DE69936226T2

DE69936226T2 - Kühlkörper, und halbleiterlaservorrichtung mit einem solchen kühlkörper

Info

Publication number: DE69936226T2
Application number: DE69936226T
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Miyajima; Hirofumi Kan; Toshio Naitoh; Hirokazu Ohta; Takeshi Kanzaki
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1998-08-18
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2019-04-14
Also published as: DE69936226D1; US20010004370A1; EP1143779A1; EP1143779B1; EP1143779A4; WO2000011922A1; US6895026B2; AU3169799A

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper, der für das Ableiten von Wärme aus einem Heizelement wie einem Halbleiterbauelement eingesetzt wird, sowie eine Halbleiterlaservorrichtung und eine Halbleiterlaserstapelvorrichtung, die diesen verwendet.
Allgemeiner Stand der Technik
Als Kühlkörper für das Ableiten von Wärme aus einem Heizelement wie einem Halbleiterbauelement ist ein Kühlkörper bekannt, der einen Aufbau aufweist, in dem Kühlwasser zirkulieren kann, wie beispielsweise der in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. HEI 8-139479 . Dieser Kühlkörper umfasst einen rohrartigen Wasserzufuhrweg für das Zuführen von unter Druck stehendem Kühlwasser und eine Düse für das Einspritzen des in den Wasserzufuhrweg geleiteten Kühlwassers in den Wasserablassweg. Das unter hohem Druck aus der Düse eingespritzte Kühlwasser leitet aus dem an einem direkt über der Düse befindlichen Teil angebrachten Heizelement auf effiziente Weise Wärme ab.
DE-A-4315580 , US-A-5079619 und JP-A-09102568 beschreiben Anordnungen, die den Oberbegriff von Anspruch 1 betreffen.
DE-A-19506093 beschreibt eine Laserdiodenvorrichtung, die aus einem Kühlelement besteht und einer Laserdiode, die sich an einer Befestigungsfläche des Kühlelements befindet. Das Kühlelement umfasst mehrere Schichten und einen Kühlkanal, der ein Kühlmedium führen kann.
JP-A-07249721 beschreibt eine Kühlanordnung für Halbleiterbauelemente, die mehrere Kühlkanäle umfasst.
DE-A-4017749 beschreibt einen Flüssigkeitskühlkörper für das Kühlen elektronischer Halbleiterbauelemente. Der Kühlkörper umfasst einen Kühlkanal und in dem Kühlkanal befindliche Stifte.
Offenlegung der Erfindung
Der dem oben erwähnten Stand der Technik entsprechende Kühlkörper weist jedoch folgendes Problem auf: Und zwar vergrößert sich bei dem dem oben erwähnten Stand der Technik entsprechenden Kühlkörper, da dieser einen rohrartigen Wasserzufuhrweg aufweist, die Dicke, und er wird größer. Der Kühlkörper kann zwar durch das Reduzieren des Durchmessers des Rohrs und so weiter dünner gemacht werden, es wird jedoch hierbei wahrscheinlicher, dass sich der Wasserzufuhrweg, der Wasserablassweg oder die äußere Form des Kühlkörpers aufgrund des Flüssigkeitsdrucks des in den Wasserzufuhrweg geleiteten Kühlwassers verformt, wenn der Kühlkörper dünner ausgelegt wird. Eine solche Verformung kann die Wasserdurchlasseffizienz des Wasserzufuhrweges und des Wasserablassweges verringern oder das Ausmaß des Kontaktes zwischen dem zu kühlenden Bauelement oder dergleichen und dem Kühlkörper, wodurch sich der Wirkungsgrad der Wärmeableitung bei dem Bauelement oder dergleichen verschlechtert. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen dünnen Kühlkörper mit einem hohen Wirkungsgrad bei der Wärmeableitung zur Verfügung zu stellen sowie eine Halbleiterlaservorrichtung und eine Halbleiterlaserstapelvorrichtung, die diesen verwendet.
Um das oben genannte Problem zu überwinden, stellt die vorliegende Erfindung einen Kühlkörper nach Anspruch 1 zur Verfügung.
Der Kühlkörper kann dünner ausgelegt werden, da er aus einem ersten und einem zweiten flachen Element besteht, die mit Nutenabschnitten ausgestattet sind, und einer mit einem Loch versehenen Abtrennung. Da außerdem das erste Verbindungselement bereitgestellt wird, kann der Kühlkörper dem Druck widerstehen, mit dem ein in den ersten Raum zugeführtes Fluid an die Bodenfläche des ersten Nutenabschnittes und die untere Fläche der Abtrennung drückt. Daher wird verhindert, dass sich der erste Raum verformt, wodurch sich der zweite Raum und der Kühlkörper insgesamt nicht verformen können. Infolgedessen verbessert sich die Durchlasseffizienz für Fluid, und es vergrößert sich das Ausmaß des Kontaktes zwischen dem zu kühlenden Bauelement oder dergleichen und dem Kühlkörper, wodurch sich der Wirkungsgrad der Wärmeableitung bei dem Bauelement oder dergleichen verbessert.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem eine Halbleiterlaservorrichtung zur Verfügung, die den oben erwähnten Kühlkörper umfasst sowie einen Halbleiterlaser, der an einer oberen Fläche des zweiten flachen Elements des Kühlkörpers befestigt ist.
Da der oben erwähnte Kühlkörper verwendet wird, kann die Halbleiterlaservorrichtung kleiner ausgelegt werden, und der Wirkungsgrad der Wärmeableitung bei dem Halbleiterlaser verbessert sich, wodurch stabiles Laserlicht ausgegeben werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem eine Halbleiterlaserstapelvorrichtung zur Verfügung, die einen ersten und einen zweiten Kühlkörper sowie einen ersten und einen zweiten Halbleiterlaser umfasst, wobei es sich bei dem ersten und dem zweiten Kühlkörper um den oben genannten Kühlkörper handelt, der erste Halbleiterlaser zwischen einer oberen Fläche des zweiten flachen Elements des ersten Kühlkörpers und einer unteren Fläche des ersten flachen Elements des zweiten Kühlkörpers gehalten und der zweite Halbleiterlaser an einer oberen Fläche des zweiten flachen Elements des zweiten Kühlkörpers befestigt ist.
Da der oben erwähnte Kühlkörper verwendet wird, kann die Halbleiterlaserstapelvorrichtung kleiner ausgelegt werden, und der Wirkungsgrad der Wärmeableitung bei dem Halbleiterlaser verbessert sich, wodurch stabiles Laserlicht ausgegeben werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Perspektivansicht einer Halbleiterlaserstapelvorrichtung,
die 2A bis 2C sind auseinandergezogene Perspektivansichten eines Kühlkörpers,
3 ist eine erläuternde Ansicht des Kühlkörpers von oben,
4 ist eine erläuternde Ansicht des Kühlkörpers von einer Seite,
5 ist eine Perspektivansicht eines Säulenstücks,
6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wärmemenge und der Wellenlänge zeigt,
die 7 bis 10 sind Perspektivansichten von flachen Zwischenelementen,
die 11 bis 14 sind Perspektivansichten von Säulenstücken,
15 ist eine Draufsicht auf ein unteres flaches Element, und
die 16A bis 16B sind auseinandergezogene Perspektivansichten eines unteren flachen Elements.
Beste Art der Ausführung der Erfindung
Nachfolgend wird die Halbleiterlaserstapelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Halbleiterlaservorrichtung und der Kühlkörper der vorliegenden Erfindung sind in der Halbleiterlaserstapelvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform enthalten.
Zunächst wird die Konfiguration der Halbleiterlaserstapelvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform erläutert. 1 ist eine Perspektivansicht der Halbleiterlaserstapelvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform. Die in 1 gezeigte Halbleiterlaserstapelvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform umfasst drei Halbleiterlaser 2a bis 2c, zwei Kupferplatten 3a und 3b, zwei Bleiplatten 4a und 4b, ein Einleitrohr 5, ein Ablassrohr 6, vier Isolierelemente 7a bis 7d und drei Kühlkörper 10a bis 10c. Nachfolgend werden die einzelnen Bestandteile erläutert. Zur Vereinfachung der Erläuterung werden die positive Richtung der z-Achse und die negative Richtung der z-Achse in 1 nachfolgend als obere beziehungsweise untere Seite bezeichnet.
Die Halbleiterlaser 2a bis 2c sind Halbleiterlaser, die jeweils mehrere Laseremissionspunkte aufweisen, die in einer vorgegebenen Richtung (Richtung der y-Achse) angeordnet sind. Der Halbleiterlaser 2a wird zwischen der oberen Fläche des Kühlkörpers 10a (der oberen Fläche eines oberen flachen Elements 16, das nachfolgend später ebenfalls noch erwähnt wird) und der unteren Fläche des Kühlkörpers 10b (der unteren Fläche eines unteren flachen Elements 12, das nachfolgend später ebenfalls noch erwähnt wird) gehalten, der Halbleiterlaser 2b wird zwischen der oberen Fläche des Kühlkörpers 10b und der unteren Fläche des Kühlkörpers 10c gehalten, und der Halbleiterlaser 2c ist an der oberen Fläche des Kühlkörpers 10c angebracht. Hier ist jeder der Halbleiterlaser 2a bis 2c so angeordnet, dass die Richtung, in der seine Laseremissionspunkte angeordnet sind, und die oberen Flächen der Kühlkörper 10a bis 10c parallel zueinander verlaufen, während die Emissionsfläche jedes Halbleiterlasers 2a bis 2c mit der jeweiligen Seitenfläche der Kühlkörper 10a bis 10c im Wesentlichen bündig abschließt.
Die untere Fläche des Halbleiterlasers 2a ist über die Kupferplatte 3a mit der Bleiplatte 4a elektrisch verbunden, während die obere Fläche des Halbleiterlasers 2c über die Kupferplatte 3b mit der Bleiplatte 4b elektrisch verbunden ist. Wenn hier zwischen den Bleiplatten 4a und 4b eine Spannung angelegt wird, kann von den Halbleiterlasern 2a bis 2c Laserlicht ausgegeben werden.
Das Einleitrohr 5 und das Ablassrohr 6 sind jeweils so angeordnet, dass sie durch die Kühlkörper 10a bis 10c hindurch verlaufen. Des Weiteren ist das Einleitrohr 5 mit einer Einleitöffnung 44 (die nachfolgend noch ausführlich erläutert wird) verbunden, die in jedem Kühlkörper 10a bis 10c ausgebildet ist, während das Ablassrohr 6 mit einer Ablassöffnung 46 (die nachfolgend noch ausführlich erläutert wird) verbunden ist, die in jedem Kühlkörper 10a bis 10c ausgebildet ist. Daher kann ein Fluid wie beispielsweise Kühlwasser aus dem Einleitrohr 5 in die Kühlkörper 10a bis 10c geleitet werden, und das Kühlwasser kann aus den Kühlkörpern 10a bis 10c in das Ablassrohr 6 abgelassen werden.
Die aus Gummi bestehenden Isolierelemente 7a, 7b, 7c, 7d sind jeweils auf der unteren Seite des Kühlkörpers 10a, in dem Spalt zwischen der oberen Fläche des Kühlkörpers 10a und der unteren Fläche des Kühlkörpers 10b, in dem Spalt zwischen der oberen Fläche des Kühlkörpers 10b und der unteren Fläche des Kühlkörpers 10c und auf der oberen Seite des Kühlkörpers 10c so angeordnet, dass sie das Einleitrohr 5 und das Ablassrohr 6 umgeben. Die Isolierelemente 7a bis 7d dienen der Absicherung einer Isolierung zwischen den einzelnen Kühlkörpern und verhindern, dass das Kühlwasser austritt.
Die Kühlkörper 10a bis 10c sind folgendermaßen konfiguriert: Da die Kühlkörper 10a bis 10c die gleiche Konfiguration aufweisen, wird hier nachfolgend lediglich der Kühlkörper 10a erläutert. Die 2A bis 2C sind auseinandergezogene Perspektivansichten des Kühlkörpers 10a, 3 ist eine erläuternde Ansicht des Kühlkörpers 10a von oben, und 4 ist eine erläuternde Ansicht des Kühlkörpers 10a von einer Seite.
Wie in den 2A bis 2C gezeigt ist, wird der Kühlkörper 10 von einem unteren flachen Element 12 (dem ersten flache Element), einem flachen Zwischenelement 14 (Abtrennung) und einem oberen flachen Element 16 (dem zweiten flachen Element) gebildet, die nacheinander aufeinandergestapelt werden, während ihre Kontaktflächen durch das Diffusionsverbindungsverfahren, durch Hartlöten oder durch die Verwendung eines Klebstoffes miteinander verbunden werden.
Bei dem unteren flachen Element handelt es sich um eine Platte aus Kupfer mit einer Dicke von ungefähr 400 μm und zwei Durchgangslöchern 18, 20. Ein Nutenabschnitt 22 für den Wasserzufuhrweg (erster Nutenabschnitt) mit einer Tiefe von ungefähr 200 μm ist auf der Seite der oberen Fläche (der Oberfläche, die das flache Zwischenelement 14 berührt) des unteren flachen Elements 12 ausgebildet. Eine Stirnseite des Nutenabschnittes 22 für den Wasserzufuhrweg ist mit dem Durchgangsloch 18 verbunden, während sich die andere Stirnseite in der Breitenrichtung des unteren flachen Elements 12 (in Richtung der y-Achse in 1) ausdehnt. Bei dem Nutenabschnitt 22 für den Wasserzufuhrweg sind die Eckabschnitte 22a außerdem abgerundet, um den Strömungswiderstand des durch den Kühlkörper 10a fließenden Kühlwassers zu verringern und dessen Stagnieren zu reduzieren.
Der Nutenabschnitt 22 für den Wasserzufuhrweg ist mit mehreren Säulenstücken (ersten Verbindungselementen) 24 versehen, die sich in der Dickenrichtung des unteren flachen Elements 12 (in Richtung der z-Achse in 1) ausdehnen. Bei dem Säulenstück 24 in 5 handelt es sich um ein Säulenelement aus Kupfer mit einer Höhe von ungefähr 200 μm und einem elliptischen Querschnitt, während eine seiner Stirnflächen fest an dem Nutenabschnitt 22 für den Wasserzufuhrweg angebracht ist.
Hier kann für das Ausbilden des Nutenabschnittes 22 für den Wasserzufuhrweg und der Säulenstücke 24 ein Verfahren eingesetzt werden, bei dem der Nutenabschnitt 22 für den Wasserzufuhrweg und die Säulenstücke 24 durch gleichzeitiges Ätzen ausgebildet werden, ein Verfahren, bei dem der Nutenabschnitt 22 für den Wasserzufuhrweg durch Ätzen ausgebildet wird und dann die separat dazu hergestellten Säulenstücke 24 damit verbunden werden, und dergleichen.
Bei dem oberen flachen Element 16 handelt es sich ebenfalls um eine Platte aus Kupfer mit einer Dicke von ungefähr 400 μm und zwei Durchgangslöchern 26, 28, die sich jeweils an Positionen befinden, die den Durchgangslöchern 18, 20 des unteren flachen Elements 12 entsprechen. Ein Nutenabschnitt 30 für den Wasserablassweg (zweiter Nutenabschnitt) mit einer Tiefe von ungefähr 200 μm ist auf der Seite der unteren Fläche (der Oberfläche, die das flache Zwischenelement 14 berührt) des oberen flachen Elements 16 ausgebildet. Eine Stirnseite des Nutenabschnittes 30 für den Wasserablassweg ist mit dem Durchgangsloch 28 verbunden, während sich die andere Stirnseite in der Breitenrichtung des oberen flachen Elements 16 ausdehnt. Hier wird zumin dest ein Teil des Nutenabschnittes 30 für den Wasserablassweg an einem Teil (dem schraffierten Teil in 3) ausgebildet, der den in dem unteren flachen Element 12 ausgebildeten Nutenabschnitt 22 für den Wasserzufuhrweg überlappt. Bei dem Nutenabschnitt 30 für den Wasserablassweg sind die Eckabschnitte 30a außerdem abgerundet, um den Strömungswiderstand des durch den Kühlkörper 10a fließenden Kühlwassers zu verringern und dessen Stagnieren zu reduzieren.
Der Nutenabschnitt 30 für den Wasserablassweg ist mit mehreren Säulenstücken (zweiten Verbindungselementen) 32 versehen, die sich in der Dickenrichtung des oberen flachen Elements 16 ausdehnen. Bei dem Säulenstück 32 in 5 handelt es sich um ein Säulenelement aus Kupfer mit einer Höhe von ungefähr 200 μm und einem elliptischen Querschnitt, während eine seiner Stirnflächen fest an dem Nutenabschnitt 30 für den Wasserablassweg angebracht ist. Der Nutenabschnitt 30 für den Wasserablassweg und die Säulenstücke 32 werden hier durch ähnliche Verfahren wie die für das Ausbilden des Nutenabschnittes 22 für den Wasserzufuhrweg und die Säulenstücke 24 verwendeten ausgebildet.
Bei dem flachen Zwischenelement 14 handelt es sich um eine Platte aus Kupfer mit einer Dicke von ungefähr 100 μm und zwei Durchgangslöchern 34, 36, die sich jeweils an Positionen befinden, die den Durchgangslöchern 18, 20 des unteren flachen Elements 12 entsprechen. Der Teil, in dem sich der in dem unteren flachen Element 12 ausgebildete Nutenabschnitt 22 für den Wasserzufuhrweg und der in dem oberen flachen Element 16 ausgebildete Nutenabschnitt 30 für den Wasserablassweg überlappen, ist mit mehreren Wasserleitlöchern 38 versehen. Die Wasserleitlöcher 38, die jeweils einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, werden durch beidseitiges Ätzen des flachen Zwischenelements 14 ausgebildet.
Die obere Fläche des oberen flachen Elements 16 weist insbesondere einen Halbleiterlaserbefestigungsbereich 100 auf, an dem der Halbleiterlaser 2a befestigt werden kann, bei dem es sich um ein zu kühlendes Heizelement handelt, während mehrere Wasserleitlöcher 38 in dem Halbleiterlaserbefestigungsbereich 100 gegenüberliegenden Positionen angeordnet sind. Und zwar weist der Halbleiterlaserbefestigungsbereich 100, da der Halbleiterlaser 2a eine im Wesentlichen rechteckige Parallelepipedform aufweist, eine rechteckige Form auf, und es werden mehrere Wasserleitlöcher 38 so ausgebildet, dass sie in der Längsrichtung dieser rechteckigen Form (Richtung der y-Achse in 1) in einer Reihe angeordnet sind.
Wenn wie in 3 oder 4 gezeigt die obere Fläche des unteren flachen Elements 12 und die untere Fläche des flachen Zwischenelements 14 miteinander verbunden werden sowie die obere Fläche des flachen Zwischenelements 14 und die untere Fläche des oberen flachen Elements 16, dann bilden der in dem unteren flachen Element 12 ausgebildete Nutenabschnitt 22 für den Wasserzufuhrweg und die untere Fläche des flachen Zwischenelements 14 einen Wasserzufuhrweg 40 (erster Raum) für das Zuführen von Kühlwasser, und auf ähnliche Weise bilden der in dem oberen flachen Element 16 ausgebildete Nutenabschnitt 30 für den Wasserablassweg und die obere Fläche des flachen Zwischenelements 14 einen Wasserablassweg 42 (zweiter Raum) für das Ablassen des Kühlwassers. Das Wasserleitloch 38 weist hier eine für das Einspritzen des dem Wasserzufuhrweg 40 zugeführten Kühlwassers in den Wasserablassweg 42 ausreichend kleine Querschnittsfläche auf.
Da das Säulenstück 24 eine Höhe aufweist, die der Tiefe des Nutenabschnittes 22 für den Wasserzufuhrweg entspricht, wird seine der an dem Nutenabschnitt 22 für den Wasserzufuhrweg befestigten Stirnfläche gegenüberliegende Stirnflä che mit dem flachen Zwischenelement 14 verbunden. Infolgedessen verbindet das Säulenstück 24 die Bodenfläche des Nutenabschnittes 22 für den Wasserzufuhrweg mit der unteren Fläche des flachen Zwischenelements 14. Auf ähnliche Weise verbindet das Säulenstück 32 die Bodenfläche des Nutenabschnittes 30 für den Wasserablassweg mit der oberen Fläche des flachen Zwischenelements 14.
Das in dem unteren flachen Element 12 ausgebildete Durchgangsloch 18, das in dem flachen Zwischenelement 14 ausgebildete Durchgangsloch 34 und das in dem oberen flachen Element 16 ausgebildete Durchgangsloch 26 werden so miteinander verbunden, dass sie die Zufuhröffnung 44 für das Zuführen von Kühlwasser in den Wasserzufuhrweg 40 bilden, während das in dem unteren flachen Element 12 ausgebildete Durchgangsloch 20, das in dem flachen Zwischenelement 14 ausgebildete Durchgangsloch 36 und das in dem oberen flachen Element 16 ausgebildete Durchgangsloch 28 so miteinander verbunden werden, dass sie eine Ablassöffnung 46 für das Ablassen des Kühlwassers aus dem Wasserablassweg 42 bilden.
Das Säulenstück 24 weist hier einen Querschnitt auf, bei dem die Länge in der Richtung von der Zufuhröffnung 44 zu den Wasserleitlöchern 38 (erste Richtung) größer ist als die in einer dazu im Wesentlichen senkrechten Richtung (zweite Richtung). Das Säulenstück 32 weist einen Querschnitt auf, bei dem die Länge in der Richtung von den Wasserleitlöchern 38 zu der Ablassöffnung 46 (dritte Richtung) größer ist als die in einer dazu im Wesentlichen senkrechten Richtung (vierte Richtung). Unter den Säulenstücken 24 und 32 befinden sich die Säulenstücke 24a und 32a, die an dem (in 3 schraffierten) Teil angeordnet sind, wo sich der Wasserzufuhrweg 40 und der Wasserablassweg 42 überlappen, jeweils an Positionen, in denen sie sich gegenseitig überlappen.
Es wird nunmehr die Funktions- und Wirkungsweise der Halbleiterlaserstapelvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform erläutert. Bei der Halbleiterlaserstapelvorrichtung 1 bilden drei flache Elemente, d.h. das untere flache Element 12, das flache Zwischenelement 14 und das obere flache Element 16, die Kühlkörper 10a bis 10c. Infolgedessen können die Kühlkörper 10a bis 10c sehr dünn konstruiert werden, wodurch die Halbleiterlaserstapelvorrichtung 1 eine sehr kleine Konfiguration erhalten kann.
Da hier normalerweise Kühlwasser mit einem Druck von ungefähr 2 bis 4 kgf/cm² durch den Wasserzufuhrweg 40 fließt, wird an der Innenwand des Wasserzufuhrweges 40 eine Kraft erzeugt, die den Wasserzufuhrweg 40 aufweitet. Da jedoch die Dicke des flachen Zwischenelements 14, das den Wasserzufuhrweg 40 und den Wasserablassweg 42 voneinander trennt, und die Dicke des Teils des unteren flachen Elements 12, der mit dem Nutenabschnitt 22 für den Wasserzufuhrweg versehen ist, sehr gering ist, d.h. ungefähr 100 μm beziehungsweise ungefähr 200 μm, tritt die oben erwähnte Kraft hauptsächlich in vertikaler Richtung (Richtung der z-Achse in 1) als Druck an der Innenwand des Wasserzufuhrweges 40 auf.
Die in dem Wasserzufuhrweg 40 befindlichen Säulenstücke 24 ziehen die Innenwand des Wasserzufuhrweges 40 entgegen dem oben erwähnten Druck und verhindern dadurch, dass sich der Wasserzufuhrweg 40 verformt. Somit verbessert sich die Durchlassfähigkeit für Kühlwasser in dem Wasserzufuhrweg 40, wodurch sich der Wirkungsgrad der Wärmeableitung bei den Halbleiterlasern 2a bis 2c verbessert. Infolgedessen wird es möglich, dass die Halbleiterlaser 2a bis 2c stabiles Laserlicht ausgeben.
Andererseits wird der Wasserablassweg 42 mit Hilfe des flachen Zwischenelements 14 über dem Wasserzufuhrweg 40 ausgebildet, wobei die Dicke des flachen Zwischenelements 14, die den Wasserzufuhrweg 40 von dem Wasserablassweg 42 trennt, sehr gering ist, d.h. ungefähr 100 μm beträgt. Daher drückt der Wasserzufuhrweg 40 auf den Wasserablassweg 42, wodurch eine Druckkraft erzeugt wird, die in vertikaler Richtung (in Richtung der z-Achse in 1) auf den Wasserablassweg 42 drückt.
Die in dem Wasserablassweg 42 befindlichen Säulenstücke 32 drücken hingegen die Innenwand des Wasserablassweges 42 von innen her der oben erwähnten Druckkraft entgegen und verhindern dadurch, dass sich der Wasserablassweg 42 verformt. Somit verbessert sich die Durchlassfähigkeit für Kühlwasser in dem Wasserablassweg 40, wodurch sich der Wirkungsgrad der Wärmeableitung bei den Halbleiterlasern 2a bis 2c verbessert. Infolgedessen wird es möglich, dass die Halbleiterlaser 2a bis 2c stabiles Laserlicht ausgeben.
Da verhindert wird, dass sich der Wasserzufuhrweg 40 und der Wasserablassweg 42 verformen, wird auch verhindert, dass sich die Kühlkörper 10a bis 10c selbst verformen. Somit erhöht sich das Ausmaß des Kontaktes zwischen den zu kühlenden Halbleiterlasern 2a bis 2c und den Kühlkörpern 10a bis 10c, wodurch sich der Wirkungsgrad der Wärmeableitung bei den Halbleiterlasern 2a bis 2c verbessert. Infolgedessen wird es möglich, dass die Halbleiterlaser 2a bis 2c stabiles Laserlicht ausgeben.
6 ist eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen der von den Halbleiterlasern 2a bis 2c ausgegebenen Wärmemenge und der Spitzenwellenlänge des von den Halbleiterlasern 2a bis 2c ausgegebenen Laserlichts in den einzelnen Fällen zeigt, in denen die Kühlkörper 10a bis 10c mit den Säulenstücken 24, 32 (dieser Ausführungsform) beziehungsweise Kühlkörper ohne Säulenstücke 24, 32 (Vergleichsbeispiel) verwendet werden. Hier lässt man Kühlwasser (Temperatur zum Zufuhrzeitpunkt: 20°C) mit 0,20 l/min durch jeden Kühlkörper fließen. Wie in 6 zu erkennen ist, ist im Vergleich zu den Kühlkörpern ohne Säulenstücke 24, 32 die Veränderung bei der Spitzenwellenlänge des von den Halbleiterlasern 2a bis 2c ausgegebenen Laserlichts bei den Kühlkörpern 10a bis 10c mit den Säulenstücken 24, 32 selbst dann geringer, wenn sich die von den Halbleiterlasern 2a bis 2c ausgegebene Wärmemenge erhöht, wodurch stabiles Laserlicht ausgegeben werden kann.
Des Weiteren wird, da sich die Kühlkörper 10a bis 10c nicht verformen können, das Positionieren der Laseremissionspunkte einfacher, selbst wenn die Halbleiterlaser 2a bis 2c mit mehreren Laseremissionspunkten, die in einer vorgegebenen Richtung angeordnet sind, befestigt werden, wodurch sich der Wirkungsgrad der optischen Kopplung hinsichtlich externer optischer Systeme verbessern lässt. Da sich durch die Kühlkörper 10 eine größere Steifigkeit ergibt, können sie des Weiteren noch kleiner und dünner ausgelegt werden.
Bei der Halbleiterlaserstapelvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform können die Kühlkörper 10a bis 10c durch relativ einfaches Ausbilden von Nutenabschnitten wie dem Nutenabschnitt 22 für den Wasserzufuhrweg und dem Nutenabschnitt 30 für den Wasserablassweg, das Ausbilden von Löchern wie den Wasserleitlöchern 38 usw. hergestellt werden, wodurch ihre Herstellung relativ einfach wird. Infolgedessen wird es einfacher, die Halbleiterlaserstapelvorrichtung 1 herzustellen.
Da sich in den Kühlkörpern 10a bis 10c mehrere Säulenstücke 24 oder 32 befinden, kann die Halbleiterlaserstapelvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform auf effizientere Weise verhindern, dass sich der Wasserzufuhrweg 40 oder der Wasserablassweg 42 verformen, und des Weiteren den Wirkungsgrad der Wärmeableitung bei den Halbleiterlasern 2a bis 2c verbessern. Infolgedessen wird es möglich, dass die Halbleiterlaser 2a bis 2c sehr stabiles Laserlicht ausgeben.
Da die Säulenstücke 24 oder 32 jeweils einen im Wesentlichen elliptischen Querschnitt aufweisen und so angeordnet sind, dass ihre Hauptachsen in den Kühlkörpern 10a bis 10c in einer vorgegebenen Richtung ausgerichtet sind, kann der Strömungswiderstand von Kühlwasser in der Halbleiterlaserstapelvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform verringert werden. Somit verbessert sich die Durchlassfähigkeit für Kühlwasser in dem Wasserzufuhrweg 40 oder dem Wasserablassweg 42, wodurch sich der Wirkungsgrad der Wärmeableitung bei den Halbleiterlasern 2a bis 2c verbessert. Infolgedessen wird es möglich, dass die Halbleiterlaser 2a bis 2c stabiles Laserlicht ausgeben.
Da die Säulenstücke 24a und 32a, die an dem Teil angeordnet sind, wo sich der Wasserzufuhrweg 40 und der Wasserablassweg 42 bei den Kühlkörpern 10a bis 10c überlappen, jeweils an Positionen befinden, in denen sie sich gegenseitig überlappen, können die Säulenstücke 24a und 32a zusammenwirken und dem oben genannten Druck und der Druckkraft widerstehen, wodurch sie die Fähigkeit des Wasserzufuhrweges 40 und des Wasserablassweges 42, eine Verformung zu verhindern, verbessern. Infolgedessen lässt sich im Vergleich zu dem Fall ohne eine solche Konfiguration der Wirkungsgrad der Wärmeableitung bei den Halbleiterlasern 2a bis 2c weiter verbessern, wodurch es möglich wird, dass die Halbleiterlaser 2a bis 2c stabileres Laserlicht ausgeben.
Da die Wasserleitlöcher 38 in dem Halbleiterlaserbefestigungsbereich 100 gegenüberliegenden Positionen in den Kühlkörpern 10a bis 10c angeordnet sind, kann die Halbleiterlaserstapelvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform die zu kühlenden Halbleiterlaser 2a bis 2c auf effektive Weise kühlen. Infolgedessen wird es möglich, dass die Halbleiterlaser 2a bis 2c stabiles Laserlicht ausgeben.
Die Halbleiterlaserstapelvorrichtung 1 weist mehrere Wasserleitlöcher 38 in den Kühlkörpern 10a bis 10c auf. Somit kann sie die Halbleiterlaser 2a bis 2c über einen weiten Bereich gleichmäßig kühlen. Infolgedessen kann räumlich gleichförmiges Laserlicht ausgegeben werden.
Bei der Halbleiterlaserstapelvorrichtung 1 weisen die Wasserleitlöcher 38 der Kühlkörper 10a bis 10c eine für das Einspritzen des dem Wasserzufuhrweg 40 zugeführten Kühlwassers in den Wasserablassweg 42 ausreichend kleine Querschnittsfläche auf. Somit kann die Grenzschicht in der Innenwand des Wasserablassweges 42 durchbrochen werden, wodurch sich der Kühlwirkungsgrad der Halbleiterlaser 2a bis 2c erhöht. Infolgedessen wird es möglich, dass die einzelnen Halbleiterlaser 2a bis 2c stabileres Laserlicht ausgeben.
Da die Halbleiterlaserstapelvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform ein Einleitrohr 5, das mit der Zufuhröffnung 44 jedes einzelnen Kühlkörpers 10a bis 10c verbunden ist, und ein Ablassrohr 6, das mit der Ablassöffnung 46 jedes einzelnen Kühlkörpers 10a bis 10c verbunden ist, umfasst, erübrigen sich andere Verbindungsrohre, die das Einleitrohr 5 und die Zufuhröffnung 44 miteinander verbinden, andere Verbindungsrohre, die das Ablassrohr 6 und die Ablassöffnung 46 miteinander verbinden, und dergleichen, wodurch sich eine geringere Größe erzielen lässt.
Die mehreren Wasserleitlöcher 38 werden zwar so ausgebildet, dass sie in der Längsrichtung des Halbleiterlaserbefestigungsbereiches 100 in den Kühlkörpern 10a bis 10c in der Halbleiterlaserstapelvorrichtung 1 gemäß der oben genannten Ausführungsform in einer Reihe angeordnet sind, sie können jedoch auch so ausgebildet werden, dass sie in der Längsrichtung des Laserbefestigungsbereiches 100 wie in 7 gezeigt in zwei Reihen angeordnet sind. Wie in 8 gezeigt ist, können schlitzartige Wasserleitlöcher 38, die sich jeweils in Querrichtung des Halbleiterlaserbefestigungsbereiches 100 erstrecken, so ausgebildet werden, dass sie in der Längsrichtung des Halbleiterlaserbefestigungsbereiches 100 in einer Reihe angeordnet sind. Außerdem kann ein schlitzartiges Wasserleitloch 38, das sich in Längsrichtung des Halbleiterlaserbefestigungsbereiches 100 erstreckt (jedoch keine Ausführungsform der Erfindung darstellt), wie in 9 gezeigt ausgebildet werden, oder es können zwei solche Leitlöcher wie in 10 gezeigt angeordnet werden.
Bei den Säulenstücken 24, 32 in den Kühlkörpern 10a bis 10c in der Halbleiterlaserstapelvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform handelt es sich zwar um Säulenelemente mit elliptischem Querschnitt, wie in 11 gezeigt ist, können es jedoch auch zylinderförmige Elemente sein. Wenn die Säulenstücke 24, 32 als zylinderförmige Elemente ausgebildet sind, sind sie einfacher auszubilden, während es nicht mehr nötig ist, ihre Ausrichtung zu berücksichtigen, wenn sie in dem Wasserzufuhrweg 40 und dem Wasserablassweg 42 angeordnet werden.
Bei den Säulenstücken 24, 32 kann es sich auch um Säulenelemente mit stromlinienförmigem Querschnitt handeln, wie beispielsweise. mit einem in 12 gezeigten blattförmigen Querschnitt, einem in 13 gezeigten tropfenförmigen Querschnitt und dergleichen. Wenn die Säulenstücke 24, 32 solche Formen aufweisen, dann lässt sich der Strömungswiderstand von Kühlwasser weiter verringern.
Bei den Säulenstücken 24, 32 kann es sich um die in 14 gezeigten plattenartigen Elemente handeln. Wenn es sich bei den Säulenstücken 24, 32 um plattenförmige Elemente handelt, lassen sie sich einfacher ausbilden.
Die Säulenstücke 24 in den Kühlkörpern 10a bis 10c in der Halbleiterlaserstapelvorrichtung 1 gemäß der oben genannten Ausführungsform weisen zwar die gleiche Form auf, die Form, (einschließlich der Oberflächenform), Größe, Anordnung und dergleichen der Säulenstücke 24 kann jedoch entsprechend angepasst werden, um den Druckverlust auf dem Strömungsweg von der Zufuhröffnung 44 zu den Wasserleitlöchern 38 zu homogenisieren und einen Halbleiterlaser oder dergleichen mit einer Länge von beispielsweise ungefähr 1 cm gleichmäßig zu kühlen.
Insbesondere sind, wie beispielsweise in 15 gezeigt ist, die Säulenstücke 24b, die an einem Teil (Strömungsweg A) mit einer geringeren Strömungsweglänge von der Zufuhröffnung 44 zu den Wasserleitlöchern 38 angeordnet sind, jeweils größer und weisen einen Querschnitt auf, der zwar elliptisch ist, jedoch einem echten Kreis nahekommt, während die Säulenstücke 24c, die an einem Teil (Strömungsweg C) mit einer größeren Strömungsweglänge von der Zufuhröffnung 44 zu den Wasserleitlöchern 38 angeordnet sind, jeweils kleiner sind und einen Querschnitt aufweisen, der wie ein längliches Ellipsoid geformt ist. Wenn solche Säulenstücke 24b, 24c verwendet werden, dann kommt es zu einem gleichmäßigen Druckverlust in den Strömungswegen A, B, C. Infolgedessen werden die Halbleiterlaser gleichmäßig gekühlt, so dass Schwankungen bei der Wellenlänge und dem Ausgangswert beseitigt werden, wodurch sich die Zuverlässigkeit verbessert.
Alternativ dazu kann der Druckverlust in den Strömungswegen A, B, C durch Verfahren gleichmäßig gemacht werden, bei denen beispielsweise die Dichte, in der die Säulenstücke 24 angeordnet werden, von den Strömungswegen A bis C schrittweise verringert wird, bei denen die Oberfläche der Säulenstücke 24 von den Strömungswegen A bis C zunehmend glatter wird und dergleichen.
Die Säulenstücke 24, 32 sind zwar in dem unteren flachen Element 12 beziehungsweise dem oberen flachen Element 16 in dem Kühlkörper 10 gemäß der oben genannten Ausführungsform ausgebildet, sie können jedoch auch in dem flachen Zwischenelement 14 ausgebildet werden.
Der Nutenabschnitt 22 für den Wasserzufuhrweg des unteren flachen Elements 12 in dem Kühlkörper 10a in der Halbleiterlaserstapelvorrichtung 1 gemäß der oben genannten Ausführungsform wird zwar durch Ätzen der oberen Fläche des unteren flachen Elements 12 ausgebildet, er kann aber auch wie in den 16A und 16B gezeigt durch Stapeln und Bonden einer ersten Platte 12a mit einem Loch 12c für das Ausbilden der Seitenflächen des Nutenabschnittes 22 für den Wasserzufuhrweg auf eine zweite Platte 12b für das Ausbilden der Bodenfläche des Nutenabschnittes 22 für den Wasserzufuhrweg gebildet werden. In diesem Fall werden die Säulenstücke 24 nach ihrer separaten Herstellung mit der Bodenfläche des Nutenabschnittes 22 für den Wasserzufuhrweg verbunden. Das obere flache Element 16 kann hier ebenfalls wie oben erwähnt durch Stapeln und Bonden von zwei Platten gebildet werden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung kann als Halbleiterlaservorrichtung und Halbleiterlaserstapelvorrichtung eingesetzt werden, die als Lichtquelle verwendet werden kann, und als Kühlkörper, der für das Ableiten von Wärme aus einem Heizelement wie einem Halbleiterbauelement eingesetzt wird.

Claims

Kühlkörper (10), der Folgendes umfasst: ein erstes flaches Element (12) mit einer oberen Fläche, die mit einem ersten Nutenabschnitt (22) ausgebildet ist, ein zweites flaches Element (16) mit einer unteren Fläche, die mit einem zweiten Nutenabschnitt (30) ausgebildet ist, und eine Abtrennung (14), die zwischen der oberen Fläche des ersten flachen Elements (12) und der unteren Fläche des zweiten flachen Elements (16) angeordnet ist, wobei die Abtrennung (14) mit mehreren Löchern (38) ausgebildet ist, die einen Durchgang von einem ersten Raum (40) zu einem zweiten Raum (42) bereitstellen, wobei der erste Raum (40) von dem ersten Nutenabschnitt (22) und einer unteren Fläche der Abtrennung (14) und der zweite Raum (42) von dem zweiten Nutenabschnitt (30) und einer oberen Fläche der Abtrennung (14) gebildet wird, wobei der erste Raum (40) mit einem ersten Verbindungselement (24) versehen ist, das eine untere Fläche des ersten Nutenabschnittes (22) und die untere Fläche der Abtrennung (14) miteinander verbindet, und der Kühlkörper des Weiteren eine Zufuhröffnung (44) zur Zufuhr eines Fluids in den ersten Raum (40) umfasst, und eine Ablassöffnung (46) zum Ablassen des Fluids aus dem zweiten Raum (42), dadurch gekennzeichnet, dass eine obere Fläche des zweiten flachen Elements (16) einen Heizelementbefestigungsbereich (100) aufweist, an dem ein zu kühlendes Heizelement befestigt werden kann, wobei die Löcher (38) in einer dem Heizelementbefestigungsbereich (100) gegenüberliegenden Position angeordnet sind, und dass die Löcher (38) einen so kleinen Querschnitt aufweisen, dass das Fluid in den zweiten Raum (42) eingespritzt wird.
Kühlkörper (10) nach Anspruch 1, der mehrere erste Verbindungselemente (24) umfasst.
Kühlkörper (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste Verbindungselement (24) einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Kühlkörper (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste Verbindungselement (24) einen Querschnitt aufweist, dessen Länge in einer ersten Richtung von der Zufuhröffnung (44) hin zu dem Loch (38) größer ist als die Länge in einer zu der ersten Richtung im Wesentlichen senkrecht verlaufenden zweiten Richtung, wobei der Querschnitt auf der Seite der Zufuhröffnung eine Bogenform aufweist.
Kühlkörper (10) nach Anspruch 4, bei dem das erste Verbindungselement (24) einen im Wesentlichen elliptischen Querschnitt aufweist.
Kühlkörper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein zweites Verbindungselement (32), das eine untere Fläche des zweiten Nutenabschnittes (30) und die obere Fläche der Abtrennung (14) miteinander verbindet, in dem zweiten Raum (42) angeordnet ist.
Kühlkörper (10) nach Anspruch 6, der mehrere zweite Verbindungselemente (32) umfasst.
Kühlkörper (10) nach Anspruch 6 oder 7, bei dem das zweite Verbindungselement (32) einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Kühlkörper (10) nach Anspruch 6 oder 7, bei dem das zweite Verbindungselement (32) einen Querschnitt aufweist, dessen Länge in einer dritten Richtung von dem Loch (38) hin zu der Ablassöffnung (46) größer ist als die Länge in einer zu der dritten Richtung im Wesentlichen senkrecht verlaufenden vierten Richtung, wobei der Querschnitt auf der Seite des Loches eine Bogenform aufweist.
Kühlkörper (10) nach Anspruch 9, bei dem das zweite Verbindungselement (32) einen im Wesentlichen elliptischen Querschnitt aufweist.
Kühlkörper (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem das erste und das zweite Verbindungselement (24, 32) dort angeordnet sind, wo der erste und der zweite Raum (40, 42) einander überlappen, und sich jeweils in Positionen befinden, in denen sie einander überlappen.
Halbleiterlaservorrichtung, die Folgendes umfasst: den Kühlkörper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und einen Halbleiterlaser (2a), der an einer oberen Fläche des zweiten flachen Elements (16) des Kühlkörpers (10) befestigt ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 12, bei der der Halbleiterlaser (2a) mehrere Laseremissionspunkte aufweist, die in einer vorgegebenen Richtung angeordnet sind, wobei die vorgegebene Richtung so ausgerichtet ist, dass sie im Wesentlichen parallel zu der oberen Fläche des zweiten flachen Elements (16) verläuft.
Halbleiterlaserstapelvorrichtung, die einen ersten und einen zweiten Kühlkörper (10a, 10b) sowie einen ersten und einen zweiten Halbleiterlaser (2a, 2b) umfasst, wobei es sich bei dem ersten und dem zweiten Kühlkörper (10a, 10b) um den Kühlkörper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 handelt, der erste Halbleiterlaser (2a) zwischen einer oberen Fläche des zweiten flachen Elements (16) des ersten Kühlkörpers (10a) und einer unteren Fläche des ersten flachen Elements (12) des zweiten Kühlkörpers (10b) gehalten wird und der zweite Halbleiterlaser (2b) an der oberen Fläche des zweiten flachen Elements (16) des zweiten Kühlkörpers (10b) befestigt ist.
Halbleiterlaserstapelvorrichtung nach Anspruch 14, bei der der erste und der zweite Halbleiterlaser (2a, 2b) mehrere Laseremissionspunkte aufweisen, die in einer vorgegebenen Richtung angeordnet sind, wobei die vorgegebene Richtung so ausgerichtet ist, dass sie im Wesentlichen parallel zu den oberen Flächen des ersten und des zweiten flachen Elements (12, 16) verläuft.
Halbleiterlaserstapelvorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, die des Weiteren Folgendes umfasst: ein Einleitrohr (5), das sowohl mit der Zufuhröffnung (44) des ersten Kühlkörpers (10a) als auch mit der Zufuhröffnung (44) des zweiten Kühlkörpers (10b) verbunden ist, und ein Ablassrohr (6), das sowohl mit der Ablassöffnung (46) des ersten Kühlkörpers (10a) als auch mit der Ablassöffnung (46) des zweiten Kühlkörpers (10b) verbunden ist.