(57)【要約】  本発明は、パルス駆動のためにパルス持続時間Ｄが設けられており、パルス駆動モードでは温度時定数τで温度変化が生じる、ヒートシンク（３）に接続された発光光電素子（１）に関する。ここで本発明によれば、温度時定数τは温度変化の振幅を低減するためにパルス持続時間Ｄに適合化される。有利には、光電素子の温度変化の温度時定数τについてパルス駆動中はτ≧０．５Ｄが成り立つ。これによりパルス駆動中の温度変化の振幅およびこれに関連する機械的な交番負荷が有利に低減される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス駆動のためにパルス持続時間Ｄが設けられており、パルス駆動では温度時定数τで温度変化が生じる、
ヒートシンク（３）に接続された発光光電素子（１）において、
温度時定数τが温度変化の振幅を低減するためにパルス持続時間Ｄに適合化される
ことを特徴とするヒートシンクに接続された発光光電素子。
【請求項２】
温度時定数τについてτ＞０．５Ｄが成り立つ、請求項１記載の素子。
【請求項３】
温度時定数τについてτ＞Ｄが成り立つ、請求項１記載の素子。
【請求項４】
温度変化はΔＴ＝１２Ｋより小さい、請求項１から３までのいずれか１項記載の素子。
【請求項５】
パルス駆動は０．１Ｈｚ〜１０Ｈｚの範囲のパルス周波数で行われる、請求項１から４までのいずれか１項記載の素子。
【請求項６】
光出力は２０Ｗ以上である、請求項１から５までのいずれか１項記載の素子。
【請求項７】
ヒートシンク（３）はアクティブに冷却される、請求項１から６までのいずれか１項記載の素子。
【請求項８】
ヒートシンク（３）は冷却剤の貫流する１つまたは複数のマイクロチャネル（６）を有する、請求項７記載の素子。
【請求項９】
ヒートシンクのうち素子に接する側の壁厚さ（７）は０．５ｍｍ以上である、請求項８記載の素子。
【請求項１０】
ヒートシンクのうち素子に接する側の壁厚さ（７）は１ｍｍ〜２ｍｍである、請求項８記載の素子。
【請求項１１】
ヒートシンク（３）は銅を含む、請求項１から１０までのいずれか１項記載の素子。
【請求項１２】
バー状レーザーダイオードである、請求項１から１１までのいずれか１項記載の素子。
【請求項１３】
請求項８から１２までのいずれか１項記載のヒートシンクに接続された発光光電素子（１）の製造方法において、
ヒートシンクのうち光電素子に接する側の壁が所定の壁厚さ（７）を有するようにし、駆動中の素子の温度変化量および／または最大温度を該壁厚さ（７）の調整により調整する、
ことを特徴とする発光光電素子の製造方法。
【請求項１４】
パルス駆動のためにパルス持続時間Ｄが設けられており、パルス駆動では温度時定数τで温度変化が生じる、
ヒートシンク（３）に接続された発光光電素子（１）の製造方法において、
温度変化の振幅を低減するために温度時定数τをパルス持続時間Ｄに適合化する
ことを特徴とするヒートシンクに接続された発光光電素子の製造方法。
【請求項１５】
光電素子（１）の製造される基板の面積および／または厚さを調整することにより温度時定数τを調整する、請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は独国出願第１０２００４００４０９７．４号および第１０３５５６０２．８号の優先権を主張するものであり、これらの明細書の内容も本発明の内容に組み込まれるものとする。
【０００２】
高出力の発光光電素子では、素子の加熱による光特性および長期安定性への悪影響を回避するために、熱として発生する損失エネルギを適切に放散させなければならない。特に温度上昇は波長のオフセット、効率低下、寿命の短縮などに作用し、素子が破壊されてしまうことさえある。このため高出力モードで駆動される光電素子にはしばしばヒートシンクが取り付けられる。パッシブなヒートシンク、例えば銅ブロックも、アクティブなヒートシンク、例えば流体の貫流するマイクロチャネルも公知である。
【０００３】
ハイパワーレーザーダイオード用のマイクロチャネルヒートシンクの例が独国公開第４３１５５８０号明細書に記載されている。良好な放熱性を保証するために、こうしたマイクロチャネルヒートシンクでは、素子とヒートシンクとのあいだの熱抵抗をできるだけ小さく保つことが目指される。これは例えば光電素子に接する側のマイクロチャネルの壁ないしはヒートシンクの外壁を小さく保持することにより行われる。このようにすれば熱抵抗のほかヒートシンクの熱容量も低減される。
【０００４】
光電素子のスイッチング過程における温度変化の時間特性は、指数関数により、温度上昇の場合には
【０００５】
【数１】
2007512690.tif 000003
で、温度低下の場合には
【０００６】
【数２】
2007512690.tif 000004
で近似的に表される。
【０００７】
ここでΔＴ（ｔ）は温度変化分、すなわち時点ｔでの温度と初期温度との差であり、時点ｔ１，ｔ２は温度上昇または温度低下の切換時点である。ΔＴ∞は温度上昇の限界値であり、ΔＴ（ｔ）はｔ→∞でこの限界値へ向かう。限界値は連続波モードで長期にわたって駆動される場合に達成されるであろう値である。
【０００８】
通常はこの限界値を最小化し、素子の最大温度ができるだけ小さくなるように試みられる。ΔＴ∞は特に光電素子とヒートシンクとのあいだの熱抵抗に依存する。τは種々のパラメータ、例えば熱容量、ヒートシンクに対する熱抵抗または素子の放熱面積に依存する温度時定数である。τが大きくなるにつれて温度変化も緩慢となる。
【０００９】
パルス駆動される光電素子では、特に低周波数で、パルス周波数による温度変化に起因して素子が機械的な交番負荷にさらされるおそれが存在する。機械的な交番負荷が生じると、素子の機能が損なわれたり、素子が破壊されたりする。
【００１０】
本発明の課題は、ヒートシンクを備えた光電素子を提供し、パルス駆動によって発生する機械的な交番負荷を低減することである。またこうした素子の製造方法も提供する。
【００１１】
この課題は、請求項１記載の特徴を有する光電素子および請求項１３または請求項１４記載の光電素子の製造方法により解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項の対象となっている。
【００１２】
本発明によれば、パルス駆動のためにパルス持続時間Ｄが設けられており、パルス駆動では温度時定数τでの温度変化が生じる、ヒートシンクに接続された発光光電素子において、温度時定数τが温度変化の振幅を低減するためにパルス持続時間Ｄに適合化される。温度変化の振幅とは、１パルス中の光電素子の最高温度と最低温度との差であると解されたい。温度時定数τは前述のΔＴ（ｔ）の式に現れる定数である。前述の式から偏差する温度特性については、本発明では、光電素子の温度時定数τを、前述の式の曲線を実際の温度特性へ適合させた良好な近似として解釈する。外挿されることもある初期温度の１／ｅ倍への温度低下の時間を利用することには疑義があるからである。
【００１３】
有利には、光電素子の温度変化の温度時定数τについてτ≧０．５Ｄが成り立つ。特に有利には、τ≧Ｄが成り立つ。
【００１４】
パルス駆動に適合化される温度時定数により、有利には、パルス駆動中の温度変化が小さく保たれる。これにより温度に起因する機械的応力による光電素子の機械的な交番負荷が低減される。
【００１５】
例えば、１パルスの終了時すなわちｔ＝ＤのときのΔＴ（ｔ）は、τ＝０．５Ｄに対して約０．８６ΔＴ∞、τ＝Ｄに対して約０．６３ΔＴ∞となる。使用するτが大きくなればなるほど１パルス終了時の温度上昇分をさらに低減できるので有利である。この場合例えばｔ＝ＤのときのΔＴ（ｔ）は、τ＝２Ｄに対して約０．３９ΔＴ∞、τ＝３Ｄに対して約０．２８３ΔＴ∞となる。
【００１６】
こうした温度時定数の最適化は、達成される最大温度のほか光電素子の長期安定性も温度変化に大きな影響を受けるという知識に基づいて行われる。したがって温度変化の振幅を最小化すると有意である。
【００１７】
温度時定数τの上昇に対して、状況によっては、ヒートシンクと光電素子とのあいだの熱抵抗を高くする措置を講じなければならない。これは限界値ΔＴ∞の上昇をもたらす。しかし一方ではこれにより光電素子からヒートシンクへの放熱力が充分に大きくなり、比較的長い駆動時間の経過後に達する最大温度が許容可能な値を超過しない。したがって一般には限界値ΔＴ∞の許容可能値と温度時定数τの許容可能値との妥協点を見出さなければならない。
【００１８】
本発明ではパルス駆動される光電素子での長期安定性の向上が温度変化分の低減により達成される。これは光電素子の長期安定性の観点から、低温レベルへの変化分よりも高温レベルへの変化分のほうが小さい場合に有利である。
【００１９】
パルス駆動中の温度変化は、本発明ではΔＴ＝１２Ｋよりも小さい値まで低減される。
【００２０】
本発明は、出力２０Ｗ以上および／またはパルス周波数０．１Ｈｚ〜１０Ｈｚの発光光電素子に適用されると有利である。発光光電素子は特にはバー状レーザーダイオードである。
【００２１】
光電素子に接続されたヒートシンクは有利にはアクティブに冷却されるヒートシンクである。ヒートシンクは例えば冷却剤、例えば水の貫流するマイクロチャネル系を含む。
【００２２】
光電素子は例えばはんだ接続部を介してヒートシンクの表面に接続されている。
【００２３】
温度時定数τは、有利には、マイクロチャネル系の光電素子に接する側の壁厚さを調整することにより定められる。この壁厚さは有利には０．５ｍｍ以上であり、特に有利には１ｍｍ以上、例えば１ｍｍ〜２ｍｍの値である。
【００２４】
ヒートシンクは特に銅を含む。ただしもちろん本発明では良好な熱伝導性を有する他の材料を使用することもできる。
【００２５】
本発明を以下に図１〜図３の実施例に則して詳細に説明する。図１には本発明の光電素子の実施例の断面図が示されている。図２にはそれぞれ異なるヒートシンクを備えた４つの光電素子を時間スケール０ｍｓ〜３００ｍｓで加熱した場合のシミュレーションが示されている。図３にはそれぞれ異なる４つのヒートシンクを備えた光電素子を時間スケール０ｍｓ〜１０００ｍｓで加熱した場合のシミュレーションが示されている。
【００２６】
図１の光電素子１はヒートシンク３に接続されている。このために光電素子１ははんだ付け接続部２を介してヒートシンク３の表面８に固定されている。ヒートシンク３はこの実施例ではアクティブに冷却されるヒートシンク、つまり、冷却剤の貫流のための流入口４および流出口５を備えたマイクロチャネル系６である。冷却剤は液体または気体であり、特に有利には水である。
【００２７】
発光光電素子１はパルス持続時間Ｄのパルスを放出する。特に光電素子１はハイパワーダイオードレーザーまたは高出力のバー状ダイオードレーザーである。特に有利には、本発明は出力２０Ｗ以上の光電素子に適する。
【００２８】
パルスは例えば０．１Ｈｚ〜１０Ｈｚのパルス周波数ｆで放出される。パルス持続時間Ｄは周期ｔｐ＝１／ｆより小さい。パルス持続時間Ｄと周期ｔｐとの比は通常はキーイング比と称され、Ｄ＝ｑ＊ｔｐが成り立つ。
【００２９】
ヒートシンク３は一方では光電素子１の損失エネルギによって発生する熱を放散させるために用いられる。温度時定数τをτ＞０．５Ｄ、有利にはτ＞Ｄの値へ調整することにより、パルス駆動中の温度変化が低減される。
【００３０】
温度時定数τの調整は例えばヒートシンク３のうち光電素子１に接する側の壁厚さ７を調整することにより実現される。この壁厚さは光電素子１に面するヒートシンク３の表面８から最も近いマイクロチャネル６の表面までの距離に相応する。
【００３１】
壁厚さ７を増大すると温度時定数τも増大する。図２，図３のシミュレーションの計算は、光電素子１の温度上昇分ΔＴの時間依存性を壁厚さ７の種々の値について示したものである。曲線９は壁厚さ０．１ｍｍのアクティブヒートシンクでの温度上昇の時間特性であり、曲線１０は壁厚さ１ｍｍのアクティブヒートシンクでの温度上昇の時間特性であり、曲線１１は壁厚さ２ｍｍのアクティブヒートシンクでの温度上昇の時間特性であり、曲線１２は（アクティブヒートシンクであるマイクロチャネル系ではなく）銅ブロックによって形成されたパッシブヒートシンクに対する温度上昇の時間特性である。温度時定数τは、アクティブヒートシンクの壁厚さ０．１ｍｍ［曲線９］では約１０ｍｓ、壁厚さ１ｍｍ［曲線１０］では約２０ｍｓ、壁厚さ２ｍｍ［曲線１１］では約６０ｍｓ、パッシブヒートシンク［曲線１２］では約４００ｍｓである。
【００３２】
曲線９，１０に基づいて壁厚さ７の増大により達成すべき温度時定数τの増大、または曲線１２に基づいてパッシブヒートシンクを用いて達成すべき温度時定数τの増大は、温度時定数τをパルス持続時間Ｄの１／２よりも大きく、また特に有利にはパルス持続時間Ｄよりも大きくするものとする。温度上昇分ΔＴは最大で、第１のケースでは限界値ΔＴ∞の約８６％、第２のケースでは限界値ΔＴ∞の約６３％となる。
【００３３】
例えばパルス持続時間Ｄ＝２５ｍｓのとき、本発明では、条件τ＞０．５Ｄに相応にアクティブヒートシンクの壁厚さは曲線１０から１ｍｍとすべきことがわかる。なぜならτ＝２０ｍｓで０．５Ｄ＝１２．５ｍｓ以上になるからである。曲線１１の壁厚さ２ｍｍのヒートシンク、および曲線１２のτ＝４００ｍｓのパッシブヒートシンクもこの条件を満足する。これに対して、曲線９における壁厚さ０．１ｍｍ、τ＝１０ｍｓのアクティブヒートシンクはこの条件を満足しない。本発明の特に有利な条件τ＞Ｄは、曲線１１の壁厚さ２ｍｍのアクティブヒートシンクのパルス持続時間、および曲線１２のパッシブヒートシンクのパルス持続時間によって満足される。図２から明らかであるように、本発明にしたがって温度時定数τをパルス持続時間Ｄに適合化することにより、パルス駆動中の温度変化量が有利に低減される。
【００３４】
パルス駆動モードの光電素子とは異なり、連続波モードの光電素子では、ヒートシンクの壁厚さ７を増大したり、またパッシブヒートシンクを用いたりすることは不都合である。なぜならこの場合、図３にシミュレートされているように、長い駆動時間が経過すると、温度上昇分ΔＴがかなり高い値を生じてしまうからである。これはアクティブヒートシンクでの壁厚さの増大またはパッシブヒートシンクの使用が光電素子１とヒートシンク３とのあいだの温度抵抗を増大させてしまうことに起因する。
【００３５】
パルス駆動で使用される光電素子に対しては、ヒートシンクの壁厚さを調整することにより、僅かなコストで温度時定数を変化させ、パルス駆動に最適に適合するヒートシンクを調整することができる。ただし設けられたパルス持続時間に依存して温度時定数τを調整する別の手段を考えることもできる。例えば光電素子の構成される基板の面積および／または厚さを変化させてもよい。
【００３６】
本発明を幾つかの実施例に則して説明したが、これらはもちろん本発明を限定するものではない。本発明の特徴は、特許請求の範囲に明示的に示されていなくとも、単独でまたは組み合わせて本発明の対象となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の光電素子の実施例の断面図である。
【図２】４つの光電素子を時間スケール０ｍｓ〜３００ｍｓで加熱した場合のシミュレーショングラフである。
【図３】４つの光電素子を時間スケール０ｍｓ〜１０００ｍｓで加熱した場合のシミュレーショングラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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