JP2006352019A - ヒートシンク並びにこれを有するレーザ装置およびレーザスタック装置 - Google Patents

ヒートシンク並びにこれを有するレーザ装置およびレーザスタック装置 Download PDF

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Abstract

【課題】半導体レーザ素子に加わる応力を低減するヒートシンクを提供する。
【解決手段】ヒートシンク10aは、第1の平板12、仕切り板14および第2の平板16を有している。第1の平板は、第1の凹部22が形成された上面を有する。第2の平板は、第2の凹部30が形成された下面と、半導体レーザ素子2aが搭載される上面を有する。これらの凹部は冷媒用流路の一部を成す。仕切り板は、第1の凹部を覆う下面、第2の凹部を覆う上面、および第1の凹部を第2の凹部に連通させる一つ以上の貫通孔38を有する。第1および第2の平板は、共に第1の熱膨張率を有している。仕切り板は、第1の熱膨張率よりも低い第2の熱膨張率を有している。これにより、ヒートシンク全体の熱膨張率が低減されるので、半導体レーザ素子に生じる応力歪が低減される。
【選択図】図3

Description

本発明は、半導体デバイス等の発熱体の冷却に用いられるヒートシンク並びにこれを用いた半導体レーザ装置および半導体レーザスタック装置に関する。
近年では、高出力のレーザダイオードを効果的に冷却するために、水冷式のヒートシンクを使用することが多い。冷却効率を高めるため、ヒートシンクは熱伝導率の高い材料から構成されることが望ましい。更に、ヒートシンクの材料は、レーザダイオードの熱膨張率に近い熱膨張率を有することが望ましい。これは、レーザダイオードの駆動時の発熱や、レーザダイオードのオンオフの繰り返しによって生じる温度変化によってレーザダイオードおよびヒートシンクが熱的に伸縮すると、両者の熱膨張率の違いに起因してレーザダイオードに応力歪が生じ、レーザダイオードの特性が劣化するからである。しかしながら、熱伝導率が高く、レーザダイオードと同程度の熱膨張率を有する材料は高価であるため、ヒートシンクの全体をこのような材料で構成すると、製造コストが極めて大きくなってしまう。
下記の特許文献1には、レーザダイオードを効果的に冷却すると共に、熱膨張率の差に起因するレーザダイオード特性の劣化を防止することの可能なヒートシンクが開示されている。このヒートシンクは、3枚のプレート(上板、仕切り板および下板)が積層された構造を有している。上板には、レーザダイオードを搭載するサブマウント部が設けられており、このサブマウント部のみが、レーザダイオードと同程度の熱膨張率を有する材料で構成されている。製造コストを抑えるため、上板のうちサブマウント部を除く部分(ベース部)、仕切り板および下板は、銅を主成分とする材料から構成されており、レーザダイオードよりも高い熱膨張率を有している。
特開平2004−186527号公報
しかしながら、サブマウント部と他の部分とで熱膨張率の違いが大きいため、レーザダイオードの温度変化に応じてサブマウント部に大きな応力が加わり、それがサブマウント部上のレーザダイオードに応力歪を生じさせるおそれがある。また、サブマウント部と他の部分との界面に接合疲労が生じ、サブマウント部が脱離する可能性もある。
本発明は上記に鑑みなされたもので、発熱体の応力歪を低減することの可能なヒートシンク並びにこれを有するレーザ装置およびレーザスタック装置を提供することを課題とする。
一つの側面において、本発明は、発熱体を冷却するヒートシンクに関する。このヒートシンクは、第1の凹部が形成された上面を有する導電性の第1の平板と、第2の凹部が形成された下面および発熱体が搭載されるべき上面を有する導電性の第2の平板と、第1の凹部を覆う下面、第2の凹部を覆う上面、および第1の凹部を第2の凹部に連通させる一つ以上の貫通孔を有する導電性の仕切り板と、第1および第2の凹部の一方から延在し、当該ヒートシンクに冷媒を流入させる冷媒流入口と、第1および第2の凹部の他方から延在し、当該ヒートシンクから冷媒を流出させる冷媒流出口とを備えている。第1および第2の平板は、共に第1の熱膨張率を有している。仕切り板は、第1の熱膨張率よりも低い第2の熱膨張率を有している。
仕切り板が第1および第2の平板よりも低い熱膨張率を有するため、仕切り板が第1および第2の平板の熱伸縮を妨げ、ヒートシンク全体の熱膨張率を低減する。発熱体が第1および第2の平板より低い熱膨張率を有する場合は、ヒートシンクの熱膨張率が発熱体の熱膨張率に近づくことになる。また、同じ熱膨張率を有する第1および第2の平板によって仕切り板が狭まれているので、発熱体の温度変化に際してヒートシンクが湾曲しにくい。この結果、発熱体に生じる応力歪を低減することができる。
第1の平板は、仕切り板よりも高い熱伝導率を有していてもよい。この構成によれば、第1の平板と発熱体との間で熱交換の効率が高まると共に、ヒートシンクの熱放散性も高まるので、良好な冷却性能を得ることができる。
第1および第2の平板は、Cuから構成されていてもよい。Cuは、非常に高い熱伝導率を有しており、また、安価である。したがって、Cuは、第1および第2平板の材料として優れている。
仕切り板は、Ni、Au、W、Pt、Tiまたはステンレススチールから構成されていてもよい。これらの物質は、Cuよりも熱膨張率が低く、かつ十分に高い電気伝導度を有している。したがって、上板の上面に半導体レーザ素子を搭載したヒートシンクを複数、積層したときに、半導体レーザ素子間に良好な電気的導通を形成することができる。さらに、これらの物質は、水を冷媒として使用したときに、水の電気分解によって電気化学的に腐食しにくいという性質を有しているので、ヒートシンクの耐久性を高めることができる。
別の側面において、本発明は、上記の構成を有するヒートシンクと、そのヒートシンクの第2の平板の上面に搭載された半導体レーザ素子とを備えるレーザ装置に関する。この半導体レーザ素子は、第1および第2の平板の熱膨張率よりも低い熱膨張率を有している。
ヒートシンクに関して既に述べた理由により、このレーザ装置は、発熱体である半導体レーザ素子に生じる応力歪を低減することができる。これにより、半導体レーザ素子の損傷と特性劣化を抑え、あるいは半導体レーザ素子のヒートシンクからの脱離を防ぐことができる。
更に他の側面において、本発明は、第1のヒートシンクと、第2のヒートシンクと、第1の半導体レーザ素子と、第2の半導体レーザ素子とを備えるレーザスタック装置に関する。第1のヒートシンクおよび第2のヒートシンクは、それぞれ上記の構成を有するヒートシンクである。第1の半導体レーザ素子は、第1のヒートシンクの第2の平板の上面と、第2のヒートシンクの第1の平板の下面との間に配置されており、第1および第2の平板の熱膨張率よりも低い熱膨張率を有している。第2の半導体レーザ素子は、第2のヒートシンクの第2の平板の上面に搭載されており、第1および第2の平板の熱膨張率よりも低い熱膨張率を有している。
ヒートシンクに関して既に述べた理由により、このレーザスタック装置は、発熱体である第1および第2の半導体レーザ素子に生じる応力歪を低減することができる。これにより、第1および第2の半導体レーザ素子の損傷と特性劣化を抑え、あるいは第1および第2の半導体レーザ素子のヒートシンクからの脱離を防ぐことができる。
本発明は、第1および第2の平板よりも低い熱膨張率を有する仕切り板を使用することにより、ヒートシンク全体の熱膨張率を低減し、それにより、半導体レーザ素子などの発熱体に生じる応力歪を低減することができる。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図1は、本発明に係るレーザスタック装置の一実施形態の構成を示す斜視図である。このレーザスタック装置1は、三つのレーザアレイ2a〜2c、二枚の銅板3aおよび3b、二枚のリード板4aおよび4b、供給管5、排出管6、四つの絶縁部材7a〜7d、および、三つのヒートシンク10a〜10cを備えている。
以下、各構成要素について説明する。尚、説明の便宜上、図1のZ軸正方向を上、Z軸負方向を下として説明する。
図2は、レーザアレイ2aを示す斜視図である。レーザアレイ2bおよび2cは、レーザアレイ2aと同一の構造を有している。各レーザアレイは、発光面50を有する半導体レーザ素子である。発光面50では、複数の発光部52がY軸方向に沿って一定の間隔で一列に並んでいる。このため、レーザアレイ2a〜2cはレーザダイオードバーとも呼ばれる。レーザアレイの駆動時には、各発光部52がレーザアレイの軸方向(共振器方向)に沿ってレーザ光を発する。本実施形態では、軸方向はX軸と平行である。
図1に示されるように、レーザアレイ2aは、ヒートシンク10aの上面とヒートシンク10bの下面との間に配置され、レーザアレイ2bは、ヒートシンク10bの上面とヒートシンク10cの下面との間に配置され、レーザアレイ2cは、ヒートシンク10cの上面に設置されている。
レーザアレイ2a〜2cは、ヒートシンク10bおよび10cを介して互いに電気的に接続されている。レーザアレイ2aの下面は、ヒートシンク10aおよび銅板3aを介してリード板4aに電気的に接続されており、半導体レーザアレイ2cの上面は、銅板3bを介してリード板4bに電気的に接続されている。このため、リード板4aとリード板4bとの間に電圧を印加することで、レーザアレイ2a〜2cを駆動し、レーザアレイ2a〜2cからレーザ光を出射させることが可能となる。
供給管5、排出管6のそれぞれは、ヒートシンク10a〜10cを貫通して設けられている。供給管5は、ヒートシンク10a〜10cを貫通する流入口44(後述する)と接続されており、排出管6は、ヒートシンク10a〜10cを貫通する流出口46(後述する)と接続されている。従って、供給管5を通じてヒートシンク10a〜10cに冷媒を流入させることが可能となり、また、排出管6を通じてヒートシンク10a〜10cから冷媒を流出させることが可能となる。本実施形態では、冷媒として水を使用する。
ヒートシンク10aの下面、ヒートシンク10aの上面とヒートシンク10bの下面との間隙、ヒートシンク10bの上面とヒートシンク10cの下面との間隙、ヒートシンク10cの上面それぞれには、供給管5および排出管6を囲むように、ゴム製の絶縁部材7a、7b、7c、7dが設けられている。絶縁部材7a〜7dは、各ヒートシンク間の絶縁を確保するとともに、冷媒の漏洩を防止する。
以下では、図3〜図7を参照しながら、ヒートシンク10aの構造を説明する。図3は、ヒートシンク10aの構造を示す分解斜視図であり、図4は、ヒートシンク10aを上方(図1のZ軸方向)から見た平面図である。図5、図6および図7は、それぞれ図3のV−V線、VI−VI線およびVII−VII線に沿ったヒートシンク10aの断面図である。なお、ヒートシンク10bおよび10cは、ヒートシンク10aと同一の構造を有する。
図3に示すように、ヒートシンク10は、下板12、仕切り板14および上板16が順次に積層された構造を有している。これらの板は、導電性の接着剤25によって接合されている。接着剤25としては、熱伝導率の高いAgやAuSnなどを使用することが好ましい。
下板12は約400μm程度の厚さを有する銅製の平板であり、下板12を貫通する二つの開口18、20を有している。下板12の上面(仕切り板14と接触する面)には、約200μmの深さを有する凹部22が形成されている。凹部22は、ヒートシンク10a内における冷却水の流路の一部を成している。凹部22の一方の端部は開口18につながっており、他方の端部は下板12の幅方向(図1のY軸方向)に拡がっている。開口18は、凹部22から下板12の下面に延在している。ヒートシンク10a内を流れる冷却水の流動抵抗を小さくし、よどみを少なくするため、凹部22の隅部22aは曲面形状となっている。このような凹部22は、例えば、下板12の上面をエッチングすることによって形成することができる。
上板16は約400μm程度の厚さを有する銅製の平板であり、下板12の開口18、20それぞれに対応する位置に、上板16を貫通する二つの開口26、28を有している。上板16の下面には、約200μmの深さを有する凹部30が形成されている。凹部30も、凹部22と同様に、冷却水の流路の一部を成している。凹部30の一方の端部は開口28につながっており、他方の端部は上板16の幅方向に拡がっている。開口28は、凹部30から上板16の上面に延在している。凹部30は、ヒートシンク10aをZ軸に沿って上方から見たときに下板12の凹部22と部分的に重なるように配置されている。図4では、この重なり部分にハッチングが付されている。ヒートシンク10a内を流れる冷却水の流動抵抗を小さくし、よどみを少なくするため、凹部30の隅部30aは曲面形状となっている。このような凹部30は、例えば、上板16の下面をエッチングすることにより形成することができる。
仕切り板14は、100μm程度の厚さを有する平板であり、下板12の開口18、20それぞれに対応する位置に、仕切り板14を貫通する二つの開口34、36を有している。また、仕切り板14は、開口34、36の反対側に、仕切り板14を貫通する複数の導水孔38を有している。これらの導水孔38は、ヒートシンク10aをZ軸に沿って上方から見たときに凹部22および30の双方と重なる位置に配置されている。したがって、凹部22および30は導水孔38を介して相互に連通する。導水孔38は、例えば、仕切り板14をその両面からエッチングすることによって形成することができる。
上板16の上面は、冷却すべき発熱体であるレーザアレイ2aが搭載されるレーザ搭載領域R2aを有している。導水孔38は、レーザ搭載領域R2aの直下に設けられている。レーザアレイ2aがほぼ直方体形状を有しているため、レーザ搭載領域R2aは長方形状となる。複数の導水孔38は、かかる長方形状の長手方向(図1のY軸方向)、すなわちレーザアレイ2の発光部52が並ぶ方向に沿って等間隔に並べられている。
図3〜図6に示すように、下板12の上面が仕切り板14の下面に接合されると、下板12の凹部22と仕切り板14の下面とによって空間40が形成される。この空間40は、冷却水48が供給管5を通じて流れ込む流入水路である。一方、仕切り板14の上面が上板16の下面に接合されると、上板16の凹部30と仕切り板14の上面とによって空間42が形成される。この空間42は、冷却水48を排出管6に流出させる流出水路である。
下板12、仕切り板14および上板16を接合すると、下板12に形成された開口18、仕切り板14に形成された開口34、および上板16に形成された開口26が連結され、図6に示すように流入口44を形成する。流入口44は、レーザスタック装置1の外部から供給管5を通じて冷却水48を受け、流入水路40に供給する。また、下板12に形成された開口20、仕切り板14に形成された開口36、および上板16に形成された開口28は、連結されて流出口46を形成する。流出口46は、流出水路42から冷却水48を受け、排出管6を通じてレーザスタック装置1の外部に流出させる。
図4〜図7に示すように、流入水路40、流出水路42および導水孔38により、連続した冷却水路が構成されている。流入口44および流出口46も、この冷却水路の一部を成している。導水孔38は、流入水路40に供給された冷却水を流出水路42に噴出させる。そのため、導水孔38は、流入水路40の断面積よりも十分に小さい断面積を有している。
ヒートシンク10a〜10cは、レーザアレイ2a〜2cの駆動中、レーザアレイ2a〜2cと熱交換を行って、それらの温度を低減する。導水孔38によって形成される冷却水の噴流が上板16のうちレーザアレイ2a〜2cの直下に位置する箇所に衝突するので、レーザアレイ2a〜2cが効率良く冷却される。
仕切り板14は、下板12および上板16を構成するCuよりも低い熱膨張率を有する材料から構成されている。この材料は、高い電気伝導度を有することが好ましい。これらの条件を満たす材料の例としては、Ni、Au、W、Pt、Tiまたはステンレススチール(SUS)が挙げられる。Niの線熱膨張率は12.8×10−6/Kであり、Auは14.2×10−6/K、Wは4.5×10−6/K、SUSは10.0×10−6/K、Ptは8.9×10−6/K、Tiは8.6×10−6/Kである。これに対し、Cuの線熱膨張率は16×10−6/Kである。一方、Cuの熱伝導率は、Ni、Au、W、Pt、TiおよびSUSのいずれの熱伝導率よりも高い。また、レーザアレイ2a〜2cはCuよりも低い熱膨張率を有している。例えば、レーザアレイ2a〜2cがGaAs系の場合、その線熱膨張率は約6.5×10−6/Kであり、InP系の場合は、約4.5×10−6/Kである。
更に、仕切り板14は、耐蝕性の高い材料から構成されていることが好ましい。ヒートシンク10a〜10cの冷却水路内を流通する冷却水は、空気中の二酸化炭素の溶解により定常的にpHが7未満となっており、このような酸性の条件の下では、仕切り板14を構成する元素の酸化反応や、溶存酸素の還元反応などの反応が進行して、仕切り板14が腐食してしまう。腐食が進行すると、導水孔38の径が拡大して冷却水の噴流が生じなくなり、冷却性能が低下するおそれがある。上述したNi、Au、W、Pt、TiおよびSUSは、高い耐蝕性を有しており、冷却水の電気分解によって電気化学的に腐食しにくい。このため、腐食による導水孔38の拡大と、それによる冷却性能の低下を防止することができる。この点からも、上記の物質は仕切り板14の材料に適している。
以下では、本実施形態の利点を説明する。本実施形態では、上板16および下板12よりも低い熱膨張率を有する仕切り板14が下板12と上板16の間に挟まれているので、上板16および下板12の熱的な伸縮が仕切り板14によって妨げられる。これにより、各ヒートシンクの全体の熱膨張率が低下して、レーザアレイ2a〜2cの熱膨張率に近づく。また、同じ熱膨張率を有する下板12および上板16によって仕切り板14が狭まれているので、レーザアレイ2a〜2cの温度変化に際してヒートシンク10a〜10cが湾曲しにくい。したがって、レーザアレイ2a〜2cに加わる応力と、この応力によってレーザアレイ2a〜2cに生じる応力歪を低減することができる。この結果、レーザアレイ2a〜2cの損傷と特性劣化を抑え、また、レーザアレイ2a〜2cのヒートシンク10a〜10cからの脱離を防ぐことができる。
下板12および上板16は、仕切り板14よりも高い熱伝導率を有するので、仕切り板14の熱伝導率が高くなくても、上板16とレーザアレイ2a〜2cとの間で熱交換の効率を高めると共に、ヒートシンク10a〜10cの熱放散性を高め、十分な冷却性能を得ることができる。特に、下板12および上板16を構成するCuは、非常に高い熱伝導率を有しており、安価でもある。したがって、ヒートシンク10a〜10cは、良好な冷却性能を有しており、その製造コストも低い。
仕切り板14に使用されるNi、Au、W、Pt、Tiまたはステンレススチールは、十分な電気伝導度と耐蝕性を有するので、レーザアレイ2a〜2c間に良好な電気的導通を形成し、なおかつヒートシンク10a〜10cの耐久性を高めることができる。
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
上記実施形態では、半導体レーザ素子がヒートシンク上に直接、載置されているが、半導体レーザ素子がサブマウント上に搭載され、そのサブマウントがヒートシンク上に載置されてもよい。また、レーザアレイの代わりに、単一の発光部を有する半導体レーザ素子がヒートシンクに搭載されていてもよい。
また、複数の半導体レーザ素子をヒートシンクを介して積層する代わりに、単一の半導体レーザ素子がヒートシンク上に搭載された構成を有するレーザ装置でも、上記のレーザスタック装置と同じ利点を得ることができる。このようなレーザ装置の一例は、図1に示されるレーザスタック装置1からレーザアレイ2b、2c、およびヒートシンク10b、10cを取り除いた構造を有する。
上記実施形態では、下板に形成された凹部22が流入口44に連通し、上板に形成された凹部30が流出口46に連通しているが、下板に形成された凹部が冷媒流出口に連通し、上板に形成された凹部が冷媒流入口に連通していてもよい。
本発明に係るレーザスタック装置の一実施形態の構成を示す斜視図である。 レーザアレイを示す斜視図である。 ヒートシンクの構造を示す分解斜視図である。 ヒートシンクの平面図である。 図3のV−V線に沿ったヒートシンクの断面図である。 図3のVI−VI線に沿ったヒートシンクの断面図である。 図3のVII−VII線に沿ったヒートシンクの断面図である。
符号の説明
1…レーザスタック装置、2a、2b、2c…レーザアレイ、3a、3b…銅板、4a、4b…リード板、5…供給管、6…排出管、7a、7b、7c、7d…絶縁部材、10a、10b、10c…ヒートシンク、12…下板、14…仕切り板、16…上板、18、20…開口、22…第1の凹部、26、28…開口、30…第2の凹部、34、36…開口、38…導水孔、40…流入水路、42…流出水路、44…流入口、46…流出口、48…冷却水、R2a…レーザ搭載領域

Claims (6)

  1. 発熱体を冷却するヒートシンクであって、
    第1の凹部が形成された上面を有する導電性の第1の平板と、
    第2の凹部が形成された下面および前記発熱体が搭載されるべき上面を有する導電性の第2の平板と、
    前記第1の凹部を覆う下面、前記第2の凹部を覆う上面、および前記第1の凹部を前記第2の凹部に連通させる一つ以上の貫通孔を有する導電性の仕切り板と、
    前記第1および第2の凹部の一方から延在し、当該ヒートシンクに冷媒を流入させる冷媒流入口と、
    前記第1および第2の凹部の他方から延在し、当該ヒートシンクから冷媒を流出させる冷媒流出口と、
    を備え、
    前記第1および第2の平板は、共に第1の熱膨張率を有しており、
    前記仕切り板は、前記第1の熱膨張率よりも低い第2の熱膨張率を有している、
    ヒートシンク。
  2. 前記第1の平板は、前記仕切り板よりも高い熱伝導率を有している、請求項1に記載のヒートシンク。
  3. 前記第1および第2の平板は、Cuから構成されている、請求項1または2に記載のヒートシンク。
  4. 前記仕切り板は、Ni、Au、W、Pt、Tiまたはステンレススチールから構成されている、請求項1〜3のいずれかに記載のヒートシンク。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載のヒートシンクと、
    前記ヒートシンクの前記第2の平板の上面に搭載され、前記第1の熱膨張率よりも低い熱膨張率を有する半導体レーザ素子と、
    を備えるレーザ装置。
  6. 第1のヒートシンクと、第2のヒートシンクと、第1の半導体レーザ素子と、第2の半導体レーザ素子とを備え、
    前記第1のヒートシンクおよび第2のヒートシンクは、それぞれ請求項1〜4のいずれかに記載のヒートシンクであり、
    前記第1の半導体レーザ素子は、前記第1のヒートシンクの前記第2の平板の上面と、前記第2のヒートシンクの前記第1の平板の下面との間に配置され、前記第1の熱膨張率よりも低い熱膨張率を有しており、
    前記第2の半導体レーザ素子は、前記第2のヒートシンクの前記第2の平板の上面に搭載され、前記第1の熱膨張率よりも低い熱膨張率を有している、
    レーザスタック装置。
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