DE102007019576A1

DE102007019576A1 - Modulträger für ein elektronisches Modul, elektronisches Modul mit einem derartigen Modulträger, Modulanordnung mit einer Mehrzahl von Modulen und Bausatz für eine Modulanordnung

Info

Publication number: DE102007019576A1
Application number: DE102007019576A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Behringer; Franz Dr. Eberhard; Stefan Dr. Morgott; Alexis Dr. Schmitt; Jörg Dr. Heerlein
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2008-04-03

Abstract

Es wird ein Modulträger für ein elektronisches Modul, der zur Verbindung eines elektronischen Bauelements mit dem Modulträger ausgebildet ist, mit einem elektrisch isolierenden Trägerkörper, der eine Oberseite und eine von der Oberseite abgewandte Unterseite aufweist, angegeben, wobei in dem Trägerkörper ein Kühlkanal für die Führung eines Kühlmittels zur Kühlung des Bauelements verläuft und/oder an dem Trägerkörper zumindest eine elektrische Anschlussstelle für eine elektrisch leitende Verbindung des Bauelements mit dem Modulträger ausgebildet ist. Weiterhin werden ein Modul, eine Modulanordnung und ein Bausatz für eine Modulanordnung angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Modulträger für ein elektronisches Modul, ein elektronisches Modul mit einem Modulträger, eine Modulanordnung mit einer Mehrzahl elektronischer Module und einen Bausatz für eine Modulanordnung mit einer Mehrzahl von elektronischen Modulen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Modulträger für ein elektronisches Bauelement anzugeben, der die Handhabbarkeit von elektronischen Modulen mit einem derartigen Bauelement vereinfacht. Weiterhin soll der Modulträger das freie Zusammenstellen von Modulanordnungen mit einer Mehrzahl von elektronischen Modulen auch für Benutzer, die über geringe Erfahrung mit elektronischen Bauelementen, insbesondere Hochleistungs-Bauelementen verfügen, vereinfachen.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Gegenstände gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein erfindungsgemäßer Modulträger für ein elektronisches Modul ist zur Verbindung eines elektronischen Bauelements mit dem Modulträger ausgebildet. Der Modulträger umfasst ferner einen elektrisch isolierenden Trägerkörper, der eine Oberseite und eine von der Oberseite abgewandte Unterseite aufweist. In dem Trägerkörper verläuft ein Kühlkanal für die Führung eines Kühlmittels zur Kühlung des Bauelements und/oder an dem Trägerkörper ist zumindest eine elektrische Anschlussstelle für eine elektrisch leitende Verbindung des Bauelements mit dem Modulträger ausgebildet.
Zweckmäßigerweise weist der Trägerkörper einen Montagebereich zur Anordnung des Bauelements auf dem Trägerkörper auf. Das Bauelement kann in dem Montagebereich an dem Trägerkörper befestigt werden.
Über das im Kühlkanal geführte Kühlmittel kann im Betrieb des elektronischen Bauelement anfallende Wärme vom Bauelement abtransportiert werden. Der Kühlkanal verläuft vorzugsweise rohrartig im Trägerkörper. Insbesondere bei Hochleistungs-Bauelementen, zum Beispiel mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von 10 W oder mehr, fällt in der Regel eine hohe Verlustwärmemenge an. Wird die Verlustwärme nicht vom Bauelement abgeleitet, so ist die Gefahr einer Schädigung oder eines Ausfalls des Bauelements stark erhöht. Durch aktive Kühlung des Bauelements über das im Kühlkanal geführte Kühlmittel, z.B. einer Kühlflüssigkeit, wie Kühlwasser, wird die Abwärme zuverlässig vom Bauelement abtransportiert. Die Lebensdauer des Bauelements wird in der Folge erhöht.
Über die Anschlussstelle, die der Modulträger umfasst, kann das Bauelement, welches auf dem Modulträger angeordnet ist, elektrisch kontaktiert werden. Die Anschlussstelle kann metallhaltig oder metallisch ausgebildet sein. Eine derartige Anschlussstelle des Modulträgers erleichtert insbesondere die serielle Verschaltung einer Mehrzahl von elektronischen Modulen untereinander, die jeweils einen Modulträger und ein Bauelement umfassen. Dies wird im Folgenden noch näher erläutert.
Vorzugsweise umfasst der Modulträger die Anschlussstelle und den Kühlkanal, so dass sowohl die Wärmeabfuhr vom Bauelement zuverlässig erfolgen kann als auch die elektrische Kontaktierung des Bauelements mittels des Modulträgers vereinfacht ist.
Da der Trägerkörper elektrisch isolierend ausgebildet ist, kann das Kühlmittel im Kühlkanal vom elektrischen Versorgungspotential für das Bauelement an der Anschlussstelle elektrisch isoliert geführt werden. Auf die elektrischen Eigenschaften des Kühlmittels, z.B. die Innenkonzentration in einer Kühlflüssigkeit, braucht daher bei der Auswahl des Kühlmittels nicht verstärkt geachtet werden. Der Trägerkörper kann insbesondere mit Brauchwasser als Kühlmittel beschickt werden. Auf destilliertes oder gar doppelt destilliertes Kühlwasser (DI-Wasser) kann verzichtet werden.
Ein erfindungsgemäßes Modul umfasst einen Modulträger gemäß der Erfindung und ein an dem Modulträger befestigtes elektronisches Bauelement. Das Bauelement ist zweckmäßigerweise an dem Trägerkörper befestigt. Bevorzugt ist das Bauelement über ein Verbindungsmittel auf dem Trägerkörper befestigt. Das Bauelement kann beispielsweise mittels eines Klebstoffs an dem Trägerkörper befestigt sein. Bevorzugt erfolgt die elektrische Kontaktierung des Bauelements über die Anschlussstelle unabhängig und getrennt von dem Verbindungsmittel.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Trägerkörper eine Ausnehmung auf. Die Ausnehmung ist vorzugsweise zur Aufnahme des elektronischen Bauelements ausgebildet. Das Bauelement kann in die Ausnehmung eingesetzt, insbesondere eingelegt oder eingesteckt, werden. Der Montagebereich des Trägerkörpers für die Montage des Bauelements kann mittels eines Bodens der Ausnehmung gebildet sein.
Die Anschlussstelle ist vorzugsweise vom Bereich der Ausnehmung aus, insbesondere direkt, elektrisch anschließbar. Das elektronische Bauelement, welches für ein Modul im Bereich der Ausnehmung angeordnet ist, kann so über die Anschlussstelle vereinfacht extern elektrisch kontaktiert werden.
Der Modulträger ist vorzugsweise für eine, insbesondere lösbare, elektrische Steckverbindung zwischen dem Bauelement und der Anschlussstelle ausgebildet. Auf zusätzliche Verbindungsmittel, wie zum Beispiel ein Lot, eine Kabel- oder eine Drahtverbindung, kann zur elektrisch leitenden Verbindung des Bauelements mit der Anschlussstelle verzichtet werden. Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem elektronischen Bauelement und der Anschlussstelle kann vielmehr durch reibschlüssigen mechanischen Kontakt eines elektrischen Kontaktes des Bauelements mit der Anschlussstelle hergestellt werden. Das Bauelement kann in den Modulträger und insbesondere den Trägerkörper eingesteckt werden.
Bevorzugt ist im Trägerkörper eine, insbesondere kanalartige, Kontaktzuführung zur Anschlussstelle ausgebildet. Diese kann durch eine Aussparung des Trägerkörpers gebildet sein. Über die Kontaktzuführung ist ein elektrischer Kontakt des Bauelements der Anschlussstelle zur elektrisch leitenden Verbindung mit der Anschlussstelle zuführbar. Der elektrische Kontakt des Bauelements kann länglich und insbesondere stiftartig ausgebildet sein. Die Kontaktzuführung erstreckt sich bevorzugt von der Ausnehmung ausgehend bis zur Anschlussstelle.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Modulträger einen mit der Anschlussstelle elektrisch leitend verbundenen, vorzugsweise im Trägerkörper verlaufenden, Anschlussleiter. Dieser Anschlussleiter ist bevorzugt von außerhalb des Trägerkörpers elektrisch anschließbar. Der Anschlussleiter kann seitens einer Außenfläche des Trägerkörpers elektrisch anschließbar sein und insbesondere außenseitig frei liegen. Der Anschlussleiter ist mit Vorzug seitens der Oberseite des Trägerkörpers elektrisch anschließbar. Vorzugsweise ist der Anschlussleiter an seiner von der Anschlussstelle aus gesehen von dieser Anschlussstelle entfernten Endseite extern elektrisch anschließbar. Über einen derartigen im Trägerkörper verlaufenden Anschlussleiter wird die externe elektrische Kontaktierung des elektronischen Bauelements des Moduls erleichtert.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Modulträger einen weiteren, vorzugsweise im Trägerkörper verlaufenden, Anschlussleiter. Dieser ist mit einer weiteren Anschlussstelle des Modulträgers elektrisch leitend verbunden. Auch der weitere Anschlussleiter ist vorzugsweise von außerhalb des Trägerkörpers elektrisch anschließbar. Der weitere Anschlussleiter kann seitens einer Außenfläche des Trägerkörpers elektrisch anschließbar sein und insbesondere außenseitig frei liegen. Vorzugsweise ist der Anschlussleiter an seiner von der weiteren Anschlussstelle aus gesehen von dieser Anschlussstelle entfernten Endseite extern elektrisch anschließbar. Der weitere Anschlussleiter ist zweckmäßigerweise seitens der Unterseite des Trägerkörpers elektrisch anschließbar.
Die weitere Anschlussstelle ist vorzugsweise für eine elektrische Steckverbindung zum elektrischen Bauelement ausgebildet, wie weiter oben im Zusammenhang mit der Anschlussstelle ausgeführt wurde.
Zweckmäßigerweise sind die Anschlussleiter seitens verschiedener (Außen)Flächen des Trägerkörpers, vorzugsweise seitens einander gegenüberliegenden Flächen des Trägerkörpers, elektrisch anschließbar. Der eine Anschlussleiter kann seitens der Oberseite und der andere Anschlussleiter seitens der Unterseite elektrisch anschließbar sein.
Der (Die) Anschlussleiter ist (sind) bevorzugt vom Trägerkörper umformt. Der Trägerkörper isoliert die Anschlussleiter bevorzugt elektrisch voneinander.
Die Anschlussleiter – der Anschlussleiter und der weitere Anschlussleiter – sind vorzugsweise zur elektrisch leitenden Verbindung mit verschiedenen Kontakten des elektronischen Bauelements vorgesehen. Der eine Anschlussleiter kann über die Anschlussstelle mit einem ersten Kontakt des elektronischen Bauelements, zum Beispiel Anode oder Kathode eines Diodenbauelements, elektrisch leitend verbunden sein. Der andere Anschlussleiter ist dann über die andere Anschlussstelle mit einem weiteren Kontakt, zum Beispiel Kathode beziehungsweise Anode eines Diodenbauelements, elektrisch leitend verbunden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Anschlussleiter als Gegenstücke für eine, insbesondere lösbare, elektrisch leitende Steckverbindung ausgebildet. Wird ein erster Modulträger auf einem zweiten Modulträger angeordnet, so kann über die Steckverbindung zwischen den Anschlussleitern der Modulträger auf einfache Weise eine, insbesondere lösbare, elektrisch leitende Verbindung der beiden Modulträger zueinander verwirklicht werden. Ein Anschlussleiter des einen Modulträgers kann in den als Gegenstück zu diesem ausgebildeten Anschlussleiter des anderen Modulträgers eingreifen. Anschlussleiter der beiden Modulträger können für eine Steckverbindung in reibschlüssigen mechanischen Kontakt gebracht sein. Dadurch, dass die Anschlussleiter eines einzelnen Modulträgers als Gegenstücke zueinander ausgeführt sind, sind die Freiheitsgrade bei der Zusammenstellung einer Modulanordnung mit einer Mehrzahl von gleichartigen Modulträgern oder einer Mehrzahl von Modulen mit einem auf dem jeweiligen Modulträger vormontierten Bauelement erhöht. Es kann eine im Wesentlichen beliebige Anzahl von Modulträgern über die Anschlussleiter der jeweiligen Modulträger elektrisch leitend, insbesondere in Serienschaltung, verbunden werden.
Ferner kann auf externe Verbindungsmittel, wie zum Beispiel ein Lot, eine Kabel- oder eine Drahtverbindung, für die elektrisch leitende Verbindung verschiedener Modulträger untereinander verzichtet werden.
Der (Die) Anschlussleiter ist (sind) bevorzugt für die Durchleitung hoher Ströme, z.B. von 1A oder größer, bevorzugt von 10A oder größer, besonders bevorzugt von 100A oder größer, ausgelegt. Derart hohe Ströme sind zum Betrieb von Leistungs-Bauelementen oftmals erforderlich. Der (Die) Anschlussleiter ist (sind) zweckmäßigerweise metallhaltig und insbesondere metallisch ausgeführt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Modulträger bzw. das Modul für die Ausbildung eines Stapels mit einer Mehrzahl gleichartiger Modulträger bzw. Module ausgelegt.
Eine erfindungsgemäße Modulanordnung umfasst eine Mehrzahl aufeinander gestapelter, miteinander verbundener elektronischer Module, die jeweils einen erfindungsgemäßen Modulträger und ein auf dem Trägerkörper des jeweiligen Modulträgers angeordnetes elektronisches Bauelement umfassen. Die Bauelemente sind mittels der Anschlussstelle(n) des jeweiligen Modulträgers und insbesondere der Anschlussleiter in Serienschaltung elektrisch leitend miteinander verbunden. Bevorzugt ist die Modulanordnung als Modulstapel ausgeführt .
Bei einer Ausbildung der Anschlussleiter für eine lösbare elektrisch leitende Verbindung, insbesondere eine lösbare Steckverbindung, kann ein defektes Modul einer Modulanordnung auf einfache Weise aus der Modulanordnung entnommen, elektrisch von den verbleibenden Modulen getrennt und durch ein funktionsfähiges Modul ersetzt werden. Das Auswechseln defekter Module wird durch die lösbare elektrische Verbindung mit Vorteil vereinfacht. Insbesondere kann auch ein defektes Modul mit einem Hochleistungs-Bauelement, für dessen Handhabung in der Regel besondere Sorgfalt erforderlich ist, aufgrund einer lösbaren Steckverbindung durch vergleichsweise ungeschulte, von mit Hochleistungselektronik nicht sonderlich vertrauten Personen ausgetauscht werden.
Auch für das Herstellen einer Modulanordnung mit einer Mehrzahl von Hochleistungs-Modulen, also Modulen mit einem Hochleistungs-Bauelement, sind keine besonderen Kenntnisse auf dem Gebiet der Hochleistungs-Elektronik erforderlich. Die einzelnen Module können vielmehr ohne besondere Sicherheitsmaßnahmen zusammengefügt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das elektronische Bauelement ein Gehäuse auf. Das Gehäuse kann ein Funktionselement des Bauelements, z.B. einen Halbleiterchip, wie einen Laserdiodenchip, vor schädlichen äußeren Einflüssen schützen. Insbesondere kann das Gehäuse das Funktionselement, vorzugsweise allseitig, umgeben. Ist ein Gehäuse für das Funktionselement des Bauelements vorgesehen, so kann ein derart vorgehäustes Bauelement vereinfacht auf dem Modulträger angeordnet werden. Besondere Vorkehrungen, wie z.B. die Montage des Bauelements auf dem Modulträger im Reinraum, sind nicht erforderlich. Die Handhabung des Moduls wird so vereinfacht.
Für ein optoelektronisches Bauelement, z.B. ein Laserdiodenbauelement, kann das Gehäuse ein Fenster für den Strahlungsdurchtritt aufweisen. Das Gehäuse kann in dem Fenster ausgespart sein. Das Gehäuse ist vorzugsweise, gegebenenfalls abgesehen von dem Fenster, staubdicht ausgebildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Trägerkörper ein Kühlkanalsystem, wobei das Kühlkanalsystem einen Zufuhrkanal für den Einlass von Kühlmittel in den Trägerkörper und die Zufuhr des Kühlmittels zum Bauelement und einen Abfuhrkanal für die Abfuhr des erwärmten Kühlmittels vom Bauelement und den Auslass des erwärmten Kühlmittels aus dem Trägerkörper aufweist. Das Kühlkanalsystem kann im Bereich des Bauelements unterbrochen sein. Im Bereich dieser Unterbrechung kann das Kühlmittel direkt an das Bauelement anströmen, sodass ein besonders effizienter Wärmeübertrag vom Bauelement in das Kühlmittel erreicht wird.
Bevorzugt erstreckt sich der Abfuhrkanal und/oder der Zufuhrkanal durch den gesamten Trägerkörper. Besonders bevorzugt erstreckt sich der Zufuhrkanal von der Oberseite des Trägerkörpers bis zur Unterseite des Trägerkörpers und/oder der Abfuhrkanal erstreckt sich von der Oberseite des Trägerkörpers bis zur Unterseite des Trägerkörpers. Der jeweilige Kanal kann auf der Oberseite in den Trägerkörper eindringen und auf der Unterseite wieder aus dem Trägerkörper austreten.
Bei einer Aufeinanderanordnung zweier gleichartiger Modulträger kann der jeweilige Kühlkanal – z.B. der Abfuhrkanal oder der Zufuhrkanal – des einen Modulträgers mit dem Kühlkanal – z.B. dem Abfuhrkanal bzw. dem Zufuhrkanal – des anderen Modulträgers vereinfacht kühlmitteldurchleitend verbunden werden. Die zu verbindenden Kühlkanäle der Modulträger sind einander zweckmäßigerweise endseitig zugewandt. Bevorzugt werden zwei Modulträger für eine Modulanordnung derart gestapelt, dass die Unterseite des einen Modulträgers der Oberseite des anderen Modulträgers zugewandt ist. Der Zufuhrkanal (Abfuhrkanal) des einen Modulträgers ist bei einer Modulanordnung bevorzugt mit dem Zufuhrkanal (Abfuhrkanal) des anderen Modulträgers verbunden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Trägerkörper ein dem Kühlkanal zugeordnetes Dichtungsmittel auf. Bevorzugt ist das Dichtungsmittel Teil des Trägerkörpers und besonders bevorzugt im Trägerkörper vorgeformt. Beispielsweise ist das Dichtungsmittel oberseitig im Trägerkörper ausgebildet.
Das Dichtungsmittel ist zweckmäßigerweise für die Abdichtung eines externen Zugangs zum Kühlkanal des Trägerkörpers ausgebildet. Das Dichtungsmittel ist vorzugsweise endseitig lateral neben dem zugeordneten Kühlkanal, insbesondere auf der Außenseite des Trägerkörpers, angeordnet. Insbesondere ist das Dichtungsmittel in Aufsicht lateral neben dem zugeordneten Kühlkanal angeordnet. Zweckmäßigerweise ist sowohl dem Zufuhrkanal als auch dem Abfuhrkanal jeweils ein gesondertes derartiges Dichtungsmittel zugeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist auf der von dem Dichtungsmittel abgewandten Seite des Trägerkörpers ein weiteres Dichtungsmittel im Trägerkörper ausgebildet, das als Gegenstück zum Dichtungsmittel ausgeführt ist. Das weitere Dichtungsmittel ist beispielsweise unterseitig ausgebildet. Zweckmäßigerweise ist das weitere Dichtungsmittel in dem Trägerkörper vorgeformt.
Das Dichtungsmittel und das weitere Dichtungsmittel sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass beim Anordnen zweier Modulträger aufeinander das Dichtungsmittel des einen Trägerkörpers mit dem weiteren Dichtungsmittel des anderen Trägerkörpers in mechanischen Kontakt tritt und die den Dichtungsmitteln zugeordneten Kühlkanäle mittels der Dichtungsmittel kühlmitteldicht und durchleitend miteinander verbindbar sind. Das eine Dichtungsmittel kann dabei in das andere Dichtungsmittel eingreifen. Mit Vorteil kann eine Kühlmitteldichtheit bereits alleine mit den im Trägerkörper ausgebildeten Dichtungsmittel erreicht werden. Zusätzliche, nicht bereits mit dem Trägerkörper bereitgestellte Dichtungsmittel, wie zum Beispiel ein Dichtungsring, sind für eine kühlmitteldichte Verbindung nicht erforderlich.
Zwei Modulträger werden in einer Modulanordnung bevorzugt mit einer Kraft, mit der die Modulanordnung beaufschlagt ist, aneinander gedrückt. Die Abdichtung des Übergangs zwischen den Kühlkanälen zweier Modulträger durch die Dichtungsmittel kann so verbessert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Modulanordnung sind Kühlkanäle verschiedener Modulträger einer Modulanordnung durchleitend miteinander verbunden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Trägerkörper klemmsteinartig ausgebildet. Dazu weist der Trägerkörper zum Beispiel eine Mehrzahl von Befestigungsstiften auf. Die Befestigungsstifte sind vorzugsweise im Trägerkörper vorgeformt. Die Befestigungsstifte sind beispielsweise auf der Oberseite des Trägerkörpers ausgebildet.
Auf der Unterseite des Trägerkörpers sind zweckmäßigerweise entsprechende Gegenstücke zu den Befestigungsstiften ausgebildet. Eine Mehrzahl von Modulträgern kann insbesondere bausteinartig aneinander gefügt werden, wobei benachbarte Module miteinander verklemmt werden können. Die mechanische Stabilität einer Modulanordnung mit einer Mehrzahl von Modulträgern wird so erhöht. Derartige Modulträger können insbesondere legostein-artig miteinander verklemmt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung enthält der Trägerkörper einen Kunststoff, insbesondere einen elektrisch isolierenden Kunststoff. Kunststoff-Trägerkörper sind auf einfache Weise herstellbar. Der Trägerkörper kann als Formteil und insbesondere einstückig ausgeführt sein. Beispielsweise ist der Trägerkörper als Gussteil, zum Beispiel als Spritzguss-, Spritzpressguss- oder Pressguss-Formteil ausgeführt. Bevorzugt wird ein temperaturstabiler Kunststoff eingesetzt. Die Gefahr einer Verformung des Trägerkörpers aufgrund der Abwärme des Bauelements oder des erwärmten Kühlmittels wird so verringert. Beispielsweise enthält der Trägerkörper PEEK (Polyetheretherketon). Dieses Kunststoffmaterial zeichnet sich durch gute Formbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen aus.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das elektronische Bauelement ein optoelektronisches Bauelement, insbesondere ein Laserdioden-Bauelement, vorzugsweise ein Hochleistungs-Laserdioden-Bauelement. Ein Hochleistungs-Laserdioden-Bauelement erzeugt zum Beispiel Strahlungsleistungen von 10 W oder mehr, bevorzugt 20 W oder mehr, besonders bevorzugt 30 W oder mehr.
Das Laserdioden-Bauelement enthält bevorzugt einen Laserdiodenchip, insbesondere einen Laserdiodenbarren, zur Strahlungserzeugung. Laserdiodenbarren sind zur Erzeugung hoher Strahlungsleistungen besonders geeignet.
Ein erfindungsgemäßer Bausatz für eine Modulanordnung mit einer Mehrzahl von in Serienschaltung elektrisch leitend miteinander verbundenen elektronischen Hochleistungsmodulen, insbesondere Lasermodulen, umfasst zwei Abschlussbausteine für Module, welche die Modulanordnung endseitig abschließen, und mindestens einen Zwischenbaustein für ein zwischen den Anschlussbausteinen anzuordnendes Modul.
Der Zwischenbaustein ist von den Anschlussbausteinen vorzugsweise verschieden ausgebildet. Bevorzugt ist der Zwischenbaustein als erfindungsgemäßer Modulträger oder als erfindungsgemäßes elektronisches Modul ausgebildet. Zweckmäßigerweise ist eine Mehrzahl von, vorzugsweise gleichartigen, Zwischenbausteinen vorgesehen. Die Zwischenbausteine können für eine Modulanordnung aufeinander angeordnet und elektrisch in Serienschaltung miteinander verbunden werden, wie weiter oben bereits erläutert.
Die Abschlussbausteine, welche die Modulanordnung endseitig abschließen sind vorzugsweise für die externe elektrische Versorgung der Serienschaltung der Zwischenbausteine und/oder eine externe Kühlmittelzufuhr in die durchleitend miteinander zu verbindenen Kühlkanäle der einzelnen Modulträger der Zwischenbausteine ausgeführt.
Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
1 zeigt eine schematische Schrägaufsicht eines Ausführungsbeispiels eines elektronischen Moduls.
2 zeigt anhand verschiedener schematischer Ansichten in den 2A, 2B und 2C ein Ausführungsbeispiel des Verlaufs des Kühlkanalsystems im Trägerkörper.
3 zeigt eine schematische Schrägaufsicht eines Ausführungsbeispiels einer Modulanordnung.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Moduls anhand einer schematischen Schrägaufsicht.
5 zeigt anhand der schematischen Schnittansichten in den 5A und 5B ein Ausführungsbeispiel für Dichtungsmittel zum durchleitenden Verbinden von Kühlkanälen.
6 zeigt anhand einer schematischen Aufsicht in 6A und einer schematischen Schnittansicht in 6B ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektronischen Moduls.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls anhand einer schematischen Schrägaufsicht.
8 zeigt eine schematische Schnittansicht für ein weiteres Ausführungsbeispiel einer dichten Verbindung zwischen zwei Kanälen anhand einer schematischen Schnittansicht.
Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Schrägaufsicht eines Ausführungsbeispiels eines elektronischen Moduls.
Das elektronische Modul 1 umfasst einen Modulträger 2 und ein auf dem Modulträger angeordnetes elektronisches Bauelement 3. Das Bauelement 3 ist auf einem Trägerkörper 4 des Modulträgers 2 angeordnet und, vorzugsweise dauerhaft, an dem Trägerkörper befestigt. Beispielsweise ist das Bauelement 3 stoffschlüssig an dem Trägerkörper 4 befestigt, zum Beispiel mit dem Trägerkörper verklebt.
Der Trägerkörper 4 weist eine Oberseite 5 und eine Unterseite 6 auf, wobei die Unterseite von der Oberseite abgewandt ist.
Der Trägerkörper 4 weist weiterhin eine Ausnehmung 7 auf, in die das Bauelement 3 eingelegt ist. Die Ausnehmung erstreckt sich von der Oberseite 5 in Richtung der Unterseite 6. Der Trägerkörper 4 kann einen U-artigen Querschnitt aufweisen. Im Bereich der Ausnehmung 7 ist, vorzugsweise an einem Boden der Ausnehmung, ein Montagebereich 8 ausgebildet, in dem das Bauelement am Trägerkörper befestigt ist.
Der Trägerkörper 4 umfasst weiterhin ein Kühlkanalsystem, in dem ein Kühlmittel, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, zum Beispiel Kühlwasser, zur Kühlung des Bauelements 3 im Betrieb des Moduls 1 geführt werden kann. Das Bauelement 3 kann also aktiv über das Kühlmittel gekühlt werden. Über aktive Kühlung wird Abwärme besonders effizient vom Bauelement abtransportiert.
Das Kühlkanalsystem umfasst einen Zufuhrkanal 9 und einen Abfuhrkanal 10. Über den Zufuhrkanal 9 kann das Kühlmittel in den Trägerkörper 4 eingeführt werden. Vom Zufuhrkanal 9 aus gelangt das Kühlmittel zum Bauelement 3, kann dort erzeugte Wärme aufnehmen und nach dem Wärmeübertrag über den Abfuhrkanal 10 aus dem Trägerkörper 4 abgeführt werden.
In Aufsicht auf die Oberseite 5 gesehen ist der Montagebereich 8 des Trägerkörpers 4 für die Montage des Bauelements 3 zwischen dem Zufuhrkanal 9 und dem Abfuhrkanal 10 angeordnet. Der Zufuhrkanal 9 und der Abfuhrkanal 10 verlaufen von der Oberseite 5 des Trägerkörpers ausgehend in den Trägerkörper hinein.
Der Trägerkörper 4 weist weiterhin Durchführöffnungen 11 auf. Diese erstrecken sich vorzugsweise von der Oberseite 5 des Trägerkörpers 4 bis zur Unterseite 6 des Trägerkörpers 4. Durch die Durchführöffnungen 11 können Montagemittel durch den Trägerkörper 4 hindurch geführt werden. Hierdurch kann eine Befestigung des Moduls 1 an einem weiteren Element erreicht oder die Lage des Moduls mechanisch stabilisiert werden. Beispielsweise können Schrauben durch die Durchführöffnungen 11 geführt werden.
Der Montagebereich 8 des Bauelements ist in Aufsicht auf die Oberseite 5 gesehen zwischen Durchführöffnungen 11 angeordnet. Weiterhin hat es sich für eine stabile Befestigung des Moduls 1 als besonders vorteilhaft erwiesen, eine Mehrzahl von Durchführöffnungen – in Aufsicht auf die Oberseite 5 gesehen – auf der gleichen Seite des Montagebereichs 8 vorzusehen.
Der Trägerkörper 4 ist vorzugsweise als Kunststoff-Formteil ausgebildet. Das Kühlkanalsystem kann ebenso wie die Durchführöffnungen 11 mit Vorteil bereits bei der Herstellung des Kunststoff-Formteils ausgeformt werden. Beispielsweise ist der Trägerkörper 4 als Spritzgussteil, Spritzpressgussteil oder Pressgussteil ausgebildet. Kunststoff-Formteile sind besonders einfach und kostengünstig herstellbar.
Das elektronische Bauelement ist als Laserdiodenbauelement ausgeführt. Das Bauelement 3 umfasst einen ersten Kontakt 12 und einen zweiten Kontakt 13 für die elektrische Kontaktierung des Diodenbauelements. Der erste Kontakt 12 (Kathode oder Anode) umfasst einen Kontaktstift und ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch einen einzelnen Kontaktstift gebildet. Der zweite Kontakt 13 (Kathode beziehungsweise Anode) umfasst ebenfalls einen Kontaktstift und ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch zwei Kontaktstifte gebildet.
Das Bauelement 3 weist weiterhin ein Gehäuse 14 auf. Das Gehäuse 14 ist zweckmäßigerweise an dem Trägerkörper 4 befestigt. Die Kontakte 12, 13 sind für die elektrische Kontaktierung des Bauelements im vorliegenden Ausführungsbeispiel frei zugänglich. Die Kontakte können zum Beispiel mit entsprechenden Kabeln verlötet und mit einer elektrischen Leistungsquelle für die Leistungszufuhr zum Bauelement verbunden werden.
Das Gehäuse 14 schützt einen im Gehäuse angeordneten Laserdiodenchip des Bauelements 3, vorzugsweise einen Laserdiodenbarren (nicht explizit dargestellt). Das Bauelement ist vorzugsweise als Hochleistungs-Laserdioden-Bauelement mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von 10 W oder mehr, bevorzugt von 20 W oder mehr, besonders bevorzugt von 30 W oder mehr ausgebildet. Hochleistungs-Bauelemente erzeugen im Betrieb eine maßgebliche Abwärme, die über das Kühlmittel besonders effektiv vom Bauelement abgeführt werden kann.
Ein Hochleistungs-Laserdioden-Bauelement kann Strahlungsleistungen von 10 W oder mehr, bevorzugt 20 W oder mehr, besonders bevorzugt 30 W oder mehr, im Dauerstrichbetrieb (cw: continuous wave) oder im quasikontinuierlichen Dauerstrichbetrieb (q-cw: quasi-continuous wave) erzeugen.
Zur elektrischen Versorgung des Hochleistungs-Bauelements sind die Kontakte 12, 13 zur Durchleitung hoher Ströme, z.B. 1A oder größer, bevorzugt 10A oder größer, besonders bevorzugt 100A oder größer, ausgelegt. Die Kontakte 12, 13 sind bevorzugt metallisch, z.B. aus Kupfer.
Herkömmliche Laserdiodenbarren werden oftmals unmittelbar auf einen Mikrokanalkühler aus Kupfer mit in das Kupfer einstrukturierten Mikrokanälen montiert, in denen Kühlwasser geführt wird. Da Kupfer elektrisch leitfähig ist, ist eine Trennung des Kühlwassers vom elektrischen Versorgungspotential des Laserdiodenbarrens in der Regel nicht oder nur sehr schwer möglich. Um rasche Degradation des Metalls – z.B. durch Korrosion oder ähnliches – zu vermeiden ist in diesem Falle oftmals eine Kühlung mit einer hochreinen Flüssigkeit, z.B. destilliertem Wasser, insbesondere DI-Wasser (doppelt destilliertes Wasser), erforderlich.
Ist der Trägerkörper 4 jedoch aus einem elektrisch isolierenden Material, wie einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial, gefertigt, so kann das Kühlmittel vom Versorgungspotential des Bauelements 3 auf einfache Weise entkoppelt werden. Die verwendete Kühlflüssigkeit muss in diesem Fall keinen ausgesprochen hohen Anforderungen genügen. Insbesondere kann dauerhaft Brauchwasser zur Kühlung eingesetzt werden, ohne die Kühleffizienz zu mindern. Kunststoffe sind gegenüber Metallen weit weniger empfindlich bei Kontakt mit "unreinen" Flüssigkeiten, wie z.B. nicht destilliertem Brauchwasser.
Weiterhin kann durch den Einsatz von Kunststoff zur Ausbildung des Kühlkanals auch der Einfluss von Wassererosion auf die Kühleffizienz vermindert werden. Mikrokanalkühler aus Metallen weisen in der Regel enge Kühlkanäle auf, um durch aufgrund der Enge erzeugte Verwirbelungen die Kühleffizienz zu erhöhen. Durch Wassererosion kann die Kühlkanalbreite erhöht werden. Dies führt zu verminderter Wirbelbildung und somit zu verminderter Kühleffizienz. Diese Effizienzminderung kann durch den Einsatz eines Kunststoffs vermindert oder vollständig vermieden werden. Auch kann ein Kühlkanal bei einem Kunststoff-Trägerkörper gegenüber dem eines Mikrokanalkühlers vereinfacht bei gleich bleibend guter Kühlung breiter ausgeführt werden.
Das Gehäuse 14 des Bauelements 3 schützt nicht nur den Chip des Moduls sondern auch den Anwender des Moduls. Das Modul mit dem bereits vor der Montage auf dem Trägerkörper vergehäusten Bauelement ist insbesondere auch von mit Hochleistungsdiodenlasern nicht besonders vertrauten Personen ohne großen Aufwand, z.B. speziellen Schulungen, handhabbar. Aufgrund des, vorzugsweise abgedichteten, insbesondere staubdichten, Gehäuses 14 kann das Bauelement sogar außerhalb eines Reinraums auf dem Trägerkörper befestigt werden. Auch können die Module außerhalb eines Reinraums gehandhabt werden.
Das Gehäuse 14 weist weiterhin ein Fenster 15 auf. Das Fenster 15 dient dem Strahlungsaustritt aus dem Gehäuse. Vorzugsweise ist das Bauelement 3 lediglich im Fenster 15 geöffnet. Hierdurch wird sowohl der Halbleiterchip als auch der Anwender besonders effizient geschützt.
Das Bauelement 3 weist vorzugsweise einen Leiterrahmen, zum Beispiel einen TO-Leiterrahmen, wie einen TO-220- oder einen TO-263-Leiterrahmen auf. Der Chip des Bauelements kann auf dem Leiterrahmen montiert sein. Ein Leiterrahmen in TO-Bauform eignet sich besonders für Leistungselektronik, wie einen Leistungsdiodenlaser. Der Leiterrahmen kann einen Teil des Gehäuses 14 bilden.
2 zeigt anhand verschiedener schematischer Ansichten in den 2A, 2B und 2C ein Ausführungsbeispiel des Verlaufs des Kühlkanalsystems im Trägerkörper.
2A zeigt eine Aufsicht auf die Oberseite 5 des Trägerkörpers 4 des Modulträgers 2. Gegenüber der Darstellung in 1 ist die Darstellung in 2 vereinfacht. So sind die Kontakte des Bauelements 3 und die Durchfuhröffnungen 11 nicht explizit dargestellt.
In den 2B und 2C sind jeweils Schnittansichten durch das Modul 1 aus 2A dargestellt, in denen schematisch das Kühlkanalsystem im Trägerkörper 4 gezeigt ist. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels ist jeweils durch Pfeile verdeutlicht. Über den Zufuhrkanal 9 tritt das Kühlmittel zum Beispiel von der Oberseite 5 aus in den Trägerkörper 4 ein. Von dem Zufuhrkanal 9 zweigt ein Kühlkanal 16 ab. Ein Teil der Kühlflüssigkeit tritt von dem Zufuhrkanal 9 in den Kühlkanal 16 ein. Auf der Unterseite 6 tritt der Zufuhrkanal 9 vorzugsweise wieder aus dem Trägerkörper aus. Nicht in den Kanal 16 gelangendes Kühlmittel kann demnach wieder unterseitig aus dem Trägerkörper 4 austreten.
Im Montagebereich 8 des Bauelements 3 ist das Kühlkanalsystem unterbrochen und ein Kühlmittelaustritt 17 vorgesehen. In diesem Bereich kann das Kühlmittel an das Bauelement 3 anströmen. Zum besseren Wärmeübertrag weist das Bauelement 3 in diesem Bereich eine Kühlstruktur 18 auf. Diese kann beispielsweise mittels Kühlnuten gebildet sein, die zweckmäßigerweise montageseitig vorgesehen sind. Dies ist in 2B dargestellt.
Weiterhin ist in 2B eine Verbindungsmittelschicht 84 dargestellt, mittels derer das Bauelement im Montagebereich 8 am Trägerkörper 4 befestigt ist. Die Verbindungsmittelschicht 84 ist beispielsweise als Klebeschicht ausgebildet.
Vom Kühlmittelaustritt 17 ausgehend kann das Kühlmittel montageseitig am Bauelement 3 entlang strömen und über einen Kühlmitteleintritt 19. wieder in den Trägerkörper 4 eintreten, 2A. Über einen mit dem Abfuhrkanal 10 verbundenen Kanal gelangt das erwärmte Kühlmittel zum Abfuhrkanal 10 und kann wieder aus dem Trägerkörper austreten, 2C. Zu- und Abfuhrkanal erstrecken sich von der Oberseite 5 bis zur Unterseite 6. Eine derartig durchgehende Ausführung von Zufuhrkanal 9 und Abfuhrkanal 10 bietet die Möglichkeit, eine Mehrzahl von derartigen Modulen auf einfache Weise übereinander zu stapeln und über ein gemeinsames, durchleitend verbundenes Kühlkanalsystem zu kühlen. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels kann im Zu- und im Abfuhrkanal in der gleichen Richtung, z.B. von der Oberseite 5 zur Unterseite 6 des Trägerkörpers 4, verlaufen.
Da an dem Bauelement 3 eine maßgebliche Wärme anfallen kann, bietet eine derartige aktive Kühlung mit einem an dem Bauelement vorbei geführten Kühlmittel eine verbesserte Wärmeabfuhr im Vergleich zu einer passiven Kühlung über einen Kühlkörper, wie etwa eine massive Kupferwärmesenke.
Aufgrund der Abwärme des Bauelements kann auch das Kühlmittel entsprechend erwärmt werden. Um die Gefahr einer Schädigung des Trägerkörpers, etwa durch Verformung nicht zu erhöhen, wird vorzugsweise ein temperaturstabiler Kunststoff, zum Beispiel PEEK, für den Trägerkörper eingesetzt.
Ein besonders geeignetes Laserdiodenbauelement ist das Bauelement mit der Typenbezeichnung SPL LG81 (Hersteller: Osram Opto Semiconductors GmbH) oder damit verwandte Bauelemente. Dieses Bauelement hat eine optische Ausgangsleistung von 30 W oder mehr im Dauerstrichbetrieb. Die elektrische Versorgungsleistung liegt bei über 30 W.
3 zeigt eine schematische Schrägaufsicht einer Modulanordnung 20.
Die Modulanordnung 20 umfasst eine Mehrzahl von aufeinander gestapelten Modulen 1 (vergleiche z.B. die Beschreibung entsprechender Module im Zusammenhang mit den vorhergehenden Ausführungsbeispielen). Die Oberseite 5 eines Moduls 1 ist jeweils der Unterseite 6 des in Stapelrichtung nachfolgenden Moduls zugewandt. Die Kühlkanalsysteme der einzelnen Module sind durchleitend miteinander verbunden, wobei insbesondere die Zufuhrkanäle 9 der Module 1 untereinander und die Abfuhrkanäle 10 der Module untereinander verbunden sind. Über die Zufuhrkanäle 9 kann entsprechend den Ausführungen zu 2 Kühlmittel zu den elektronischen Bauelementen 3 geführt werden, welches über die entsprechenden Abfuhrkanäle 10 abfließen kann.
Die Kühlkanalsysteme der einzelnen Module 1 sind untereinander zweckmäßigerweise kühlmitteldicht verbunden.
Hierzu sind im Trägerkörper vorzugsweise Dichtungsmittel ausgebildet (zum Beispiel wie im Zusammenhang mit 5 beschrieben).
Die Durchführöffnungen 11 der einzelnen Module 1 bilden vorzugsweise jeweils mit der entsprechenden Durchführöffnung 11 des nachfolgenden Moduls eine durchgehende Öffnung aus. Über die Durchtrittsöffnungen 11 kann eine derartige Modulanordnung mechanisch stabilisiert werden. Hierzu eignet sich beispielsweise die Durchführung eines Montagemittels, wie etwa einer Schraube, durch die Öffnungen 11. Die Modulanordnung 20 kann über die Montagemittel, z.B. durch Verschraubung des Montagemittels an einem externen Trägerelement, zusammengedrückt und mechanisch stabilisiert werden. Über das Montagemittel kann der Modulstapel mechanisch stabilisiert und insbesondere fixiert werden.
Alternativ oder ergänzend zu den Durchführöffnungen 11 können auch andere Mittel zur mechanischen Stabilisierung der Lage der einzelnen Module in der Modulanordnung 20 geeignet sein.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines dementsprechend modifizierten Moduls anhand einer schematischen Schrägaufsicht. Im Wesentlichen entspricht das Modul dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Modul. Im Unterschied hierzu wurde auf Durchführöffnungen verzichtet. Anstelle der Durchführöffnungen sind oberseitig im Trägerkörper 4 Befestigungsstifte 21 ausgebildet. Diese können im Trägerkörper 4 vorgeformt und insbesondere gemeinsam mit dem Trägerkörper gegossen sein. Unterseitig sind im Trägerkörper bevorzugt entsprechende Gegenstücke zu den Befestigungsstiften 21, z.B. Ausnehmungen im Trägerkörper, ausgebildet (nicht explizit dargestellt).
Über Verklemmung oder Presspassung zwischen den Befestigungsstiften 21 mit den entsprechenden Gegenstücken kann eine mechanische Stabilisierung einer Modulanordnung mit gestapelten und zusammengefügten Modulen erreicht werden. Das Modul 1 kann also insbesondere klemmsteinartig ausgeführt sein. Die Befestigungsstifte 21 und die korrespondierenden Gegenstücke sind vorzugsweise im Trägerkörper 4 ausgebildet und können bereits bei der Herstellung des Trägerkörpers im Trägerkörper vorgeformt, insbesondere gegossen, werden.
Die einzelnen Module können ähnlich dem LEGO-Prinzip zusammengefügt werden. Zusätzlich zu den Befestigungsstiften können gegebenenfalls auch Durchfuhröffnungen 11 vorgesehen sein.
5 zeigt anhand der schematischen Schnittansichten in den 5A und 5B ein Ausführungsbeispiel für Dichtungsmittel, die zum kühlmitteldichten und durchleitenden Verbinden von Kühlkanälen (Kühlkanalsystemen) zweier Modulträger 2 für eine Modulanordnung, beispielsweise eine Modulanordnung gemäß 3, besonders geeignet sind.
Die in den 5A und 5B gezeigten schematischen Schnittansichten sind jeweils Teilschnittansichten zweier aufeinander anzuordnender Modulträger 2. 5A zeigt die Modulträger 2 vor dem Aufeinanderanordnen. Der obere Modulträger 2 ist mit der Unterseite 6 seines Trägerkörpers 4 der Oberseite 5 des Trägerkörpers 4 des unteren Modulträgers zugewandt. In der Teilschnittansicht ist ein Kanal zur Führung eines Kühlmittels in dem jeweiligen Modulträger 2 dargestellt. Der Kanal kann beispielsweise durch den Zufuhrkanal 9 und/oder den Abfuhrkanal 10 gemäß der Darstellung in den vorherigen Figuren gegeben sein.
In Aufsicht auf die Oberseite 5 und die Unterseite 6 sind lateral neben den zu verbindenden Kühlkanal im jeweiligen Trägerkörper Dichtungsmittel 22 bzw. 23 ausgebildet.
Das unterseitige Dichtungsmittel 22 des oberen Modulträgers 2 ist als Erhebung des Trägerkörpers 4 ausgebildet. Das Dichtungsmittel kann insbesondere im Trägerkörper vorgeformt sein. Vorzugsweise umläuft das Dichtungsmittel 22 den Bereich des Kühlkanals in Aufsicht lateral vollständig. Weiterhin ist das Dichtungsmittel 22 vom Kühlkanal lateral beabstandet.
Auf der dem Kanal in lateraler Richtung abgewandten Seite 220 verläuft das Dichtungsmittel 22 vorzugsweise schräg oder gekrümmt zur Unterseite 6. Auf der dem Kanal lateral zugewandten Seite 221 ist das Dichtungsmittel vorzugsweise eben ausgebildet. Besonders bevorzugt verläuft das Dichtungsmittel auf dieser Seite 221 im Wesentlichen senkrecht zu der Unterseite 6.
Das unterseitige Dichtungsmittel 23 im unteren Modulträger 2 ist als Vertiefung im Trägerkörper 4 ausgebildet. Das oberseitige Dichtungsmittel 23 ist lateral neben dem Kanal angeordnet und insbesondere von diesem beabstandet. Weiterhin umläuft das Dichtungsmittel 23 den Kanal mit Vorzug in Aufsicht lateral vollständig. Die Vertiefung für das Dichtungsmittel ist hinsichtlich ihrer Formgebung zweckmäßigerweise an die Formgebung des unterseitigen Dichtungsmittels 22 angepasst.
Ein lateraler Abstand zwischen der dem Kanal zugewandten Seite 231 des Dichtungsmittels 23 und dem Kanal ist vorzugsweise kleiner als der Abstand des Dichtungsmittel 22 von dem Kanal auf der dem Kanal zugewandten Seite 221. Eine Wanddicke der Wand 24, die das Dichtungsmittel 23 vom Kanal trennt, ist hierzu vorzugsweise kleiner dem lateralen Abstand d des unterseitigen Verbindungsmittels 22 von dem Kanal. Die Ausbildung einer kühlmitteldichten Verbindung zwischen den Kanälen des oberen und des unteren Modulträgers wird so vereinfacht.
Wird der obere Modulträger 2 auf den unteren Modulträger 2 aufgesetzt, wobei der Kanal des oberen Modulträgers über dem Kanal des unteren Modulträgers angeordnet ist, so greift das Dichtungsmittel 22 in das Dichtungsmittel 23 ein. Die Dichtungsmittel 22, 23 können insbesondere keilartig geformt sein.
Die vom Kanal abgewandte Seite 220 des Dichtungsmittels 22 drückt sich an die dem Kanal abgewandte Seite 230 des Dichtungsmittels 23 an. Dadurch wird die dem Kanal zugewandte Seite des Dichtungsmittels 22 in Richtung des Kanals gedrückt.
Aufgrund des in lateraler Richtung ausgeübten Drucks auf das Dichtungsmittel 22 wird dieses gegen die Wand 24 des Kanals und insbesondere an die dem Kanal zugewandte Seite 231 des Dichtungsmittels 23 gedrückt. Das Dichtungsmittel 22 steht mit der Wand vorzugsweise in mechanischem Kontakt (vergleiche die Kontaktstelle 25). Hierdurch bildet sich eine für ein durch den Pfeil gekennzeichnetes, im Kanalverbund geführtes Kühlmittel dichte Verbindung der Kanäle der verschiedenen Modulträger 2 aus.
Vorzugsweise sind die Dichtungsmittel 22, 23 derart aufeinander abgestimmt, dass eine kühlmitteldichte Verbindung ausgebildet wird, wenn die einander zugewandten Seiten – Oberseite 5 und Unterseite 6 – der Trägerkörper 4 aufeinander liegen. Zur weitergehenden Abdichtung der durchleitenden Verbindung können die beiden Modulträger mechanisch aneinander gedrückt werden. Dies kann zum Beispiel durch ein Montagemittel erzielt werden, welches sich durch die zwei Modulträger erstrecken kann. Die Modulträger können über Verschraubung entlang der Richtung, in der die Modulträger aufeinander gestapelt sind, zusammendrückt werden.
Eine Eindringtiefe des Dichtungsmittels 23 in den Trägerkörper 4 von der Oberseite 5 aus ist vorzugsweise größer als die Höhe, bis zu der sich das Dichtungsmittel 22 über die Unterseite 6 des Trägerkörpers 4 erhebt. Hierdurch kann erreicht werden, dass trotz des Aneinanderdrückens der beiden Dichtungsmittel ein Angrenzen von Oberseite und Unterseite der beiden Trägerkörper 4 aneinander erreicht werden kann.
Die Dichtungsmittel 22 und 23 sind aus dem Trägerkörper 4 ausgebildet und können bereits zusammen mit dem Trägerkörper vorgeformt, insbesondere gegossen, werden. Auf vom Trägerkörper 4 getrennte Dichtungsmittel, wie zum Beispiel O-Ringe, kann mit Vorteil verzichtet werden.
Die im Zusammenhang mit 5 erläuterter dichte und durchleitende Verbindung zweier Kanäle ist ähnlich der Swagelock-Verbindungstechnik.
Selbstverständlich können das oberseitige und das unterseitige Dichtungsmittel auch auf der jeweils anderen Seite des Trägerkörpers angeordnet sein.
Da auf separate Dichtungsmittel verzichtet werden kann, ist eine kühlmitteldichte durchleitende Verbindung zweier Modulträger mittels einer derartigen Ausbildung der Dichtungsmittel bereits im Trägerkörper vereinfacht.
Eine Kühlmitteldichtheit kann sich insbesondere bereits beim Aufeinanderanordnen zweier Modulträger ergeben, wobei ein die beiden Modulträger zusammendrückender Druck vorzugsweise im Montagezustand der Modulanordnung aufrecht erhalten wird. Dies kann zum Beispiel durch entsprechende Verschraubung erreicht werden.
6 zeigt anhand einer schematischen Aufsicht in 6A und einer schematischen Schnittansicht in 6B ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektronischen Moduls 1.
Im Wesentlichen entspricht das Modul 1 den im Zusammenhang mit den vorhergehenden Figuren erläuterten Modulen. Unterschiede bestehen in der elektrischen Kontaktführung.
Die Kontakte 12, 13 sind mit Anschlussleitern 26 und 27 des Modulträgers elektrisch leitend verbunden. Die elektrischen Kontakte 12, 13 des Bauelements 3 sind insbesondere von außerhalb des Modulträgers 2 nicht ohne weiteres unmittelbar zugänglich.
Der erste Kontakt 12 ist mit einem ersten Anschlussleiter 26 und der zweite Kontakt 13 ist mit einem zweiten Anschlussleiter 27 elektrisch leitend verbunden. Die Verbindung ist vorzugsweise als reibschlüssige Verbindung, insbesondere als Steckverbindung ausgeführt. Auf zusätzliche Kabel- oder Lötverbindungen zwischen den Anschlussleitern des Modulträgers 2 und den Kontakten des Bauelements kann verzichtet werden.
Die Anschlussleiter sind für ein Hochleistungs-Laserbauelement bevorzugt zur Durchleitung hoher Ströme, z.B. von 1A oder größer, bevorzugt von 10A oder größer, besonders bevorzugt von 100A oder größer ausgelegt. Beispielsweise sind die Anschlussleiter metallisch, z.B. aus Kupfer, ausgeführt.
Der erste Kontakt 12 ist über eine Anschlussstelle 28, insbesondere unmittelbar, mit dem ersten Anschlussleiter 26 elektrisch leitend verbunden. Der zweite Kontakt 13 ist mit dem zweiten Anschlussleiter 27 über eine Anschlussstelle 29, insbesondere unmittelbar, elektrisch leitend verbunden. Die Anschlussstellen 28, 29 können mittels der Anschlussleiter gebildet sein.
Die Anschlussstellen 28, 29 sind vom Montagebereich 8 und insbesondere vom Bereich der Ausnehmung 7 aus zugänglich.
Im Trägerkörper 4 sind Zuführöffnungen 30, 31 ausgebildet, über die die Anschlussstellen zugänglich sind. Vorzugsweise sind den Kontakten 12, 13 getrennte Zuführöffnungen zugeordnet.
Das Bauelement 3 kann mit den Kontakten in die Zuführöffnungen 30, 31 eingesteckt werden. Die Kontakte 12 und 13 gelangen über die Zuführöffnungen 30, 31 zu der jeweils zugeordneten Anschlussstelle 28 bzw. 29. Die Anschlussleiter 26 und 27 können beim Herstellen des Modulträgers 2 mit dem Material des Trägerkörpers 4 umformt werden, sodass ein vorgeformter Modulträger, in dem bereits die Anschlussleiter ausgebildet sind, für ein Modul 1 bereitgestellt werden kann. Der Trägerkörper 4 ist insbesondere einstückig ausgeführt.
Alternativ kann auch ein separates Anschlussteil bereitgestellt werden, das die Anschlussleiter 26 und 27 und einen Anschlusskörper umfasst, der die Anschlussleiter 26 und 27 vorzugsweise umformt. Der Anschlusskörper enthält vorzugsweise einen Kunststoff, insbesondere den gleichen Kunststoff wie der Trägerkörper 4. Das Anschlussteil kann nachfolgend auf Kontakte 12, 13 des Bauelements aufgesteckt werden. Ein derartiges separates Anschlussteil ist durch die gestrichelte Linie in 6A angedeutet.
Aufgrund der vereinfachten Handhabung ist ein einstückiger Trägerkörper, in dem auch die Anschlussleiter 26 und 27 verlaufen, bevorzugt.
Der Anschlussleiter 27 liegt seitens der Oberseite 5 des Trägerkörpers 4 frei. Der Anschlussleiter 26 liegt seitens der Unterseite 6 des Trägerkörpers 4 frei. Die Anschlussleiter 26 und 27 sind vorzugsweise als Gegenstücke, insbesondere für eine elektrisch leitende Steckverbindung ausgebildet. Beim Anordnen zweier Modulträger für eine Modulanordnung aufeinander kann ein erster Anschlussleiter 26 eines ersten Modulträgers mit dem zweiten Anschlussleiter 27 eines weiteren Modulträgers elektrisch leitend verbunden werden.
Der erste Anschlussleiter 26 kann beispielsweise im Mittenbereich ausgespart, insbesondere nutartig, ausgeführt sein. In diesen Anschlussleiter kann der zweite Anschlussleiter 27 reibschlüssig eingesteckt werden.
Zweckmäßigerweise sind die Anschlussleiter derart aufeinander abgestimmt, dass beim Aufeinanderanordnen zweier Modulträger, wobei die Unterseite des ersten Modulträgers der Oberseite des zweiten Modulträgers zugewandt ist, ein Aufeinanderliegen der Modulträger auf den einander zugewandten Seiten trotz der über die Oberseite beziehungsweise Unterseite herausragenden Anschlussleiter erreicht wird. Hierzu ist vorzugsweise neben einem der Anschlussleiter, etwa dem zweiten Anschlussleiter 27 eine Ausnehmung 270 im Trägerkörper 4 ausgebildet. In diese Ausnehmung kann der überstehende Teil des ersten Anschlussleiters 26 beim Aufeinanderanordnen eingreifen. Die Ausnehmung ist zweckmäßigerweise für den anderen Anschlussleiter, insbesondere zur Aufnahme des anderen Anschlussleiters, geformt.
Über die Anschlussleiter 26 und 27 kann beim Aufeinanderanordnen einer Mehrzahl von Modulen 1 für eine Modulanordnung 20 eine serielle Verschaltung der einzelnen Module auf einfache Weise erzielt werden. Die Module werden dazu aufeinander angeordnet, wobei die entsprechenden Anschlussleiter für die unterschiedlichen Kontakte (Anode, Kathode) des Beauelements mit Vorzug ineinander greifen. Weiterhin sind die Kontakte mit Vorzug vor schädlichen äußeren Einflüssen wie Staub und Feuchtigkeit geschützt, nachdem die Module aufeinander angeordnet sind.
Aufgrund der Steckverbindung können die einzelnen Module auch auf einfache Weise wieder elektrisch voneinander getrennt werden, wodurch die Handhabung der Module für eine Modulanordnung erleichtert wird.
Wird eine derart seriell verschaltete Modulanordnung ausgebildet, so können die Zwischen-Module gemäß dem in Zusammenhang mit 6 erläuterten Ausführungsbeispiel ausgeführt sein. Für die die Modulanordnung abschließende Module sind gesonderte Ausführungen zweckmäßig (nicht explizit dargestellt). Die externen Anschlüsse dieser Abschluss-Module sind zweckmäßigerweise für die Kontaktierung mit einer Leistungsquelle – z.B. ein Abschluss-Modul für den Anodenkontakt und ein Abschluss-Modul für den Kathoden-Kontakt – und/oder für die Zufuhr von Kühlmittel in die Modulanordnung ausgeführt. Die Abschluss-Module sind demnach zweckmäßigerweise entsprechend modifiziert.
In einem Bausatz für eine Modulanordnung können die beiden Abschluss-Module und geeignete Zwischen-Module vorgesehen sein. Aufgrund der einfachen seriellen Verschaltbarkeit der Module untereinander, können verschiedene Variationen von Modulanordnungen auch von Anwendern mit geringer Erfahrung in der Lasertechnik ohne größeres Sicherheitsrisiko aus dem Bausatz realisiert werden.
In einer Modulanordnung 20 können beispielsweise 2 bis 200 der in 6 gezeigten Module aufeinander angeordnet und seriell miteinander verschalten sein. Die Kühlkanäle der einzelnen Modulträger sind untereinander zweckmäßigerweise kühlmitteldicht und durchleitend miteinander verbunden.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls 1 anhand einer schematischen Schrägaufsicht. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied hierzu wird das Kühlmittel zwischen der Oberseite 5 und der Unterseite 6 in den Trägerkörper 4 eingeführt. Die Kühlmittelzu- und -abfuhr erfolgt somit über eine Seitenfläche des Moduls, insbesondere die vom Fenster 15 abgewandten Seite. Der Zufuhrkanal 9 und der Abfuhrkanal 10 sind dementsprechend im Bereich einer Seitenfläche angeordnet. Für eine Modulanordnung mit einer Mehrzahl von Modulen können die Module so gegebenenfalls separat gekühlt werden. Ein gemeinsames Kühlkanalsystem für die Module der Modulanordnung ist jedoch aufgrund der vereinfachten Handhabbarkeit bevorzugt.
Zur Kühlmittelzu- und -abfuhr können Kühlschläuche oder Kühlrohre mit dem Zufuhrkanal 9 oder dem Abfuhrkanal 10, vorzugsweise kühlmitteldicht verbunden sein. Ein externes Zufuhrmittel ist in 7 mit dem Bezugszeichen 32 gekennzeichnet und ein externes Abführmittel ist mit dem Bezugszeichen 33 gekennzeichnet.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer kühlmitteldichten Verbindung zwischen zwei Kanälen 34, 35 anhand einer schematischen Schnittansicht. Die beiden Kühlkanäle sind miteinander verbunden, wobei ein erstes Dichtungsmittel 36 vorgesehen ist, in das der Kanal 34 eingeführt ist. Über ein zweites Dichtungsmittel 37, wird eine dichte Verbindung der beiden Kanäle hergestellt. Das zweite Dichtungsmittel 37 ist mit dem ersten Dichtungsmittel 36 verbunden, vorzugsweise verschraubt oder verrastet. Das zweite Dichtungsmittel 37 umgreift dabei das erste Dichtungsmittel 36 bevorzugt. Ein zwischen dem ersten Dichtungsmittel 36 und einem zweiten Dichtungsmittel 37 angeordneter Dichtungsmittelteil 370 drückt dabei gegen eine Wand des Kanals 34 und zweckmäßigerweise auch gegen das erste Dichtungsmittel 36. Hierdurch wird eine mechanisch stabile und kühlmitteldichte Verbindung erzielt.
Das zweite Dichtungsmittel 37 ist vorzugsweise als separates, insbesondere auf das erste Dichtungsmittel 36 aufsetzbares Dichtungsmittel ausgebildet. Das Dichtungsmittelteil 370 kann im zweiten Dichtungsmittel 37 ausgebildet sein.
Das Dichtungsmittel 37 kann beispielsweise als Klemmring ausgeführt sein. Über eine Verschraubung des Klemmrings mit dem entsprechenden Gegenstück 36 kann eine mechanisch sehr stabile und kühlmitteldichte Verbindung ausgebildet werden.
Das jeweilige Dichtungsmittel, insbesondere das zweite Dichtungsmittel 37, kann mit einer Plattierung versehen sein, sodass einer Abnutzung des Schraubgewindes oder der Rastzähne vorgebeugt wird.
Über entsprechende Markierungen 39 an dem jeweiligen Dichtungsmittel kann bei einer Verschraubung der Dichtungsmittel das für das aufzuschraubende Teil zu wählende Gewinde, insbesondere die Gewindemetrik, in Erfahrung gebracht werden. Eine derartige Verbindung von Kühlkanälen eignet sich besonders für Verbindungen von externen Abfuhr- und Zufuhrmitteln für das Kühlmittel zu dem Trägerkörper 4.
Insgesamt kann mittels der Erfindung ein kostengünstiges elektronisches Modul bereitgestellt werden, welches vereinfacht handhabbar ist.
Der Modulträger eignet sich selbstverständlich nicht nur für das in den Figuren dargestellte Bauelement. Insbesondere ist ein derartiger Modulträger auch für anders ausgebildete Laser- oder Laserkomponenten – zum Beispiel für ein Modul mit Faserkopplung (so genanntes Pit-Tail-Modul), ein wellenlängenstabilisiertes Modul oder ein frequenzkonvertierendes Modul, in dem Laserstrahlung, vorzugsweise aus dem nicht sichtbaren, insbesondere über Frequenzvervielfachung, in den sichtbaren Spektralbereich konvertiert wird – geeignet. Weiterhin eignet sich ein derartiger Modulträger auch für ein Modul mit einem externen Resonator. Zur Frequenzvervielfachung sind beispielsweise nicht lineare optische Elemente, etwa nicht lineare Kristalle, die vorzugsweise im Resonator der Laserkomponente angeordnet sind, besonders geeignet. Weiterhin können auch Laser-Bauelemente mit einer geeigneten Optik zur Strahlformung als Bauelement für das Modul eingesetzt werden.
Auch für weitere Bauelemente, insbesondere aus der Leistungselektronik, ist der Modulträger geeignet. Ferner kann der Modulträger auch für andere TO-Bauformen eines Leiterrahmens ausgelegt sein.
Insgesamt kann der Modulträger an eine große Variante von Bauelementen angepasst werden. Ein Modulträger für ein Laserbauelement ist jedoch besonders bevorzugt.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Modulträger für ein elektronisches Modul, der zur Verbindung eines elektronischen Bauelements mit dem Modulträger ausgebildet ist, mit einem elektrisch isolierenden Trägerkörper, der eine Oberseite und eine von der Oberseite abgewandte Unterseite aufweist, wobei – in dem Trägerkörper ein Kühlkanal für die Führung eines Kühlmittels zur Kühlung des Bauelements verläuft und/oder – an dem Trägerkörper zumindest eine elektrische Anschlussstelle für eine elektrisch leitende Verbindung des Bauelements mit dem Modulträger ausgebildet ist.
Modulträger nach Anspruch 1, der die Anschlussstelle und den Kühlkanal umfasst.
Modulträger nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Trägerkörper eine Ausnehmung zur Aufnahme des elektronischen Bauelements aufweist.
Modulträger nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, der für eine elektrische Steckverbindung zwischen dem Bauelement und der Anschlussstelle ausgebildet ist.
Modulträger nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Modulträger einen mit der Anschlussstelle elektrisch leitend verbundenen und im Trägerkörper verlaufenden Anschlussleiter aufweist.
Modulträger nach Anspruch 5, bei dem der Modulträger einen weiteren im Trägerkörper verlaufenden Anschlussleiter umfasst, der mit einer weiteren Anschlussstelle des Modulträgers elektrisch leitend verbunden ist, wobei der eine Anschlussleiter seitens der Oberseite und der andere Anschlussleiter seitens der Unterseite des Trägerkörpers elektrisch anschließbar ist.
Modulträger nach den Ansprüchen 5 und 6, bei dem die Anschlussleiter als Gegenstücke für eine elektrisch leitende Steckverbindung ausgebildet sind.
Modulträger nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Trägerkörper ein Kühlkanalsystem umfasst, wobei das Kühlkanalsystem einen Zufuhrkanal für den Einlass von Kühlmittel in den Trägerkörper und die Zufuhr des Kühlmittels zum Bauelement und einen Abfuhrkanal für die Abfuhr des erwärmten Kühlmittels vom Bauelement und den Auslass des erwärmten Kühlmittels aus dem Trägerkörper aufweist.
Modulträger nach Anspruch 8, bei dem sich der Zufuhrkanal und/oder der Aufuhrkanal von der Oberseite bis zur Unterseite des Trägerkörpers erstrecken.
Modulträger nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem dem Kühlkanal ein im Trägerkörper ausgebildetes Dichtungsmittel für die Abdichtung eines externen Zugangs zum Kühlkanal des Trägerkörpers zugeordnet ist.
Modulträger nach Anspruch 10, bei dem das Dichtungsmittel in Aufsicht lateral neben dem Kühlkanal angeordnet ist.
Modulträger nach Anspruch 10 oder 11, bei dem auf der von dem Dichtungsmittel abgewandten Seite des Trägerkörpers ein weiteres Dichtungsmittel im Trägerkörper ausgebildet ist, das als Gegenstück zum Dichtungsmittel ausgeführt ist.
Modulträger nach Anspruch 12, bei dem das Dichtungsmittel und das weitere Dichtungsmittel derart ausgebildet sind, dass beim Anordnen zweier Modulträger aufeinander, das Dichtungsmittel des einen Trägerkörpers mit dem weiteren Dichtungsmittel des anderen Trägerkörpers in mechanischen Kontakt tritt und die den Dichtungsmitteln zugeordneten Kühlkanäle mittels der Dichtungsmittel kühlmitteldicht und durchleitend miteinander verbindbar sind.
Modulträger nach Anspruch 13, bei dem die Dichtungsmittel derart ausgebildet sind, dass das eine Dichtungsmittel in das andere Dichtungsmittel eingreifen kann.
Modulträger nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Trägerkörper klemmsteinartig ausgebildet ist.
Modulträger nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, der für die Ausbildung eines Modulträgerstapels mit einer Mehrzahl gleichartiger Modulträger ausgelegt ist.
Modulträger nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Trägerkörper einen Kunststoff enthält.
Modulträger nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Trägerkörper als Formteil ausgeführt ist.
Elektronisches Modul mit einem Modulträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektronische Bauelement an dem Trägerkörper befestigt ist.
Elektronisches Modul nach Anspruch 19, bei dem das Bauelement ein optoelektronisches Bauelement, bevorzugt ein Laserdiodenbauelement, ist.
Elektronisches Modul nach Anspruch 19 oder 20, bei dem das Bauelement ein Hochleistungs-Bauelement, insbesondere ein Hochleistungs-Laserdioden-Bauelement, ist.
Modulanordnung mit einer Mehrzahl aufeinander gestapelter, miteinander verbundener elektronischer Module, die jeweils ein Modul gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21 umfassen.
Modulanordnung nach Anspruch 22, bei der die elektronischen Bauelemente der jeweiligen Module mittels der Anschlussstelle des jeweiligen Modulträgers in Serienschaltung elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Modulanordnung nach Anspruch 22 oder 23, bei der Kühlkanäle der jeweiligen Modulträger durchleitend miteinander verbunden sind.
Bausatz für eine Modulanordnung mit einer Mehrzahl von in Serienschaltung elektrisch leitend miteinander verbundenen elektronischen Hochleistungs-Modulen, wobei der Bausatz zwei Abschlussbausteine für Module, die die Modulanordnung endseitig abschließen, und mindestens einen Zwischenbaustein für ein zwischen den Abschlussbausteinen anzuordnendes Modul, aufweist, wobei der Zwischenbaustein von den Abschlussbausteinen verschieden ausgebildet ist und der Zwischenbaustein als Modulträger nach einem der Ansprüche 1 bis 18 oder als elektronisches Modul nach einem der Ansprüche 19 bis 21 ausgebildet ist.