具有金属焊接连接的转换器散热元件复合装置的制造方法_2

文档序号:9713422阅读:来源:国知局
功率为3.6W/mm2。因为仅仅约1 /3的光学功率被散热,所以在所 述示例中可以实现最高达l〇W/mm2的光学功率。
[0052] 此外,含金属的涂层示出高的反射率,因此不需要附加的镜或者附加的反射元件。
[0053] 通过转换器散热元件复合装置的根据本发明的构造,可以放弃有机粘接剂 (Haftvermittler)、例如基于环氧化物或基于娃酮的粘合剂。因此,可以实现比现有技术更 高的热传导性和寿命。
[0054] 根据一种实施方式,含金属的涂层涉及含银涂层。由于其良好的热传导性、易于加 工,所以含银涂层的使用是特别有利的。因此,还可以以这种方式得到具有高的反射率的并 且对有用光的色度坐标不产生影响或仅仅施加有非常小的影响的涂层。在此,所述涂层的 银含量(重量百分比)优选为至少90%、特别优选至少95%、完全特别优选超过98%。
[0055]在另一实施方式中,含金属的涂层的层厚度在50nm至30μηι的范围中、优选2至20μ m、特别优选8至12μηι。
[0056]含金属的涂层特别为经烧结的涂层。
[0057]在本发明的一种扩展方案中,含金属的涂层中附加地包含玻璃。特别地,所使用的 玻璃的玻璃化转变温度Tg在300至600°C的范围中、优选400至560°C的范围中。这保证,在包 括步骤c)和e)(涂覆+烧结过程)的金属化过程期间熔化玻璃组分。由此,尤其可以改善转换 器表面与至含金属的涂层的相应边界面的润湿以及通过烧结过程改善尽可能均匀的银层 的构造。这对转换器散热元件复合装置的热方面和光学方面的特性又具有积极影响。玻璃 含量优选为0.2至5 % (重量百分比)。
[0058]此外,通过含金属的、附加地具有玻璃组分的涂层的使用得出充分利用玻璃/转换 器边界面上的光学反射并且因此增强含金属的涂层的反射率。在此,具有在1.4至2.0的范 围中的折射率加2〇的玻璃的使用、尤其通过具有在1 · 4至1 · 6的范围中的折射率加2〇的玻璃的 使用已经证实为特别有利。后一玻璃相对于转换器具有相对大的折射率差,从而可以增大 反射贡献。
[0059]因此,所述扩展方案的实施方式在于,含金属的涂层的玻璃组分包括基于ZnO、基 于S〇3或基于硅酸盐的玻璃,因为所述玻璃不仅具有有利的玻璃化转变温度而且具有适合 的折射率。
[0060] 也可以使用富含PbO和Bi2〇3的玻璃。
[00611特别有利地,作为玻璃使用基于硅酸盐的玻璃、尤其Si02含量大于25% (重量百分 比)的玻璃。在制造过程的条件下、例如在含金属的涂层的烘烤时,相应的玻璃相对于在金 属参与情况下的、可能导致金属析出的氧化还原反应也是惰性的或者是至少尽可能惰性 的,从而在含金属的涂层中的玻璃是高度透明的。这能够实现玻璃/金属边界面上的反射的 最优的充分利用。通过Si02份额的变化,可以调节玻璃的可焊接性并且因此可以调节具有 相应玻璃份额的含金属的涂层的可焊接性。因此,焊接的润湿随着Si0 2份额的增大而减小。 [0062]根据另一实施方式,含金属的涂层和散热元件之间的焊接连接具有含锡的无铅焊 料的份额。这保证含金属的涂层或经涂覆的转换器与散热元件的良好的热交换以及足够稳 定的机械连接。
[0063]在本发明的一种实施方式中,散热元件的热传导性>300W/mK。所述散热元件优选 包含铜或含铜的材料。因此,所述散热元件除较小的热阻以外具有高的可焊接性。根据一种 扩展方案,散热元件由复合材料构成,所述复合材料由含铜的芯和施加在所述芯上的涂层、 尤其"化学金-镍"涂层组成。因此,通过所述涂层可以最小化周围环境影响造成的腐蚀效 果。
[0064] 此外,将转换器与散热元件的连接的热传导性根据色度坐标移位考虑为初级光源 的所辐射入的功率的函数。在小的热传导的情况下,转换器在辐射进的功率相对小时已经 被如此强烈地加热,使得转换效率降低,从而所测量的色度坐标的强度降低。然而,如果整 个系统具有大的热传导或者小的热阻,则所测量的色度坐标的强度尽可能保持恒定。因此, 热传导的品质也通过以下特征数值来限定,
[0065] F0M规诗=cyi-Cy2
[0066] 其中将在所辐射进的功率为Pi时根据本发明的转换器散热元件复合装置的所求 取的色度坐标假设为cyl,将在功率为P 2时所述转换器散热元件复合装置的所求取的色度坐 标假设为cy2,其中对于所辐射进的功率PjPP 2符合?1〈〈?212是在运行转换器单元时所使用 的功率,Pi是至少降低了 7倍的功率,在所述功率时还没有出现显著的热淬火。
[0067] F0M热勝的值优选为最大0.04、特别优选为最大0.02。
[0068] 散热元件可以与散热片(heat sink)连接或者构造为散热片。
[0069] 转换器散热元件复合装置不仅可以以透射运行而且可以以漫反射运行。
[0070] 在以透射运行转换器的实施方式中,转换器上的含金属的涂层横向地构造,即转 换器表面的仅仅部分区域设置有含金属的涂层。特别地,转换器的位于初级光源的射束路 径中的表面不具有含金属的涂层。
[0071] 在另一实施方式中,转换器散热元件复合装置以漫反射运行。在此,转换器的背向 于初级光源的一个或多个侧特别设置有含金属的涂层,从而反射光。
[0072] 在另一实施方式中,转换器的侧面也设置有金属反射体,从而一方面将到达侧面 的光反射回到转换器中,而另一方面所产生的热也可以通过所述侧面导出。
[0073]根据一种实施方式,在正方形的转换器面积为5.2mm X 5.2mm、转换器厚度为200μ m时并且在通过所述面积均匀的热输入的情况下,转换器散热元件复合装置的热阻〈3K/W、 优选〈2K/W、特别优选〈1.5K/W。
[0074]此外,本发明涉及一种用于制造以下复合装置的方法,所述复合装置包括:陶瓷转 换器、用于热导出的含金属的反射涂层以及作为用于热导出的另一元件的、与所述含金属 的涂层通过焊接连接的散热元件。在此,根据本发明的方法包括至少方法步骤a)至f)。
[0075] 在步骤a)中,首先提供具有至少一个抛光表面的陶瓷转换器。在此,除了使得能够 使用具有高亮度的初级光源(例如半导体激光器)以外,陶瓷转换器材料的高的温度稳定性 也使得能够在随后的方法步骤中实现高的处理温度。
[0076] 步骤b)包含提供含金属的软膏。含金属的软膏包括在有机软膏介质中的金属粉 末。所使用的有机软膏介质尤其为流变添加剂(1^16〇1(^16&(1(1;[1:;^),其是树脂和有机添加 剂在混合溶剂中的溶液和/或是可通过IR干燥的(例如,Johnson Matthey 650-63基于油的 IR介质,Okuno 5000)。借助软膏介质来调节软膏的流变,使得软膏例如是能够印刷的。
[0077] 所述金属粉末优选包含来自具有以下元素的组中的至少一种金属:银、金和铂或 它们的合金。尤其使用银粉末。这尤其是有利的,因为银不仅具有高的热导率而且具有高的 反射率。
[0078] 根据一种实施方式,在步骤b)中提供的金属软膏包含含量为(重量百分比)70至 90%、优选80至85%的银。有机软膏介质的份额为10至30% (重量百分比)、优选15至20% (重量百分比)。
[0079] 随后,将在步骤b)中得到的软膏施加在抛光的转换器表面的至少部分区域上(步 骤c)。优选地,软膏通过印刷方法、尤其通过丝网印刷方法施加到转换器表面上。在此能够 实现,以极其简单的方式产生转换器表面上的涂层的横向结构。因此,可以仅仅印刷或者留 空转换器表面的部分区域。其他印刷方法、例如移印(Tampondru ck)或乳印方法同样是可能 的。
[0080] 在步骤d)中,使施加在转换器表面上的软膏干燥。优选地,使软膏在150至400°C的 范围中、特别优选在250至300°C的范围中干燥。在此,至少部分去除包含在软膏介质中的溶 剂并且尤其预压实所施加的软膏。干燥时间取决于所施加的软膏中的溶剂份额并且通常为 5至30分钟。
[0081] 在随后的步骤e)中,在温度>450°C时烘烤所施加的软膏,这引起所形成的涂层与 转换器在热方面和机械方面的良好连接。此外,高的烘烤温度引起包含在金属粉末中的金 属粒子的烧结。如此产生的烧结结构具有相对高的均匀性并且引起如此得到的涂层的好的 反射特性。在此,在700°C至1000°C的范围中的烘烤温度已经证实为特别有利。
[0082] 根据一种实施方式,可以根据所使用的烘烤温度和所使用的金属粉末尽可能地或 部分地熔化金属粉末,以便在与金属的边界面上润湿陶瓷转换器。根据其他实施方式,使包 含在软膏中的金属粒子仅仅烧结在一起。
[0083] 在烘烤软膏时,灼烧去除所施加的软膏的有机组分或者残余软膏介质。
[0084] 在步骤f)中,将如此涂覆的转换器在构造焊接连接的情况下与散热元件连接。在 此,在使用焊料的情况下、优选在使用包含锡的无铅焊料的情况下、将散热元件焊接到在步 骤e)中得到的涂层上。
[0085] 根据本发明的一种扩展方案,在步骤b)中提供的软膏附加地具有玻璃份额。在此, 玻璃份额引起涂层在转换器表面的改善的附着以及引起金属粒子彼此之间的改善的烧结 情况。此外,玻璃份额影响金属涂层的可焊接性。
[0086] 根据本发明的另一扩展方案,可以多次施加金属反射体。为此,或者在软膏的干燥 (步骤d)之后或者在软膏的烘烤(步骤e)之后重新施加软膏(步骤c)并且如所描述的那样继 续处理。
[0087] 在一种实施方式中,玻璃份额(重量百分比)为0.05至8%、优选为0.1至6%、特别 优选为0.2至5 %。所述玻璃份额已经证实为有利,因为一方面所述玻璃份额足以增大涂层 在转换器的表面上的附着,而另一方面还保证涂层的好的可焊接性。
[0088]在此,具有颗粒大小特征数值D50在1至5μπι的范围中的玻璃粉末的使用已经证实 为有利。这保证玻璃粒子在软膏中的均匀分布并且因此也保证玻璃含量在步骤e)中得到的 涂层中的均匀分布。
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