专利名称：具有散热片的光电元件的制作方法
技术领域：
在大功率工作的、发射辐射的光电元件中，适当排出作为热量出现的损耗功率是必要的，因为元件的升温对光学特性和长期稳定性起负面影响。尤其是，温度提高可以引起波长的漂移、减低的效率、缩短的使用寿命或者甚至引起元件的损坏。出于这样的原因，大功率工作的光电元件经常被安装在散热片上。不仅公知了例如铜块的被动散热片而且公知了例如具有流过流体的微管道系统的散热片的主动散热片。
背景技术：
大功率激光二级管的微管道散热片例如在DE 43 15 580 A1中被说明。为了保证良好的排热，在这样的微管道散热片中尝试将元件与散热片之间的热阻保持尽可能小。这由此来实现，即将在邻接光电元件的侧上的微管道之间的壁的壁厚度或散热片的外壁的壁厚度保持很小。由此，除热阻之外，也降低散热片的热容。
光电元件在切换过程中的温度变化的时间分布经常能近似地通过在温度上升时的指数函数ΔT(t-t1)=ΔT∞(1-e-1=t1τ)]]>或在温度下降时的指数函数ΔT(t-t2)=ΔT(t=t2)e-1=t2τ]]>来说明。ΔT(t)是温度变化、亦即在时刻t的当前温度与输出温度之间的差，其中t1或t2是温度上升或温度下降的所属的切换时刻。ΔT∞是温度变化的极限值，相对该温度变化，ΔT(t)针对t-＞∞可能收敛。所述极限值大约在较长的工作时间时以cw工作来达到。
通常尝试使所述极限值最小，以便将元件的最大温度保持尽可能地小。ΔT∞尤其是与光电元件和所述散热片之间的热阻相关。τ是热时间常数，所述热时间常数同样与诸如热容、用于散热片的热阻或者元件的热辐射面的不同的参数相关。τ越大，就越缓慢地进行温度变化。
在脉冲驱动的光电元件中，尤其是在很小的频率时存在以下危险，即由于具有脉冲频率的温度变化而使所述元件遭受机械交变载荷。机械交变载荷导致可能妨碍元件的功能或者甚至损坏该元件。
发明内容
本发明以这样的任务为基础，即提供一种具有散热片的光电元件，其中避免由脉冲驱动形成的机械交变载荷。此外，应说明一种用于制造所述光电元件的方法。
根据本发明，所述任务通过一种根据权利要求1所述的光电元件或根据权利要求13或者权利要求14所述的方法来解决。本发明的有利的改进方案和扩展方案是从属权利要求的主题。
根据本发明，在发射辐射的光电元件中，所述发射辐射的光电元件与散热片相连接和被设置用于脉冲持续时间为D的脉冲驱动，并且在所述光电元件中以脉冲驱动来实现热时间常数为τ的光电元件的温度变化，用于减小温度变化的幅值的热时间常数τ与脉冲持续时间D相匹配。温度变化的幅值被理解为在一个脉冲期间的光电元件的最高温度与最低温度之间的差。所述热时间常数在上述ΔT(t)的等式中是常数τ。在偏离所述等式的温度变化过程中，在本发明的范围中，光电元件的热时间常数τ应被理解为τ的最好的近似，所述近似例如可以通过上述等式与实际的温度变化过程的曲线拟和来确定。对此，可以怀疑地得到时间，该时间对应于在输出温度的1/e倍上的必要时外插的温度下降。
优选地，光电元件的温度变化的热时间常数τ在脉冲驱动期间适用τ≥0.5D。尤其是优选地适用τ≥D。
以这样与脉冲驱动相匹配的热时间常数有利地实现，脉冲驱动期间的温度变化比较小。由于温度引起的机械应力引起的光电元件的机械交变载荷由此被减小。
例如在一个脉冲结束时(亦即对于t＝D)的ΔT(t)对于τ＝0.5D约为0.86ΔT∞，而对于τ＝D大约为0.63ΔT∞。也可有利的是，对于τ使用较大的值，以便进一步减小一个脉冲结束时的温度升高。例如，对于τ＝2D，ΔT(t＝D)约为0.39ΔT∞，或者对于τ＝3D，ΔT(t＝D)大约为0.283ΔT∞。
热时间常数的这样的优化以以下知识为基础，即温度变化除了所达到的最大温度之外对元件的长期稳定性有决定性的影响。因此，有意义的是，使温度变化的幅值最小。
为了提高热时间常数t可能必需一些措施，这些措施引起散热片与光电元件之间的热阻的提高。这可以导致极限值ΔT∞的提高。但是，另外一方面，光电元件的热量排出对于散热片应是足够大的，以致在较长的工作时间后所达到的最大温度没有超过还可接受的值。因此，通常必须在ΔT∞的可接受的值与τ的可接受的值之间找到折衷方案。
在本发明中，亦即为了改善脉冲状态的光电元件中的长期稳定性由此来实现，即只有相对于在相对低的温度水平上的变化较大，在相对高的温度水平上的变化减小时，在元件的长期稳定性方面减小温度变化才是有利的。
脉冲驱动期间的温度变化在本发明中优选地被减小到小于ΔT＝12K的值上。
针对发射辐射的光电元件，本发明是特别有利的，所述发射辐射的光电元件的输出功率为20W或更多和/或所述发射辐射的光电元件的脉冲频率在0.1Hz与10Hz之间。尤其是，所述发射辐射的光电元件是激光二极管条。
与所述光电元件相连接的散热片优选的是主动冷却散热片。例如，所述散热片可以具有流过例如水的制冷剂的微管道系统。
所述光电元件例如以焊接连接与散热片的表面相连接。
热时间常数τ有利地通过微管道系统的邻接光电元件的壁的壁厚度来确定尺寸。所述壁厚度有利地为0.5mm或更大。特别优选地，壁厚度为1mm或更大，例如在1mm与至多2mm之间。
所述散热片尤其可以含有铜。但是，在本发明的范围中也可以考虑具有良好的导热性的其它金属。
下面参考实施例结合图1至图3详细说明本发明。其中图1示出根据本发明的光电元件的实施例的示意性示出的横截面，图2示出对于散热片的四个不同的实施方案在0ms至300ms的时间区间上加热光电元件的模拟，图3示出对于散热片的四个不同的实施方案在0ms至1000ms的时间区间上加热光电元件的模拟。
具体实施例方式
在图1中示意性示出的光电元件1与散热片3相连接。为此，例如利用焊接连接2将该光电元件1固定在散热片3的表面8上。所述散热片3在该例子中是主动制冷散热片，所述主动制冷散热片具有带有制冷剂的流出口4和流入口5的微管道系统6，所述制冷剂流过所述微管道系统6。所述制冷剂是液体(尤其是水)或者是气体。
发射辐射的光电元件1发射脉冲持续时间为D的脉冲。尤其是，所述光电元件1可以是大功率激光二极管或者大功率激光二极管条。对于发射辐射的光电元件1，本发明是特别有利的，所述光电元件1具有20w或更多的输出功率。
脉冲以脉冲频率f被确定，所述脉冲频率f例如在0.1Hz与10Hz之间。所述脉冲持续时间D小于周期tp＝1/f。脉冲持续时间D与周期tp的比例通常被称为占空比q，亦即D＝q*tp。
一方面，所述散热片3用于排出由于光电元件1的损耗功率形成的热量。通过将热时间常数τ调节到值τ＞0.5D(优选地τ＞D)，也减小了脉冲驱动中的温度变化。
散热时间常数τ例如可以通过确定散热片3的紧邻所述光电元件1的壁的壁厚度7的尺寸来调节。所述壁厚度与散热片3的朝向光电元件1的表面8和最靠近表面8的微管道6之间的间距相对应。
壁厚度7的提高引起热时间常数τ的增加。这说明了图2和图3中所示的光电元件1针对壁厚度7的不同值的温度变化τ的时间相关性的模拟计算。曲线9表示壁厚度为0.1mm的主动制冷散热片的温度提高的时间变化曲线，曲线10表示其中壁厚度7等于1mm的主动制冷散热片3的温度提高的时间变化曲线，曲线11表示其中壁厚度7等于2mm的主动制冷散热片3的温度提高的时间变化曲线而曲线12表示被动散热片的温度提高的时间变化曲线，所述被动散热片通过没有主动制冷微管道系统的铜块构成。所述热时间常数τ在壁厚度为0.1mm(曲线9)时为约10ms，在壁厚度为1mm(曲线10)时为约20ms，在壁厚度为2mm(曲线11)时为约60ms而在被动散热片(曲线12)中为约400ms。
如果所述热时间常数τ大于脉冲持续时间D的一半、优选地大于脉冲持续时间D，则在曲线9和10中通过增加壁厚度7来实现或者在曲线12中通过使用被动散热片来实现的热时间常数τ的提高是有利的。在第一情况下，温度提高ΔT最大达到极值ΔT∞的约86％，而在第二情况下，温度提高ΔT最大达到极值ΔT∞的约63％。
在例如D＝25ms的脉冲持续时间中，根据本发明，对于具有1mm壁厚度的主动散热器(曲线10)满足条件τ＞0.5D，因为对于具有1mm壁厚度的主动散热器τ＝20ms并且因此大于0.5D＝12.5ms。这以τ＝60ms也适于具有2mm壁厚度的散热器(曲线11)，而以τ＝400ms也适于被动散热器(曲线12)。对于τ＝10ms的具有0.1mm壁厚度)(曲线9)的主动散热器相反不满足这种条件。在本发明中优选的条件τ＞D对于该脉冲持续时间只满足于具有2mm壁厚度的散热器(曲线11)和满足于具有被动散热片(曲线12)。如从图2中明显得知，通过根据本发明的热时间常数τ与脉冲持续时间D的匹配来实现有利地减小脉冲持续时间期间的温度变化。
与以脉冲驱动的光电元件相对，对于以cw工作的光电元件增大壁厚度7或者使用被动散热片是不利的，因为在如在图3中所模拟的那样的情况下，在较长的工作时间之后可能调整温度变化ΔT的较高的值。这由此来建立，即具有较大的壁厚度7的主动冷却散热片或者被动散热片在光电元件1与散热片3之间具有提高的热阻。
对于被设置以脉冲驱动使用的光电元件1，通过以相对小的花费确定散热片的壁厚度的尺寸可能的是，改变热时间常数并且如此提供与脉冲驱动匹配的散热片。但是，也可考虑用于根据所设置的脉冲持续时间来调节热时间常数τ的其它的替换方案。例如，光电元件被构造在其上的衬底的面积和/或厚度也可改变。
根据实施例解释本发明当然不应被理解为对本发明的限制。更确切地说，本发明既单独包括所公开的特征又以任意的相互组合包括所公开的特征，尽管这些组合没有明确地在权利要求中被给出。
权利要求
1.发射辐射的光电元件(1)，所述发射辐射的光电元件(1)与散热片(3)相连接并且被设置用于脉冲持续时间为D的脉冲驱动，其中在脉冲驱动时，实现热时间常数为τ的所述光电元件的温度变化，其特征在于，所述热时间常数τ为了减小温度变化的幅值而与所述脉冲持续时间D相匹配。
2.根据权利要求1所述的光电元件，其特征在于，所述热时间常数τ适用τ＞0.5D。
3.根据权利要求1所述的光电元件，其特征在于，所述热时间常数τ适用τ＞D。
4.根据权利要求1至3之一所述的光电元件，其特征在于，所述温度变化小于ΔT＝12K。
5.根据上述权利要求之一所述的光电元件，其特征在于，所述脉冲驱动以在0.1Hz与10Hz之间的范围中的脉冲频率来实现。
6.根据上述权利要求之一所述的光电元件，其特征在于，所述光电元件具有为20w或更大的光输出功率。
7.根据上述权利要求之一所述的光电元件，其特征在于，所述散热片(3)是主动制冷的。
8.根据权利要求7所述的光电元件，其特征在于，所述散热片(3)具有一个或多个有制冷剂流过的微管道(6)。
9.根据权利要求8所述的光电元件，其特征在于，所述散热片的邻接所述光电元件(1)的壁具有0.5mm或更大的壁厚度(7)。
10.根据权利要求8所述的光电元件，其特征在于，所述散热片的邻接所述光电元件(1)的壁具有在1mm和至多2mm之间的壁厚度(7)。
11.根据上述权利要求之一所述的光电元件，其特征在于，所述散热片(3)包括铜。
12.根据上述权利要求之一所述的光电元件，其特征在于，所述光电元件(1)是激光二极管条。
13.用于制造根据权利要求8至12之一所述的光电元件的方法，其特征在于，所述散热片的邻接所述光电元件(1)的壁具有壁厚度(7)并且所述元件(1)在工作时的温度变化和/或最大温度通过确定所述壁厚度(7)的尺寸来调节。
14.用于制造发射辐射的光电元件(1)的方法，所述发射辐射的光电元件(1)与散热片(3)相连接并且被设置用于脉冲持续时间为D的脉冲驱动，其中在脉冲驱动时，实现热时间常数为τ的所述光电元件的温度变化，其特征在于，所述热时间常数τ为了减小温度变化的幅值而与所述脉冲持续时间D相匹配。
15.根据权利14所述的方法，其特征在于，所述热时间常数τ通过确定所述光电元件(1)在其上被制造的衬底的面积和/或厚度的尺寸大小来调节。
全文摘要
在发射辐射的光电元件(1)中，该发射辐射的光电元件(1)与散热片(3)连接和被设置用于脉冲宽度为D的脉冲驱动，并且其中在脉冲驱动中实现热时间常数为τ的光电元件(1)的温度变化，热时间常数τ为了减小温度变化的幅值而与脉冲持续时间D相匹配。该光电元件在脉冲驱动期间的温度变化的热时间常数τ优选地适用τ≥0.5D。由此，脉冲驱动时的温度变化的幅值及其相关的机械交变载荷有利地被减小。
文档编号H01S5/024GK1886873SQ200480035122
公开日2006年12月27日 申请日期2004年11月24日 优先权日2003年11月28日
发明者马丁·贝林格, 格哈德·赫尔曼, 斯特凡·莫戈特, 弗兰克·莫尔默 申请人:奥斯兰姆奥普托半导体有限责任公司