Brevet FR2822599A1 — publié le 20020927

deuxime rang. 1 2822599 L'invention concerne un composant à diode laser comportant une barre à diode laser sur une surface de montage d'un dissipateur de chaleur refroidissant de manière passive, ainsi qu'un élément de couverture sur la barre à diode laser, dans lequel le dissipateur de chaleur et l'élément de s couverture sont réalisés électriquement conducteurs et contiennent des évidements pour la fixation de l'élément. Pour le refroidissement passif de barres à diode laser de haute performance, on utilise habituellement des dissipateurs de chaleur massifs dans lesquels l'effet de refroidissement est provoqué par conduction o thermique, mais on peut prévoir en outre, en cas de besoin, une structure en tube échangeur de chaleur pour le refroidissement passif par vaporisation et convexlon. Outre la fixation mécanique, le dissipateur de chaleur a notamment pour but d'assurer le refroidissement de la barre à diode laser de haute s performance, montée sur une surface de montage de sa face supérieure. I1 est particulièrement important ici que soit garantie une dissipation de chaleur suffisante pour accro^tre l'efficacité du refroidissement, et que les moyens prévus à cet effet soient adaptés à d'autres exigences d'un composant à diode laser. Ceci concerne en particulier l'utilisation, o lorsqu'elle est nécessaire, d'optiques de collimation, mais aussi l'apport de puissances électriques de plus en plus élevoes. Pour des raisons de place, les dimensions du dissipateur de chaleur doivent être déterminées par les dimensions qui sont nocessaires pour des raisons thermiques en vue de la dissipation de chaleur de la puissance perdue. Ceci concerne en particulier s la dilatation latérale dans le plan de la surface du dissipateur de chaleur, perpendiculairement à la direction de rayonnement de la barre à diode laser. Mais dans ce cas, il faut tenir compte du fait que la symétrie thermique du dissipateur de chaleur par rapport à la barre à diode laser soit 2 2822599 conservée, car sinon celle-ci présenterait pendant le fonctionnement des zones plus chaudes et des zones plus froides. Dans la plupart des cas, les dissipateurs de chaleur constitués d'une matière électriquement conductrice, sont fixés sur une plaque de base s conductrice par laquelle arrive le courant électrique. Tandis que le dissipateur de chaleur est conformé ici en anode (contact p), le contact n est réalisé par une couverture de la barre à diode laser de haute performance. S'il est nécessaire d'utiliser plusieurs composants à diode laser en fonctionnement simultané, cette conception pose des difficultés, car on o préférera un montage électrique en série qui ne pose pas des exigences aussi élevées qu'un montage parallèle en ce qui concerne les blocs secteurs et les lignes électriques d'arrivée. L'invention a pour but de concevoir un dissipateur de chaleur refroidissant de manière passive, à dissipation de chaleur améliorée, de s manière qu'un composant à diode laser qui utilise un tel dissipateur de chaleur présente une construction symétrique thermiquement et compacte, et soit d'un emploi universel, en particulier en ce qui concerne le guidage des rayons et la technique des circuits électriques. Suivant l'invention, ce but est atteint avec un composant à diode laser o de type précité, en ce que le dissipateur de chaleur contient une zone de dissipation de chaleur fermoe matériellement qui entoure tous les bords de la surface de montage, à l'extérieur de laquelle les évidements pour la fixation de l'élément sont ménagés dans le dissipateur de chaleur. Avec une symétrie thermique ainsi assurée, il est garanti une s distribution uniforme de la température dans la barre à diode laser. Une libre propagation des rayons est assurée par une surface oblique sur une partie du dissipateur de chaleur, situce devant la surface de 3 2822599 montage dans le sens d'émission de la barre à diode laser, dont l'angle d'inclinaison est adapté à l'angle de rayonnement de la diode laser. Pour recevoir des éléments optiques de reproduction, tels que par exemple des optiques de collimation, il est particulièrement avantageux que s le dissipateur de chaleur contienne, entre la surface de montage et la surface oblique, un gradin avec une surface de réception s'étendant parallèlement à la surface de montage. La saillie du dissipateur de chaleur, qui dépasse de l'optique de collimation, a en outre un effet positif, car celle-ci protoge aussi bien o l'optique que la barre à diode laser contre des effets mécaniques. Au voisinage de la surface de montage, dans une direction perpendiculaire à la direction d'émission de la barre à diode laser, au moins sur un côté, se trouve un trou destiné à recevoir une sonde de température, à la limite de la zone de dissipation de chaleur. s La disposition symétrique des sondes de température des deux côtés de la barre à diode laser et leur emplacement au voisinage du bord de la zone de dissipation thermique, sont particulièrement avantageux. Sans géner la zone de dissipation thermique, on garantit de cette façon une détection des valeurs de mesure qui s'approche des conditions effectives de o la température au-dessous de la barre à diode laser, cette détection permettant, du fait de la construction de mesures symétriques, de conclure à des dérangements ou à des défauts dans la barre à diode laser en cas de valeurs de mesure différentes de la température. C'est pourquoi, d'une paire de trous, qui servent à recevoir des sondes de température, un trou devrait s être voisin de la surface de montage dans une direction perpendiculaire à la direction d'émission de la barre à diode laser, à la limite de la zone de dissipation de chaleur, les distances des trous par rapport à la surface de montage devant étre égales. 4 2822599 Pour la fixation de contacts électriques, des trous sont avantageusement pratiqués sur le côté de la barre à diode laser, tourné à l'opposé du sens d'émission, de manière excentrce, dans le dissipateur de chaleur et l'élément de couverture. s Ceci facilite d'une part un montage en série de plusieurs composants à diode laser et accro^t d'autre part la flexibilité d'utilisation, si l'élément de couverture comporte une surface de base et une surface de couverture qui conviennent toutes deux comme surfaces de liaison avec le dissipateur de chaleur. Les trous pratiqués excentrés dans le dissipateur de chaleur et o l'élément de couverture peuvent de ce fait, suivant le choix de la surface de liaison, se trouver, dans une direction perpendiculaire à la direction d'émission de la barre à diode laser, côte à côte ou l'un au-dessus de l'autre coaxialement. Par ailleurs, la disposition arrière des contacts électriques fait que les s lignes électriques d'arrivée sont protégées contre des endommagements par le rayonnement laser et que le composant à diode laser reste lui-même compact avec une dissipation de chaleur non perturbée. Des courants très forts (jusqu'à 100 A) peuvent être acheminés vers le composant à diode laser si les trous de fixation des contacts électriques o sont réalisés en tant que trous taraudés par lesquels on peut fixer avec des vis les pièces polaires de câbles du réseau. Des diamètres différents des trous accroissent la sécurité de fonctionnement, puisqu'une confusion est exclue. Le composant à diode laser convient particulièrement bien à une s construction sans potentiel, ce qui s'applique aussi bien à l'élément individuel qu'au montage en série de plusieurs composants à diode laser, pui squ e le di s sip ateur de chaleur présente des zones sép arées le s unes des autres pour l'arrivoe de courant et l'évacuation de la chaleur. Tandis que le 2822599 dissipateur de chaleur peut être fixé par sa surface de base, de manière électriquement isolée, sur une plaque de refroidissement, le raccord à vis, prévu pour un contact électrique (contact p) de même que le raccord à vis de l'élément de couverture sont positionnés de manière pratique. s I1 est avantageux aussi que le dissipateur de chaleur et l'élément de couverture puissent être court-circuités électriquement entre eux, ce qui peut être réalisé par exemple au moyen d'une liaison vissée séparable. La zone de dissipation de chaleur, fermoe matériellement, peut être constituée de différentes matières. Cette dernière solution est o particulièrement positive lorsque la zone de dissipation de chaleur, fermoe matériellement, contient au moins un c_ur de graphite qui est blindé par une autre matière pour dissipateur de chaleur. I1 est avantageux aussi que la surface de montage soit appliquce sur un substrat métallisé, prévu comme élément matériel du dissipateur de chaleur, dont la conductibilité thermique est supérieure à celle des métaux et qui peut aussi être subdivisé en substrats partiels. On peut constituer un dissipateur de chaleur particulièrement avantageux si on utilise comme autre matière pour dissipateur thermique du cuivretungstène ou du cuivre-molybdène en combinaison avec le c_ur de o graphite blindé, et si la surface de montage est appliquée sur un support métallisé constitué de carbure de siliclum monocristallin, prévu comme élément matériel du dissipateur de chaleur. Enfin, l'élément de couverture ou le dissipateur de chaleur peut servir de support à un dispositif électronique d'exploitation pour la détection des s valeurs mesurces, leur conversion et éventuellement aussi leur mémorisation, ce qui fait qu'on évite des parcours de transmission inutilement longs. 6 2822599 L'invention est décrite ci-après plus en détail à l'aide des dessins schématiques. I1 est montré: Fig. 1 un dissipateur de chaleur dont la dissipation de chaleur est améliorée, avec lequel on travaille en renonçant à un moyen de collimation, s fig. 2 un dissipateur de chaleur avec dissipation de chaleur améliorée qui autorise, de facon simple, le montage d'une optique de collimation, fig. 3 un composant à diode laser utilisant un dissipateur de chaleur à dissipation de chaleur améliorée dans une vue éclatée, fig. 4 le composant à diode laser à l'état assemblé. o Selon la fig. 1, un dissipateur de chaleur 1 constitué d'un bloc de cuivre massif et destiné à recevoir une barre à diode laser 2, comporte une surface de montage 3 qui est en retrait par rapport à une délimitation du dissipateur de chaleur 1, situce dans le sens d'émission E de la barre à diode laser. Une saillie 4 ainsi formée est pourvue d'une surface oblique 5 dont s l'angle d'inclinaison est adapté à l'angle de rayonnement de la barre à diode laser 2 pour un libre rayonnement dans une zone de rayonnement dégagée. L'angle d'inclinaison de la surface oblique 5 par rapport à la surface de montage 3 peut se situer entre 30 et 60 . La dissipation de chaleur améliorée s'obtient par le fait que tous les o bords de la surface de montage sont entourés par une zone de dissipation de chaleur fermée matériellement. La saillie 4 est particulièrement avantageuse, car elle provoque une dissipation dans une composante de direction de la propagation des rayons. Toutes les perturbations qui pourraient influencer une structure de matière d'un seul tenant du s dissipateur de chaleur 1, telles que par exemple des évidements conformés en trous pour la fixation d'éléments sous la forme de contacts électriques, ainsi que des éléments de liaison et de détection, sont situces à l'extérieur 7 2822599 de cette zone qui se présente de tous côtés sous la forme d'une structure pyramidale en-dessous de la surface de montage 3 et qui s'élargit vers les bords du dissipateur de chaleur 1 suivant un angle d'inclinaison préféré de des surfaces latérales de la pyramide. Ce moyen concerne en particulier des trous 6, 7 pour la fixation du dissipateur de chaleur 1 sur une plaque de base refroidissante non représentée, et une paire de trous borgnes 8, 9 destinés à recevoir des sondes de température qui sont désignces par 10 et 11 sur les figures 3 et 4. Ces dernières se trouvent particulièrement près de la zone de dissipation de o chaleur, afin de concentrer la mesure de la température sur la zone voisine de la barre à diode laser 2. De cette façon, on peut alimenter un circuit de régulation, qui n'est pas représenté ici, avec des valeurs mesurces convenables pour une régulation efficace. Les sondes de température 10 et 11 fournissent comme valeurs mesurées d'abord une valeur de tension analogique, qui peut reposer par exemple sur une mesure de la résistance. Etant donné que de longues distances des sondes de température 10 et 11 jusqu'à une électronique d'exploitation pourraient fausser le résultat de la mesure, le composant à diode laser suivant l'invention donne la possibilité de loger aussi o l'électronique d'interprétation. Par des traits en pointillés, on indique sur la fig. 4 que l'élément de couverture 14 est conformé en support pour un dispositif électronique d'exploitation AE, pour la détection des valeurs mesurces, leur conversion et éventuellement aussi leur mémorisation. Dans une autre forme de réalisation, il est possible aussi de fixer le dispositif d'exploitation AE avec les sondes de température 10 et 11 sur le dissipateur de chaleur 1. 8 2822599 Egalement à l'extérieur de la zone de dissipation de chaleur, d'autres trous 12, 13 sont pratiqués en tant que trous taraudés dans le bloc de cuivre, pour la fixation d'un élément de couverture 14. Si avec le dissipateur de chaleur suivant l'invention, on doit réaliser s un construction sans potentiel, la liaison avec la plaque de base non représentée doit étre réalisée de manière isolante électriquement, ce qui peut s'effectuer par exemple avec un revêtement électriquement non conducteur de la surface de base du dissipateur de chaleur 1. Un trou taraudé 15, par lequel on peut fxer une pièce polaire d'un cable réseau, au o moyen d'une liaison à vis, sert à l'arrivoe de courant électrique. Le trou taraudé 15 est pratiqué excentré dans le dissipateur de chaleur 1, sur le côté de la barre à diode laser 2 tourné à l'opposé du sens d'émission E, et au voisinage de l'un des trous 12, 13, ici le trou 12. Pour compléter un composant à diode laser réalisé avec le dissipateur de chaleur 1, il est utile s que le dissipateur de chaleur 1 ne s'étende que sur la moitié dans laquelle se trouve le trou taraudé 15, au-delà de l'un des trous 12 ou 13, dans un sens opposé au sens d'émission E. Dans une autre forme de réalisation (fig. 2), en amont de la barre à diode laser 2, on peut placer, de façon simple, une optique de collimation, o dans le parcours des rayons, sans moyens d'adaptation particuliers. A cet effet, la saillie entre la surface de montage 3 et la surface oblique 5 présente un gradin 16 avec une surface de réception 17, s'étendant parallèlement à la surface de montage 3, tandis que la hauteur du gradin 16 est adaptée aux dimensions de l'optique de collimation. Dans le présent exemple de réalisation, cette hauteur correspond à la moitié du diamètre de la lentille de l'optique de collimation non représentée. Sur les figures 3 et 4, les éléments à diode laser utilisent chacun l'un des dissipateurs de chaleur selon les figures 1 ou 2. 9 2822599 L'élément de couverture 14, réalisé électriquement conducteur, pour la barre à diode laser 2 comporte, de manière semblable au dissipateur de chaleur 1, un trou taraudé 18 disposé excentré et opposé à l'emplacement de la barre à diode laser 2, servant de raccord à vis pour un câble réseau. Le s diamètre du trou taraudé 18 est plus petit que celui du trou taraudé 1S, pour assurer une protection contre les confusions. Pour s'adapter aux trous taraudés 12 et 13, on a pratiqué dans l'élément de couverture 14 des trous 19, 20 à travers lesquels on peut faire passer des vis de fixation 21, 22 pour la liaison du dissipateur de chaleur 1 avec l'élément de couverture 14. Des o douilles d'isolation 23, 24 empéchent un contact électrique des composants reliés. L'élément de couverture 14 ne s'étend aussi que sur la moitié dans laquelle se trouve le trou taraudé 18, au-delà de l'un des trous 19 ou 20 dans un sens opposé au sens de la barre à diode laser 2. La zone importante s therrniquement ne conserve toutefois pas sa construction symétrique. Etant donné que la surface de base et la surface de couverture 25, 26 de l'élément de couverture 14 conviennent, de par leur conception, comme surfaces de liaison avec le dissipateur de chaleur 1, le composant à diode laser peut étre adapté à différentes utilisations par le choix de la surface de liaison. o Aux barres à diode laser 2, brasées sur le côté p de la surface de montage, est fixée, sur le côté n, une plaquette 27 électriquement conductrice qui est reliée, pour la décharge de traction, à une plaquette isolante 28, et, désaccouplée mécaniquement par une plaque intermédiaire supérieure 29, elle est en contact électrique avec l'élément de couverture s 14. La plaquette isolante 28 sert à la séparation électrique du dissipateur de chaleur 1 et de l'élément de couverture 14. Une vis de court-circuit 30, pour laquelle un trou 31 et un trou taraudé 32 sont pratiqués entre les trous 19 et 20, respectivement 12 et 13, 2822599 sert à la protection de la barre à diode laser 2, tant que le composant à diode laser n'est pas raccordé électriquement, et est enlevée au moment de la mise en service. Au lieu du cuivre utilisé de préférence pour le dissipateur de chaleur, s on peut recourir aussi à d'autres matériaux, tels que par exemple du cuivre- tungstène ou du cuivre-molybdène dont les coefficients de dilatation thermique peuvent correspondre à ceux de GaAs. Une forme de réalisation particulièrement avantageuse du composant à diode laser suivant l'invention prévoit de placer un c_ur de graphite 33 o dans le dissipateur de chaleur 1, dans la zone de dissipation de chaleur (fig. 2). Etant donné que le graphite présente une conductibilité thermique dans deux directions spatiales, qui correspond à celle du diamant, une orientation correcte du c_ur de graphite 33 entrâîne une augmentation supplémentaire de la zone de dissipation thermique dans au moins une s direction spatiale. Le c_ur de graphite 33 doit étre blindé à l'intérieur du dissipateur de chaleur 1, en raison de sa très petite solidité dans le reste de la matière du dissipateur de chaleur. De ce fait, la zone de dissipation de chaleur, constituce dans cette forme de réalisation de deux matières, reste fermée matériellement et sa structure de matière ne comporte pas non plus d'évidements comme c'est le cas avec une composition d'une seule matière. La présence d'évidements dans la zone de dissipation de chaleur serait même particulièrement gênante dans ce cas pour la dissipation de chaleur. Une zone fermée matériellement, entourant tous les bords de la surface de montage 3, est particulièrement avantageuse pour le blindage, car le c_ur s de graphite 33 peut être placé de cette façon entièrement au-dessous de la surface de montage 3. C'est la raison pour laquelle l'épaisseur du c_ur de graphite 33 blindé dans la zone de dissipation de chaleur sur la fig. 2 ne dépasse pas non plus l'épaisseur du dissipateur de chaleur 1 dans la zone de 11 2822599 la saillie 4, qui est déterminée ici par la distance entre la surface de base 34 et la surface de réception 17. On peut obtenir une dissipation de chaleur encore améliorée si la surface de montage 3 est appliquée, en tant que surface métallisée, sur un substrat diélectrique dont la conductibilité thermique est supérieure à celle de matières métalliques, tel que par exemple du nitrure de bore cubique translucide, du carbure de silicium monocristallin ou du diamant CVD. Le substrat, qui est une partie matérielle du dissipateur de chaleur 1, du fait d'une liaison par adhérence de matière, et que l'on voit particulièrement bien sur les figures 1, 2 et 4 en tant que relief audessous de la surface de montage 3, peut aussi étre constitué de substrats partiels disposés côte à côte et étre étendu sur la saillie 4, pour améliorer la dissipation de chaleur dans le sens d'émission E. Une forme de réalisation particulièrement avantageuse du dissipateur de chaleur 1 s'obtient par une combinaison du c_ur de graphite 33 avec du cuivre-tungstène ou du cuivre-molybdène comme autre matière de blindage du dissipateur de chaleur, ainsi qu'avec un substrat diélectrique métallisé sous forme de carbure de silicium monocristallin, car les coefficients de dilatation du carbure de silicium et de l'autre matière du dissipateur de chaleur sont semblables à celui de barres à diode laser 2 constituées de GaAs. 12 2822599 REVENDICATIONS 1. Composant à diode laser comportant une barre à diode laser sur s une surface de montage d'un dissipateur de chaleur refroidissant de manière passive, ainsi qu'un élément de couverture sur la barre à diode laser, dans lequel le dissipateur de chaleur et l'élément de couverture sont réalisés électriquement conducteurs et contiennent des évidements pour la fixation de l'élément, caractérisé en ce que le dissipateur de chaleur (1) contient une o zone fermée matériellement qui entoure tous les bords de la surface de montage (3), pour la dissipation de chaleur, à l'extérieur de laquelle les évidements pour la fixation de l'élément sont ménagés dans le dissipateur de chaleur (1). 2. Composant à diode laser selon la revendication 1, caractérisé en ce s qu'une partie (4) du dissipateur de chaleur, située devant la surface de montage (3) dans le sens d'émission de la barre à diode laser (2), présente une surface oblique (5) dont l'angle d'inclinaison est adapté à l'angle de rayonnement de la barre à diode laser (2) pour une libre propagation des rayons. o 3. Composant à diode laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dissipateur de chaleur (1) contient, entre la surface de montage (3) et la surface oblique (5), un gradin (16) avec une surface de réception (17), s'étendant parallèlement à la surface de montage (3), pour des éléments optiques de reproduction. 4. Composant à diode laser selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'au voisinage de la surface de montage (3), dans une direction perpendiculaire à la direction d'émission de la barre à diode laser (2), au moins sur un côté, se trouve un trou (8, 9) destiné à recevoir une sonde de température (10, 11), à la limite de la zone de dissipation de chaleur. S. Composant à diode laser selon la revendication 4, caractérisé en ce que d'une paire de trous (8, 9), qui servent à recevoir des sondes de s température (10, 11), un trou se trouve au voisinage de la surface de montage (3) dans une direction perpendiculaire à la direction d'émission de la barre à diode laser (2), à la limite de la zone de dissipation de chaleur. 6. Composant à diode laser selon la revendication S. caractérisé en ce que les distances, par rapport à la surface de montage (3), des trous (8, 9) o destinés à recevoir des sondes de température (11), sont égales. 7. Composant à diode laser selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, pour recevoir des contacts électriques, des trous (1S, 18) sont pratiqués sur le côté de la barre à diode laser (2) tourné à l'opposé du sens d'émission (E), de manière excentrce, dans le dissipateur de chaleur (1) et l'élément de couverture (14). 8. Composant à diode laser selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément de couverture (14) comporte une surface de base et une surface de couverture (25, 26) qui toutes deux conviennent comme surfaces de liaison avec le dissipateur de chaleur (1), de sorte que suivant le choix o de la surface de liaison, les trous (1S, 18), pratiqués excentrés dans le dissipateur de chaleur (1) et l'élément de couverture (14), se trouvent, dans une direction perpendiculaire à la direction d'émission de la barre à diode laser (2), côte à côte ou l'un au-dessus de l'autre coaxialement. 9. Composant à diode laser selon la revendication 8, caractérisé en ce que les trous (1S, 18) destinés à recevoir des contacts électriques sont réalisés sous la forme de trous taraudés avec des diamètres différents. 14 2822599 10. Composant à diode laser selon l'une quelcouque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le dissipateur de chaleur (1) présente sur sa face inférieure une couche isolante électriquement. 11. Composant à diode laser selon l'une quelconque des s revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le dissipateur de chaleur (1) et l'élément de couverture (14) peuvent être court-circuités électriquement entre eux. 12. Composant à diode laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la zone de dissipation de o chaleur, fermée matériellement, est constituce d'une méme matière. 13. Composant à diode laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la zone de dissipation de chaleur, fermoe matériellement, est constituée de différentes matières. 14. Composant à diode laser selon la revendication 13, caractérisé en ce que la zone de dissipation de chaleur, fermée matériellement, contient au moins un c_ur de graphite (33) qui est blindé par une autre matière pour dissipateur de chaleur. 15. Composant à diode laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que la surface de montage (3) est o appliquce sur un substrat métallisé, prévu comme élément matériel du dissipateur de chaleur (1), dont la conductibilité thermique est supérieure à celle des métaux. 16. Composant à diode laser selon la revendication 15, caractérisé en ce que le support est constitué de substrats partiels juxtaposés. s 17. Composant à diode laser selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'on utilise comme autre matière pour dissipateur thermique du cuivre tungstène ou du cuivre-molybdène en combinaison avec le c_ur de 2822599 graphite (33) blindé, et en ce que la surface de montage (3) est appliquée sur un support métallisé constitué de carbure de siliclum monocristallin, prévu comme élément matériel du dissipateur de chaleur (1). 18. Composant à diode laser selon l'une quelconque des s revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'élément de couverture (14) sert de support à un dispositif électronique d'exploitation (AE) pour la détection des valeurs mesurées, leur conversion et éventuellement aussi leur mémorisation. 19. Composant à diode laser selon l'une quelconque des o revendications 1 à 17, caractérisé en ce que le dissipateur de chaleur (1) sert de support à un dispositif électronique d'exploitation (AE) pour la détection des valeurs mesurées, leur conversion et éventuellement aussi