JP2009182232A - 半導体レーザ装置およびヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】腐食箇所が特定し易いヒートシンク半導体レーザ装置を得る。
【解決手段】半導体レーザ装置１０１は、半導体レーザバー（半導体レーザ素子）１０と、これを冷却するヒートシンク３０とを有している。ヒートシンク３０は、積層板３１，３２，３３を複数枚積層して、積層方向に隣接する積層板を接合ろう材３５にて相互に接合して構成され、内部に冷却液が流通する流路３７が形成されている。そして、接合ろう材３５のイオン化傾向は、積層板３１，３２，３３のイオン化傾向よりも大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、高出力固体レーザ（ＹＡＧレーザ、波長変換型可視・紫外レーザ）の励起光源として用いられる半導体レーザ装置に関し、特に半導体レーザ装置の半導体レーザ素子を冷却するヒートシンクの構造に関するものである。

上記のような高出力固体レーザの励起光源として用いられる半導体レーザ装置では、高出力化、高信頼化を実現するため水冷による冷却方式が多用されている。例えば特許文献１では水冷による冷却機構を制御することで、半導体レーザの温度調節をしている。

また、高出力半導体レーザ装置には高い排熱効率を実現するために、マイクロチャネル型のヒートシンクが設けられることも多い。マイクロチャネル型のヒートシンクは、エッチング等によりパターンを形成した金属薄板を積層し、拡散接合やろう付け等による接合で作製される。例えば特許文献２には、銅、または金メッキされた銅、およびタングステン焼結合金材料からなる３枚の積層板をはんだ、もしくは拡散接合した積層型マイクロチャネルヒートシンクが開示されている。また、特許文献３には、５枚の積層板を拡散接合等で接合した積層型マイクロチャネルヒートシンクが開示されている。

特開２００２−０７６５００号公報 特開２００４−１８６５２７号公報 特開２００６−２９４９４３号公報 特開平１０−２０９５３１号公報 腐食・防食ハンドブック、鈴木信夫、腐食防食協会編、平成１２年、ｐ５７〜７４

マイクロチャネル型のヒートシンクは、半導体レーザバー直下の水流速度を高めて高い排熱効率を実現する構造であるため、その部分では積層板および積層接合部の腐食が生じやすい。またこの半導体レーザ装置に数十アンペアの電流を注入すると、積層板および積層接合部に過剰な電位がかかり、電池効果により腐食が加速する事態も発生する。そして、腐食が進むと冷却水が漏れ出し、たとえ１個のヒートシンクで水漏れが起こったとしても、搭載している全ての半導体レーザバーに水滴が付着し、全ての半導体レーザバーが使用できなくなってしまうという問題が発生する。

一方、接合材と積層板の材料が同一金属の場合、上記のような理由で電池効果による腐食はほとんど発生しない。例えば特許文献４では積層構造を有するヒートシンクを単一の金属材料で構成することで、異種の金属材料が接合されることがなくなり、電池効果による積層板の腐食の問題を回避している。

しかし、同一金属材料を機械的、熱的に、高熱・圧着などで積層板を直接接合した場合、接合部に狭い隙間があると、隙間の外部と内部で溶存酸素濃度が異なる（特に隙間内部のＯ_２濃度が低い）ことで、隙間部分の腐食速度が周りより速くなることが良く知られている（非特許文献１）。また積層板の表面が荒れていると、上記の理由により、積層板から腐食することも考えられる。

そして、マイクロチャネル型ヒートシンクの腐食を完全に防止することは実質的に困難である。そのため、腐食の発生をいち早く検出することが重要であり、特に、腐食箇所を特定することが重要である。腐食箇所が不特定で、腐食要因を絞り込むことができなければ、正しい腐食対策ができず、もし誤った腐食対策をおこなえば、かえって腐食を加速しかねないからである。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ヒートシンクの腐食対策として、腐食箇所を特定し易くしたマイクロチャネル型のヒートシンクおよびこのヒートシンクを備えた半導体レーザ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置は、積層板を複数枚積層して隣接する積層板を接合ろう材にて相互に接合して構成され、内部に冷却液が流通する流路が形成されたヒートシンクと、ヒートシンクに実装され、このヒートシンクにより冷却される半導体レーザ素子とを備えた半導体レーザ装置において、接合ろう材のイオン化傾向は、積層板のイオン化傾向よりも大きいことを特徴とする。

また、この発明のヒートシンクは、積層板を複数枚積層して隣接する積層板を接合ろう材にて相互に接合して構成され、内部に冷却液が流通する流路が形成され、実装された半導体レーザ素子を冷却するヒートシンクにおいて、接合ろう材のイオン化傾向は、積層板のイオン化傾向よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、積層板を複数枚積層して隣接する積層板を接合ろう材にて相互に接合して構成され、内部に冷却液が流通する流路が形成されたヒートシンクにおいて、接合ろう材のイオン化傾向を、積層板のイオン化傾向よりも大きいものとすることで、積層板よりも接合ろう材が先に腐食する。このように、ヒートシンクを構成する積層板や積層板を接続するろう材の材料を最適化することにより、ヒートシンクの腐食箇所を特定しやすくできる。

本発明は、マイクロチャネル型ヒートシンクの腐食対策として、ヒートシンクを構成する積層板や積層板を接続するろう材の材料を最適化したものである。以下に、本発明によるマイクロチャネル型ヒートシンクおよびこのヒートシンクをの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の高出力固体レーザ（ＹＡＧレーザ、波長変換型可視・紫外レーザ）の励起光源として用いられる半導体レーザ装置の横断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。図１および図２において、半導体レーザ装置１０１は、装置の軸線に直交する細長の半導体レーザバー（半導体レーザ素子）１０と、この半導体レーザバー１０を上面に固定する平板状のサブマウント２０と、さらにこのサブマウント２０を天面上に実装する概略箱状のヒートシンク３０とを有している。ヒートシンク３０は、３枚の積層板として、積層板（天面部）３１、積層板（中間部）３２、積層板（底面部）３３が接合ろう材３５により接合されて箱状とされ、内部にマイクロチャネルの流路３７を形成している。底面を構成する積層板３３には、冷却水を流路３７に流通させる吸入口および吐出口が設けられている。

半導体レーザバー１０は、ＧａＡｓ（熱膨張係数４．０〜６．０×１０^−６／℃）などから構成されている。サブマウント２０は、ＣｕＷ（熱膨張係数６．０×１０^−６／℃）などから構成されている。ヒートシンク３０の各積層板３１，３２，３３は、Ｃｕなどから構成されている。

部材相互間の熱膨張係数の違いによる応力を低減するために、半導体レーザバー１０は、ＡｕＳｎ（融点約２８０℃）などの第一ハンダ１１にてサブマウント２０に接着されている。また、サブマウント２０は、第一ハンダ１１よりも融点の低いＰｂＳｎ（融点約１８０℃）などの第二ハンダ２１でヒートシンク３０に接着されている。これは、先にサブマウント２０と半導体レーザバー１０とを第一ハンダ１１で接着して、その後、サブマウント２０とヒートシンク３０とを第二ハンダ２１で接着するので、第二ハンダ２１でヒートシンク３０を接着する際、第一ハンダ１１が溶融しないようにするためである。

一般に異種金属が混在する場合、イオン化傾向の大きい、すなわち標準電位の低い材料が選択的に腐食する（非特許文献１）。各元素の標準電位は
Ｌｉ＜Ｋ＜Ｃａ＜Ｎａ＜Ｍｇ＜Ａｌ＜Ｍｎ＜Ｚｎ＜Ｃｒ＜Ｆｅ＜Ｃｄ＜Ｃｏ＜Ｎｉ＜Ｓｎ＜Ｐｂ＜（Ｈ）＜Ｃｕ＜Ｈｇ＜Ａｇ＜Ｐｔ＜Ａｕ
となっている。

本実施の形態では上記現象を利用するために、ヒートシンク３０を、Ｃｕで構成された複数の積層板３１，３２，３３と、これら積層板を接合するＰｂＳｎろうなどの接合ろう材３５で作製している。すなわち、接合ろう材３５として、積層板３１，３２，３３よりイオン化傾向の大きい（標準電位の低い）金属を用いている。これにより、積層板３１，３２，３３より接合ろう材３５の方が先に腐食することとなる。そのため、腐食が発生した時点での腐食の箇所を、接合ろう材３５の部分のみとすることができ、腐食発生の箇所を特定しやすくすることができる。

なお、上記実施の形態では、積層板３１，３２，３３をＣｕ、接合ろう材３５をＰｂＳｎろうとして説明したが、積層板３１，３２，３３がＣｕの場合は、接合ろう材３５はＣｒ、Ｆｅ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｐｂからなる群の中から選ばれた少なくとも１つの材料を含めばよい。また、積層板３１，３２，３３はＣｕに限らず、Ｃｕ、ＳｉＣ、Ａｌからなる群の中から選ばれた少なくとも１つの材料を含めばよい。例えば、Ａｌの場合は、Ｃｕに比べ腐食しやすいが加工がしやすいというメリットがある。この場合は、Ａｌよりもイオン化傾向の大きい、Ｎａ，Ｍｇからなる群の中から選ばれた少なくとも１つの材料を接合ろう材３５に含めばよい。また、積層板３１，３２，３３がＳｉＣの場合は、Ｃｕに比べ加工しづらいが腐食しにくいというメリットがある。この場合は、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｐｂ からなる群の中から選ばれた少なくとも１つの材料を接合ろう材に含めばよい。

なお、半導体レーザバー１０はＧａＡｓを主とする材料に限らず、ＩｎＰ（熱膨張係数４．０〜６．０×１０^−６／℃）を主とする材料でもよい。また、第一ハンダ１１は、第二ハンダ２１よりも高融点で、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｕからなる群の中から選ばれた少なくとも１つの材料を含めばよい。また、サブマウント２０は、ＣｕＷに限らず、ＡｌＮ（熱膨張係数４．４×１０^−６／℃）、Ａｌ_２Ｏ_３（熱膨張係数６．４〜８．０×１０^−６／℃）、ＦｅＮｉＣｏ合金（熱膨張係数４．４×１０^−６／℃）でもよい。また、第二ハンダ２１は、第一ハンダ１１よりも低融点で、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｕからなる群の中から選ばれた少なくとも１つの材料を含めばよい。

本実施の形態によれば、積層板３１，３２，３３を接合するろう材に、積層板３１，３２，３３よりもイオン化傾向の大きい金属を用いることにより、ろう材が選択的に腐食されることで腐食発生箇所の特定が容易となり、腐食要因を絞り込むことができ、腐食対策がしやすくなるという効果が得られる。

実施の形態２．
本実施の形態に示す半導体レーザ装置は、実施の形態１に示した半導体レーザ装置の接合材の機械的強度をより向上させるものである。図１において、ヒートシンク３０のマイクロチャネルの流路３７を、Ｃｕなどの積層板３１，３２，３３を接合ろう材３５により重ねて構成する点は、実施の形態１と同様である。本実施の形態では、大気中から冷却水中に入り込んだほこりなど微細金属によって、接合ろう材３５が機械的（流体力学的）な作用を受けて継続的に除去される（削られる）のを防ぐため、機械的強度の劣るＰｂＳｎなどの軟ろう（融点４５０℃未満）ではなく、Ｎｉろうなどの硬ろう（融点４５０℃以上）を用いている。

接合ろう材３５はＮｉろうに限らず、積層板３１，３２，３３がＣｕの場合は、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｐｂからなる群の中から選ばれた少なくとも１つの材料を含んだ硬ろうであればよい。積層板３１，３２，３３はＣｕに限らず、実施の形態１と同様に、ＳｉＣ、Ａｌからなる群の中から選ばれた少なくとも１つの材料を含めばよく、それに対応して適切な硬ろう材を選択すればよい。

本実施の形態によれば、実施の形態１の効果に加え、積層板を接合するろう材に、軟ろうではなく硬ろうを用いることにより、ろう材の機械的強度を増すことができ、ろう材が機械的に除去されることを防止することができるという効果が得られる。

実施の形態３．
本実施の形態に示す半導体レーザ装置は、実施の形態１に示した半導体レーザ装置の接合材の腐食速度を低下させるものである。図１において、ヒートシンク３０のマイクロチャネルの流路３７を、Ｃｕなどからなる積層板３１，３２，３３を接合ろう材３５により重ねて構成する点は、実施の形態１もしくは実施の形態２と同様である。本実施の形態では、積層板３１，３２，３３の接合方法として、ろう材接合時に、フラックスを用いないことが特徴である。フラックスには接合面の酸化皮膜を除去して、ろう材の流れや接合強度を高める効果があり、通常ろう材による接合時に用いられている。しかしながら、フラックスには少なからずＬｉＣｌ、ＺｎＣｌ_２、ＫＣｌ、ＮａＣｌなど腐食性の強い材料が含まれているので、ろう材の腐食速度が加速する。そのため、本実施の形態ではフラックスは用いず、水素炉中、真空中、不活性ガス中などで加圧、加熱などでろう材接合を行う。

本実施の形態によれば、実施の形態１の効果に加え、積層板３１，３２，３３をろう材にて接合する時点でフラックスを用いないことにより、ろう材の腐食速度を低減することができるという効果が得られる。

実施の形態４．
本実施の形態に示す半導体レーザ装置は、実施の形態１に示した半導体レーザ装置の接合材の接合面の面積（幅）を拡大するものである。図３は、図１における一点鎖線Ａ−Ａでの断面を含む本実施の形態に係る半導体レーザ装置１０２を示す斜視図である。図３において、本実施の形態の半導体レーザ装置１０２においては、積層方向に隣接する積層板、すなわち、積層板３１Ｂと３２Ｂ、及び積層板３２Ｂと３３Ｂの接合面の面積を拡大する目的で、接合面が互いに噛み合う凹凸形状とされている。本実施の形態のように、接合部分の構造を凹凸形状にして接合面の面積（幅）を拡大することで、腐食によるリーク時間を延ばすことができる。

拡大できる面積の大きさは接合面の形状によって決まる。図４は、図１におけるＡ−Ａ断面の接合部分の拡大図である。例えば図４のように、１組の凹凸を厚み方向に１ｍｍ設けると、接合面積を１ｍｍ×２×軸方向長さだけ拡大することができる。凹凸を設ける前の接合面の１辺が２ｍｍであるのと比較して、上記のように凹凸を設けることで接合面の幅は４ｍｍに増える。腐食速度を一定とすると、接合面の幅とリーク時間は比例関係にあるので、この場合、接合面の幅が２ｍｍから４ｍｍと２倍にすることにより、リーク時間を２倍に延ばすことができる。

図５は、本実施の形態の他の例である半導体レーザ装置１０３の断面図である。半導体レーザ装置１０３の積層板３１Ｃと３２Ｃとの間、及び積層板３２Ｃと３３Ｃとの間の接合面は、断面クランプ形状とされている。

図６は、本実施の形態のさらに他の例である半導体レーザ装置１０４の断面図である。半導体レーザ装置１０４の積層板３１Ｄと３２Ｄとの間、及び積層板３２Ｄと３３Ｄとの間の接合面は、断面半円形状とされている。

図７は、本実施の形態のさらにまた他の例である半導体レーザ装置１０５の断面図である。半導体レーザ装置１０５の積層板３１Ｅと３２Ｅとの間、及び積層板３２Ｅと３３Ｅとの間の接合面は、断面三角形状とされている。

接合面の断面形状は、図３に示す凹凸形状のほかにも、図５に示すクランプ形状、図６に示す半円形状、図７に示す三角形状など、かかる例に限定されるものではない。図５に示すクランプ形状は凹凸形状よりも製作しやすいが、広げることのできる接合面の幅は凹凸形状の半分である。図６に示す半円形状も広げることのできる接合面の幅は凹凸形状以下である。図７に示す三角形状は凹凸形状よりも製作しやすいが、広げることのできる接合面の幅は凹凸形状以下で、クランプ形状以上である。

本実施の形態によれば、実施の形態１の効果に加え、積層板を接合する接合長を伸ばすことにより、ろう材の腐食によるリーク時間を延ばすことができるという効果が得られる。

本発明は、溶接や切断等の加工用に用いられる数〜数十Ｗクラスの高出力の半導体レーザ装置およびそのヒートシンクに適用されて有用なものである。

本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の横断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。 実施の形態４に係る半導体レーザ装置の図１における一点鎖線Ａ−Ａでの断面を含む斜視図である。 実施の形態４に係る半導体レーザ装置の図１におけるＡ−Ａ断面の接合部分の拡大図である。 実施の形態４に係る半導体レーザ装置の他の例を示す断面図である。 実施の形態４に係る半導体レーザ装置のさらに他の例を示す断面図である。 実施の形態４に係る半導体レーザ装置のさらに他の例を示す断面図である。

符号の説明

１０１，１０２，１０３，１０４ 半導体レーザ装置
１０ 半導体レーザバー（半導体レーザ素子）
１１ 第一ハンダ
２０ サブマウント
２１ 第二ハンダ
３０ ヒートシンク
３１，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄ，３１Ｅ 積層板
３２，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄ，３２Ｅ 積層板
３３，３３Ｂ，３３Ｃ，３３Ｄ，３３Ｅ 積層板
３５ 接合ろう材
３７ 流路

Claims (8)

1. 積層板を複数枚積層して隣接する前記積層板を接合ろう材にて相互に接合して構成され、内部に冷却液が流通する流路が形成されたヒートシンクと、
   前記ヒートシンクに実装され、該ヒートシンクにより冷却される半導体レーザ素子とを備えた半導体レーザ装置において、
   前記接合ろう材のイオン化傾向は、前記積層板のイオン化傾向よりも大きい
   ことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記接合ろう材は、硬ろうである
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記接合ろう材にフラックスを含めずに前記積層板を接合する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
4. 隣接する２枚の前記積層板の接合面が相互に噛み合う凹凸形状とされている
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
5. 積層板を複数枚積層して隣接する前記積層板を接合ろう材にて相互に接合して構成され、内部に冷却液が流通する流路が形成され、実装された半導体レーザ素子を冷却するヒートシンクにおいて、
   前記接合ろう材のイオン化傾向は、前記積層板のイオン化傾向よりも大きい
   ことを特徴とするヒートシンク。
6. 前記接合ろう材は、硬ろうである
   ことを特徴とする請求項５に記載のヒートシンク。
7. 前記接合ろう材にフラックスを含めずに前記積層板を接合する
   ことを特徴とする請求項５または６に記載のヒートシンク。
8. 隣接する２枚の前記積層板の接合面が相互に噛み合う凹凸形状とされている
   ことを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載のヒートシンク。

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