Dispositivo de transferencia térmica para el enfriamiento bilateral de un componente semiconductor.

Dispositivo de transferencia térmica con

- al menos un componente semiconductor

(10), en particular un diodo láser o diodo luminoso,

- un primer cuerpo conductor de calor (20) y

- al menos un segundo cuerpo conductor de calor (30),

presentando el componente semiconductor (10)

- en un primer lado al menos una primera superficie de contacto (11) esencialmente plana al menos por secciones y,

- en al menos un segundo lado, opuesto al primer lado, al menos una segunda superficie de contacto (12) esencialmente plana al menos por secciones, y

- estando dispuesto este al menos por secciones entre el primer y el segundo cuerpo conductor de calor (20 y 30), presentando el primer cuerpo conductor de calor (20) una primera zona metálica que

- constituye respecto a su masa y/o su volumen la parte principal del primer cuerpo conductor de calor (20),

- está unida eléctricamente a la primera superficie de contacto (11) del componente semiconductor (10),

- presenta al menos una primera sección de absorción térmica (25) con al menos una primera superficie de entrada de calor (21), que se opone al menos por secciones a la primera superficie de contacto (11) en una dirección opuesta al componente semiconductor (10) y está unida al componente semiconductor (10) mediante al menos una unión por arrastre de material que se extiende en la línea del componente semiconductor (10), orientada en perpendicular a la primera superficie de contacto (11), desde la primera superficie de contacto (11) hasta la primera superficie de entrada de calor (21), así como

- al menos una primera sección de transferencia térmica (26) que se extiende en al menos una primera dirección de transferencia térmica al menos por secciones en paralelo a la primera superficie de contacto (11) más allá del componente semiconductor (10),

presentando el segundo cuerpo conductor de calor (30) una segunda zona metálica que

- constituye respecto a su masa y/o su volumen la parte principal del segundo cuerpo conductor de calor (30),

- está unida eléctricamente a la segunda superficie de contacto (12) del componente semiconductor,

- presenta al menos una segunda sección de absorción térmica (35) con al menos una segunda superficie de entrada de calor (31), que se opone al menos por secciones a la segunda superficie de contacto (12) en una dirección opuesta al componente semiconductor (10) y está unida al componente semiconductor (10) mediante al menos una unión por arrastre de material que se extiende en la línea del componente semiconductor (10), orientada en perpendicular a la segunda superficie de contacto (12), desde la segunda superficie de contacto (12) hasta la segunda superficie de entrada de calor (35), así como

- al menos una segunda sección de transferencia térmica (36) que se extiende en al menos una segunda dirección de transferencia térmica, paralela a la primera dirección de transferencia térmica, al menos por secciones en paralelo a la segunda superficie de contacto (12) más allá del componente semiconductor (10),

- estando opuesta al menos por secciones la segunda zona metálica en la segunda sección de transferencia térmica a la primera zona metálica en la primera sección de transferencia térmica y

- presentando una hendidura de unión, que está dispuesta al menos por secciones entre secciones opuestas entre sí de la primera y la segunda zona metálica y mediante la que quedan unidas entre sí por arrastre de material las secciones de transferencia térmica del primer y del segundo cuerpo conductor de calor (20, 30), al menos por sección como mínimo un medio de unión aislante de electricidad (50),

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/DE2009/000761.

Solicitante: JENOPTIK LASER GMBH.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: Göschwitzer Strasse 29 07745 Jena ALEMANIA.

Inventor/es: SCHRODER, MATTHIAS, LORENZEN,DIRK.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS QUE UTILIZAN LA EMISION ESTIMULADA > Láseres de semiconductor > H01S5/024 (Disposiciones para la refrigeración)

PDF original: ES-2457533_T3.pdf

 

google+ twitter facebook

Fragmento de la descripción:

Dispositivo de transferencia térmica para el enfriamiento bilateral de un componente semiconductor

La invención se refiere a un dispositivo de transferencia térmica con al menos un componente semiconductor, en particular un diodo láser o diodo luminoso, según el preámbulo de la reivindicación 1.

Introducción En el caso de los dispositivos de transferencia térmica para componentes semiconductores, en particular componentes semiconductores para la emisión de radiación a partir de procesos de conversión electro-óptica, en particular diodos luminosos y diodos láser, a los que se hace referencia a continuación en representación de los componentes semiconductores, los diodos láser, emisores de radiación óptica durante el funcionamiento, tienen cuerpos de contacto para establecer el contacto eléctrico que están fijados por arrastre de material en el lado de epitaxia y en el lado de sustrato y son conductores de electricidad al menos por secciones. Ambos cuerpos de contacto sirven también con preferencia para la conducción de calor, o sea, se pueden identificar también como cuerpos conductores de calor, asumiendo al menos uno de los dos cuerpos conductores de calor, por lo general el cuerpo conductor de calor situado en el lado de epitaxia, esencialmente la función de disipación del calor. Este sirve aquí como cuerpo de transferencia térmica para el enfriamiento conductivo y se diseña como cuerpo macizo continuo o sirve esencialmente para el enfriamiento convectivo, estando dispuestos en el cuerpo de transferencia térmica microcanales, a través de los que circula un medio refrigerante. En ambos casos, el cuerpo conductor de calor, que transfiere calor, está conectado a un disipador de calor durante el funcionamiento del diodo láser. En el caso del enfriamiento conductivo, el disipador de calor es un cuerpo macizo que absorbe calor y, en el caso del enfriamiento convectivo, el disipador de calor es el fluido que absorbe el calor. A fin de reducir la resistencia térmica de componentes de láser de diodo, el cuerpo conductor de calor situado en el lado de sustrato puede estar unido por arrastre de material en una zona separada del diodo láser al cuerpo disipador de calor, al que transfiere esencialmente la parte del calor que ha absorbido del diodo láser en el lado de sustrato durante el funcionamiento.

Estado de la técnica

La unión por arrastre de material entre el cuerpo disipador de calor, que está situado en el lado de epitaxia, y el cuerpo conductor de calor, que está situado en el lado de sustrato y es conductor de electricidad, debería presentar, por una parte, un aislamiento eléctrico para impedir un cortocircuito eléctrico en el diodo láser y, por otra parte, una alta conductancia térmica para poder disipar la mayor cantidad posible de calor a través del cuerpo de contacto situado en el lado de sustrato.

Una primera solución prevé disponer una lámina de aislamiento eléctrico fabricada de plástico, por ejemplo, de polimida, sobre el lado de la barra láser opuesto a la salida de luz entre el cuerpo de contacto situado en el lado de epitaxia y el cuerpo de contacto situado en el lado de sustrato (documento EP1286441A2) . Sin embargo, la conductividad térmica de esta lámina de plástico es muy pequeña y, por tanto, inadecuada para una transmisión suficiente de calor desde el cuerpo situado en el lado de sustrato hasta el cuerpo situado en el lado de epitaxia.

Una segunda solución propone el uso de un cuerpo de aislamiento eléctrico con una alta conductividad térmica, por ejemplo, una placa de cerámica de nitruro de aluminio que con ayuda de dos capas soldadas, por ejemplo, capas 45 soldadas metálicas, se suelda sobre el lado de la barra de diodo láser opuesto a la salida de la luz entre el cuerpo disipador de calor situado en el lado de epitaxia y el cuerpo conductor de calor situado en el lado de sustrato (Proceedings of SPIE, volumen 6876, artículo 68760Q) .

Una tercera solución, publicada en Japanese Journal of Applied Physics, volumen 32, páginas 1112-1119 (1993) ,

describe un cuerpo disipador de calor que está compuesto esencialmente de un material de aislamiento eléctrico con una alta conductividad térmica (en este caso, carburo de silicio) y soporta conductores metálicos en el lado superior para la alimentación y la evacuación de corriente. Un diodo láser se suelda en el lado de epitaxia sobre los conductores para la alimentación de corriente. Un cuerpo conductor de calor, fabricado de metal, tiene una ranura triangular que está realizada en una primera sección, denominada sección de absorción térmica, y en cuyo fondo se 55 suelda el diodo láser en el lado de sustrato, mientras que dos secciones del cuerpo conductor de calor, que se denominan secciones de transferencia térmica y se extienden más allá del diodo láser en dos direcciones opuestas entre sí, se sueldan a los conductores del cuerpo disipador de calor que evacuan la corriente. La ventaja de las dos últimas soluciones radica en el uso exclusivo de componentes con una conductividad térmica relativamente alta. La desventaja de estas soluciones se basa en los altos costes, tanto de los componentes de aislamiento eléctrico, como de la soldadura.

Por tanto, es objetivo de la invención crear separadamente del diodo láser una unión por arrastre de material entre el cuerpo de contacto, situado en el lado de epitaxia, y el cuerpo de contacto, situado en el lado de sustrato de un diodo láser, que tenga un aislamiento eléctrico y una alta conductancia térmica, para garantizar una transferencia de calor eficiente desde el cuerpo conductor de calor, situado en el lado de sustrato, hasta el cuerpo conductor de calor, situado en el lado de epitaxia, y se pueda crear con una pequeña cantidad de componentes y de pasos de fabricación, así como de manera económica.

Descripción de la invención El objetivo se consigue mediante un dispositivo de transferencia térmica con, al menos, un componente semiconductor, en particular un diodo láser o diodo luminoso, con las características de la reivindicación 1. Realizaciones ventajosas son objeto de las reivindicaciones secundarias.

Para la invención es esencial la hendidura de unión, que está situada separada del diodo láser entre los dos cuerpos conductores de calor y que se llena con un medio de unión aislante de electricidad, conteniendo una zona situada separada del diodo láser entre los dos planos de las superficies de contacto un metal conductor de calor, que pertenece, al menos, a uno de los dos cuerpos conductores de calor o a un tercer cuerpo conductor de calor,

configurado como cuerpo intermedio, que está situado separado del diodo láser entre los cuerpos conductores de calor.

Si el espesor de la hendidura de unión, llena de un medio de unión aislante de electricidad, es menor que el espesor del diodo láser en dirección de transmisión pn, es decir, en dirección de la perpendicular de las superficies de contacto o de la distancia entre las superficies de contacto, la conductancia de la unión por arrastre de material entre ambos cuerpos conductores de calor es relativamente alta. El espesor de la hendidura de unión es preferentemente menor que la mitad de la distancia de las superficies de contacto, con especial preferencia, menor que el 20% de la distancia de las superficies de contacto.

La ventaja de la solución, según la invención, es el uso de un metal económico y con una alta conductividad térmica en un mayor intervalo de distancia posible entre los planos de las superficies de contacto, unido esto a una zona de unión, lo más delgada posible, de medio de unión aislante de electricidad.

En particular, la invención permite prescindir completamente de zonas de aislamiento eléctrico en el... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo de transferencia térmica con

- al menos un componente semiconductor (10) , en particular un diodo láser o diodo luminoso, 5

- un primer cuerpo conductor de calor (20) y

- al menos un segundo cuerpo conductor de calor (30) ,

presentando el componente semiconductor (10) 10

- en un primer lado al menos una primera superficie de contacto (11) esencialmente plana al menos por secciones y,

-en al menos un segundo lado, opuesto al primer lado, al menos una segunda superficie de contacto (12)

esencialmente plana al menos por secciones, y 15

- estando dispuesto este al menos por secciones entre el primer y el segundo cuerpo conductor de calor (20 y 30) , presentando el primer cuerpo conductor de calor (20) una primera zona metálica que

- constituye respecto a su masa y/o su volumen la parte principal del primer cuerpo conductor de calor (20) , 20

- está unida eléctricamente a la primera superficie de contacto (11) del componente semiconductor (10) ,

- presenta al menos una primera sección de absorción térmica (25) con al menos una primera superficie de entrada de calor (21) , que se opone al menos por secciones a la primera superficie de contacto (11) en una dirección

opuesta al componente semiconductor (10) y está unida al componente semiconductor (10) mediante al menos una unión por arrastre de material que se extiende en la línea del componente semiconductor (10) , orientada en perpendicular a la primera superficie de contacto (11) , desde la primera superficie de contacto (11) hasta la primera superficie de entrada de calor (21) , así como - al menos una primera sección de transferencia térmica (26) que se extiende en al menos una primera dirección de transferencia térmica al menos por secciones en paralelo a la primera superficie de contacto (11) más allá del componente semiconductor (10) ,

presentando el segundo cuerpo conductor de calor (30) una segunda zona metálica que 35

- constituye respecto a su masa y/o su volumen la parte principal del segundo cuerpo conductor de calor (30) ,

- está unida eléctricamente a la segunda superficie de contacto (12) del componente semiconductor,

- presenta al menos una segunda sección de absorción térmica (35) con al menos una segunda superficie de entrada de calor (31) , que se opone al menos por secciones a la segunda superficie de contacto (12) en una dirección opuesta al componente semiconductor (10) y está unida al componente semiconductor (10) mediante al menos una unión por arrastre de material que se extiende en la línea del componente semiconductor (10) , orientada en perpendicular a la segunda superficie de contacto (12) , desde la segunda superficie de contacto (12) hasta la 45 segunda superficie de entrada de calor (35) , así como

- al menos una segunda sección de transferencia térmica (36) que se extiende en al menos una segunda dirección de transferencia térmica, paralela a la primera dirección de transferencia térmica, al menos por secciones en paralelo a la segunda superficie de contacto (12) más allá del componente semiconductor (10) ,

- estando opuesta al menos por secciones la segunda zona metálica en la segunda sección de transferencia térmica a la primera zona metálica en la primera sección de transferencia térmica y

- presentando una hendidura de unión, que está dispuesta al menos por secciones entre secciones opuestas entre sí

de la primera y la segunda zona metálica y mediante la que quedan unidas entre sí por arrastre de material las secciones de transferencia térmica del primer y del segundo cuerpo conductor de calor (20, 30) , al menos por sección como mínimo un medio de unión aislante de electricidad (50) ,

caracterizado porque el medio de unión aislante de electricidad (50) cubre por arrastre de material, al menos hasta la mitad, en al menos una zona parcial de la hendidura de unión la distancia existente aquí entre la primera y la segunda zona metálica o entre la primera o la segunda zona metálica y al menos una tercera zona metálica de un cuerpo intermedio (40) que está dispuesto al menos por secciones entre la primera y la segunda sección de transferencia térmica y porque al menos una de las primeras, segundas o terceras zonas metálicas, contiguas a la hendidura de unión, está dispuesta al menos parcialmente entre los planos, en los que se encuentran la primera y la segunda superficie de contacto (11) y (12) del componente semiconductor (10) .

2. Dispositivo de transferencia térmica según la reivindicación 1, caracterizado porque el medio de unión aislante de electricidad (50) cubre completamente por arrastre de material la distancia existente aquí entre las 10 zonas metálicas en al menos una zona parcial de la hendidura de unión.

3. Dispositivo de transferencia térmica según la reivindicación 1, caracterizado porque, en al menos una zona parcial de la hendidura de unión, el medio de unión aislante de electricidad (50) cubre completamente por arrastre de material la distancia existente aquí entre las zonas metálicas, excepto los espesores de las capas adhesivas aplicadas sobre las zonas metálicas contiguas a la hendidura de unión.

4. Dispositivo de transferencia térmica según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el medio de unión aislante de electricidad (50) es al menos un medio de unión perteneciente al grupo de los adhesivos, cementos y vidrios de soldadura.

5. Dispositivo de transferencia térmica según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la primera zona metálica abarca completamente el primer cuerpo conductor de calor y/o la segunda zona metálica abarca completamente el segundo cuerpo conductor de calor y/o la tercera zona metálica abarca completamente el tercer cuerpo conductor de calor.

6. Dispositivo de transferencia térmica según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la primera y la segunda zona metálica contienen principalmente cobre.

7. Dispositivo de transferencia térmica según la reivindicación 6, caracterizado porque la tercera zona 30 metálica contiene principalmente cobre.

8. Dispositivo de transferencia térmica según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la primera y la segunda zona metálica contienen principalmente al menos un material compuesto de carbono y metal.

9. Dispositivo de transferencia térmica según la reivindicación 8, caracterizado porque la tercera zona metálica contiene principalmente al menos un metal refractario.

10. Dispositivo de transferencia térmica según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque al menos uno de los cuerpos conductores de calor (20, 30) presenta al menos una entalladura superficial,

que está dispuesta al menos por secciones en la sección de entrada de calor (25, 35) y cuya superficie de fondo forma al menos por secciones la superficie de entrada de calor (21, 31) y aloja al menos por secciones el componente semiconductor (10) .

11. Dispositivo de transferencia térmica según la reivindicación 10, caracterizado porque el primer y el

segundo cuerpo conductor de calor (20 y 30) presentan respectivamente al menos una entalladura superficial que está dispuesta al menos por secciones en la sección de entrada de calor (25, 35) y cuya superficie de fondo forma al menos por secciones la superficie de entrada de calor (21, 31) y aloja al menos por secciones el componente semiconductor (10) .

12. Dispositivo de transferencia térmica según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque, exceptuando disipadores de calor, medios de fijación para la instalación de conexiones eléctricas, elementos de cortocircuito y/o sensores de temperatura, tan solo presenta los tres componentes siguientes: una barra de diodo láser (10) , un primer cuerpo conductor de calor (20) y un segundo cuerpo conductor de calor (30) .

13. Dispositivo de transferencia térmica según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el tercer cuerpo conductor de calor (40) está unido a las secciones de transferencia térmica (26, 36) en dos lados opuestos entre sí con ayuda de un medio de unión aislante de electricidad (50, 51) o porque el tercer cuerpo conductor de calor (40) está unido en un lado a una de las secciones de transferencia térmica (26, 36) mediante una soldadura metálica (43, 44) .

14. Dispositivo de transferencia térmica según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el componente semiconductor es una barra de diodo láser que presenta al menos un eje óptico de la emisión de radiación y porque la extensión de al menos uno de los cuerpos conductores de calor (20, 30) sobre al menos una recta, que está situada en perpendicular respecto al menos a una de las superficies de contacto (11, 12) 5 de la barra de diodo láser en al menos un plano que se extiende en perpendicular respecto a una de las superficies de contacto (11, 12) del componente semiconductor y en paralelo al eje óptico de la emisión de radiación a través del mencionado cuerpo conductor de calor (20, 30) y de la barra de diodo láser (10) , es mayor que al menos una extensión, situada en el plano mencionado, de la barra de diodo láser orientada en paralelo respecto al menos a una de las superficies de contacto (11, 12) , presentando preferentemente al menos una extensión del medio de unión aislante de electricidad (50) en el plano mencionado al menos el doble del valor que la al menos una extensión, situada en el plano mencionado, de la barra de diodo láser (10) orientada en paralelo respecto al menos a una de las superficies de contacto (11, 12) .

15. Dispositivo de transferencia térmica según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque al menos uno de los cuerpos conductores de calor (20 o 30) está conectado al menos a un disipador de calor, estando conectado preferentemente solo uno de los cuerpos conductores de calor (20 o 30) al menos a un disipador de calor en un lado opuesto al componente semiconductor (10) .