专利名称：用于垂直布置激光二极管的、具有止挡的载体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光辐射源，其具有一垂直叠的激光二极管元件。
背景技术：
为了激发固体激光器的光，对于工业的激光器材料加工和也在医 疗器械中通常采用激光二极管条形式的高功率二极管激光器，其通过 堆叠可以构成待二维发射的、具有提高的辐射功率的表面。
从对所谓堆叠的众多建议出发，US 5 923 692 A描述一种高功率 二极管激光器阵列，其由许多垂直堆叠的并经由导电的基层接触的激 光二极管条构成。经由其中一个基层形成一向一可导热的且电绝缘的 底板的热接触，该底板连接于一散热片。通过相邻的激光二极管条的 各导电的基层直接相互连接，串联连接各激光二极管。
这一方面具有缺点，即可能出现热机械应力，因为各激光二极管 不仅相互之间而且与底板相连接。
另一方面在各激光二极管条和导电的基层中的厚度变化导致各激 光二极管条之间的间距变化。
发明内容
因此本发明的目的是，构成一种在功率上可标度的激光辐射源， 使多个激光二极管元件可以不多的制造费用等距地堆叠并可以低应力 地安装在一载体上。
按照本发明通过一种激光辐射源达到该目的，其包括
一垂直叠的激光二极管元件，它们在两侧经由由导电材料构成的 基层触点接通；和
至少一个多层的第一载体，其包括一第一金属层和至少一第二金 属层，所述金属层通过至少一个由非金属材料构成的电绝缘层分离； 其中至少一个金属层分成并排的且以一彼此间距设置的多个金属的层 区域；并且相邻的激光二极管元件的各相反极的基层安装在一金属层 的共同的层区域上。
按照本发明每一激光二极管元件经由p侧的和n侧的基层与导电 的层区域处于电接触并从而与载体处于热接触。由于对相邻的、激光二 极管元件的各相反极的基层利用共同的层区域，在串联中经由载体的 金属的层区域引导电流。
因此特别有利的是可以在相邻的激光二极管元件的各相反极的基 层之间开放一间隙，借此可以很精确地等距定位各激光二极管元件， 因为可以按简单的方式实施在各激光二极管元件和基层中的厚度公差 的补偿。
由于夹层状构成的、包括激光二极管元件和基层的组件可以单个 地和相互独立地安装到载体上，所以可以构成一低应力的结构。
特别适用于制造载体是DCB (直接铜粘结)技术，因为一这样制 成的结构一方面确保一良好的热导率，而另一方面还通过由铜构成的 表面层的足够的层厚度允许几百安培的流量。
其他的优点在于，利用本发明可以提供一具有轻的和不多的部件 的激光辐射源，其没有螺钉连接和可拆卸的机械元件并且其没有气体 排放。而且利用建议的方案可以实现一简单的标度。
在有利的实施形式中载体可以配备一在各非金属层之间的#:型冷 却器，其具有用于冷却介质的各个通道，在载体的底面中为所述冷却 介质设置供给通道和排出通道。
限定垂直叠的激光二极管元件的各基层分别单独焊到一层区域 上，同时在每一层区域上引导一用于供电的电接触元件。在这方面产 生有利的结果的是，各层区域(在其上焊接限定垂直叠的各激光二极 管元件的各基层)与在载体的对置的侧面上的各一个层区域处于电接 触，在该侧面上在层区域上设置各电接触元件一例如经由一在电绝缘 层中的敷镀通孔。
由各从属权利要求得出本发明的激光辐射源的其他的有利的实施 形式和进一步构成。
以下要借助示意图更详细地说明本发明。其中
图1 一本发明的激光辐射源的俯视图2 用于按照本发明的激光二极管叠的一载体的底侧；
图3按图1的激光辐射源的侧视图4 图3中的一部分X;
图5 在图3中的一部分Y中， 一在载体的上侧和底侧上的各 层区域之间的敷镀通孔；
图6 准直仪透镜在激光二极管叠的每一激光二极管条之前的 定位；
图7 —构成为微型冷却器的用于激光二极管叠的载体；
图8 按图7的载体，包括安装的激光二极管叠；
图9 本发明的激光辐射源的另一实施形式的剖面图10 图9的激光二极管元件的尺寸比。
具体实施例方式
在图l至6所示的激光辐射源中，多个构成为激光二极管条l的 激光二极管元件(例如由GaAs构成)通过由导电材料制成的各基层 2、 3 (例如具有一与激光二极管条的材料如铜钨合金类似的热膨胀系 数的基层)在p侧和n侧借助于硬焊料(例如易熔的金属合金 Au80Sn20 )相连接并从而触点接通，并且安装在一用于供电和用于散 热的载体4上。
基层2、 3的厚度，即其沿激光二极管条1的堆叠方向的尺寸可与 激光二极条1的共振长度相比。在一优选的实施形式中p侧的基层2 的厚度应为激光二极管条1的共振长度的0.5至1倍，而n侧的基层 3的厚度应为其0.25至0.5倍。通过n侧的基层3的不同的厚度可以 实施各激光二极管条l之间的间距变化(节距)。
基层2、 3沿各层区域8的长度L超出共振长度，但由于热路程 长度的原因优选总是小于共振长度的两倍。
构成为薄板的载体4，其优选按DCB方法(直接铜粘结)制造，
在上侧和底侧上具有由铜制成的金属层5、 6，其通过至少一个由一氮 化铝陶瓷构成的非金属层7分开。
重要的是，各金属层的厚度的总值和各非金属层的厚度的总值处 于一确定的比值，以便在安装平面内达到一平均的热膨胀系数，其近 似对应于承载的各元件的热膨胀系数。
在DBC方法中涂覆铜的特殊情况下，铜通过该方法得到一满意 确定的硬度，各金属层的厚度的总值应该为各氮化铝的非金属层的厚 度的总值的两倍大。适合的铜层厚度在与之相应的陶瓷层厚度时处在 O，lmm至lmm的范围内并且通过其刚度确保载体4的一高的平面度。
在铜的不同的硬度时需要一不同的厚度比，以便对载体4得到一 要求的膨胀系数。对于铜的维氏硬度HV60至HV120，将厚度比选择 成使各金属层的厚度的总值与各非金属层的厚度的总值之比为1.5:1 至2.0:1。
在载体4的设置用于安装激光二极管条1的侧面上，金属层(在 这里即上侧的层5)分为多个层区域8，它们构成为相互平行和以一间 距并排设置的长条式的导电轨。由导电材料构成的基层2、 3优选利用 一硬焊料例如易熔的金锡合金Au80Sn20焊接到各层区域8上，借此 经由两个基层2、3不仅建立对各基区域8的电接触而且建立对载体的 热接触。
按照本发明基层2、 3与各层区域8这样连接，即相邻的激光二极 管条l的各相反极的基层2、 3安装在共同的层区域8上。
在各相反极的基层2、 3之间可以特别有利的是开设一间隙10， 用于各激光二极管条1之间的等距的间距调整，因为按照本发明经由 载体4、特别经由各一个共同的层区域8引导从一第 一激光二极管条1 的n触点向一相邻的笫二激光二极管条l的p触点的电流。
激光二极管叠的两个位于外面的基层， 一个p触点侧的基层2'和 一n触点侧的基层3'，分别单独焊在一层区域8'和8"上，其中在每一 层区域8'、 8"上引导一未示出的用于供电的电接触元件。
优选这样实现供电，即一电敷镀通孔89 (如图5中所示)从层区
域8'、 8"穿过非金属层7到一在载体4的对置的侧面上的层区域9'、 9"。如果将各电接触元件设置在对置的各侧面上，则载体4的具有激 光二极管条l的侧面由此可以不具有较大的电接触元件，其对光束扩 散可能产生不利的影响。
为了在层5、 6和7的接合过程中或在将连接的元件1、 2和3安 装到载体4时防止载体4可能的弯曲，优选也将在载体4的底侧上的 金属层6分为多个层区域9，其中各层区域9可以面对各层区域8或 按图2相对其位错设置。
按照n侧的基层3的厚度，可以提供所需要的结构空间，以便在 每一激光二极管1之前可以按图6设置准直仪透镜11。
特别有利地适用在各激光二极管条1侧向定位的并在载体4上焊 到金属层5的一层区域12上的电桥元件13、 14，各准直仪透镜ll例 如通过激光引起的焊接利用低温熔化的焊料例如富锡的、易熔的锡银 铜合金(SAC焊料)固定在所述电桥元件上。
层区域12通过一环绕的连续的间隙15与上侧的金属层的其余的 层区域8、 8'和8"电分离。
在本发明的另一实施形式中，按图7和8代替板形载体4也可以 釆用一载体4'，其配备一在两个由氮化铝陶瓷层构成的非金属层16、 17之间设置的微型冷却器18。微型冷却器18由多个结构化的金属层 构成，金属层通过它们的结构化三维地形成用于冷却介质的各分盆的 通道，为此在载体4'的底面内设置一供给通道19和一排出通道20。
类似于载体4，载体4'在上侧和底侧上也涂覆有铜的金属层，其 中上侧的铜层具有一相当于载体4的构造，从而经由层区域21、 21' 和21"可以建立对p侧的或n侧的基层2、 3的电连接和热连接。在基 层21'、 21"上引导未示出的各电接触元件。
图9中所示的激光辐射源包含作为激光二极管元件的各半导体激 光二极管或激光二极管条l',其与按图1至6和8的激光二极管条1 的区别是，具有一共振长度RL对光辐射表面宽度LB (沿平行于pn
结的平面延伸的》文慢-轴-方向(Slow-axis-Richtimg )的伸展长度)的不同
9
的比值(图10)。如果共振长度已经大于一半光辐射表面宽度，则有 利的是，进行一冷却，其中热量经由基层2、 2'、 3、 3'不相反于激光 二极管元件的光辐射方向LE，而是与其垂直，且垂直于激光二极管 元件的堆叠方向排出(沿虚线箭头方向)。由多个激光二极管元件构成 的激光二极管叠设置在两个相同构成的多层载体4"、 4〃'之间，其例如 可以配备按图7的微型冷却器18，其中相邻的激光二极管元件的各相 反极的基层2、 3安装在相应的多层载体4"、 4'"的共同的层区域21上。 其余釆用的标记在其意义上对应于上述的各实施例。用22、 23标明通 向供电装置的电接触元件，所述接触元件引导至位于外面的层区域 21'、 21"。
基层2、 2'、 3、 3'在层区域21、 21'、 21"上的固定这样实现，即， 使各激光二极管元件的光辐射方向LE平行于层区域21、 21'、 21〃定 向。
激光二极管元件(如其按图9的实施形式所釆用的)包括例如4 个并排设置的激光二极管。与较宽的激光二极管条不同，这种激光二 极管元件的优点是，其通常可以由20-25个激光二极管组成，在这里 不需要将光束分成待重新配置的分辐射束。
当然在另一实施形式中也有可能代替一两侧的冷却，而只设置其 中一个多层的载体4"、 4〃'。
权利要求
1.激光辐射源，包括一垂直叠的激光二极管元件(1、1′)，所述激光二极管元件在两侧经由由导电材料构成的基层(2、2′、3、3′)触点接通，和至少一个多层的第一载体(4、4′、4″)，其包括一个第一金属层和至少一个第二金属层(5、6)，所述金属层通过至少一个由非金属材料构成的电绝缘层(7、16、17)分离，其中其中至少一个金属层(5、6)分成并排的且以一彼此间距设置的多个金属的层区域(8、8′、8″，9、9′、9″，21、21′、21″)，并且其中相邻的激光二极管元件(1、1′)的各相反极的基层(2、3)安装在一金属层的共同的层区域(8、9、21)上。
2. 按照权利要求l所述的激光辐射源，其特征在于，在相邻的激 光二极管元件(l、 l')的各相反极的基层(2、 3)之间开设一间隙(10)。
3. 按照权利要求2所述的激光辐射源，其特征在于，第一和第二 金属层分成并排的且以一彼此间距设置的多个金属的层区域(8、 8'、 8"， 9、 9'、 9")。
4. 按照权利要求3所述的激光辐射源，其特征在于，第一金属层 (5)的层区域(8、 8'、 8")和第二金属层(6)的层区域(9、 9'、 9")相互叠合地i殳置。
5. 按照权利要求3所述的激光辐射源，其特征在于，第一金属层 (5)的层区域(8、 8'、 8")和第二金属层(6)的层区域(9、 9'、 9")相互位错地设置。
6. 按照权利要求4或5所述的激光辐射源，其特征在于，限定所 述垂直叠的激光二极管(1、 l')的基层(2'、 3')分别单独焊到一层 区域(8'、 8")上并且在每一层区域(8'、 8")上引导一用于供电的电 接触元件。
7. 按照权利要求6所述的激光辐射源，其特征在于，在其上焊接 限定所述垂直叠的激光二极管元件(1、 l')的基层(2'、 3')的层区 域(8'、 8")与在载体(4)的对置的侧面上的各一个层区域(9'、 9") 处于电接触，在该侧面上在层区域(9'、 9")上设置电接触元件。
8. 按照权利要求1至7之一项所述的激光辐射源，其特征在于， p侧的基层(2、 2')沿着垂直于激光二极管(1)的接触面的方向的 尺寸为激光二极管元件(1)的共振长度的0.5至1倍，而n侧的基层 沿该方向的尺寸为该共振长度的0.25至0.5倍。
9. 按照权利要求1至8之一项所述的激光辐射源，其特征在于， 基层(2、 2'、 3、 3')的在光辐射方向上沿层区域(8)的尺寸超出激 光二极管元件(1)的共振长度，但小于共振长度的两倍。
10. 按照权利要求1至9之一项所述的激光辐射源，其特征在于， 激光二极管元件(1)构成为激光二极管条。
11. 按照权利要求1至7之一项所述的激光辐射源，其特征在于， 激光二极管元件(l')具有一共振长度，该共振长度大于光辐射表面 沿放慢-轴-方向的 一半伸展长度。
12. 按照权利要求ll所述的激光辐射源，其特征在于，基层(2、 2'、 3、 3')这样固定在层区域(21、 21'、 21")上，使各激光二极管 元件(1)的光辐射方向(LE)平行于层区域(21、 21'、 21")定位。
13. 按照权利要求12所述的激光辐射源，其特征在于，设置一多 层的第二载体(4〃')，该载体包括一第一金属层和一第二金属层，它 们通过至少一个由非金属材料构成的电绝缘层(16、 17)分离，其中 至少一个金属层分成并排的且以一彼此间距设置的金属的层区域(21、 21'、 21")并且激光二极管(l')叠设置在所述多层的第一载体(4") 与所述多层的第二载体(4'")之间，并且相邻的激光二极管元件(l') 的各相反极的基层(2、 3)安装在相应的载体(4"、 4〃')的共同的层 区域(21)上。
14. 按照权利要求1至13之一项所述的激光辐射源，其特征在于， 至少一个载体(4， 4'， 4"、 4'")至少在层区域(8、 8'、 8"， 9、 9'、 9"， 21、 21'、 21")的表面区域内具有一热膨胀系数，该热膨胀系数 类似于基层(2、 2'、 3、 3')的热膨胀系数。
15. 按照权利要求1至14之一项所述的激光辐射源，其特征在于， 基层(2、 2'、 3、 3')经由一高含锡的软焊料与层区域(8、 8'、 8"， 9、 9'、 9"， 21、 21'、 21")相连接。
16. 按照权利要求14所述的激光辐射源，其特征在于，基层(2、 2'、 3、 3')经由一金锡合金焊料与层区域(8、 8'、 8"， 9、 9'、 9"， 21、 21'、 21")相连接，该金锡合金焊料包含多于50原子百分数的金。
17. 按照权利要求1至16之一项所述的激光辐射源，其特征在于， 第一金属层和第二金属层(5、 6)由铜构成。
18. 按照权利要求17所述的激光辐射源，其特征在于，所述至少 一个电绝缘层(7、 16、 17)由一氮化铝陶瓷构成。
19. 按照权利要求18所述的激光辐射源，其特征在于，铜金属层 (5、 6)的厚度的总值为氮化铝陶瓷的非金属层(7、 16、 17)的厚度的总值的两倍大。
20. 按照权利要求18所述的激光辐射源，其特征在于，铜金属层 (5、 6)的厚度的总值对氮化铝陶瓷的非金属层(7、 16、 17)的厚度的总值之比在铜的维氏硬度HV60至HV120时为1.5:1至2.0:1。
21. 按照权利要求1至20之一项所述的激光辐射源，其特征在于， 多层的载体(4'、 4"、 4〃')配备一在各非金属层(16、 17)之间设置 的微型冷却器(18),该微型冷却器具有用于冷却介质的通道，在多层 的载体(4')的底面中为所述冷却介质设置一供给通道(19)和一排 出通道(20)。
全文摘要
构成一种在功率上可标度的激光辐射源，使多个激光二极管元件可以不多的制造费用等距地堆叠并可以低应力地安装在一载体上。激光辐射源包括一垂直叠的激光二极管元件(1)，它们在两侧经由导电的基层(2、3)触点接通；和一多层载体(4)，其包括一第一和一第二金属层(5、6)，它们通过至少一个由非金属材料构成的电绝缘层(7)分离。至少一个金属层分成并排的且以一彼此间距设置的多个金属层区域(8)。相邻的激光二极管元件(1)的各相反极的基层安装在一金属层(8)的共同的层区域上。准直仪透镜(11)用作由激光二极管元件(1)辐射的射线的准直。
文档编号H01S5/02GK101361239SQ200780001821
公开日2009年2月4日 申请日期2007年1月16日 优先权日2006年1月18日
发明者D·洛伦岑, M·施罗德, P·亨尼希, U·勒里希 申请人:詹诺普蒂克激光二极管有限公司