Dispositivo de transmisión de calor con al menos un elemento constructivo semiconductor, particularmente un elemento diodo láser o de luz, y procedimiento para su montaje.

Dispositivo para la transmisión de calor con:

- al menos un elemento constructivo semiconductor (10),

particularmente un elemento de diodo láser o de luz,

- un primer cuerpo conductor de calor (20),

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

en donde

el elemento constructivo semiconductor (10) presenta

- en un lado, al menos una primera superficie de contacto (11) sustancialmente plana al menos por tramos, y

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

- está dispuesto al menos por tramos entre el primer y el segundo cuerpo conductor de calor (20 y 30),el primer cuerpo conductor de calor (20)

- presenta al menos una primera sección de absorción térmica (25) con al menos una primera superficie de entradatérmica (21), enfrentada al menos por tramos a la primera superficie de contacto (11) en una dirección opuesta alelemento constructivo semiconductor (10), y que está unido con el elemento constructivo semiconductor (10)mediante al menos una junta orientada perpendicularmente con respecto a la primera superficie de contacto (11) delelemento constructivo semiconductor (10) de la unión con material que se extiende desde la primera superficie decontacto (11) hacia la primera superficie de entrada térmica (21), que presenta al menos una primera zona de unión(13),

así como

- al menos una primera sección de transferencia térmica (26) que se extiende en al menos una primera dirección detransferencia térmica al menos por secciones paralela a la primera superficie de contacto (11) a lo largo del elementoconstructivo semiconductor (10) hacia el exterior.

Dispositivo para la transmisión de calor con al menos un elemento constructivo semiconductor, particularmente un elemento diodo láser o de luz, y procedimiento para su montaje.

Esta solicitud de patente reivindica la prioridad de la solicitud de patente alemana 102008026801.1 cuyo contenido de publicación se recoge aquí de forma retrospectiva.

La invención se refiere a un dispositivo para la transmisión de calor con al menos un elemento constructivo semiconductor, particularmente un elemento diodo láser o de luz, de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 y a un procedimiento para su montaje.

Estado de la técnica

De los documentos de patente y publicación US5, 325, 384, WO2006098897A1 y WO2007082508A1 se conoce, por ejemplo, la fijación de cuerpos conductores de calor a lados opuestos entre sí de la barra láser para la reducción de la resistencia térmica de dispositivos para la transmisión de calor que ayudan al enfriamiento de barras de diodos láser. Si la capacidad de disipación del calor de los cuerpos conductores de calor es diferente – por ejemplo, debido a que los disipadores térmicos conectados a los cuerpos conductores de calor presentan una resistencia térmica notablemente diferente los unos de los otros, se puede reducir la resistencia térmica del dispositivo para la transmisión de calor mediante la conexión en unión térmica de ambos cuerpos transmisores de calor entre sí en secciones de transferencia térmica aparte de la barra de diodos láser, de tal forma que una parte del calor del cuerpo conductor de calor peor enfriado pueda ser absorbida por el mejor enfriado. En un caso extremo, sólo está conectado uno de los cuerpos conductores de calor a un disipador térmico y tiene que absorber sustancialmente en su totalidad el calor de la barra de diodo láser absorbido por el otro cuerpo conductor de calor. Una disposición de este tipo se conoce de la publicación nº 68760Q de proc. SPIE vol. 6876 del año 2008, en donde para lograr una buena unión térmica entre los cuerpos conductores de calor se soldó una placa cerámica de nitrito de aluminio de alta conducción térmica eléctricamente aislante con la ayuda de dos capas de soldadura metálica sobre el lado opuesto a la salida de luz de la barra de diodo láser entre el cuerpo metálico disipador de calor del lado epitaxial y el cuerpo metálico conductor de calor del lado del substrato.

En esta disposición y en otras similares existe el problema que el elemento intermedio de alta conducción térmica dispuesto entre las secciones de transferencia térmica de los cuerpos conductores de calor debería presentar preferentemente el mismo grosor que el de los lados en contacto de las barras de diodo láser entre sus dos secciones de absorción térmica de los cuerpos conductores de calor para la disipación de calor, para que el grosor de las zonas de unión entre la barra láser y las secciones de absorción térmica de los cuerpos conductores de calor por un lado, y entre el elemento intermedio y las secciones de transferencia térmica de los cuerpos conductores de calor por otro lado pueda ser igual por una parte y por otra parte se pueda mantener constante a lo largo de la dilatación de cada zona de unión.

Un grosor constante de la zona de unión, que se mantenga igual y particularmente pequeño es imprescindible particularmente para el contacto de la barra de diodo láser, para garantizar una calidad y fiabilidad constante del diodo láser con elevada carga tanto térmica como también eléctrica y óptica. Ahora bien, el grosor de las barras de diodo láser es diferente tanto dentro de un lote como también entre diferentes lotes. Lo mismo aplica para los elementos intermedios. Una unificación reproducible de los grosores de barras de diodo láser y elementos intermedios a una diferencia inferior a 2 !m es o bien muy costosa desde un punto de vista técnico de fabricación o va acompañada de un proceso de selección y asignación que requiere mucho tiempo.

El objeto de la invención es por ello el de describir un dispositivo para la transmisión de calor con un elemento constructivo semiconductor que excluya los inconvenientes mencionados.

Particularmente, es objeto de la invención garantizar en el proceso continuo de fabricación de diodos láser un grosor uniforme y sustancialmente constante de las zonas de unión entre las barras de diodo láser y los cuerpos conductores de calor que absorben el calor. Al mismo tiempo, es objeto de la invención hacer posible una buena transferencia de calor desde un cuerpo conductor de calor al otro.

Descripción de la invención El objetivo se resuelve mediante un dispositivo de transferencia térmica con al menos un elemento constructivo semiconductor, particularmente un elemento de diodo láser o de luz, con las propiedades caracterizantes de la reivindicación 1 y un procedimiento para su montaje según la reivindicación 15.

El distanciador dispuesto entre las secciones de apoyo se encuentra situado de acuerdo con la invención al otro lado de las secciones de transferencia térmica, visto desde el elemento constructivo semiconductor. En una unión de los cuerpos conductores de calor entre sí y/o en la unión de al menos un cuerpo conductor de calor con el elemento constructivo semiconductor, se absorbe una parte de la fuerza de presión que se ejerce durante el montaje desde un cuerpo conductor de calor sobre el otro y fija la distancia de los cuerpos conductores de calor entre sí entre las secciones de apoyo. Condicionado por su distancia de separación preferentemente grande del elemento constructivo semiconductor, esta distancia no se tiene que corresponder exactamente con el grosor con respecto al elemento constructivo semiconductor mas la primera y la segunda zona de unión, y el error angular producido por una desviación correspondiente es tan pequeño que una variación del grosor entre la primera y la segunda zona de unión debida a un error angular resulta despreciable.

Preferentemente, el grosor del distanciador, o la distancia de separación entre los puntos de apoyo está adaptada a las capas de las superficies de apoyo opuestas entre sí de las secciones de apoyo en lo que respecta a las superficies de entrada térmica y al grosor del elemento constructivo semiconductor de tal forma que la variación de grosor entre la primera y la segunda zona de unión no puede ser superior a un +/-50%. Con precisión a las superficies de apoyo y de entrada térmica, que están dispuestas sobre cada uno de los dos cuerpos conductores de calor de forma coplanar entre sí sobre un eje común orientado en una dirección preferente, sobre un elemento constructivo semiconductor de forma paralelepipédica y sobre dos primera y segunda zonas de unión del mismo grosor de grosor medio d, la distancia de separación entre los puntos de apoyo (el grosor del distanciador) varía en una distancia de separación en dirección preferente desde el centro del elemento constructivo semiconductor, que se corresponde con p veces la dilatación del elemento constructivo semiconductor en dirección preferente, preferentemente no más de +/- 2d· (p-1) del grosor del elemento constructivo semiconductor.

Si las superficies de apoyo y de entrada térmica son paralelas entre sí, pero no son coplanares, sino que están desplazadas una respecto de la otra, se aumenta o reduce la desviación permitida anteriormente mencionada para cada uno de los cuerpos conductores de calor de este tipo precisamente en este desplazamiento.

El hecho de que el grosor de la tercera zona de unión entre las secciones de transferencia térmica sea mayor que los grosores de la primera o de la segunda zona de unión hace posible el efecto de apoyo del distanciador, puesto que de lo contrario el efecto de apoyo se encontraría en la zona comprendida entre las secciones de transferencia térmica, lo que por un lado da lugar de forma conocida a los problemas mencionados en la introducción y por otro lado da lugar de forma indeseada a que el grosor de la tercera zona de unión determine el grosor de al menos una de la primera y de la segunda zona de unión.

Sin embargo, para un contacto fiable a una barra de diodo láser resulta precisamente deseable que el grosor de la primera y de la segunda zona de unión que determinan el de la de menor importancia —concretamente la tercera— lo que se consigue mediante el efecto de apoyo del distanciador durante el montaje de la tercera zona de unión con un grosor incrementado con respecto a la primera y a la segunda zona de unión.

Por zona de unión se entiende la capa de un medio de unión endurecido. La zona de unión y la ranura de unión se diferencian en el hecho de que la zona de unión sólo contiene medio de unión, mientras... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo para la transmisión de calor con:

- al menos un elemento constructivo semiconductor (10) , particularmente un elemento de diodo láser o de luz,

- un primer cuerpo conductor de calor (20) ,

- al menos un segundo cuerpo conductor de calor (30) en donde el elemento constructivo semiconductor (10) presenta

- en un lado, al menos una primera superficie de contacto (11) sustancialmente plana al menos por tramos, y

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

- está dispuesto al menos por tramos entre el primer y el segundo cuerpo conductor de calor (20 y 30) , el primer cuerpo conductor de calor (20)

- presenta al menos una primera sección de absorción térmica (25) con al menos una primera superficie de entrada térmica (21) , enfrentada al menos por tramos a la primera superficie de contacto (11) en una dirección opuesta al elemento constructivo semiconductor (10) , y que está unido con el elemento constructivo semiconductor (10) mediante al menos una junta orientada perpendicularmente con respecto a la primera superficie de contacto (11) del elemento constructivo semiconductor (10) de la unión con material que se extiende desde la primera superficie de contacto (11) hacia la primera superficie de entrada térmica (21) , que presenta al menos una primera zona de unión (13) ,

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 paralela a la primera superficie de contacto (11) a lo largo del elemento constructivo semiconductor (10) hacia el exterior,

el segundo cuerpo conductor de calor (30)

- presenta al menos una segunda sección de absorción térmica (35) con al menos una segunda superficie de entrada térmica (31) , enfrentada al menos por tramos a la segunda superficie de contacto (12) en una dirección opuesta al elemento constructivo semiconductor (10) , y que está unido con el elemento constructivo semiconductor

(10) mediante al menos una junta orientada perpendicularmente con respecto a la segunda superficie de contacto

(12) del elemento constructivo semiconductor (10) de la unión con material que se extiende desde la segunda superficie de contacto (12) hacia la segunda superficie de entrada térmica (31) , que presenta al menos una segunda zona de unión (14) ,

así como

- al menos una segunda sección de transferencia térmica (36) que se extiende en al menos una segunda dirección de transferencia térmica al menos por secciones paralela a la segunda superficie de contacto (12) a lo largo del elemento constructivo semiconductor (10) hacia el exterior, y situada en posición opuesta al menos por zonas a la primera sección de transferencia térmica (26) del primer cuerpo conductor de calor (20) ,

en donde

- las secciones de transferencia térmica (26 y 36) del primer y del segundo cuerpo conductor de calor (20 y 30) están unidas entre sí mediante unión con material a través de una ranura de unión dispuesta al menos por tramos entre zonas enfrentadas entre sí de las secciones de transferencia térmica, que presenta al menos una tercera zona de unión (50) ,

caracterizado porque el primer cuerpo conductor de calor (20)

- presenta al menos una primera sección de apoyo (27) situada a continuación de la primera sección de transferencia térmica (26) ,

el segundo cuerpo conductor de calor (30)

- presenta al menos una segunda sección de apoyo (37) situada a continuación de la segunda sección de transferencia térmica (36) , opuesta al menos por zonas a la primera sección e apoyo (27) ,

- entre zonas enfrentadas entre sí de las dos secciones de apoyo (27 y 37) está dispuesto al menos un distanciador (60) ,

-y la tercera zona de unión (50) presenta al menos por secciones un mayor grosor que la primera o la segunda zona de unión (13 y 14) .

2. Dispositivo para la transmisión de calor según la reivindicación 1, caracterizado porque el distanciador

(60) tiene individualidad corporal y se puede identificar de este modo como componente independiente de los cuerpos conductores de calor, o caracterizado porque el distanciador (60) es un componente integrado o integral de al menos uno de los cuerpos conductores de calor (20, 30) .

3. Dispositivo para la transmisión de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el distanciador (60) está dispuesto al menos parcialmente entre los planos, en los que se encuentran la primera y la segunda superficie de contacto (11 y 12) del elemento constructivo semiconductor (10) , y/o caracterizado porque el distanciador (60) es eléctricamente aislante.

4. Dispositivo para la transmisión de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el grosor del distanciador (60) en una dirección perpendicular a al menos una de las superficies de contacto (11, 12) difiere en menos del 50% de la distancia mutua de separación entre la primera y la segunda superficie de contacto (11 y 12) , y/o caracterizado porque el grosor del distanciador (60) en una dirección perpendicular a al menos una de las superficies de contacto (11, 12) es mayor que la distancia mutua de separación entre la primera y la segunda superficie de contacto (11 y 12) .

5. Dispositivo para la transmisión de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento constructivo semiconductor (10) es una barra de diodo láser, que presenta al menos un eje óptico de la emisión de radiación, y la dilatación de al menos uno de los cuerpos conductores de calor (20, 30) sobre al menos una recta, situada perpendicularmente a al menos una de las superficies de contacto (11, 12) de la barra de diodo láser en al menos uno de los planos, que se extiende perpendicular a al menos una de las superficies de contacto (11, 12) de la barra de diodo láser (10) y paralela al eje óptico de la emisión de radiación a través de dichos cuerpos conductores de calor (20, 30) y de la barra de diodo láser (10) , es mayor que al menos una extensión de la barra de diodo láser (10) situada en dicho plano, que está orientado paralelo a al menos una de las superficies de contacto (11, 12) .

6. Dispositivo para la transmisión de calor según la reivindicación 5, caracterizado porque al menos una extensión de la zona de unión (50) en dicho plano es al menos el doble de grande que la al menos una extensión situada en dicho plano de la barra de diodo láser (10) , que está orientada paralela a al menos una de las superficies de contacto (11, 12) .

7. Dispositivo para la transmisión de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las secciones de apoyo (27, 37) prevén unas superficies de apoyo (23, 33) para el apoyo del distanciador (60) y para el apoyo sobre el distanciador (60) y/o caracterizado porque la superficie de apoyo (23, 33) de al menos uno de los cuerpos conductores de calor (20, 30) se encuentra situada en un mismo plano que la superficie de entrada térmica (21, 31) del mismo cuerpo conductor de calor (20, 30) hasta en un desplazamiento en paralelo, que está condicionado por la zona de unión (13, 14) .

8. Dispositivo para la transmisión de calor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el primer y el segundo cuerpo conductor de calor (20 y 30) presentan cada uno al menos una entalladura superficial dispuesta al menos por tramos en la sección de entrada térmica (25, 35) , cuya superficie de suelo forma al menos por tramos la superficie de entrada térmica (21, 31) y que recoge al menos por tramos al elemento constructivo semiconductor (10) , así como cada uno al menos una entalladura superficial dispuesta al menos por tramos en la sección de apoyo (27, 37) , cuya superficie de suelo forma al menos por tramos la superficie de apoyo (23, 33) , en donde la primera y la segunda sección de transferencia térmica (26 y 36) está dispuesta al menos parcialmente entre los planos en los que se encuentra la primera y la segunda superficie de contacto (11 y 12) del elemento constructivo semiconductor (10) , y/o caracterizado porque la primera sección de transferencia térmica (26) presenta al menos una primera zona metálica que está en contacto eléctrico con la primera superficie de contacto

(11) del elemento constructivo semiconductor (10) , la segunda sección de transferencia térmica (26) presenta al menos una segunda zona metálica que está en contacto eléctrico con la segunda superficie de contacto (11) del elemento constructivo semiconductor (10) , y la tercera zona de unión (50) presenta al menos por tramos un medio de unión eléctricamente aislante, que en al menos una zona parcial de la ranura de unión puentea al menos a la mitad en unión con material la distancia de separación ahí existente entre la primera y la segunda zona metálica.

9. Dispositivo para la transmisión de calor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el primer y el segundo cuerpo conductor de calor (20 y 30) están formados principalmente por cobre y/o un material compuesto carbono-metal.

10. Procedimiento para el montaje de un elemento constructivo semiconductor (10) , particularmente un elemento diodo láser o de luz, caracterizado por las siguientes etapas de procedimiento:

a) la introducción al menos por tramos del elemento constructivo semiconductor (10) que presenta

- en un lado, al menos una primera superficie de contacto (11) sustancialmente plana al menos por tramos,

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

entre un primer y un segundo cuerpo conductor de calor (20 y 30)

de tal forma que

- la primera superficie de contacto (11) está situada al menos por tramos enfrente de una primera superficie de entrada térmica (21) de una primera sección de absorción térmica (25) del primer cuerpo conductor de calor (20) en una dirección opuesta al elemento constructivo semiconductor (10) , y

- la segunda superficie de contacto (12) está situada al menos por tramos enfrente de una segunda superficie de entrada térmica (31) de una segunda sección de absorción térmica (35) del segundo cuerpo conductor de calor (30) en una dirección opuesta al elemento constructivo semiconductor (10) ,

b) la unión en unión con material de la primera sección de absorción térmica (25) con el elemento constructivo semiconductor (10) mediante la formación de una primera zona de unión (13) en una unión con material, que se extiende perpendicular a la alineación orientada hacia la primera superficie de contacto del elemento constructivo semiconductor (10) desde la primera superficie de contacto (11) hacia la primera superficie de entrada térmica (21) ,

c) la unión en unión con material de la segunda sección de absorción térmica (35) con el elemento constructivo semiconductor (10) mediante la formación de una segunda zona de unión (14) en una unión con material, que se extiende perpendicular a la alineación orientada hacia la segunda superficie de contacto (12) del elemento constructivo semiconductor (10) desde la segunda superficie de contacto (12) hacia la segunda superficie de entrada térmica (31) ,

d) la unión en unión con material de zonas enfrentadas entre sí de una primera sección de transferencia térmica (26) del primer cuerpo conductor de calor (20) , que se extiende al menos por tramos en al menos una primera dirección de transferencia térmica paralela a la primera superficie de contacto (11) a través del elemento constructivo semiconductor (10) hacia el exterior y de una segunda sección de transferencia térmica (36) del segundo cuerpo conductor de calor (30) , que se extiende al menos por tramos en al menos una segunda dirección de transferencia térmica paralela a la segunda superficie de contacto (12) a través del elemento constructivo semiconductor (10) hacia el exterior, mediante la conformación de una tercera zona de unión (50) que presenta al menos por tramos un mayor grosor que la primera y la segunda zona de unión, y

e) ejercicio de al menos una fuerza de presión durante al menos una de las etapas de procedimiento b) , c) y d) desde una sección de apoyo (27, 37) sobre otra sección de apoyo (37, 27) de los cuerpos conductores de calor (20 y 30) a través de un distanciador (60) , que está dispuesto al menos por tramos en una posición de apoyo entre unas zonas enfrentadas entre sí de una primera sección de apoyo (27) del primer cuerpo conductor de calor (20) que se sitúa a continuación de la primera sección de transferencia térmica (26) , y de una segunda sección de apoyo (37) del segundo cuerpo conductor de calor (30) que se sitúa a continuación de la segunda sección de transferencia térmica (36) .

11. Procedimiento para el montaje de un elemento constructivo semiconductor según la reivindicación 10, caracterizado porque las etapas de procedimiento b) y d) o las etapas de procedimiento c) y d) se realizan al menos por momentos en un proceso de unión común, en donde el grosor de la tercera zona de unión (50) es al menos por tramos mayor que el grosor de la primera o segunda zona de unión (13 o 14) , que se forma al menos por momentos de forma conjunta con la tercera zona de unión (50) , y/o caracterizado porque las etapas de procedimiento b) , c) y d) se realizan al menos por momentos en un proceso de unión común en donde el grosor de la tercera zona de unión (50) es al menos por tramos mayor que la suma de los grosores de la primera y de la segunda zona de unión (13 y 14) .

12. Procedimiento para el montaje de un elemento constructivo semiconductor según la reivindicación 10 u 11, caracterizado porque en la preparación de la etapa de procedimiento d) se introduce un medio de unión eléctricamente aislante entre las secciones de transferencia térmica (26 y 36) de los dos cuerpos conductores térmicos (20 y 30) .

13. Procedimiento para el montaje de un elemento constructivo semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado porque para la preparación de la etapa de procedimiento e) se introduce el distanciador (60) entre las secciones de apoyo (27, 37) de los cuerpos conductores de calor (20, 30) , y durante la etapa de procedimiento e) se apoya en la posición de apoyo sobre una superficie de apoyo (23, 33) de la sección de 10 apoyo (27, 37) que absorbe la presión y una superficie de apoyo (33, 23) de la otra sección de apoyo (37, 27) que ejerce presión del se apoya sobre el distanciador (60) , y/o caracterizado porque el distanciador (60) es eléctricamente conductor y en su posición de apoyo, una primera zona metálica que está en conexión eléctrica con la primera superficie de contacto (11) del elemento constructivo semiconductor (10) une eléctricamente con una segunda zona metálica que está en conexión eléctrica con la segunda superficie de contacto del elemento constructivo semiconductor, en donde preferentemente el primer cuerpo conductor de calor (20) presenta la primera zona metálica y el segundo cuerpo conductor de calor (30) la segunda zona metálica.

14. Procedimiento para el montaje de un elemento constructivo semiconductor según la reivindicación 13, caracterizado porque el distanciador (60) se retira de su posición de apoyo para el funcionamiento del elemento constructivo semiconductor (10) .

15. Procedimiento para el montaje de un elemento constructivo semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, caracterizado porque para el funcionamiento del elemento constructivo semiconductor (10) al menos uno de los cuerpos conductores de calor (20 o 30) se conecta a al menos un disipador de calor por un lado opuesto al elemento constructivo semiconductor (10) .