in the projection of the base of the laser bar, which allows the laser diode element to be cooled both convectively and conductively. The projection comprises in particular the region of the heat conducting body 420, the between the receiving surface (see Fig. 6a, 5c, 6a and 7a) and the semiconductor device 410 is located. In addition, the heat-absorbing body 490 also has no channels in this area, so that in the case of purely conductive cooling, a very low thermal resistance is also to be found here.
Der Wärmeleitkörper 420 vereint eine Reihe von Funktionen in der Wärmeübertragungsvorrichtung. Zum einen gestattet er die konvektive und konduktive Kühlung des Halbleiterbauelements, weist also eine thermische Funktion auf. Gleichzeitig dient er als elektrischer Kontakt und ermöglicht das Zuführen bzw. Abführen von Strom. Und drittens ist der Wärmeleitkörper 420 auch zur Befestigung des Wärmeaufnah- mekörpers 490 verwendbar.The heat conducting body 420 combines a number of functions in the heat transfer device. First, it allows the convective and conductive cooling of the semiconductor device, so has a thermal function. At the same time it serves as an electrical contact and allows the supply or removal of electricity. And thirdly, the heat-conducting body 420 can also be used for fastening the heat-absorbing member 490.
Eine zweite Variante des vierten Ausführungsbeispieles ist in den Fig. 4c und 4d dargestellt. Die zweite Variante unterscheidet sich von der ersten Variante im wesentlichen dadurch, dass die Kühlflüssigkeit nicht über den Anschlusskörper 480 zum Wärmeleitkörper zu- und vom Wärmeleitkörper abgeführt wird, sondern über den Wärmeaufnahmekörper 490. Ein weiterer Unterschied zur ersten Variante besteht darin, dass das elektrisch leitfähige Kontaktelement 470 aus einer Vielzahl von Bonddrähten besteht, die mit ihren ersten Enden an der substratseitigen Kontaktfläche 412 des Laserdiodenbarrens 410 und mit ihren zweiten Enden an einer Metallschicht 467 eines als Schichtkörper 465 ausgebildeten elektrischen Isolationskörpers befestigt sind. Der Schichtkörper 465 besteht aus einer Isolationsschicht 466 aus Aluminium- oxid, die aus mechanischen Symmetriegründen sowohl an ihrer dem Wärmeleitkörper 420 zugewandten Seite mit einer Metallschicht 468 aus Kupfer als auch an ihrer dem Wärmeleitkörper 420 abgewandten Seite mit einer Metallschicht 467 aus Kupfer versehen ist.A second variant of the fourth embodiment is shown in Figs. 4c and 4d. The second variant differs from the first variant essentially in that the cooling liquid is not supplied via the connecting body 480 to the heat conducting body and discharged from the heat conducting body, but via the heat receiving body 490. Another difference from the first variant is that the electrically conductive Contact element 470 consists of a plurality of bonding wires, which are fastened with their first ends to the substrate-side contact surface 412 of the laser diode bar 410 and with their second ends to a metal layer 467 of a formed as a layered body 465 electrical insulation body. The layered body 465 consists of an insulating layer 466 made of aluminum oxide, which, for mechanical reasons of symmetry, is provided with a metal layer 468 made of copper on its side facing the heat-conducting body 420 and with a metal layer 467 made of copper on its side facing away from the heat-conducting body 420.
Die Fig. 5a-l dienen der Veranschaulichung vier verschiedener Varianten eines fünften Ausführungsbei- Spieles der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Reihe von Nuten 530 abseits des Halbleiterbauelementes 510 - hier des Laserdiodenbarrens 510 — in eine, dem Halbleiterbauelement zugewandte und zur Kontaktfläche parallelen Oberfläche des Wärmeleitkörpers 520 eingebracht sind. Die vier verschiedenen Varianten repräsentieren vier unterschiedliche Ausführungsformen derart gekennzeichneter Wärmeleitkörper 520. Speziell stellen die Fig. 5a-d Bauteile einer ersten Variante, die Fig. 5e-f Bauteile einer zweiten Variante, die Fig. 5h-j Bauteile einer dritten Variante, Fig. 5k das Bauteil einer vierten Variante und Fig. 5I die Wärmeübertragungsvorrichtung 515 in einer vierten Variante dar. In allen vier Varianten sind eine Reihe von Nuten 530 in die besagte Oberfläche des Wärmeleitkörpers 520 eingebracht (Fig. 5a, Fig. 5e, Fig. 5h). Die Einbringung kann durch mechanische Bearbeitung wie Sägen oder Fräsen, chemisch durch isotropes oder anisotropes Ätzen oder aber durch Laserschneiden sowie durch Kombinationen der genannten Methoden erzielt werden.5a-l serve to illustrate four different variants of a fifth embodiment of the heat transfer device according to the invention, which is characterized in that a number of grooves 530 away from the semiconductor device 510 - here the laser diode bar 510 - in one, the semiconductor device facing and Contact surface parallel surface of the Wärmeleitkörpers 520 are introduced. The four different variants represent four different embodiments of heat-conducting bodies 520 characterized in this way. Specifically, FIGS. 5a-d represent components of a first variant, FIGS. 5e-f components of a second variant, FIGS. 5h-j components of a third variant, FIG. 5k the component of a fourth variant and FIG. 5I the heat transfer device 515 in a fourth variant. In all four variants, a series of grooves 530 are introduced into the said surface of the heat conducting body 520 (FIGS. 5a, 5e, 5h). The introduction can be achieved by mechanical processing such as sawing or milling, chemically by isotropic or anisotropic etching or by laser cutting and by combinations of the mentioned methods.
In allen vier Varianten wird durch eine im Bereich der Nutenreihe 530 an der Oberfläche des Wärmeleitkörpers 520 befestigte Isolierplatte 560 (Fig. 5b) aus Aluminiumoxid mit zwei Durchbrüchen 561 und 562, die der Nutenreihe 530 abschnittsweise gegenüberliegen, die Nutenreihe 530 zumindest in einem Abschnitt, der dem Bereich zwischen den beiden Durchbrüchen 561 und 562 gegenüberliegt, zu einer ge- schlossenen Kanalstruktur abgedichtet. Dabei sind die Nuten 530 hinsichtlich ihrer Längsachsen parallel zu wenigstens einer Verbindungslinie zwischen den beiden Durchbrüchen 561 und 562 ausgerichtet, so dass ein Durchströmung der Nutenreihe 530 durch Einlass einer Kühlflüssigkeit in den ersten Durchbruch 561 und Auslass der Kühlflüssigkeit durch den zweiten Durchbruch 562 möglich ist (Fig. 5c, Fig. 5f, Fig. 5i). Die Montage der Isolierplatte 560 erfolgt vorzugsweise nach der Laserdiodenbarrenmontage auf dem Wärmeleitkörper 520 unter Verwendung eines Klebstoffes. Alternativ wird anstatt der Aluminiumoxidkeramik als Isolationselement eine Aluminiumnitridkeramik verwendet, die beidseitig mit einer Kupferschicht versehen ist und die auf der dem Wärmeleitkörper abgewandten Seite eine über die Keramik hinausstehende Kontaktfahne aus Kupfer aufweist. In diesem Fall wird analog der zweiten Variante des vierten Ausführungsbeispiels die dem Wärmeleitkörper 520 zugewandte Kupferschicht vor der Laserdiodenbar- renmontage an die Kühlstruktur angelötet und als elektrisches Kontaktelement eine Reihe von Bonddrähten verwendet, die die dem Wärmeleitkörper 520 abgewandte Kupferschicht elektrisch mit der freien La- serdiodenbarrenkontaktfläche verbinden.In all four variants, by means of an insulating plate 560 (FIG. 5b) made of aluminum oxide with two openings 561 and 562, which are opposite sections of the row of grooves 530 in the region of the row of slots 530, the row of slots 530 is at least in one section, which is opposite the region between the two openings 561 and 562, sealed to a closed channel structure. In this case, the grooves 530 are aligned with respect to their longitudinal axes parallel to at least one connecting line between the two openings 561 and 562, so that a flow through the Nutenreihe 530 by the inlet of a cooling liquid in the first opening 561 and outlet of the cooling liquid through the second opening 562 is possible ( Fig. 5c, Fig. 5f, Fig. 5i). The mounting of the insulating plate 560 is preferably carried out after the laser diode bar assembly on the heat conducting body 520 using an adhesive. Alternatively, instead of the aluminum oxide ceramic as an insulating element, an aluminum nitride ceramic is used, which is provided on both sides with a copper layer and on the side facing away from the heat-conducting body has a projecting beyond the ceramic contact lug made of copper. In this case, analogously to the second variant of the fourth exemplary embodiment, the copper layer facing the heat-conducting body 520 is soldered to the cooling structure before the laser diode bar assembly and a row of bonding wires is used as the electrical contact element, electrically connecting the copper layer facing away from the heat-conducting body 520 to the free laser diode contact surface connect.
In allen vier Varianten von Diodenlaserkomponenten 514 des fünften Ausführungsbeispieles ist das elekt- rische Kontaktelement 570 ein Kupferblech, das mit elektrisch leitfähigem Klebstoff am der dem Wärmeleitkörper abgewandten Kontaktfläche des Laserdiodenbarrens befestigt wurde, ein Anschlusselement 581 zur Befestigung eines elektrischen Kontaktes aufweist sowie einen Durchbruch 571 , der sowohl in Deckung mit dem ersten Durchbruch 561 als auch mit dem zweiten Durchbruch 562 der Isolierplatte 560 liegt (Fig. 5d, Fig. 5g, Fig. 5j, Fig. 5k). Damit kann die Kühlmittelzufuhr zum ersten Durchbruch 561 und die Kühlmittelabfuhr vom zweiten Durchbruch 562 durch den einen Durchbruch 571 im Kontaktelement erfolgen. Durch die Isolierplatte 560 ist das Kontaktelement 570 elektrisch von der Nutenreihe 530 getrennt. Die Unterschiede der vier Varianten Wärmeleitkörper werden anhand der Querschnittsansichten der Figuren 5d, 5g, 5j und 5k deutlich:In all four variants of diode laser components 514 of the fifth exemplary embodiment, the electrical contact element 570 is a copper sheet which has been fastened with electrically conductive adhesive to the contact surface of the laser diode bar facing away from the heat conduction body, has a connection element 581 for fixing an electrical contact, and has an opening 571, which is in register with the first opening 561 as well as with the second opening 562 of the insulating plate 560 (FIGS. 5d, 5g, 5j, 5k). Thus, the coolant supply to the first opening 561 and the coolant discharge from the second opening 562 can be made through the one opening 571 in the contact element. By the insulating plate 560, the contact element 570 is electrically separated from the slot row 530. The differences between the four variants of heat-conducting bodies are clear from the cross-sectional views of FIGS. 5d, 5g, 5j and 5k:
In der ersten Variante ist der Wärmeleitkörper 520 aus einem Stück gefertigt und elektrisch leitfähig, so dass die Rippen zwischen den Nuten 530 in elektrischer Verbindung mit der Kontaktfläche des Laserdiodenbarrens 510 steht, die stoffschlüssig an der Aufnahmefläche befestigt ist (Fig. 5d). Zur elektrischen Isolierung der Kanalstruktur gegenüber dem Kühlmittel kann diese oberflächlich mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen werden.In the first variant, the heat conduction body 520 is made in one piece and is electrically conductive, so that the ribs between the grooves 530 are in electrical connection with the contact surface of the laser diode bar 510, which is firmly attached to the receiving surface (FIG. 5d). For electrical insulation of the channel structure relative to the coolant, it can be provided on the surface with an electrically insulating layer.
In der zweiten Variante besteht der Wärmeleitkörper aus einem L-förmigen Grundkörper 525 und einem Schichtkörper 565, wobei die Aufnahmefläche an der Endfläche des kürzeren Schenkels des L-förmigen Grundkörpers 525 angeordnet ist und die Platte an der, zur Aufnahmefläche parallelen, Schenkelinnenfläche des längeren Schenkels des L-förmigen Grundkörpers 525 befestigt ist (Fig. 5g). Der Grundkörper besteht aus einem Kohlenstoff-Metall- Verbundwerkstoff, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient näherungsweise dem des Laserdiodenbarrens entspricht. Der Schichtkörper 565 besteht aus einer Isolationsschicht 566 aus hoch wärmeleitfähigem Aluminiumnitrid (AIN), die aus mechanischen Symmetriegründen sowohl an ihrer dem Grundkörper 525 zugewandten Seite mit einer Metallschicht 568 aus Kupfer als auch an ihrer dem Grundkörper 525 abgewandten Seite mit einer Metallschicht 567 aus Kupfer versehen ist. In die dem Grundkörper abgewandte Metallschicht 567 sind die Nuten 530 eingebracht (Fig. 5e). Das Verhältnis der Schichtdicken der Kupfer- und Aluminiumnitridschichten zueinander ist vorzugsweise so gewählt, das der Schichtkörper in der Schichtenebene (in-plane) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der näherungsweise dem des Grundkörpers 525 entspricht. So können beide Bauteile, Laserdiodenbarren 510 und Schichtkörper 565, mittels eines hoch zuverlässigen Gold-Zinn-Lotes stoffschlüssig an den Grundkörper 525 angelötet werden. In dieser Anordnung sind außerdem die Rippen zwischen den Nuten 530 vorteilhafterweise sowohl gegenüber dem elektrischem Potential an der der Aufnahmefläche zugewandten Kontaktfläche des Laserdiodenbarrens 510 als auch gegenüber dem elektrischem Potential an der der Aufnahmefläche abgewandten Kontaktfläche des Laserdiodenbarrens 510 elektrisch isoliert, so dass das Kühlmittel ausschließlich elektrisch neutrale Bauteile benetzt.In the second variant, the heat-conducting body consists of an L-shaped main body 525 and a laminated body 565, wherein the receiving surface is arranged on the end face of the shorter leg of the L-shaped main body 525 and the plate on the, parallel to the receiving surface, leg inner surface of the longer leg of the L-shaped main body 525 is attached (Fig. 5g). The main body consists of a carbon-metal composite whose thermal expansion coefficient approximately corresponds to that of the laser diode bar. The layered body 565 consists of an insulation layer 566 made of highly thermally conductive aluminum nitride (AIN) which, for mechanical symmetry reasons, is provided with a metal layer 568 made of copper on its side facing the main body 525 and with a metal layer 567 of copper on its side remote from the main body 525 is. In the metal body 567 facing away from the base body, the grooves 530 are introduced (FIG. 5e). The ratio of the layer thicknesses of the copper and aluminum nitride layers to one another is preferably selected such that the layered body in the layer plane (in-plane) has a thermal expansion coefficient which approximately corresponds to that of the main body 525. Thus, both components, laser diode bars 510 and composite 565, by means of a highly reliable gold-tin solder cohesively to the body 525 are soldered. In this arrangement, moreover, the ribs between the grooves 530 are advantageously electrically insulated both from the electrical potential at the contact surface of the laser diode bar 510 facing the receiving surface and from the contact surface of the laser diode bar 510 facing away from the receiving surface, so that the coolant is exclusively electrical wetted neutral components.
Die gleiche doppelte elektrische Isolierung wird mit dem Wärmeleitkörper 520 der dritten Variante (Fig. 5j) erzielt: Er besteht aus einem Schichtkörper, in dem ein Grundkörper 525 aus einem hoch wärmeleitfähi- gen, elektrisch isolierenden oder oberflächlich elektrisch isolierten Material besteht und auf zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen Metalllagen aus Kupfer aufweist. Dabei ist die dem Laserdiodenelement zugewandte Kupferlagen in zwei elektrisch voneinander getrennte Teilbereiche einer ersten Schicht 524 und einer zweiten Schicht 526 untergliedert, um die Kühlstruktur potentialfrei zu halten, die in Form der Nuten 530 in die zweite Metallschicht 526 eingebracht ist. Die erste Metallschicht 524 stellt die Aufnahmefläche 521 zur Befestigung des Laserdiodenbarrens 510 bereit und ist gleichzeitig für die Stromzuführung bzw. -abführung zu bzw. vom Laserdiodenbarren 510 geeignet. Dazu erstreckt sie sich als Stromführungsschicht 524 von der dem Laserdiodenbarren 510 zugewandten Seite des Grundkörpers auf die dem Laserdiodenbarren 510 abgewandte Seite des Grundkörpers.The same double electrical insulation is achieved with the heat-conducting body 520 of the third variant (FIG. 5j). It consists of a laminated body in which a main body 525 consists of a highly thermally conductive, electrically insulating or superficially electrically insulated material and two on each other opposite surfaces of metal layers of copper. It is the laser diode element facing copper layers in two electrically separate subsections of a first layer 524 and a second layer 526 subdivided to keep the cooling structure floating, which is introduced in the form of grooves 530 in the second metal layer 526. The first metal layer 524 provides the receiving surface 521 for mounting the laser diode bar 510 and is also suitable for power supply to and from the laser diode bar 510. For this purpose, it extends as a current-carrying layer 524 from the side of the main body facing the laser diode bar 510 to the side of the main body facing away from the laser diode bar 510.
In der vierten Variante des Wärmeleitkörpers ist der Grundkörper 525 in weitere Schichten - zwei elektrisch isolierende Schichten und einen zwischen beiden elektrisch isolierenden Schichten angeordneten Zwischen körper, der seinerseits aus mehreren Schichten bestehen kann, untergliedert (Fig. 5k). Der dem Laserdiodenbarren zugewandte Teil der ersten Metallschicht 524 steht mit dem dem Laserdiodenbarren abgewandten Teil der ersten Metallschicht 524 über eine Durchkontaktierung in elektrischer Verbindung, die sich durch den Grundkörper hindurch erstreckt (nicht dargestellt).In the fourth variant of the heat-conducting body, the main body 525 is subdivided into further layers - two electrically insulating layers and an intermediate body arranged between the two electrically insulating layers, which in turn may consist of several layers (FIG. 5k). The part of the first metal layer 524 facing the laser diode bar is in electrical connection with the part of the first metal layer 524 facing away from the laser diode bar via a through-connection which extends through the main body (not shown).
Fig. 5I veranschaulicht die Integration der vierten Variante der Diodenlaserkomponente 514 aus Fig. 5k in ein fünftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung. Analog können die erste, zweite und dritte Diodenlaserkomponente, dargestellt in den Fig. 5d, 5g und 5j, in die Wärmeübertragungsvorrichtung integriert sein.FIG. 5I illustrates the integration of the fourth variant of the diode laser component 514 from FIG. 5k into a fifth exemplary embodiment of the heat transfer device according to the invention. Similarly, the first, second and third diode laser components shown in FIGS. 5d, 5g and 5j may be integrated into the heat transfer device.
Die Kühlmittelzufuhr und -abfuhr zu bzw. aus dem Wärmeleitkörper 520 erfolgt über einen Anschlusskörper 580, der auf der dem Laserdiodenbarren 510 zugewandten Seite des Wärmeleitkörpers 520 befestigt ist, wobei das Kühlmittel ausschließlich elektrisch neutrale Bauelemente benetzt. Vertiefungen 546 und 556 dienen der Aufnahme des Einlassdichtrings 545 bzw. Auslassdichtrings 555. Der erste Isolierplatten- durchbruch 561 ist zur Überführung des Kühlmittels vom Anschlusskörper 580 in den Wärmeleitkörper 520 vorgesehen, während der zweite Isolierplattendurchbruch 562 zur Überführung des Kühlmittels vom Wärmeleitkörper 520 in den Anschlusskörper 580 vorgesehen ist.The coolant supply and removal to and from the heat conduction body 520 via a connection body 580 which is fixed on the laser diode bar 510 side facing the heat conducting body 520, wherein the coolant wets only electrically neutral components. Recesses 546 and 556 serve to receive the inlet sealing ring 545 and outlet sealing ring 555, respectively. The first insulation plate breakthrough 561 is provided for transferring the coolant from the connection body 580 into the heat conducting body 520, while the second insulation plate opening 562 for transferring the coolant from the heat conducting body 520 into the connection body 580 is provided.
Der Wärmeleitkörper 520 ist schließlich mit Indiumlot auf einem Wärmeaufnahmekörper 590 aus Kupfer befestigt, der die vom Wärmeleitkörper 520 aufgenommene Wärme an einen nicht dargestellten Wärmeabfuhrkörper überträgt und den elektrischen Strom von einem elektrischen Anschlusselement 591 an die metallische Stromführungsschicht 524 überträgt.The heat-conducting body 520 is finally fixed with indium solder on a heat-absorbing body 590 made of copper, which transfers the heat absorbed by the heat-conducting body 520 heat to a heat dissipation body, not shown, and transmits the electric current from an electrical connection element 591 to the metallic current-carrying layer 524.
In einer - nicht dargestellten - bevorzugten Weiterbildung der Kanalstruktur dieses fünften Ausführungsbeispieles sind zwei Reihen von sich einander überkreuzenden Nuten in die Oberfläche des Wärmeleit- körpers eingebracht, so dass in dem so gebildeten Nutmuster rhomboedrische Säulen von dem Kühlmittel unter Ausbildung eines erhöhten Wärmeeintrags umspült werden können.In a - not shown - preferred development of the channel structure of this fifth embodiment, two rows of intersecting grooves in the surface of the Wärmeleit- introduced body so that in the groove pattern thus formed rhombohedral columns can be lapped by the coolant to form an increased heat input.
In den folgenden beiden Ausführungsbeispielen sechs und sieben können die Kühlkanäle X30 nicht nur direkt in den Wärmeleitkörper X20 eingebracht sein, sondern auch in einen leichter strukturierbaren Ersatzkörper, der mit einem Teil des Wärmeleitkörpers X20 zu diesem verbunden ist oder in eine durchgängige zylindrische Ausnehmung im Wärmeleitkörper X20 eingesetzt ist.In the following two exemplary embodiments six and seven, the cooling channels X30 can not only be introduced directly into the heat-conducting body X20, but also into a substitute body which can be structured more easily and which is connected to a part of the heat-conducting body X20 or into a continuous cylindrical recess in the heat-conducting body X20 is used.
Die Draufsicht auf den Wärmeleitkörper 620 des sechsten Ausführungsbeispieles der Wärmeübertra- gungsvorrichtung ist in Fig. 6a dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Kanalstruktur 630 durch eine Reihe von Spalten ausgebildet, die in einem Grundkörper 625 eingebracht sind und sich von der Wärmequelle zugewandten Seite des Grundkörpers 625 auf die gegenüberliegende, der Wärmequelle abgewandten Seite des Grundkörpers 625 erstrecken. Der Wärmeleitkörper 620 weist einen Grundkörper 625 aus elektrisch isolierendem CVD-Diamant mit der am Diamant befestigten ersten Metallschicht 624, einer Kupferfolie, auf, auf die das Halbleiterbauelement 610, hier der Laserdiodenbarren, mit dem in DE 19644941 C1 beschriebenen Verfahren mittels eines Gold-Zinn-Lotes befestigt und in Teilabschnitte gebrochen ist.The plan view of the heat conducting body 620 of the sixth embodiment of the heat transfer device is shown in FIG. 6a. In this embodiment, the channel structure 630 is formed by a series of columns, which are introduced in a main body 625 and extend from the heat source side facing the main body 625 on the opposite, the heat source side facing away from the main body 625. The heat-conducting body 620 has a main body 625 of electrically insulating CVD diamond with the first metal layer 624 attached to the diamond, a copper foil, onto which the semiconductor component 610, here the laser diode bar, with the method described in DE 19644941 C1 by means of a gold-tin -Lotes attached and broken into sections.
Fig. 6b stellt den mittigen Querschnitt des sechsten Ausführungsbeispieles der Wärmeübertragungsvor- richtung dar, bei dem die Kühlmittelzufuhr in den Wärmeleitkörper 620 über einen Anschlusskörper 680 erfolgt, der auf der dem Laserdiodenelement 610 zugewandten Seite des Wärmeleitkörper 620 befestigt ist. Die Kühlmittelabfuhr aus dem Wärmeleitkörper 620 erfolgt über den Wärmeaufnahmekörper 690, der auf der dem Laserdiodenelement 610 abgewandten Seite des Wärmeleitkörpers 620 befestigt ist.6b illustrates the central cross-section of the sixth embodiment of the heat transfer device, in which the coolant is supplied into the heat-conducting body 620 via a connection body 680 which is fastened on the side of the heat-conducting body 620 facing the laser diode element 610. The removal of coolant from the heat-conducting body 620 takes place via the heat-absorbing body 690, which is fastened on the side of the heat-conducting body 620 facing away from the laser diode element 610.
Der Wärmeaufnahmekörper 690 ist Teil einer nicht vollständig dargestellten erfindungsgemäßen Wärmeabfuhrvorrichtung und ist aus einem Verbundwerkstoff aus Silizium, Siliziumkarbid und Diamant ausgebildet, wie er in WO 2002 042 240 A2 beschrieben ist. Auf diesen Wärmeaufnahmekörper 690 ist der Wärmeleitkörper 620 mit Hilfe eines zinnhaltigen Lotes befestigt. Die Isolierplatte 660 ist ein Keramiksubstrat. Das elektrisch leitfähige Kontaktelement 670 ist ein Kupferblechstreifen, der mit elektrisch leitfähigem Klebstoff am Laserdiodenbarren befestigt ist.The heat-absorbing body 690 is part of a heat dissipation device according to the invention, which is not completely shown, and is formed from a composite of silicon, silicon carbide and diamond, as described in WO 2002 042 240 A2. On this heat-absorbing body 690 of the heat-conducting body 620 is fixed by means of a tin-containing solder. The insulating plate 660 is a ceramic substrate. The electrically conductive contact element 670 is a copper sheet strip, which is attached to the laser diode bar with electrically conductive adhesive.
Anstatt direkt in den Diamantkörper können die Kanäle auch mittels anisotropen Ätzens in einen Ersatzkörper aus Silizium eingebracht werden, der in eine durchgängige zylindrische Ausnehmung im Diamantkörper eingesetzt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Kühlflüssigkeit über das bereits beschriebene erste Kühlmittelanschlusselement 648 des Anschlusskörpers 680 zuführbar. Von dort ist es über die Spalten im Grundkörper 625 und damit durch den Wärmeleitkörper 620 führbar, wobei die Wärme vom Kühlmittel aufgenom- men und über das zweite Kühlmittelanschlusselement 658 des Wärmeaufnahmekörpers 690 abgebbar ist.Instead of directly into the diamond body, the channels can also be introduced by means of anisotropic etching in a replacement body made of silicon, which is inserted into a continuous cylindrical recess in the diamond body. In this exemplary embodiment, the cooling liquid can be supplied via the already described first coolant connection element 648 of the connection body 680. From there, it can be guided through the gaps in the main body 625 and thus through the heat-conducting body 620, wherein the heat is absorbed by the coolant and can be delivered via the second coolant connection element 658 of the heat-absorbing body 690.
Die Fig. 7a-e zeigen die Wärmeübertragungsvorrichtung eines siebenten Ausführungsbeispieles. Fig. 7a stellt eine Draufsicht auf den Wärmeleitkörper 720 des Ausführungsbeispiels dar. Der Wärmeleitkörper 720 weist den Grundkörper 725 mit zwei Gruppen von Bohrungen auf, die sich in drei Feldern von der der Wärmequelle zugewandten Seite des Grundkörpers 725 auf die gegenüberliegende, der Wärmequelle abgewandten, Seite des Grundkörpers 725 erstrecken. Der Wärmeleitkörper 720 besteht aus einem Diamant-Metall-Verbund, der oberflächlich elektrisch isoliert ist. Es sind drei Leiterzüge auf den Grundkörper 725 aufgebracht, die den Grundkörper 725 als Metallschicht aus Kupfer jeweils in einem ring- bezie- hungsweise U-förmigen Band umgeben und damit eine elektrische Stromführung von der dem Laserdiodenbarren abgewandten Unterseite des Grundkörpers 725 auf die dem Laserdiodenbarren zugewandten Oberseite des Grundkörpers 725 und umgekehrt ermöglichen. Ein erster Leiterzug, die erste Metallschicht 724, steht mit einer ersten Kontaktfläche des Halbleiterbauelementes 710 elektrisch in Verbindung, wobei zur Befestigung des Halbleiterbauelementes 710 die Aufnahmefläche 721 vorgesehen ist, und erstreckt sich U-förmig über eine senkrecht zur Ober- und Unterseite geneigten frontseitigen Stirnfläche des Grundkörpers 725 von der Oberseite auf die Unterseite. Ein zweiter Leiterzug ist dazu ausgelegt, mit einer zweiten elektrischen Kontaktfläche des Halbleiterbauelementes 710 elektrisch in Verbindung zu stehen. Der zweite Leiterzug umgibt den Grundkörper 725 als eine Metallschicht 775 ringförmig über senkrecht zur Stirnfläche und zur Ober-/ Unterseite orientierte Seitenflächen, und ist wenigstens teilweise auf der dem Halbleiterbauelement 710 zugewandten Seite des Grundkörpers 725 angeordnet und dabei insbesondere zur Stromzuführung bzw. -abführung zum bzw. vom Halbleiterbauelement 710 geeignet. Ein dritter Leiterzug, die zweite Metallschicht 726, hat keine elektrische Funktion sondern dient nur der Erhaltung einer großflächigen ebenen Montagefläche auf der Ober- und Unterseite des Wärmeleitkörpers. Der dritte Leiterzug erstreckt sich U-förmig über der eine Frontseite des Grundkörpers 725 gegenüberliegende rückseitige Endfläche von der Oberseite auf die Unterseite. Außerdem sind im Bereich des dritten Leiterzuges die Durchbrüche 727 und 728 ausgebildet, um Kühlmittel in die erste und zweite Kanalstruktur 730 und 731 zu- bzw. abzuleiten, die durch die Bohrungen im Grundkörper 725 ausgebildet ist. In Fig. 7b ist ein mittiger Querschnitt der Wärmeübertragungsvorrichtung des siebenten Ausführungsbeispiels gezeigt. Der Schnitt erfolgt entlang der gestrichelten Linie von Fig. 7a. Zusätzlich zum Wärmeleitkörper 720 aus Fig. 7a ist der Anschlusskörper 780 und der Wärmeaufnahmekörper 790, an dem die Kühlmittelanschlusselemente 748 und 758 befestigt sind, dargestellt. Die Kühlmittelzufuhr und -abfuhr erfolgt über den Wärmeaufnahmekörper 790, der auf der dem Laserdiodenelement abgewandten Seite des Wärmeleitkörpers 720 befestigt ist. Der Kühlmittelfluss führt hierbei von der ersten Gruppe eines Feldes von Bohrungen, der ersten Kanalstruktur 730, über einen Hohlraum 732 im Anschlusskörper 780, der an der dem Laserdiodenelement zugewandten Seite des Wärmeleitkörpers befestigt ist, zur zweiten Gruppen von Bohrungen, der zweiten Kanalstruktur 731 , die in zwei Feldern von Bohrungen beiderseits des ersten Feldes von Bohrungen angeordnet sind. Der Hohlraum 732 ist an der dem Halbleiterbauelement 710 zugewandten Seite des Wärmeleitkörpers 720 ausgebildet, gestattet die strömungstechnische Verbindung zwischen den beiden Kanalstrukturen 730 und 731 und führt dazu, dass die zweite Kanalstruktur 731 der ersten Kanalstruktur 730 seriell nachgeschaltet ist. Gleichzeitig ist bei dieser Anordnung sichergestellt, dass das Kühlmittel ausschließlich elektrisch neutrale Bereiche benetzt.Figs. 7a-e show the heat transfer device of a seventh embodiment. 7a shows a plan view of the heat conduction body 720 of the exemplary embodiment. The heat conduction body 720 has the main body 725 with two groups of bores which extend in three fields from the side facing the heat source of the main body 725 to the opposite, the heat source facing away, Side of the body 725 extend. The heat conducting body 720 consists of a diamond-metal composite, which is electrically insulated on the surface. Three conductor tracks are applied to the main body 725, which surround the main body 725 as a metal layer of copper in each case in a ring-shaped or U-shaped band and thus conduct electrical current from the underside of the main body 725 facing away from the laser diode bar to the laser diode bar Allow top of the body 725 and vice versa. A first conductor trace, the first metal layer 724, is electrically connected to a first contact surface of the semiconductor device 710, wherein for receiving the semiconductor device 710, the receiving surface 721 is provided, and extends in a U-shape over a perpendicular to the top and bottom inclined front end face of the main body 725 from the top to the bottom. A second conductive line is configured to be electrically connected to a second electrical contact surface of the semiconductor device 710. The second conductor surrounds the main body 725 as a metal layer 775 in an annular manner perpendicular to the end face and the top / bottom oriented side surfaces, and is at least partially disposed on the semiconductor device 710 side facing the base body 725 and thereby in particular for power supply or -abführung to or by the semiconductor device 710 suitable. A third conductor, the second metal layer 726, has no electrical function but only serves to maintain a large-area planar mounting surface on the top and bottom of the Wärmeleitkörpers. The third conductor extends U-shaped over the front side of the main body 725 opposite rear end surface from the top to the bottom. In addition, in the region of the third conductor run, the openings 727 and 728 are designed to supply and discharge coolant into the first and second passage structure 730 and 731, which is formed by the bores in the main body 725. In Fig. 7b is shown a central cross section of the heat transfer device of the seventh embodiment. The section is taken along the dashed line of Fig. 7a. In addition to the heat conduction body 720 of FIG. 7 a, the connection body 780 and the heat absorption body 790, to which the coolant connection elements 748 and 758 are attached, are shown. The coolant supply and removal takes place via the heat-absorbing body 790, which is fastened on the side facing away from the laser diode element of the heat-conducting body 720. The coolant flow in this case leads from the first group of a field of bores, the first channel structure 730, via a cavity 732 in the connection body 780, which is fastened to the side of the heat conduction body facing the laser diode element, to the second group of bores, the second channel structure 731 are arranged in two fields of holes on both sides of the first field of holes. The cavity 732 is formed on the semiconductor component 710 facing side of the Wärmeleitkörpers 720, allows the fluidic connection between the two channel structures 730 and 731 and causes the second channel structure 731 of the first channel structure 730 is connected in series. At the same time it is ensured in this arrangement that the coolant wets only electrically neutral areas.
Das Halbleiterbauelement 710, hier der Laserdiodenbarren, ist mittels eines Gold-Zinn-Lotes auf dem Wärmeleitkörper 720 befestigt. Das elektrische Kontaktelement 770 ist eine dünne Platte aus einem Wolfram-Kupfer-Verbundmaterial, das ebenfalls mit Gold-Zinn am Laserdiodenbarren befestigt ist. Ein elektrisches Verbindungselement 774 aus einer Metallfolie von Laserdiodenbarrendicke ist zwischen dem elekt- risch leitfähigen Kontaktelement 770 und der Metallschicht 775 angeordnet und verbindet diese elektrisch leitend miteinander.The semiconductor component 710, here the laser diode bar, is fastened on the heat conducting body 720 by means of a gold-tin solder. The electrical contact element 770 is a thin plate of a tungsten-copper composite, which is also attached to the laser diode bar with gold-tin. An electrical connection element 774 made of a metal foil of laser diode bar thickness is arranged between the electrically conductive contact element 770 and the metal layer 775 and connects them to one another in an electrically conductive manner.
Der Wärmeaufnahmekörper 790 in diesem Ausführungsbeispiel besteht aus einem Verbund von Kupfer- und Aluminiumnitridplatten, wobei nur die äußeren, dem Wärmeleitkörper 720 zugewandten Metallschich- ten dargestellt sind. Die erste metallische Schicht 793 auf dem elektrisch teilweise isolierten Wärmeaufnahmekörper 790 ist in elektrischem Kontakt mit der Metallschicht 724 des Wärmeleitkörpers 720. Die zweite metallische Schicht 794 ist in gleicher Weise mit der Metallschicht 775 in elektrischem Kontakt. Letztlich ist auch die metallische Schicht 795 in elektrischem Kontakt mit der Metallschicht 726; jedoch ist diese ebenso wie die Metallschicht 726 ohne elektrische Funktion.The heat absorption body 790 in this embodiment consists of a composite of copper and aluminum nitride plates, wherein only the outer, the heat conducting body 720 facing metal layers are shown th. The first metallic layer 793 on the electrically partially insulated heat-receiving body 790 is in electrical contact with the metal layer 724 of the heat-conducting body 720. The second metallic layer 794 is similarly in electrical contact with the metal layer 775. Finally, the metallic layer 795 is also in electrical contact with the metal layer 726; however, this, like the metal layer 726, has no electrical function.
Die metallische Schicht 795 weist zudem einen Durchbruch 796 auf, ebenso wie die zweite Metallschicht 726 einen Durchbruch 729 auf der dem Halbleiterbauelement abgewandten Seite aufweist, der zur Überführung des Kühlmittels vom Wärmeaufnahmekörper 790 in den Wärmeleitkörper 720 vorgesehen ist. Ferner ist in Fig. 7b das erste Kühlmittelanschlusselement 748 gezeigt, mittels welchem Kühlflüssigkeit über den Zulauf 747 in die erste Kanalstruktur 730 zuleitbar ist.The metallic layer 795 also has an opening 796, just as the second metal layer 726 has an opening 729 on the side facing away from the semiconductor component, which is provided for transferring the coolant from the heat-receiving body 790 into the heat-conducting body 720. Furthermore, FIG. 7b shows the first coolant connection element 748, by means of which coolant can be supplied via the inlet 747 into the first channel structure 730.
Fig. 7c zeigt den mittigen Querschnitt einer ersten bevorzugten Weiterbildung des siebten Ausführungs- beispieles. Die Wärmeübertragungsvorrichtung ist hierbei in Form einer Diodenlaserkomponente ausgebildet, bei der der Wärmeaufnahmekörper 790, der auf der dem Laserdiodenelement abgewandten Seite des Wärmeleitkörpers 720 befestigt ist, ein Peltiermodul 797 aufweist. Das Peltiermodul 797 ist an seiner Kaltseite thermisch an die Wärmequelle und an seiner Warmseite an einen erfindungsgemäßen Wärmeabfuhrkörper 798 als Wärmesenke angebunden. Zur Nutzung des Wärmeleitkörpers 720 als Wärmesenke wird ein Anschlusskörper 780 in Form eines kombinierten Kühlmittelzuführ- und -abführelementes mit Kühlmittelanschlusselementen 748 und 758 und Vor- und Rückläufen 747 und 757 auf der dem Laserdiodenelement zugewandten Seite des Wärmeleitkörpers 720 angeschlossen und zur Versorgung des Wärmeleitkörpers 720 mit einem flüssigen Kühlmittel verwendet.Fig. 7c shows the central cross section of a first preferred embodiment of the seventh exemplary embodiment. In this case, the heat transfer device is in the form of a diode laser component in which the heat absorption body 790, which is fastened on the side of the heat conduction body 720 facing away from the laser diode element, has a Peltier module 797. The Peltier module 797 is thermally connected on its cold side to the heat source and on its hot side to a heat removal body 798 according to the invention as a heat sink. To use the Wärmeleitkörpers 720 as a heat sink, a connection body 780 in the form of a combined Kühlmittelzuführ- and -abführelementes with coolant connection elements 748 and 758 and forward and return lines 747 and 757 on the laser diode element facing side of the Wärmeleitkörpers 720 is connected and to supply the Wärmeleitkörpers 720 with a liquid coolant used.
Der Durchbruch 796 in der metallischen Schicht 795 des Wärmeaufnahmekörpers ist dabei derart ausge- bildet, dass er die Strömung des Kühlmittels von der ersten Gruppe von Bohrungen 730 in die zweite Gruppe von Bohrungen 731 ermöglicht.The opening 796 in the metallic layer 795 of the heat absorption body is designed such that it allows the flow of the coolant from the first group of bores 730 into the second group of bores 731.
In einer zweiten und dritten bevorzugten Weiterbildung des siebenten Ausführungsbeispiels, dargestellt in Fig. 7d und Fig. 7e, ist der Wärmeabfuhrkörper 798 direkt an der Anbindungsfläche 723 auf der dem La- serdiodenelement abgewandten Seite des Wärmeleitkörpers 720 mit einem Zinn-Lot angelötet.In a second and third preferred embodiment of the seventh exemplary embodiment, shown in FIGS. 7 d and 7e, the heat removal body 798 is soldered directly to the connection surface 723 on the side of the heat conduction body 720 facing away from the laser diode element with a tin solder.
Eine Kanalstruktur 735 ist in einen Stapel Kupferlagen im Wärmeabfuhrkörper 798 eingebracht, der zwischen zwei Aluminiumnitridplatten (nicht explizit dargestellt) liegt.A channel structure 735 is inserted into a stack of copper layers in the heat sink 798 which is sandwiched between two aluminum nitride plates (not explicitly shown).
Die Kühlmittelzuleitung und -ableitung von und zu der Kanalstruktur 735 erfolgt über ein erstes Kühlmittelanschlusselement 738, das am Wärmeabfuhrkörper 798 befestigt ist. Außerdem ist ein Zulauf 736 für Kühlmittel im Wärmeabfuhrkörper 798 ausgebildet, der die Zuleitung von Kühlmittel zur Kanalstruktur 735 gestattet. Zur Ableitung des Kühlmittels von der Kanalstruktur 735 zum einem nicht dargestellten zweiten Kühlmittelanschlusselement ist ein Ablauf 737 im Wärmeabfuhrkörper 798 ausgebildet.The coolant supply and drainage to and from the channel structure 735 via a first coolant connection element 738, which is attached to the heat dissipation body 798. In addition, an inlet 736 for coolant is formed in the heat removal body 798, which allows the supply of coolant to the channel structure 735. For discharging the coolant from the channel structure 735 to a second coolant connection element, not shown, a drain 737 is formed in the heat removal body 798.
Bei dem Betrieb der Wärmeübertragungsvorrichtung in der zweiten Weiterbildung - so wie sie in Fig. 7d dargestellt ist - wird auf eine Nutzung des Wärmeleitkörpers 720 als Wärmesenke verzichtet, ebenso wird auf die Kühlung mittels der ersten Kanalstruktur 730 verzichtet.In the operation of the heat transfer device in the second development - as shown in Fig. 7d - is dispensed with a use of the Wärmeleitkörpers 720 as a heat sink, as well as the cooling by means of the first channel structure 730 is omitted.
Fig. 7e zeigt einen mittigen Querschnitt durch eine dritte bevorzugte Weiterbildung des siebenten Ausführungsbeispieles. Der Wärmeabfuhrkörper 798, der auf der dem Laserdiodenelement abgewandten Seite des Wärmeleitkörpers 720 befestigt ist, weist die bereits im Fig. 7d dargestellte Kanalstruktur 735 auf. Anders als bei der zweiten bevorzugten Weiterbildung des siebten Ausführungsbeispieles ist der Wärmeleitkörper 720 als Wärmesenke einbezogen, indem die dortigen Kanalstrukturen 730 und 731 über Strömungsflusspfade, die strömungstechnisch parallel zur Kanalstruktur 735 des Wärmeaufnahmekörpers 790 geschaltet sind, mit Kühlmittel versorgt werden.Fig. 7e shows a central cross section through a third preferred embodiment of the seventh embodiment. The heat removal body 798, on the side facing away from the laser diode element the heat conducting body 720 is fixed, has the channel structure 735 already shown in Fig. 7d. Unlike the second preferred embodiment of the seventh embodiment, the heat-conducting body 720 is included as a heat sink by the local channel structures 730 and 731 are supplied with coolant via flow flow paths, which are fluidically connected in parallel to the channel structure 735 of the heat receiving body 790.
Ähnlich wie in Fig. 7b wird durch die Verwendung eines auf der dem Laserdiodenelement zugewandten Seite des Wärmeleitkörpers 720 befestigten Anschlusskörpers 780 mit einem Hohlraum 732 eine serielle Nachschaltung der zweiten Kanalstruktur 731 nach der ersten Kanalstruktur 730 erreicht.Similar to FIG. 7b, the use of a connection body 780 secured on the side of the heat conduction body 720 facing the laser diode element with a cavity 732 achieves a serial connection of the second channel structure 731 to the first channel structure 730.
In einer vierten bevorzugten Weiterbildung des siebten Ausführungsbeispieles wird die Wärme der Dio- denlaserkomponente 714 über eine um 90° zur Kontaktfläche des Laserdiodenelementes geneigte rückwärtige Anbindungsfläche 723, deren Normale entgegen der Lichtemissionsrichtung orientiert ist, konduktiv an einen über eine Lötfuge am Wärmeleitkörper 720 befestigten Wärmeaufnahmekörper 790 übertra- gen, der durch ein Peltier-Modul 797 gekühlt wird, dessen Warmseite an den erfindungsgemäßen Wärmeabfuhrkörper 798 angebunden ist. Eine solche Wärmeübertragungsvorrichtung 715 eignet sich, wie in Fig. 7f dargestellt, zur Kühlung mehrerer Diodenlaserkomponenten 714, die in Richtung senkrecht zur Kontaktfläche 711 des kantenemittierenden Laserdiodenelementes 710, übereinander gestapelt sind. Die serielle elektrische Verbindung zwischen zwei einander in einem solchen Diodenlaserstapel 715 benach- barten ersten und zweiten Diodenlaserkomponenten 714 und 714' wird durch ein elektrisches Verbindungselement 776 realisiert, das in elektrischen Kontakt mit dem Kontaktelement 770 der ersten Diodenlaserkomponenten 714 und mit der ersten stromführenden Metallschicht 724' der zweiten Diodenlaser- komponente 714 steht und dazu zumindest abschnittsweise zwischen der ersten und zweiten Diodenla- serkomponente 714 und 714' angeordnet ist. Diese Wärmeübertragungsvorrichtung ist besonders zur Kühlung von Laserdiodenelementen geeignet, die im Puls- oder qcw-Modus betrieben werden.In a fourth preferred embodiment of the seventh embodiment, the heat of the diode laser component 714 via a 90 ° to the contact surface of the laser diode element inclined rear attachment surface 723 whose normal is oriented against the light emission direction, conductively attached to a via a solder joint on the heat conducting body 720 heat receiving body 790th transferred, which is cooled by a Peltier module 797, the hot side is connected to the heat dissipation body 798 according to the invention. Such a heat transfer device 715 is suitable, as shown in FIG. 7f, for cooling a plurality of diode laser components 714, which are stacked in the direction perpendicular to the contact surface 711 of the edge-emitting laser diode element 710. The serial electrical connection between two first and second diode laser components 714 and 714 'adjacent one another in such a diode laser stack 715 is realized by an electrical connection element 776 which makes electrical contact with the contact element 770 of the first diode laser components 714 and with the first current-carrying metal layer 724 2 'of the second diode laser component 714 and is arranged at least in sections between the first and second diode laser components 714 and 714'. This heat transfer device is particularly suitable for cooling laser diode elements which are operated in pulse or qcw mode.
Die gleiche Anbindungsmethode an einer rückseitigen Endfläche des Wärmeleitkörpers kommt im achten Ausführungsbeispiel, dargestellt anhand einer Querschnittsansicht in Fig. 8e, zur Geltung. Der dort dar- gestellte Diodenlaserstapel enthält Diodenlaserkomponenten einer ersten Variante, dargestellt in der Seitenansicht in Fig. 8b, die mit einer ersten Variante eines Wärmeleitkörpers 820, dargestellt in der Draufsicht von Fig. 8a, ausgestattet sind.The same method of connection to a rear end face of the heat conduction body comes in the eighth embodiment, illustrated with reference to a cross-sectional view in Fig. 8e, to advantage. The diode laser stack illustrated there contains diode laser components of a first variant, shown in the side view in FIG. 8b, which are equipped with a first variant of a heat conducting body 820, shown in the plan view of FIG. 8a.
Des besagte Wärmeleitkörper 820 besteht aus einem quaderförmigen Grundkörper 825 mit einer Oberseite, einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite, einer frontseitigen Stirnfläche und einer der Stimfläche gegenüberliegenden rückseitigen Endfläche, die sich beide von der Oberseite zur Unterseite erstrecken. Eine metallische Stromführungsschicht 824 erstreckt sich von der Oberseite über die Frontseite auf die Unterseite. Im oberseitigen Abschnitt der metallische Stromführungsschicht 824 ist eine Aufnahmefläche 821 für die stoffschlüssige Befestigung eines Laserdiodenbarrens 810 vorgesehen. In die Oberseite des Grundkörper 825 sind zwei Mikrokanalstrukturen 830 und 831 beiderseits außermittig links und rechts der strichgepunkteten Symmetrielinie eingebracht. Sie stehen jeweils separat mit Einlassöffnungen 840 und Auslassöffnungen 850 in Verbindung, die an der, entgegen der Lichtemissionsrichtung angeordneten, rückseitigen Endfläche liegen, welche zudem als Anbindungsfläche 823 dient. Die im Grundkörper offenen Mikrokanalstrukturen 830 und 831 werden durch eine Isolierplatte 860 abge- deckt. Während der Laserdioden barren 810 mit seiner epitaxieseitigen Kontaktfläche an der metallischen Stromführungsschicht 824 befestigt ist, ist ein zur metallischen Stromführungsschicht 824 gegenpoliges elektrisches Kontaktelement 870 stoffschlüssig an der der epitaxieseitigen Kontaktfläche 811 gegenüberliegenden substratseitigen Kontaktfläche 812 befestigt, welches mit einem vom Laserdiodenbarren 810 abgewandten Endabschnitt zur Zugentlastung an der Isolierplatte befestigt ist. Vorteilhaft an der vorliegenden Anordnung der Mikrokanalstrukturen 830 und 831 im Wärmeleitkörper ist, dass diese weit abseits eines für die ungehinderte Wärmeleitung zur Anbindungsfläche 823 zu Verfügung stehenden Mittenbereiches im Grundkörper 825 des Wärmeleitkörpers 820 liegen.The said heat-conducting body 820 consists of a cuboid main body 825 with an upper side, an upper side opposite the underside, a front-side end face and one of the Stim surface opposite rear end surface, both of which extend from the top to the bottom. A metallic current-carrying layer 824 extends from the top over the front to the bottom. In the upper-side section of the metallic current-carrying layer 824, a receiving surface 821 for the material-locking attachment of a laser diode bar 810 is provided. In the upper side of the main body 825, two microchannel structures 830 and 831 are inserted on both sides eccentrically to the left and right of the dash-dotted symmetry line. They are each separately connected to inlet openings 840 and outlet openings 850, which are located at the back end surface arranged opposite to the light emission direction, which also serves as attachment surface 823. The microchannel structures 830 and 831 that are open in the main body are covered by an insulating plate 860. While the laser diode barren 810 is fastened with its epitaxial-side contact surface to the metallic current-carrying layer 824, an electrical contact element 870 opposite the metallic current-carrying layer 824 is firmly bonded to the substrate-side contact surface 812 opposite the epitaxial-side contact surface 811, which has a strain-relieving end section facing away from the laser diode bar 810 is attached to the insulating plate. An advantage of the present arrangement of the microchannel structures 830 and 831 in the heat conduction body is that they are located far away from a central region 825 of the heat conduction body 820 that is available for unimpeded heat conduction to the connection surface 823.
Die ungehinderte Wärmeleitung von dem Laserdiodenbarren 810 zur rückseitigen Anbindungsfläche 823 ist, wie in Fig. 8c dargestellt, in der zweiten Variante des Wärmeleitkörpers 820 perfektioniert: Hier liegen die Kanalstrukturen gänzlich außerhalb der Wärmequellenprojektion eines entgegen der Lichtemissionsrichtung bis zur Ebene der Anbindungsfläche 823 verlängerten Wärmequellenbereiches. Präzise ausgedrückt weist der Wärmeleitkörper 820 innerhalb einer Projektion, die sich senkrecht zur Stirnfläche durch den Wärmeleitkörper erstreckt, eine Breite von der lateralen Ausdehnung des Wärmequellenbereiches parallel zur Kontaktfläche und senkrecht zur Lichtemissionsrichtung und eine Höhe von der Ausdehnung der Stirnfläche in zur Kontaktfläche senkrechter Richtung besitzt, keine Ausnehmung auf. Wie in Fig. 8d in der Seitenansicht einer zweiten Variante der Diodenlaserkomponente dargestellt ist, sind die Kanalstrukturen in der betreffenden zweiten Variante des Wärmeleitkörpers über Zu- und Ablaufkanäle 841 und 851 mit den Einlassöffnungen 840 und 850 verbunden, wobei die Zu- und Ablaufkanäle 841 und 851 als Nu- ten in die der Aufnahmefläche 821 gegenüberliegenden Seite des Grundkörpers eingebracht und durch Deckplatten 839 verschlossen sind.The unhindered heat conduction from the laser diode bar 810 to the rear attachment surface 823 is perfected in the second variant of the heat conduction body 820, as shown in FIG. 8c. Here, the channel structures lie entirely outside the heat source projection of an extended heat source region opposite to the light emission direction up to the plane of the attachment surface 823. Specifically, within a projection that extends perpendicular to the face through the heat-conducting body, the heat-conducting body 820 has a width from the lateral extent of the heat-source area parallel to the contact area and perpendicular to the light-emitting direction and a height from the extension of the face in the direction perpendicular to the contact area. no recess on. As shown in FIG. 8 d in the side view of a second variant of the diode laser component, the channel structures in the relevant second variant of the heat conduction body are connected via inlet and outlet channels 841 and 851 to the inlet openings 840 and 850, wherein the inlet and outlet channels 841 and 851 introduced as Nuten in the receiving surface 821 opposite side of the base body and closed by cover plates 839.
Fig. 8e zeigt wie die Diodenlaserkomponenten 814 der ersten Variante unter Ausbildung eines Diodenla- serstapels 815 mit ihrer rückseitigen Anbindungsfläche 823 über eine Klebefuge an einen Wärmeaufnah- mekörper 890 angebunden sind, der durch ein Peltiermodul 797 gekühlt wird, dessen Warmseite an den erfindungsgemäßen Wärmeabfuhrkörper 798 angebunden ist. Die elektrische Serienschaltung erfolgt dabei durch direktes Inkontaktbringen des substratseitigen elektrischen Kontaktelementes 870 einer ersten Diodenlaserkomponente 814 mit der stromführenden Metallschicht 824' einer der ersten Diodenlaser- komponente 814 benachbarten zweiten Diodenlaserkomponente 814'. Zum Inkontaktbringen zählt auch das Ausbilden einer elektrisch leitfähigen stoffschlüssigen Verbindung, zum Beispiel vermittels eines e- lektrisch leitfähigen Klebstoffes.FIG. 8e shows how the diode laser components 814 of the first variant, with the formation of a diode laser stack 815 with its rear connection surface 823, are connected via an adhesive joint to a heat absorber. mekörper 890 are connected, which is cooled by a Peltier module 797, the hot side is connected to the heat dissipation body 798 according to the invention. The series electrical connection is effected by directly contacting the substrate-side electrical contact element 870 of a first diode laser component 814 with the current-carrying metal layer 824 'of the first diode laser component 814 adjacent second diode laser component 814'. For contacting also includes the formation of an electrically conductive cohesive connection, for example by means of an electrically conductive adhesive.
Der Wärmeaufnahmekörper 890 dient gleichzeitig als Anschlusskörper für die Kühlmittelzu- und -abfuhr zu den einzelnen Wärmeleitkörpern des Diodenlaserstapels. Dazu weist er einen Zulauf 847 auf, der über mit einem ersten Kühlmittelanschlusselement 848 von einer Kühlmittelquelle mit Kühlmittel versorgt werden kann, sowie einen Ablauf 857, der das Kühlmittel über ein zweites Kühlmittelanschlusselement 858 an eine Kühlmittelsenke abgeben kann. In Höhe jeder Diodenlaserkomponente 814 zweigen von dem Zulauf 847 jeweils zwei Zulaufkanäle zu den zwei Einlassen 840 jedes Wärmeleitkörpers 820 ab sowie von dem Ablauf 857 jeweils zwei Ablaufkanäle zu den zwei Auslässen 850 jedes Wärmeleitkörpers 820.The heat-absorbing body 890 simultaneously serves as a connection body for the coolant supply and removal to the individual heat-conducting bodies of the diode laser stack. For this purpose, it has an inlet 847, which can be supplied with coolant via a first coolant connection element 848 from a coolant source, and a drain 857, which can deliver the coolant via a second coolant connection element 858 to a coolant depression. At the level of each diode laser component 814, two inlet channels branch off from the inlet 847 to the two inlets 840 of each heat-conducting body 820 and two outflow channels to the two outlets 850 of each heat-conducting body 820 from the outlet 857.
Ähnlich wie der Dioden laserstapel 715 des siebten Ausführungsbeispiels eignet sich der Diodenlasersta- pel 815 des achten Ausführungsbeispiels vorteilhaft zur Kühlung von Laserdiodenelementen 810, die im Puls- oder qcw-Modus betrieben werden. So eignet sich der Wärmeleitkörper 820 bei niedrigem PuIs- Tast-Verhältnis (engl.: duty cycle) zur konduktiven Wärmeübertragung an einen mit Umgebungsluft gekühlten Wärmeabfuhrkörper 898 und bei hohem duty cycle zur konvektiven Wärmeübertragung an Wasser, das durch seine Kanalstrukturen 830 und 831 strömt.Similar to the diode laser stack 715 of the seventh embodiment, the diode laser stack 815 of the eighth embodiment is advantageously suitable for cooling laser diode elements 810, which are operated in the pulse or qcw mode. Thus, the heat-conducting body 820 is suitable for conductive heat transfer to a heat-dissipated body 898 cooled with ambient air at a low duty cycle and at a high duty cycle for convective heat transfer to water flowing through its channel structures 830 and 831.
In einer Variante des achten Ausführungsbeispiels ist der Wärmeabfuhrkörper 898 an Stelle des Wärme- aufnahmekörpers 890 über eine Klebefuge an den rückseitigen Anbindungsflächen 823 der Wärmeleitkörper 820 befestigt und weist eine Kanalstruktur zur konvektiven Übertragung der Wärme an ein flüssiges Kühlmittel auf, welches optional parallel oder seriell durch die Kanalstrukturen 830 und 831 des Wärmeleitkörpers 820 strömen kann. BezugszeichenlisteIn a variant of the eighth exemplary embodiment, the heat removal body 898 is fixed instead of the heat receiving body 890 via an adhesive joint to the rear attachment surfaces 823 of the heat conducting body 820 and has a channel structure for the convective transfer of heat to a liquid coolant, which optionally parallel or serially through the channel structures 830 and 831 of the heat conducting body 820 can flow. LIST OF REFERENCE NUMBERS
Anmerkung: Die folgende Bezugszeichenliste ist durch Voranstellen der Figurennummer bzw. der Nummer des Ausführungsbeispieles auf die Figuren und den Beschreibungstext anwendbar. 10 HalbleiterbauelementNote: The following list of reference numerals is applicable by prefixing the figure number or the number of the embodiment to the figures and the description text. 10 semiconductor device
11 Wärmeleitkörper zugewandte Kontaktfläche11 heat conducting body facing contact surface
12 Wärmeleitkörper abgewandte Kontaktfläche12 heat conducting body remote contact surface
13 Emissionsrichtungspfeil13 direction of emission arrow
14 Diodenlaserkomponente 15 Wärmeübertragungsvorrichtung14 diode laser component 15 heat transfer device
20 Wärmeleitkörper20 heat-conducting body
21 Aufnahmefläche21 recording area
22 Wärmequellenprojektion22 heat source projection
23 Anbindungsfläche 24 erste Metallschicht23 attachment surface 24 first metal layer
25 Grundkörper25 basic body
26 zweite Metallschicht26 second metal layer
27 Durchbruch27 breakthrough
28 Durchbruch 29 Durchbruch28 Breakthrough 29 Breakthrough
30 erste Kanalstruktur30 first channel structure
31 zweite Kanalstruktur31 second channel structure
32 Hohlraum32 cavity
35 Wärmeübertragungsstruktur/ Kanalstruktur 36 Zulauf35 heat transfer structure / channel structure 36 inlet
37 Ablauf37 process
38 Kühlmittelanschlusselement38 coolant connection element
39 Deckplatte39 cover plate
40 Einlass/ Zulauföffnung 41 erster Zulauf40 inlet / inlet opening 41 first inlet
42 zweiter Zulauf42 second inlet
45 Einlassdichtring45 inlet seal
46 Vertiefung46 deepening
47 Vorlauf/ Zulauf im Anschlusskörper 48 erstes Kühlmittelanschlusselement47 Flow / inlet in connection body 48 first coolant connection element
50 Auslass/ Ablauföffnung50 outlet / drain opening
51 erster Ablauf51 first run
52 zweiter Ablauf52 second sequence
55 Auslassdichtring55 outlet sealing ring
56 Vertiefung56 deepening
57 Rücklauf/ Ablauf im Anschlusskörper57 Return / drain in connection body
58 zweites Kühlmittelanschlusselement58 second coolant connection element
60 Isolierplatte60 insulating plate
61 erster Isolierplattendurchbruch61 first insulation panel breakthrough
62 zweiter Isolierplattendurchbruch62 second insulation breakthrough
65 Schichtkörper65 laminates
66 Isolationsschicht66 insulation layer
67 erste Metallschicht67 first metal layer
68 zweite Metallschicht68 second metal layer
70 Kontaktelement70 contact element
71 erster Kontaktelementdurchbruch71 first contact element breakdown
72 zweiter Kontaktelementdurchbruch72 second contact element breakthrough
74 elektrisches Verbindungselement74 electrical connection element
75 Metallschicht75 metal layer
76 elektrisches Verbindungselement76 electrical connection element
80 Anschlusskörper80 connection body
81 erstes Anschlusselement81 first connection element
82 Grundkörper82 basic body
83 metallische Schicht83 metallic layer
90 Wärmeaufnahmekörper90 heat-absorbing body
91 zweites Anschlusselement91 second connection element
93 metallische Schicht93 metallic layer
94 metallische Schicht94 metallic layer
95 metallische Schicht95 metallic layer
96 Durchbruch96 breakthrough
97 Peltiermodul97 Peltier module
98 Wärmeabfuhrkörper98 heat dissipation body
99 Wärmeleitfolie 99 heat-conducting foil

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Wärmeübertragungsvorrichtung (15) mit wenigstens einem Halbleiterbauelement (10) und wenigstens einem Wärmeleitkörper (20), wobei das Halbleiterbauelement (10) wenigstens einen im Betrieb des Halbleiterbauelementes Wärme erzeugenden pn-Übergang und einen, alle im Betrieb des Halbleiterbauelementes (10) Wärme erzeugenden pn-Übergänge im Halbleiterbauelement einschließenden, Wärmequellenbereich sowie wenigstens eine Kontaktfläche (11, 12) aufweist und der Wärmeleitkörper (20) sowohl wenigstens eine Aufnahmefläche (21), die in wenigstens einer stoff- schlüssigen Verbindung mit der Kontaktfläche (11, 12) des Halbleiterbauelementes (10) steht, als auch wenigstens eine Kanalstruktur (30, 31) aufweist, die für eine konvektive Wärmeübertragung an wenigstens ein erstes, durch die Kanalstruktur (30, 31) leitbares, Kühlmittel vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur (30, 31) des Wärmeleitkörpers (20) vollständig außerhalb einer sich senkrecht zur Kon- taktfläche (11, 12) erstreckenden Wärmequellenprojektion (22) des Wärmequellenbereiches angeordnet ist, und der Wärmeleitkörper (20) wenigstens eine Anbindungsfläche (23) aufweist, über die wenigstens eine konduktive Wärmeübertragung an wenigstens einen Wärmeabfuhrkörper (98) vorgesehen ist, der wenigstens eine Wärmeübertragungsstruktur (35) aufweist, wobei wenigstens eine konvektive Wärmeübertragung wahlweise wenigstens an das erste Kühlmittel oder an wenigstens ein zweites Kühlmittel erfolgt, das durch die Wärmeübertragungsstruktur (35) strömt.1. Heat transfer device (15) with at least one semiconductor component (10) and at least one heat conduction body (20), wherein the semiconductor device (10) at least one during operation of the semiconductor device heat generating pn junction and one, all in the operation of the semiconductor device (10) heat and at least one contact surface (11, 12) and the heat conduction body (20) both at least one receiving surface (21) in at least a material connection with the contact surface (11, 12) of the Semiconductor component (10) is, as well as at least one channel structure (30, 31), which is provided for a convective heat transfer to at least a first, through the channel structure (30, 31) conductive, coolant, characterized in that the channel structure (30 , 31) of the heat conducting body (20) completely outside a perpendicular to the Contact surface (11, 12) extending heat source projection (22) of the heat source region is arranged, and the Wärmeleitkörper (20) at least one attachment surface (23) via which at least one conductive heat transfer to at least one heat removal body (98) is provided, at least a heat transfer structure (35), wherein at least one convective heat transfer optionally takes place at least to the first coolant or at least a second coolant flowing through the heat transfer structure (35).
2. Wärmeübertragungsvorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung (15) zwei oder mehr Halbleiterbauelemente (10) auf- weist, die jeweils wenigstens einen im Betrieb des Halbleiterbauelementes (10) Wärme erzeugenden pn- Übergang aufweisen und sich der Wärmequellenbereich über wenigstens zwei Halbleiterbauelemente (10) erstreckt.2. Heat transfer device (15) according to any one of the preceding claims, characterized in that the heat transfer device (15) has two or more semiconductor devices (10), each having at least one during operation of the semiconductor device (10) heat generating pn junction and the heat source region extends over at least two semiconductor devices (10).
3. Wärmeübertragungsvorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekenn- zeichnet, dass die konduktive Wärmeübertragung von der Anbindungsfläche (23) an den Wärmeabfuhrkörper (98) über wenigstens einen Wärmeaufnahmekörper (90) erfolgt, der wenigstens eine Anschlussfläche für die konduktive Wärmeübertragung an den Wärmeabfuhrkörper (98) besitzt, wobei die Anschlussfläche des Wärmeaufnahmekörpers (90) größer ist als die Anbindungsfläche des Wärmeleitkörpers (20), der Wärmeaufnahmekörper (90) in wenigstens einer stoffschlüssigen Verbindung mit der Anbindungsfläche (23) steht.3. Heat transfer device (15) according to one of the preceding claims, characterized in that the conductive heat transfer from the connection surface (23) to the heat removal body (98) via at least one heat receiving body (90), the at least one contact surface for the conductive heat transfer has the heat removal body (98), wherein the connection area of the heat absorption body (90) is greater than the connection surface of the heat conduction body (20), the heat absorption body (90) is in at least one cohesive connection with the connection surface (23).
4. Wärmeübertragungsvorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsstruktur (35) des Wärmeabfuhrkörpers (98) wenigstens eine Kanalstruktur mit mehreren Kanälen aufweist und/ oder zumindest abschnittsweise in einer Rippen- und/ oder Säulenstruktur vorliegt.4. Heat transfer device (15) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat transfer structure (35) of the heat removal body (98) has at least one channel structure with a plurality of channels and / or at least partially present in a rib and / or column structure.
5. Wärmeübertragungsvorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kühlmittel sowohl durch die Kanalstruktur (30, 31) als auch durch die Wärmeübertragungsstruktur (35) strömt.5. The heat transfer device (15) according to any one of the preceding claims, characterized in that the first coolant flows through both the channel structure (30, 31) and through the heat transfer structure (35).
6. Wärmeübertragungsvorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekenn- zeichnet, dass die konvektive Wärmeübertragung sowohl an das erste Kühlmittel als auch an das zweite Kühlmittel erfolgt.6. Heat transfer device (15) according to one of the preceding claims, characterized in that the convective heat transfer takes place both to the first coolant and to the second coolant.
7. Wärmeübertragungsvorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kühlmittel gasförmig ist.7. Heat transfer device (15) according to one of the preceding claims, characterized in that the second coolant is gaseous.
8. Wärmeübertragungsvorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung der Aufnahmefläche (21 ) mit der Kontaktfläche (11, 12) wenigstens einen Übergangskörper aufweist.8. Heat transfer device (15) according to any one of the preceding claims, characterized in that the cohesive connection of the receiving surface (21) with the contact surface (11, 12) has at least one transition body.
9. Wärmeübertragungsvorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur (30, 31) zwei oder mehr Kanäle aufweist, die im Wärmeleitkörper angeordnet sind und über einen gemeinsamen Zulauf (41 , 42) und/oder einen gemeinsamen Ablauf (51 , 52) mit wenigstens einer Zulauföffnung (40) und/oder wenigstens einer Ablauföffnung (50) in Verbindung stehen.9. The heat transfer device (15) according to any one of the preceding claims, characterized in that the channel structure (30, 31) has two or more channels, which are arranged in the heat conducting body and via a common inlet (41, 42) and / or a common sequence ( 51, 52) communicate with at least one inlet opening (40) and / or at least one outlet opening (50).
10. Wärmeübertragungsvorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindungsfläche (23) der Aufnahmefläche (21) und die Wärmeübertragungsstruktur (35) des Wärmeabfuhrkörpers (98) zumindest abschnittsweise in der Wärmequellenprojektion (22) angeordnet sind. 10. Heat transfer device (15) according to one of the preceding claims, characterized in that the connection surface (23) of the receiving surface (21) and the heat transfer structure (35) of the heat removal body (98) at least partially in the heat source projection (22) are arranged.
11. Wärmeübertragungsvorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindungsfläche (23) auf einer gegenüber der Kontaktfläche (11 , 12) um zumindest näherungsweise 90° geneigten Endfläche angeordnet ist. sich die Wärmequellenprojektion (22) bis zur Endfläche erstreckt.11. The heat transfer device (15) according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the connection surface (23) on a relative to the contact surface (11, 12) is arranged at least approximately 90 ° inclined end surface. the heat source projection (22) extends to the end surface.
12. Wärmeübertragungsvorrichtung (15) nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wärmequellenprojektion (22) bis zur Endfläche erstreckt.12. The heat transfer device (15) according to claim 11, characterized in that the heat source projection (22) extends to the end face.
13. Wärmeübertragungsvorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekenn- zeichnet, dass das Halbleiterbauelement (10) ein kantenemittierendes elektro-optisches Bauelement mit einer ersten Kontaktfläche (11) und wenigstens einer, der ersten Kontaktfläche (11) zumindest abschnittsweise gegenüberliegenden, zweiten Kontaktfläche (12) und mit wenigstens einer Lichtaustrittsfläche ist, die zwischen den beiden Kontaktflächenebenen angeordnet ist, bezüglich der Kontaktflächen (11 , 12) um einen Winkel von zumindest näherungsweise 90° geneigt ist und eine Lichtemissionsrichtung (13) definiert, die senkrecht zur Lichtaustrittsfläche in vom Halbleiterbauelement (10) abgewandter Richtung orientiert ist.13. Heat transfer device (15) according to one of the preceding claims characterized in that the semiconductor component (10) an edge-emitting electro-optical device having a first contact surface (11) and at least one, the first contact surface (11) at least partially opposite, second Contact surface (12) and with at least one light exit surface, which is arranged between the two contact surface planes, with respect to the contact surfaces (11, 12) inclined by an angle of at least approximately 90 ° and a light emission direction (13) defined perpendicular to the light exit surface in is oriented away from the semiconductor device (10) direction.
14. Wärmeübertragungsvorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur (30,31) aus einer Vielzahl von zumindest abschnittsweise länglichen Kanälen besteht, deren Längsachsen senkrecht zur Kontaktfläche (11 , 12) angeordnet sind und die sich von einer zur Kontaktfläche parallelen Oberseite des Wärmeleitkörpers (20) zu einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite des Wärmeleitkörpers (20) erstrecken.14. Heat transfer device (15) according to any one of the preceding claims, characterized in that the channel structure (30,31) consists of a plurality of at least partially elongated channels whose longitudinal axes are arranged perpendicular to the contact surface (11, 12) and extending from one to Contact surface parallel upper side of the Wärmeleitkörpers (20) to a top side opposite underside of the Wärmeleitkörpers (20) extend.
15. Wärmeübertragungsvorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 52 dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur (30, 31 ) im Wärmeleitkörper (20) durch mehrere von zueinander parallelen, geneigten oder sich überkreuzenden Nuten ausgebildet ist, die in den Oberflächenbereich einer dem Halbleiterbauelement (10) zugewandten Seite des Wärmeleitkörpers (20) eingebracht sind, die im wesentlichen parallel zur Kontaktfläche (11 , 12) ausgerichtet ist, wobei die Nuten durch ein Deckelement (60, 80) zumindest abschnittsweise abgeschlossen sind und ein erster Abschnitt der Nuten mit einem ersten Durchbruch (61 , 47) im Deckelement in Verbindung steht und ein zweiter Abschnitt der Nuten mit einem zweiten Durchbruch (62, 57) im Deckelement (60, 80) in Verbindung steht. 15. Heat transfer device (15) according to one of claims 1 to 52, characterized in that the channel structure (30, 31) in the heat conducting body (20) is formed by a plurality of mutually parallel, inclined or intersecting grooves in the surface region of the semiconductor device (10) facing side of the Wärmeleitkörpers (20) are introduced, which is aligned substantially parallel to the contact surface (11, 12), wherein the grooves are closed by a cover element (60, 80) at least partially and a first portion of the grooves with a first aperture (61, 47) in the cover member is in communication and a second portion of the grooves with a second opening (62, 57) in the cover member (60, 80) is in communication.
16. Verfahren, insbesondere Testverfahren, zum Einrichten und Betreiben einer Wärmeübertragungsvorrichtung (15) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Schritten: a) Stoffschlüssiges Verbinden des wenigstens einen Halbleiterbauelementes (10) mit dem Wärmeleitkörper (20) b) Durchströmen der Kanalstruktur (30, 31) des WärmeableitkörperWärmeleitkörpers (20) mit einem flüssigen, ersten Kühlmittel und testweises Betreiben des wenigstens einen Halbleiterbauelementes (10), insbesondere zur Durchführung von Funktionstests des wenigstens einen Halbleiterelements (10), verbunden mit der Erfassung wenigstens eines Parameters. c) Anschließen des Wärmeabfuhrkörpers (98) an den Wärmeleitkörper (20) d) Betreiben des Halbleiterbauelementes (10) wahlweise unter Durchströmung der Kanalstruktur (30, 31) des Wärmeleitkörpers (20) mit dem flüssigen, ersten Kühlmittel oder unter Beströmung der Wärmeübertragungsstruktur (35) des Wärmeabfuhrkörpers (98) mit dem flüssigen, ersten Kühlmittel oder einem zweiten Kühlmittel16. Method, in particular test method, for setting up and operating a heat transfer device (15) according to one of the preceding claims, comprising the following steps: a) materially connecting the at least one semiconductor component (10) to the heat conducting body (20) b) flowing through the channel structure (30 , 31) of the Wärmeableitkörperwärmeleitkörpers (20) with a liquid, first coolant and test-wise operating the at least one semiconductor device (10), in particular for performing functional tests of the at least one semiconductor element (10), associated with the detection of at least one parameter. c) connecting the heat removal body (98) to the heat conducting body (20) d) operating the semiconductor component (10) optionally while flowing through the channel structure (30, 31) of the heat conducting body (20) with the liquid, first coolant or under flow of the heat transfer structure (35 ) of the heat removal body (98) with the liquid, first coolant or a second coolant
17. Verfahren, insbesondere Testverfahren, zum Einrichten und Betreiben einer Wärmeübertragungsvorrichtung (15) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, mit folgenden Schritten: a) Stoffschlüssiges Verbinden des wenigstens einen Halbleiterbauelementes (10) mit dem Wärmeleitkörper (20) b) Einrichten einer lösbaren Verbindung zwischen dem Wärmeleitkörper (20) und einer Wärmeabfuhrvorrichtung; c) Beströmen der Wärmeabfuhrvorrichtung mit einem ersten Kühlmittel und testweises Betreiben des wenigstens einen Halbleiterbauelements (10), insbesondere zur Durchführung von Funktionstests des wenigstens einen Halbleiterbauelements (10), verbunden mit der Erfassung wenigstens eines Parameters. d) Lösen der Verbindung zwischen dem Wärmeleitkörper und der Wärmeabfuhrvorrichtung e) Einrichten einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Wärmeleitkörper (20) und dem Wärmeabfuhrkörper (98) f) Betreiben des Halbleiterbauelementes (10) wahlweise unter Durchströmung der Kanalstruktur (30, 31) des Wärmeleitkörpers (20) oder unter Beströmung der Wärmeübertragungsstruktur (35) des Wärmeabfuhrkörpers (98) mit dem ersten oder einem zweiten Kühlmittel.17. A method, in particular test method, for setting up and operating a heat transfer device (15) according to one of claims 1 to 15, comprising the following steps: a) materially connecting the at least one semiconductor component (10) to the heat conducting body (20) b) establishing a detachable Connection between the heat conducting body (20) and a heat removal device; c) flowing the heat removal device with a first coolant and test-wise operating the at least one semiconductor device (10), in particular for performing functional tests of the at least one semiconductor device (10), associated with the detection of at least one parameter. d) releasing the connection between the heat conducting body and the heat removal device e) establishing a material connection between the heat conducting body (20) and the heat removal body (98) f) operating the semiconductor component (10) optionally while flowing through the channel structure (30, 31) of the heat conducting body (10) 20) or under flow of the heat transfer structure (35) of the heat removal body (98) with the first or a second coolant.
18. Verfahren, insbesondere Testverfahren, zum Einrichten und Betreiben einer Wärmeübertragungsvorrichtung (15) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, mit folgenden Schritten: a) Stoffschlüssiges Verbinden des wenigstens einen Halbleiterbauelementes (10) mit dem Wärmeleitkörper (20) b) Einrichten einer Verbindung zwischen dem Wärmeleitkörper (20) und dem Wärmeabfuhrkörper (98); c) Durchströmen der Kanalstruktur des Wärmeleitkörpers (20) mit einem flüssigen, ersten18. Method, in particular test method, for setting up and operating a heat transfer device (15) according to one of claims 1 to 15, with the following steps: a) materially connecting the at least one semiconductor component (10) to the heat-conducting body (20) b) establishing a connection between the heat-conducting body (20) and the heat-removal body (98); c) flowing through the channel structure of the Wärmeleitkörpers (20) with a liquid, first
Kühlmittel, Beströmen der Wärmeübertragungsstruktur (35) des Wärmeabfuhrkörpers (98) mit dem flüssigen ersten Kühlmittel oder einem zweiten Kühlmittel und testweises Betreiben des wenigstens einen Halbleiterbauelements (10), insbesondere zur Durchführung von Funktionstests des wenigstens einen Halbleiterbauelements (10), verbunden mit der Erfassung wenigstens eines Parameters. d) Betreiben des Halbleiterbauelementes (10) entweder unter Durchströmung der Kanalstruktur (30, 31) des Wärmeleitkörpers mit dem flüssigen, ersten Kühlmittel oder unter Beströmung der Wärmeübertragungsstruktur (35) des Wärmeabfuhrkörpers (98) mit dem flüssigen, ersten Kühlmittel oder einem zweiten Kühlmittel.Coolant, flowing the heat transfer structure (35) of the heat removal body (98) with the liquid first coolant or a second coolant and testweise operating the at least one semiconductor device (10), in particular for performing functional tests of the at least one semiconductor device (10), connected to the detection at least one parameter. d) operating the semiconductor component (10) either while flowing through the channel structure (30, 31) of the heat conducting body with the liquid, first coolant or under flow of the heat transfer structure (35) of the heat removal body (98) with the liquid, first coolant or a second coolant.
19. Verfahren zum Einrichten und Betreiben einer Wärmeübertragungsvorrichtung (15) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 18 angewendet werden.19. A method for establishing and operating a heat transfer device (15) according to any one of claims 1 to 15, characterized in that at least two of the methods according to claims 16 to 18 are applied.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbau- element (10) ein elektro-optisches Bauelement ist und in wenigstens einem Testbetrieb wenigstens einer der folgenden Parameter des elektro-optischen Bauelementes erfasst wird: a) elektrischer Betriebsstrom, b) elektrische Betriebsspannung, c) emittierte Strahlungsleistung und d) Spektrum der emittierten Strahlung. 20. The method according to any one of claims 16 to 19, characterized in that the Halbleiterbau- element (10) is an electro-optical component and is detected in at least one test operation of at least one of the following parameters of the electro-optical component: a) electrical operating current , b) electrical operating voltage, c) emitted radiation power and d) spectrum of the emitted radiation.
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