JP2003158333A - 電子又はオプトエレクトロニクス装置の冷却方法及び同装置アセンブリー - Google Patents

電子又はオプトエレクトロニクス装置の冷却方法及び同装置アセンブリー

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JP2003158333A
JP2003158333A JP2002219388A JP2002219388A JP2003158333A JP 2003158333 A JP2003158333 A JP 2003158333A JP 2002219388 A JP2002219388 A JP 2002219388A JP 2002219388 A JP2002219388 A JP 2002219388A JP 2003158333 A JP2003158333 A JP 2003158333A
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Ryan Kingsley Harding
ライアン・キングスレイ・ハーディング
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    • HELECTRICITY
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 コストやスペースの増大を伴うことなく電子
又はオプトエレクトロニクス装置を効率よく冷却する。 【解決手段】 TO缶パッケージ内のヒートシンクアセ
ンブリ(126,128)上にレーザダイオードのような
電子装置が取り付けられる。TO缶パッケージは、熱伝
導体によって印刷回路基板あるいはハウジングのような
サーマルシンク(146)に結合される。熱伝導体は、
熱クリップ(140)、可撓性帯(404)あるいは代
替えのヒートパイプ(306)の形をしている。このよ
うにして、熱エネルギーは、TO缶パッケージ(40
2)内の各デバイスから効果的に導き去られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に電子又はオ
プトエレクトロニクス装置の冷却方法及び装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】通常、電子及びオプトエレクトロニクス
装置は電力を消費し、これは、温度の上昇に通じ、これ
は、最適な様式で動作するための装置の能力に影響を及
ぼし、かつ装置の寿命を短縮する。能動電子装置は、実
質的な熱エネルギーを保持するためにとくに影響を受け
やすいが、受動電子装置も、近くにおいて熱を放出する
装置から熱エネルギーを吸収する場合、その犠牲になる
ことがある。
【0003】オプトエレクトロニクス装置の分野におい
ても、種々のタイプの冷却(又は装置からの熱エネルギ
ーの移動(away))を利用することが周知である。例え
ばレーザダイオードは、しばしばいわゆる“トランジス
タアウトライン(TO)缶”内に収容される。この缶
は、一般に円筒形の金属製ハウジングである。上記レー
ザダイオードは、上記ハウジングの“蓋(lid)”に取
付けられたヒートシンク上に取付けられており、わずか
な温度低下を提供するにすぎない。通常“ヘッダ” (h
eader)として知られた“蓋”は、ヒートシンクに熱的
に結合されている。ヒートシンクは、ハウジングのヘッ
ダ内へ熱エネルギーを消散し、このハウジングは、他方
において熱エネルギーを放出する。しかしながらとくに
TO缶がプリント回路板(PCB)とともにモジュール
内に囲まれており、このプリント回路板がここに取付け
られたその他の熱放射装置を有することがある場合、熱
エネルギーの放射は、非常に効果的であるというわけで
はない。
【0004】熱管理の別の例は、強制的な気流であり、
この気流は、ファンの追加的な装置を必要とする。ファ
ンは、電力と空間を利用し、かつ電磁干渉(EMI)シ
ールドに穴を設けるために、潜在的に電磁的両立性(E
MC)の問題を引起こすことがある。
【0005】さらにファンの利用は、余分な費用を加
え、かつ、これは真空又は水の条件下においては容易に
利用することができないので、信頼性は、その利用に関
連し、かつ制限される。
【0006】熱管理の別の例は、ペルチエ冷却器又は流
体冷却であり、これらは、一般に余分な電源を必要と
し、したがってそれ以上の電力を消費し、かつ装置内の
全熱エネルギーに貢献する。これらを装置内に収容する
ために、余分な空間が必要である。装置内にこのような
装置を導入することを介して、重要な追加的なコスト及
び潜在的な信頼度低下を招く。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】それ故に、本発明の目
的は、前記の周知の装置の欠点に打勝つ又は少なくとも
これらを減少する、電子又はオプトエレクトロニクス装
置の冷却方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】したがって、第1の形態
(aspect)において、本発明は、電子又はオプトエレク
トロニクス装置を設けるステップと、前記装置をヒート
シンクアセンブリーに取付けるステップと、ヒートシン
クアセンブリーに熱的に結合された缶本体及び缶ヘッダ
を有する缶の中に、前記ヒートシンクアセンブリーをシ
ールし、かつ缶本体を閉じるステップと、前記缶の外側
における熱伝導体の第1の部分をヘッダの縁の少なくと
も一部に取付け、かつ熱伝導体の第2の部分(144)
を前記缶の外側におけるサーマルシンクに取付けるステ
ップと、を含む電子又はオプトエレクトロニクス装置の
冷却方法を提供する。
【0009】望ましくは、前記の装置はレーザ装置であ
る。
【0010】前記熱伝導体は、熱伝導材料からなるクリ
ップであることができ、前記第1の部分は、缶のヘッダ
の縁の回りにはめるための環状の部分を含み、かつ前記
第2の部分は、ヒートシンクに取付けるために実質的に
平らな部分を含んでいる。
【0011】代替として、前記熱伝導体はヒートパイプ
であってもよい。
【0012】代わりの実施例において、前記熱伝導体は
熱伝導材料からなる可撓性の帯であることができ、この
帯は、少なくともヘッダの縁の回りに配置され、かつサ
ーマルシンクに取付けられている。
【0013】望ましくは、前記缶はトランジスタアウト
ライン(TO)缶である。
【0014】本発明の第2の形態によれば、ヒートシン
クアセンブリーに熱的に結合された缶本体及び缶ヘッダ
を有し、かつ缶本体を閉じた缶内においてヒートシンク
アセンブリーに取付けられた電子又はオプトエレクトロ
ニクス装置と、缶ヘッダの縁の少なくとも一部に取付け
られた第1の部分及び前記の缶の外側におけるヒートシ
ンクに取付けられた第2の部分を有し、かつ前記の缶の
外側にある熱伝導体と、を含む電子又はオプトエレクト
ロニクス装置アセンブリーが提供される。
【0015】望ましくは、前記装置はレーザ装置であ
る。
【0016】熱伝導体は、熱伝導材料からなるクリップ
であることができ、前記第1の部分は、缶のヘッダの縁
の回りにはめるための環状の部分を含み、かつ前記第2
の部分は、ヒートシンクに取付けるための実質的に平ら
な部分を含んでいる。
【0017】望ましくは前記クリップの前記の第1の部
分は、該クリップの前記第2の部分に対して実質的に垂
直であり、かつ前記クリップは、該クリップを所定の位
置に支持するために少なくとも1つの別の部分を含んで
いる。
【0018】代替として、前記の熱伝導体はヒートパイ
プであってもよい。
【0019】代わりの実施例において、前記熱伝導体は
熱伝導材料からなる可撓性の帯であり、この帯は、ヘッ
ダの縁の回りに配置されて、かつサーマルシンクに取付
けられている。
【0020】サーマルシンクは、望ましくはアセンブリ
ーのハウジングの一部である。
【0021】望ましくは熱伝導体とサーマルシンクとの
間に、電気的に絶縁するが熱的に導通する材料が配置さ
れている。
【0022】有利な実施例において、前記缶はトランジ
スタアウトライン(TO)缶である。
【0023】次に、本発明のいくつかの実施の形態を添
付の図面を引用して例として説明する。
【0024】
【発明の実施の形態】例えば、図1は、TO缶本体10
0内に取付けられたレーザダイオード102を有する電
子パッケージを示しており、その他の部品(図示せず)
は、本体100のその他の部分に収容されている。TO
缶本体100は、全体的に円筒形であり、かつ4つのピ
ン106,108,110,112を有するTO缶ヘッ
ダ104を組込んである。ピン106,108,112
は、TO缶本体100の中にある電気部品に接続するた
めに、ヘッダ104の中央部分を通ってTO缶本体10
0の内側部分へ進んでいるものの、ピン110は、ヘッ
ダ104にろう付けされている。3つのピン106、1
08、112のそれぞれは、それらのピンを囲むガラス
シール120、122、124によって所定の位置に保
持されており、ここにおいてこれは、TO缶ヘッダ10
4を通過している。カソードピン106は、TO缶ヘッ
ダ104の内側においてカソード114の形に終端して
おり、アノードピン108は、TO缶ヘッダ104の内
側においてアノード116の形に終端しており、かつフ
ォトダイオードピン112は、TO缶ヘッダ104の内
側においてフォトダイオード端子118の形に終端して
いる。レーザヒートシンクピン110は、TO缶ヘッダ
104の内側においてレーザヒートシンクアセンブリー
に隣接してヘッダ104にろう付けされている。
【0025】とくにレーザヒートシンクアセンブリー
は、レーザヒートシンクブロック128からなる。ま
た、熱的に導通しかつ電気的に絶縁する炭化けい素(S
iC)又は窒化アルミニウム(AlN)からなるレーザ
ヒートシンク126は、レーザヒートシンクブロック1
28の表面に取付けられ、かつレーザダイオード102
は、レーザヒートシンク126の表面に配置されてい
る。アノードピン108のアノード116は、金属片1
32において終っており、この金属片は、金属レーザヒ
ートシンク126の下に延びており、かつその上に配置
されたフォトダイオード130を有する。1対のボンド
線134は、レーザヒートシンク126をカソード11
4に結合し、ボンド線136は、レーザダイオード10
2をアノード116に結合し、かつ別のボンド線138
は、フォトダイオード130のアノードをフォトダイオ
ード端子118に結合する。フォトダイオード130の
カソードは、このフォトダイオードを逆バイアスするよ
うに、金属片132に電気的に取付けられている。
【0026】熱クリップ140は、TO缶パッケージの
回りに配置されている。熱クリップ140は、熱的に導
通する材料(しばしば銅)から製造されている。熱クリ
ップ140の第1の部分141は、環状の開口142を
有する。この開口は、わずかに延長されており、この開
口内にTO缶ヘッダ104がはめられて、ろう又は接着
剤(熱的に導通するタイプのろう又は接着剤である)に
よって取付けられている。熱クリップ140の第1の部
分141に対してほぼ垂直に、実質的に平らな第2の部
分144がある。第2の部分144は、それより大きな
アセンブリーのハウジングの一部となりうるサーマルシ
ンク146に接触するように配置されている。本実施例
において第2の部分144は、接着剤によってサーマル
シンク146に固定されているが、例えばナット及びボ
ルトのようなその他の手段によって同様に固定すること
ができる。選択的に、電気的に絶縁するが熱的に導通す
る材料(図示せず)が熱クリップ140の第2の部分1
44とサーマルシンク146との間に配置されている。
さらに、このような材料は、前面及び後面両方に接着特
性を有することもでき、その材料を両方の目的に利用す
ることを可能にする。
【0027】動作において、高周波入力信号は、カソー
ド114に供給され、かつ電源電圧はアノード116に
供給される。光エネルギー及び熱エネルギーが、レーザ
ダイオード102から放出され、熱エネルギーは、主に
レーザヒートシンク126に導かれ、それからレーザヒ
ートシンクブロック128に導かれ、ここからTO缶ヘ
ッダ104に導かれる。それから熱エネルギーは、TO
缶ヘッダ104の周から熱クリップ140の第1の部分
に導かれ、かつ実質的に熱クリップ140の第2の部分
144に導かれる。次に、熱エネルギーは、サーマルシ
ンク146に(もし存在するならば、電気的に絶縁し、
熱的に導通する材料を介して)導かれ、ここにおいて消
散する。
【0028】図2A、図2B、図2C及び図2Dは、第
1の実施形態(図1に示すような)の熱クリップ140
の4つの異なった実施例202,208,214,22
0を示している。それぞれの実施例は、図1の実施形態
の均等(equivalent)な第1の部分141とほぼ同様な
環状の開口を有する第1の部分204、210、21
6、222を有する。さらにそれぞれの実施例202,
208,214,220は、図1の均等な第2の部分1
44と同じ機能を実行する第2の部分206,212,
218,224を含む。しかしながら、第1の部分20
4,210,216,222及び第2の部分206,2
12,218,224の正確な構成は、利用されるパッ
ケージのタイプ、熱クリップが使用される装置のアーキ
テクチャ及び熱クリップの製造方法に依存する。第2の
部分206,212,218,224の一層大きな表面
積は、明らかに熱エネルギーの一層迅速な消散に通じ、
かつ一層大きな機械的な支持を提供する。とくに図2A
において、実施例202は、0.8mmの厚さの機械加
工された銅からなる。第2の部分206の頂面は、パッ
ケージの位置を安定化するために装置の表面に接着する
ことができる。図2Bにおいて、実施例208(これも
機械加工された銅から製造されている)は、延長された
第2の部分212を有し、この部分は、図示したよう
に、末端端部にカットアウト(cut-out)を有すること
ができる。延長された第2の部分212は、鈍角を形成
するように曲げられているので、カットアウトは、シス
テムの別の部分、例えば光学サブアセンブリーに載るこ
とができ、したがってろう付け又はその他の形の固定の
前に、クリップを機械的に安定化する。図2C及び図2
Dにおいて、実施例214及び220は、所望の形に切
断されかつ曲げられた薄板金属からエッチングされかつ
製造されている。実施例214及び220は、図2Bの
実施例208の第2の部分212と同様な延長され曲げ
られた第2の部分218及び224を有する。加えて実
施例214及び220は、第2の部分218、224か
ら反対の方向に延びた追加的な延長された部分219、
225を含む。このような追加的な部分219、225
は、機械的な支持及び熱エネルギー消散を増加する。さ
らに追加的な部分225は、近くで電力供給される装置
(集積回路のような)とTO缶パッケージとの間の熱伝
導率を制限するために、ここに切られた穴を有する平ら
な板226を含んでいる。
【0029】図3は、ヒートパイプ306によってサー
マルシンク304に結合されたTO缶パッケージ302
を示している。このヒートパイプ306は、周知の基本
方式に基づいて、小さな温度勾配にわたって熱の実質的
な量を伝達するように動作する。TO缶パッケージ30
2は、図1のTO缶パッケージと同様であり、かつTO
缶本体308の内側に同様な装置(図示せず)を有す
る。ヒートパイプ306の第1の端部310は、TO缶
ヘッダ312の縁に接触している。電気ピン314,3
16,318,320も示されており、これらの電気ピ
ンのうち3つは、ガラスシールによってヘッダから絶縁
されており、かつ1つは、前記のように、ヘッダにろう
付けされている。ヒートパイプ306の第2の端部32
2は、サーマルシンク304に接触しており、このヒー
トシンクは、電気装置のハウジングの一部であってもよ
い。
【0030】動作において、TO缶パッケージ302内
の部品によって発生される熱エネルギーは、ヒートパイ
プ306の第1の端部310に導かれる。ヒートパイプ
306は、一般に銅からなるシールされた管からなり、
排気されて、相変化する液体が充填されている。第1の
端部310における液体は、熱エネルギーを吸収して熱
くなったとき、蒸発が起こる。蒸気は、ヒートパイプ3
06の第2の端部322へ動き、ここにおいてこれは、
蒸気からサーマルシンク304への熱エネルギーの伝達
のために凝縮する。液体は、“灯心(wick)”作用を利
用した毛管作用によって、ヒートパイプ306の第1の
端部310に戻る。しかしながらTO缶パッケージ30
2及びサーマルシンク304が全体的に動的につり合っ
ており、かつそれ故にヒートパイプ306の第1の端部
310における流体が正味の蒸発を経験し、かつヒート
パイプ306の第2の端部322における流体が正味の
凝縮を経験することは、当業者によって明らかであろ
う。蒸気圧の相違のために、第1の端部310から第2
の端部322への蒸気の正味の流れ、及び第2の端部3
22から第1の端部310への液体の正味の流れが存在
する。このように、蒸発の潜熱は、熱エネルギーを引出
すために利用されるので、ヒートパイプは、“熱い”端
部から熱を取り除く際に全く有効である。
【0031】図4は、熱伝導材料からなる可撓性の帯4
04によって囲まれたTO缶パッケージ402を示して
いる。TO缶ヘッダ410、及び電気ピン412、41
4、416、418も示されており、これらの電気ピン
のうち3つは、ガラスシールによってヘッダから絶縁さ
れており、かつ1つは、前記のように、ヘッダにろう付
けされている。可撓性の帯404は、ヘッダ410の縁
の少なくとも一部に接触している。可撓性の帯404
は、ねじ408によってサーマルシンク(PCB又はハ
ウジングのような)406に取付けられている(しかし
帯404は、はんだ付け、ろう付け、にかわ付け、又は
その他の適当な手段による取付けを行なってもよい)。
【0032】動作において、帯404は、TO缶パッケ
ージ402からサーマルシンク406へ熱エネルギーを
導き去ることによって、図1の熱クリップ140、14
4と同様な機能を実行する。
【0033】TO缶パッケージから熱エネルギーを導き
去ることによって、前記の実施例のそれぞれにおいて利
点が得られる。TO缶パッケージ内の高レベルの熱エネ
ルギーは、装置を損傷すること、又は最適な態様で機能
する装置を停止することがあるが、これを回避すること
ができる。さらに本発明の種々の実施形態により、TO
缶のために設けられた機械的支持によって利点が得られ
る。このような支持は、アセンブリーが動かされる場
合、TO缶パッケージ及びその装置の損傷を避けるため
に機能できる。
【0034】当業者が、本発明の権利範囲から離れるこ
となく、前記の実施例に変形及び改善を行なうことがで
きることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】レーザダイオードがヒートシンクに接続された
本発明の第1の実施例を示す図である。
【図2】本発明の第1の実施形態の4つの異なった実施
例を示す図である。
【図3】レーザダイオードがヒートシンクに接続された
本発明の第2の実施形態を示す図である。
【図4】レーザダイオードがヒートシンクに接続された
本発明の第3の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
100 缶本体 102 装置 104 缶ヘッダ 126 ヒートシンクアセンブリー 128 ヒートシンクアセンブリー 140 熱伝導体 141 熱伝導体の第1の部分 144 熱伝導体の第2の部分 146 ヒートシンク 219 クリップの別の部分 306 ヒートパイプ 402 TO缶 404 帯 406 ヒートシンク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ライアン・キングスレイ・ハーディング イギリス国イースト・サセックス ティ・ エヌ39 3エヌ・エル,ベックスヒル−オ ン−シー,クランストン・アヴェニュー 86 Fターム(参考) 5F036 AA01 BA23 BB21 BB60 BC05 5F073 EA29 FA02 FA15 FA24 FA30

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも1つの電子又はオプトエレク
    トロニクス装置を設けるステップと、 前記装置をヒートシンクアセンブリーに取付けるステッ
    プと、 前記ヒートシンクアセンブリーに熱的に結合された缶本
    体及び缶ヘッダを有する缶の中に前記のヒートシンクア
    センブリーをシールし、かつ前記缶本体を閉じるステッ
    プと、 前記缶の外側における熱伝導体の第1の部分を前記ヘッ
    ダの縁の少なくとも一部に取付け、かつ熱伝導体の第2
    の部分を前記缶の外側におけるサーマルシンクに取付け
    るステップと、を含むことを特徴とする電子又はオプト
    エレクトロニクス装置の冷却方法。
  2. 【請求項2】 前記装置がレーザ装置であることを特徴
    とする請求項1に記載の電子又はオプトエレクトロニク
    ス装置の冷却方法。
  3. 【請求項3】 前記の熱伝導体が、熱伝導材料からなる
    クリップであり、前記第1の部分が、前記缶のヘッダの
    縁の回りにはめるための環状の部分を含むことを特徴と
    する請求項1又は2に記載の電子又はオプトエレクトロ
    ニクス装置の冷却方法。
  4. 【請求項4】 前記第2の部分が、前記サーマルシンク
    に密に合致するための寸法及び形のものであることを特
    徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の電子
    又はオプトエレクトロニクス装置の冷却方法。
  5. 【請求項5】 前記熱伝導体がヒートパイプであること
    を特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の
    電子又はオプトエレクトロニクス装置の冷却方法。
  6. 【請求項6】 前記熱伝導体が熱伝導材料からなる可撓
    性の帯であり、この帯が、少なくとも前記ヘッダの縁の
    回りに配置され、かつ前記サーマルシンク(406)に
    取付けられていることを特徴とする請求項1ないし4の
    1つに記載の電子又はオプトエレクトロニクス装置の冷
    却方法。
  7. 【請求項7】 前記缶がトランジスタアウトライン(T
    O)缶であることを特徴とする請求項1ないし6のいず
    れか1つに記載の電子又はオプトエレクトロニクス装置
    の冷却方法。
  8. 【請求項8】 ヒートシンクアセンブリーに熱的に結合
    された缶本体及び缶ヘッダを有し、かつ前記缶本体を閉
    じた缶の中において前記ヒートシンクアセンブリーに取
    付けられた少なくとも1つの電子又はオプトエレクトロ
    ニクス装置と、前記の缶ヘッダの縁の少なくとも一部に
    取付けられた第1の部分及び前記缶の外側におけるサー
    マルシンクに取付けられた第2の部分を有し、かつ前記
    缶の外側にある熱伝導体と、を含むことを特徴とする電
    子又はオプトエレクトロニクス装置アセンブリー。
  9. 【請求項9】 前記装置がレーザ装置であることを特徴
    とする、請求項8に記載の電子又はオプトエレクトロニ
    クス装置アセンブリー。
  10. 【請求項10】 前記熱伝導体が、熱伝導材料からなる
    クリップであり、前記第1の部分が、前記缶のヘッダの
    縁の回りにはめるための環状の部分を含むことを特徴と
    する請求項8又は9に記載の電子又はオプトエレクトロ
    ニクス装置アセンブリー。
  11. 【請求項11】 前記のクリップが、該クリップを所定
    の位置に支持するために少なくとも1つの別の部分を含
    むことを特徴とする請求項10に記載の電子又はオプト
    エレクトロニクス装置アセンブリー。
  12. 【請求項12】 前記クリップの第1の部分が、該クリ
    ップの第2の部分に対して実質的に垂直であることを特
    徴とする請求項10又は11に記載の電子又はオプトエ
    レクトロニクス装置アセンブリー。
  13. 【請求項13】 前記第2の部分が、前記のサーマルシ
    ンクに取付けるための実質的に平らな部分を含むことを
    特徴とする請求項8ないし12のいずれか1つに記載の
    電子又はオプトエレクトロニクス装置アセンブリー。
  14. 【請求項14】 前記熱伝導体がヒートパイプであるこ
    とを特徴とする請求項8又は9に記載の電子又はオプト
    エレクトロニクス装置アセンブリー。
  15. 【請求項15】 前記熱伝導体が熱伝導材料からなる可
    撓性の帯であり、この帯が、前記ヘッダの縁の回りに配
    置され、かつ前記サーマルシンクに取付けられているこ
    とを特徴とする請求項8又は9に記載の電子又はオプト
    エレクトロニクス装置アセンブリー。
  16. 【請求項16】 前記サーマルシンクが、前記アセンブ
    リーのハウジングの一部であることを特徴とする請求項
    8ないし15のいずれか1つに記載の電子又はオプトエ
    レクトロニクス装置アセンブリー。
  17. 【請求項17】 前記熱伝導体と前記サーマルシンクと
    の間に配置された、電気的に絶縁するが熱的に導通する
    材料をさらに含むことを特徴とする請求項16に記載の
    電子又はオプトエレクトロニクス装置アセンブリー。
  18. 【請求項18】 前記缶がトランジスタアウトライン
    (TO)缶であることを特徴とする請求項8ないし17
    のいずれか1つに記載の電子又はオプトエレクトロニク
    ス装置アセンブリー。
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