JP4543651B2

JP4543651B2 - ヒートシンク並びにヒートシンクを備えた光源装置

Info

Publication number: JP4543651B2
Application number: JP2003346325A
Authority: JP
Inventors: 隆史村山
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2023-08-27
Also published as: JP2004134797A

Description

本発明はレーザダイオードや発光ダイオードを実装してなるヒートシンク及びこのヒートシンクを用いた光源装置に関するものであり、特に高出力のレーザダイオードが、また高輝度の発光ダイオードが実装できるヒートシンクであって、また高出力のレーザ光また高輝度のＬＥＤ光が得られる光源装置に関する。

一般的に冷却手段としては、受動的冷却手段と能動的冷却手段とに分けることができる。例えば、前者は熱容量の大きなヒートシンクに放熱するといった手段、後者は発熱体を実装するヒートシンク内に冷却水を流して熱を奪い取るといった手段である。例えば大出力半導体レーザの場合、発熱量も大きい為に、能動的冷却手段が好まれている。このような理由により、熱を能動的に冷却手段として、ヒートシンク内に水路を設け、半導体レーザなどの電子部品の直下を冷却する技術が提案されている。（特許文献１）
従来、水冷による能動的冷却手段を得る方法として、例えば拡散接合により銅系薄板を積層し、拡散接合にて接合する方法がある。しかしながら、銅系薄板からなるヒートシンクの製造方法として１０００℃以上の高温での熱処理が必要であった。また、銅製の薄板と共晶合金を作る金属、例えば銀ろうを施し積層し、真空炉中で加熱圧着する方法が示されているが、８００℃以上の高温での熱処理が必要であった。

特開平９−１０２５６８号公報

しかしながら、拡散接合法では接合温度が高く微細加工を保持することが困難で、また熱変形により平坦度が失われたり、そりが発生したりする。平坦度が失われ、そりが発生すると冷却材の漏れが発生する。これらの問題は板状部材が薄型化されるにつれ顕著になるため、ヒートシンクの低熱抵抗化が困難であった。

また、銀ろうを使用する場合は、拡散接合法に比較すると低温で作成可能であるが、熱処理時に銀ろうの流動性が増すため、加熱圧着する場合は銀ろうが水路を埋める問題があった。

そこで本発明のヒートシンクおよび光源装置は、以下の（１）〜（１６）であることを特徴とする。

（１）本発明のヒートシンクは、少なくとも２以上の板状部材を貼り合わせて形成されるヒートシンクであって、流体が供給される供給口と排出される排出口がヒートシンク外側表面に設けられ、供給口と排出口を連通される流路がヒートシンク内部に形成されるように少なくとも前記板状部材に溝及び／又は孔が設けられた、レーザダイオードを表面に具備するヒートシンクにおいて、貼り合わせの接着材料は共晶材料であることを特徴とする。共晶材料を使用することにより低温で板状部材を低温で貼り合わせることが可能になった。この構成をとることにより、板状部材に対する微細加工を容易に保持することができ、熱変形を抑制するばかりでなく薄型化を容易に実現でき、熱抵抗を低減できる。

（２）本発明のヒートシンクは、前記（１）であって、前記共晶材料がＡｕＳｎ、ＡｕＳｉ、ＳｎＡｇＢｉ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＡｇＢｉＣｕ、ＳｎＣｕ、ＳｎＢｉ、ＰｂＳｎ、Ｉｎからなる群から選択される少なくとも１種又は１種を含む接着材料であることを特徴とする。濡れ性・密着性の観点からこれらの接着材料が好適であることが分かった。

（３）本発明のヒートシンクは、前記（１）または（２）であって、前記板状部材の共晶材料と接する面に、第１の金属膜が形成されていることを特徴とする。

（４）本発明のヒートシンクは、前記（３）であって、前記第１の金属膜は、ＡｕもしくはＡｕを含む積層体であることを特徴とする。

（５）本発明のヒートシンクは、前記（３）または（４）であって、前記第１の金属膜は、前記板状部材の共晶材料と接する面から連続して、溝及び／又は孔の側面に形成されてなることを特徴とする。

（６）本発明のヒートシンクは、前記（１）〜（５）のいずれかであって、前記ヒートシンクに実装されてなるレーザダイオードは、該ヒートシンクと接着部材により接着されてなり、前記接着部材は、前記共晶材料に対して、溶融温度が低い材料からなることを特徴とする。

（７）本発明のヒートシンクは、前記（１）〜（６）のいずれかであって、前記レーザダイオードは２以上であって、前記ヒートシンク表面に、アレイ状に実装されてなることを特徴とする。

（８）本発明の光源装置は、前記（１）〜（７）のいずれかのヒートシンクを用いた光源装置であって、前記レーザダイオードを具備するヒートシンクを複数積層した光源装置であって、対向する２つのヒートシンクが、該２つのヒートシンクのそれぞれの外側表面に設けられた供給口及び／または排出口が連結される孔を有するスペーサを介して接続されてなることを特徴とする。

（９）本発明の光源装置は、前記（８）であって、前記スペーサは、一方がヒートシンクと、他方がヒートシンク上に絶縁膜を介して形成された第２の金属膜と、それぞれ電気的に接続されてなることを特徴とする。

（１０）本発明の光源装置は、前記（９）であって、前記絶縁膜は、熱硬化性の接着部材からなることを特徴とする。

（１１）本発明の光源装置は、前記（９）であって、前記絶縁膜は、ポリイミドを母材とする熱硬化性の接着部材からなることを特徴とする。

（１２）本発明の光源装置は、前記（９）乃至（１１）のいずれかであって、前記レーザダイオードは、第１導電型層と第２導電型層とを有し、第１導電型層が該レーザダイオードが実装されたヒートシンクと、第２導電型層がヒートシンク上の第２の金属膜と、電気的に接続されてなることを特徴とする。

（１３）本発明の光源装置は、前記（１２）であって、前記第２導電型層と第２の金属膜とは、ワイヤーで接続されてなることを特徴とする。

（１４）本発明の光源装置は、前記（１２）または（１３）であって、前記第１導電型層とヒートシンクとは、ワイヤーで接続されてなることを特徴とする。

（１５）本発明の光源装置は、前記（８）〜（１４）のいずれかであって、前記スペーサは、孔にＯリングを有することを特徴とする。

（１６）本発明の光源装置は、前記（８）〜（１５）のいずれかであって、前記レーザダイオードが窒化物半導体素子であることを特徴とする。

本発明の構成をとることにより、板状部材に対する微細加工を施すことが可能となり、熱変形も発生しなくなった。また、本発明の冷却装置に高出力半導体レーザおよび高出力半導体レーザアレイを実装することにより、窒化物系半導体レーザにおいて、ＣＷ駆動で室温で連続発振するワット光源（１Ｗ以上の光源）が得られる。

以下図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明のヒートシンク１１０を構成する板状部材の側面図である。図２はヒートシンク１１０を構成する板状部材の平面図である。８〜１２の白抜き部は供給口と排出口を連通するための流路を形成する孔である。６は流体の供給口で、７は排出口である。ここで流体とは冷却材のことを意味し、例えば純水や低沸点液体などを指す。

ヒートシンク１１０を構成する板状部材同士は、共晶材料にて貼り合わせる。一方の板状部材の表面側に共晶材料を形成し、他方の板状部材の貼り合わせ面側に金属膜を形成する。つまり、板状部材の共晶材料と接する面に、第１の金属膜１１１が形成されてなる。このとき共晶材料としては、ＡｕＳｎ、ＡｕＳｉ、ＳｎＡｇＢｉ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＡｇＢｉＣｕ、ＳｎＣｕ、ＳｎＢｉ、ＰｂＳｎ、Ｉｎからなる群から選択される少なくとも１種又は１種を含む接着材料である。金属膜は接着部材との関係で濡れ性が良好なものが好ましい。種々検討の結果、接着部材としてはＡｕＳｎ、金属膜としてＡｕ、もしくはＡｕを含む積層体、との組み合わせが最適である。第１の金属膜１１１はさらに具体的にはＮｉとＡｕの積層体である。なお、水路形成はケミカルエッチングにより形成してもよく、またこれらの手法をもちいて例えば板状部材１と板状部材２といった組み合わせを予め一体化し、貼り合わせ枚数を減らしてもよい。この場合、孔は溝となる。また、板状部材に形成される水路形状は図２の形状に限定されるものではない。さらに、板状部材は熱伝導性のよい部材とすることが好ましい。ここで板状部材として好ましくは、銅（Ｃｕ）を母材とした銅系薄板材料を用い、最も好ましくは無酸素銅を用いる。

また例えば図６に示されるように、板状部材１０１の共晶材料と接する面に形成される第１の金属膜１１１は、前記板状部材の共晶材料と接する面から連続して、溝及び／又は孔の側面６０１にまで形成されてなることが好ましい。第１の金属膜１１１は接着部材との濡れ性が良好な材料が選択されているので、２以上の板状部材を強固に接着でき、板状部材の間に冷却材が流れ込むことを防ぐことができる。さらに、溝及び／又は孔の側面にまで連続して形成されていると、冷却材の流れる水路上に板状部材の露出された面が無くなるため、冷却材の流れ込み防止の信頼性を上げることができ、また板状部材の冷却材による酸化等の劣化を防ぐこともできる。

また、ヒートシンク１１０に実装されてなるレーザダイオード８１０は、該ヒートシンク１１０と接着部材により接着されてなり、前記接着部材は、前記共晶材料に対して、溶融温度が低い材料からなることを特徴とする。例えば、ＡｕＳｎ、ＡｕＳｉ、ＳｎＡｇＢｉ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＡｇＢｉＣｕ、ＳｎＣｕ、ＳｎＢｉ、ＰｂＳｎ、Ｉｎからなる群から選ばれる少なくとも１種または１種を含む共晶材料からなり、重量比を制御することなどで板状部材を貼り合わせるときに用いられる共晶材料の溶融温度より低くなる材料とする。２以上の板状部材を貼り合わせて形成されたヒートシンク１１０上に実装されるレーザダイオード８１０は、レーザ発振時に発熱し、その熱はヒートシンク１１０に好適に放熱される必要がある。その際、レーザダイオード８１０とヒートシンク１１０との接着面は高温になるので、強固な接着が必要とされる。高温にさらされても溶融しない材料が接着部材として好ましいが、本発明は、２以上の板状部材を共晶材料により貼り合わせているため、その共晶材料の溶融温度より高い溶融温度の接着部材を用いると、レーザダイオード８１０は強固に接着されても、板状部材の共晶材料が溶融する恐れがある。そこで好ましくは、共晶材料の溶融温度より低い溶融温度でかつ、溶融温度が発振時のレーザダイオード８１０の自己発熱による上昇温度より十分に高い溶融温度の接着部材を用いる。

また、本発明のヒートシンク１１０は、レーザダイオード８１０は２以上であって、前記ヒートシンク１１０表面に、アレイ状に実装されてなることを特徴とする。本発明のヒートシンク１１０を用いることにより、レーザ発振時に発熱されるレーザダイオード８１０を複数実装されても十分な放熱と、冷却材などの流れ込みや、それによる板状部材のはがれ、レーザダイオード８１０とヒートシンク１１０とのはがれのないヒートシンク１１０とすることができる。ここで、レーザダイオード８１０実装面に位置するヒートシンク１１０の内部は、中空となっており、溝及び／又は孔からつながった冷却材の水路となる。このレーザダイオード８１０を実装するヒートシンク１１０の中空部は表面に凹凸加工が施されていることでさらに冷却効果が増す。これは、２以上の板状部材を貼り合わせて形成されたヒートシンク１１０であることにより実現できるものである。またヒートシンク１１０の同一面上に形成されるアレイ状のレーザダイオード８１０は並列に接続されていても直列に接続されていてもよい。

また、本発明のヒートシンク１１０を用いてレーザダイオード８１０の光源装置とすることができる。好ましくは、１つもしくは複数のレーザダイオード８１０が実装されたヒートシンク１１０を複数積層して光源装置として用いる。高出力のレーザ光が出射される光源装置を、高密度な光源装置として得ることが可能となる。

このヒートシンク１１０を複数積層して形成された光源装置は、好ましくは、対向する２つのヒートシンク１１０が、それぞれの外側表面に設けられた供給口及び／または排出口が連結されるような、それぞれの開口部に一致した孔を有するスペーサ８０２を介して接続されている。ヒートシンク１１０とヒートシンク１１０の間隔は、このスペーサ８０２の高さによって決まり、スペーサ８０２の高さは、少なくともヒートシンク１１０上に実装されるレーザダイオード８１０の高さより高いものとする。これにより、レーザダイオード８１０のヒートシンク１１０に実装された面と反対の面が、隣接するヒートシンク１１０に当たることなく、安定したレーザ発振が供給できる。このレーザダイオード８１０の通電（電気的接続手段）がワイヤボンディングでなされる場合は、ワイヤ８１１が隣接するヒートシンク１１０に当たらないように、さらに高くする。また本発明の光源装置において、レーザダイオード８１０は、レーザ光がヒートシンク１１０に当たることのないように、ヒートシンク１１０の表面のうち、一方の端部に実装されてなるので、スペーサ８０２は他方の端部で接着されていることが好ましい。これにより信頼性高く隣接するヒートシンク１１０の水路を連結することが可能となる。

またスペーサ８０２は、導電性を有する材料からなり、さらに一方の面がヒートシンク１１０と、他方の面が隣接するヒートシンク１１０上に絶縁膜８０４を介して形成された第２の金属膜８０３と電気的に接続されていることが好ましい。これにより、隣接するヒートシンク１１０が絶縁膜８０４を介して接続されるようになり、隣接するヒートシンク１１０が絶縁される。

さらに、レーザダイオード８１０８１０は第１導電型層と第２導電型層とを有し、第１導電型がｎ型の場合、第２導電型はｐ型となる。またこの逆でもよい。そして、第１の導電型層が該レーザダイオード８１０が実装されたヒートシンク１１０と、第２導電型層がヒートシンク１１０上の第２の金属膜８０３と、電気的に接続されてなることが好ましく、第２の金属膜８０３は、ヒートシンク１１０上に絶縁膜８０４を介して形成されており、またスペーサ８０２と接しているため、レーザを発振する際の通電経路として、レーザダイオード８１０が実装されたヒートシンク１１０を通りレーザダイオード８１０へ、レーザダイオード８１０から第２の金属膜８０３を通り、スペーサ８０２さらには隣接するヒートシンク１１０へ通るようになるため、積層されたヒートシンク１１０間でレーザダイオード８１０が直列に接続されるようになり、複雑な配線回路をヒートシンク１１０に形成することなく、高出力のレーザ光が出射される光源装置を形成することができる。ここで、レーザダイオード８１０は、第１の導電型層と第２の導電型層とが、対向する面にそれぞれあるとき、第１導電型層の面をヒートシンク１１０に実装し、第２導電型層の面をワイヤボンディングにより、第２の金属膜８０３に接続する。しかしながら、窒化ガリウム系半導体層に多く見られる、絶縁基板上に第１導電型層と第２導電型層とが形成されてなるレーザダイオード８１０の場合は、同一面側に第１の導電型層と第２の導電型層の表面を有するので、絶縁基板をヒートシンク１１０に直接実装し、第２導電型層の表面を第２の金属膜８０３にワイヤボンディングし、さらに第１導電型層の表面をヒートシンク１１０にワイヤボンディングする構造をとる。絶縁基板を上面にし、２つの異なる導電型層側がヒートシンク１１０に実装されてなる場合は、ヒートシンク１１０とレーザダイオード８１０との間に配線されたサブマウントを介して実装し、サブマウントから少なくとも第２の金属膜８０３にワイヤボンディングする構造とすればよい。ちなみに第１の導電型層の表面に第１導電型の電極を、第２の導電型層の表面には第２導電型の電極を、それぞれの半導体層と良好なオーミック接触となる材料を選択し、形成されていてもよい。また、第１導電型層と第２導電型層との間に、単一量子井戸や多重量子井戸の構造からなる活性層が形成されていてもよい。また、第１導電型層と第２導電型層とは、それぞれ複数の層が積層されていても、その層全体でその導電型を示すものであればよい。

また本発明の光源装置において、ヒートシンク１１０と第２の金属膜８０３との間の絶縁膜８０４は接着部材であって、さらに熱硬化性の接着部材とすることが好ましい。第２の金属膜８０３は、スペーサ８０２に接着されており、スペーサ８０２が導電性を有するので、スペーサ８０２を介して接着される隣接するヒートシンク１１０と電気的に接続されることとなる。よって、ヒートシンク１１０と第２の金属膜８０３との間に形成する絶縁膜８０４は、隣接するヒートシンク１１０を直接電気的に接続されないような層として機能し、一方のヒートシンク１１０に流れる電流は、レーザダイオード８１０を通して、隣接する他方のヒートシンク１１０に流れるようにすることができる。そして、この絶縁膜８０４は、絶縁膜８０４上の第２の金属膜８０３がワイヤ８１１を有しており、ワイヤーボンディングする際に第２の金属膜８０３には加熱および過重がかかることとなる。そのとき、形成される絶縁膜８０４が熱可塑性の接着部材からなると、ワイヤボンディング時に加熱され、さらに横方向に過重がかかるため、絶縁膜８０４ではがれやずれが発生してしまう。よって、この絶縁膜８０４を熱硬化性の接着部材とし、ヒートシンク１１０と第２の金属膜８０３とを強固に接着することで、容易に光源装置を形成することができ、また信頼性も増す。熱硬化性の接着剤としては、例えば１５０℃以上で硬化する材料を選択することが好ましい。また、この絶縁膜８０４は、ポリイミドを母材とする接着部材であってもよい。これによっても、熱硬化性の接着部材と同様の効果を奏する。ポリイミドを母材とする接着部材としては、たとえばカプトンテープなどが挙げられる。また、例えばレーザダイオード８１０をヒートシンク１１０に実装する際などにおいても、加熱される。このような製造時において、第２の金属膜８０３とヒートシンク１１０とを絶縁膜８０４を介して接着する工程より後の工程で加熱を必要とする場合、この絶縁膜８０４において、後工程での加熱によるはがれやずれの発生をなくすことができる。

また、本発明の光源装置は、ヒートシンク１１０が、外側表面に設けられた供給口及び／または排出口を冷却材が水路を通り、ヒートシンク１１０内部を冷却材が流れる構造となっており、レーザダイオード８１０から発生する熱を冷却材によってヒートシンク１１０から好適に放熱する機能を有する。ヒートシンク１１０は２以上の板状部材を貼り合わせて形成されており、濡れ性のよい金属膜などを設けて強固に接着されているのでヒートシンク１１０内部で冷却水が漏れるということはない。しかしながら、複数のヒートシンク１１０を積層してなり、隣接するヒートシンク１１０とスペーサ８０２を介して接合されている。ここでヒートシンク１１０とスペーサ８０２との間、また絶縁膜８０４と第２の金属膜８０３とを間に介する場合は、その第２の金属膜８０３とスペーサ８０２との間で冷却材が漏れないようにするために、少なくともそれぞれの間にＯリング８０１が形成されてなることが好ましい。Ｏリング８０１は軟材料であって、冷却材によって腐食することのない材料が選択され、例えばゴムのＯリング８０１を用いる。また、このＯリング８０１は、スペーサ８０２の高さよりも高く、スペーサ８０２の孔の内部を貫通する形状であることが好ましい。そしてこのＯリング８０１を用いて、隣接するヒートシンク１１０を接着することにより、接着されたときにはスペーサ８０２とほぼ同じ高さとなる。また軟材料であるのでスペーサ８０２の孔の内部を貫通する形状のＯリング８０１が、高さ方向に圧縮されることになるので、高さ方向に垂直な方向に広がり、スペーサ８０２の孔に密着してＯリング８０１を形成することができる。さらにまたＯリング８０１は断面形状が四角形であり、隣接するそれぞれのヒートシンク１１０に対向する辺が平行であることが好ましく、これにより水路に面するＯリング８０１の接合部が強固となり、さらに冷却材の漏れをなくすことが可能となる。図８（ｃ）に示すように、Ｏリング８０１の外側側面は、スペーサ８０２と第２の金属膜８０３と絶縁膜８０４と接しており、Ｏリング８０１のヒートシンク１１０との接着面は、ヒートシンク１１０表面に形成された第１の金属膜１１１と接している。このとき、第１の金属膜１１１としては、ＡｕもしくはＡｕを含む積層体が選択されることで、ヒートシンク１１０の母材となる銅に対して軟質材料であるため、接着面において、Ｏリング８０１と第１の金属膜１１１とが強固に接着される。とくにヒートシンク１１０の母材が銅系の材料からなると、表面粗さは大きいが、その表面に母材より軟質の第１の金属膜１１１が形成されているので、Ｏリング８０１と第１の金属膜１１１との接着面は密着性も良好となる。

また、本発明のレーザダイオード８１０は、窒化物半導体素子であることが好ましい。これにより例えば６００ｎｍ以下の短波長領域でレーザ発振する高出力のレーザ光源装置を得ることが可能となる。

また、本発明の光源装置は、積層された複数のヒートシンク１１０を貫通する孔が、冷却部材の水路以外に設けられ、その孔に絶縁部材が貫通されていてもよい。これにより複数のヒートシンク１１０を絶縁状態で精度よく接着することができ、水路も良好に形成される。

本実施の形態では、レーザダイオード８１０を用いたヒートシンク１１０および光源装置について説明したが、その他、発光ダイオードや受光素子等にも適用可能であることはいうまでもない。例えば図１３に示すような、１２個の発光ダイオードをヒートシンク１１０表面にマトリックス状に実装し、発光ダイオードの表面が発光面となる光源装置とすることができる。また例えば図１４に示すような、４個の発光ダイオードがヒートシンク１１０上にアレイ上に実装されてなるヒートシンク１１０を３つ積層し、それぞれのヒートシンク１１０の大きさを変えることで、下に位置する発光ダイオードの発光を上に位置するヒートシンク１１０がさえぎらないようにすることができる。これら図１３および図１４に示される発光ダイオードを実装した光源装置は、発光ダイオードからの発熱を好適にヒートシンク１１０から放熱することができるので、複数個の高輝度の発光ダイオードを、高密度で実装でき、かつ高輝度の発光ダイオード光源装置を得ることができる。
［実施例１］
以下に実施例を示すが、本発明は当然これに限定されるものではない。厚みで２００μｍ以上５００μｍ以下の無酸素銅からなる板状部材を、図２に示すように加工を施し、その表面にＡｕ層、その裏面にＡｕＳｎ層を形成した。これら一枚一枚の銅薄板を積層し、Ｎ２ガス雰囲気中にて３００℃〜４００℃の熱処理を施し貼り合わせ、厚みで１ｍｍ程度のヒートシンク１１０を得た。

このヒートシンク１１０に窒化物半導体レーザ素子を接着部材としてＡｕＳｎを使用して実装した。このとき、銅薄板に施すＡｕＳｎの共晶温度に比べ、窒化物半導体レーザ素子を実装する際に用いるＡｕＳｎの共晶温度が低くなるよう、ＡｕＳｎ重量比を制御しておくことにより、窒化物半導体レーザ素子をヒートシンク１１０に実装する際、ヒートシンク１１０のＡｕＳｎ共晶層から剥がれることがなくなった。

また、図３に示すようにスタック構造を採用することにより本発明の薄型ヒートシンク１１０の実現で高密度半導体レーザアレイを作製することが可能である。
［比較例］

通常のステムに窒化物系半導体レーザを実装した場合、発熱源よりステムを経由してヒートシンク１１０に至る時点で、熱抵抗が約２０℃／Ｗ程度ある。しかも過渡熱抵抗の測定で約数ｍ秒後には熱がヒートシンク１１０到達することが図４（ｂ）により読み取れる。ここで発熱量で１０Ｗの半導体素子をＣＷ連続駆動させた。ヒートシンク１１０からの上昇温度が、駆動開始から数ｍ秒後には２００℃となった。連続発振は実現できず素子破壊を起こした。
［実施例２］
厚みが２００μｍ以上５００μｍ以下の無酸素銅からなる３枚の板状部材を、図５（ａ）および（ｂ）に示すように加工を施し、すべての板状部材表面に第１の金属膜１１１としてＡｕ層を形成し、それぞれの板状部材をＡｕＳｎからなる共晶材料により接着させてヒートシンク１１０を形成した。図５（ａ）は冷却部材の供給口と排出口とが両面に形成され、一方の孔が供給口で他方の孔が排出口となる。また図５（ｂ）は冷却部材の供給口と排出口とが片面に形成されている。これにレーザダイオード８１０を共晶材料より溶融温度の低い材料として、ＡｕＳｎの重量比をかえた共晶材料を用い、レーザダイオード８１０を実装した。レーザダイオード８１０は、ヒートシンク１１０の内部が中空で冷却材の水路となる、供給口及び排出口と反対のヒートシンク１１０表面端部５０１に実装した。このヒートシンク１１０に冷却部材を供給しレーザ発振させたところ、冷却部材がヒートシンク１１０内部で漏れることなく、また好適に放熱されるヒートシンク１１０が得られた。
［実施例３］
実施例２において、板状部材の表面に形成されるＡｕ層を、板状部材の孔の側面まで連続して形成したほかは、実施例２と同様にして、レーザダイオード８１０が実装されたヒートシンク１１０を作製した。図６は板状部材の１つについて示すものであり、孔の側面６０１にもＡｕ層が形成されている。これにより、冷却部材がヒートシンク１１０内部で漏れることがなく、またさらにヒートシンク１１０の冷却部材による劣化も抑制することができた。
［実施例４］
厚みが２００μｍ以上５００μｍ以下の無酸素銅からなる５枚の板状部材を、図７（ａ）および（ｂ）に示すように加工を施し、すべての板状部材表面に第１の金属膜１１１としてＡｕ層を形成し、それぞれの板状部材をＡｕＳｎからなる共晶材料により接着させてヒートシンク１１０を形成した。図７（ａ）は冷却部材の供給口と排出口とが両面に形成され、一方の孔が供給口で他方の孔が排出口となる。また図７（ｂ）は冷却部材の供給口と排出口とが片面に形成されている。これにレーザダイオード８１０を共晶材料より溶融温度の低い材料として、ＡｕＳｎの重量比をかえた共晶材料を用い、レーザダイオード８１０を実装した。レーザダイオード８１０は、ヒートシンク１１０の内部が中空で冷却材の水路となる、供給口及び排出口と反対のヒートシンク１１０表面端部７０１に実装した。このヒートシンク１１０に冷却部材を供給しレーザ発振させたところ、冷却部材がヒートシンク１１０内部で漏れることなく、また好適に放熱されるヒートシンク１１０が得られた。
［実施例５］
実施例４において、板状部材の表面に形成されるＡｕ層を、板状部材の孔の側面まで連続して形成したほかは、実施例４と同様にして、レーザダイオード８１０が実装されたヒートシンク１１０を作製した。図６は板状部材の１つについて示すものであり、孔の側面６０１にもＡｕ層が形成されている。これにより、冷却部材がヒートシンク１１０内部で漏れることがなく、またさらにヒートシンク１１０の冷却部材による劣化も抑制することができた。
［実施例６］
実施例５と同様にして、レーザダイオード８１０が実装された板状部材を積層したヒートシンク１１０を得る。図８は本実施例のヒートシンク１１０を模式的に示したものである。図８（ａ）は斜視図を、（ｂ）は（ａ）の点線でカットしたときの断面図を、（ｃ）は（ｂ）の一部を拡大したものである。本実施例ではレーザダイオード８１０はバー状で略記されているが複数のレーザダイオード８１０をアレイ状に実装している。ここでレーザダイオード８１０はヒートシンク１１０と電気的に接続される。次にヒートシンク１１０のレーザダイオード８１０実装側表面に絶縁性で熱硬化性の接着部材を用いて第２の金属膜８０３として、ＣｕとＡｕの積層体を形成する。この第２の金属膜８０３は、ヒートシンク１１０の供給口もしくは排出口となる孔に対応する位置に孔を有している。次に第２の金属膜８０３上にＣｕからなるスペーサ８０２を接着する。このスペーサ８０２にも、第２の金属膜８０３と同様に、ヒートシンク１１０の供給口もしくは排出口となる穴に対応する位置に孔を有している。

次に、各レーザダイオード８１０をそれぞれ、第２の金属膜８０３とワイヤボンディングした。このとき、ワイヤボンディングによる第２の金属膜８０３のはがれやずれは発生しなかった。さらにスペーサ８０２の孔に断面が長方形のゴムからなるＯリング８０１を挿入し、ヒートシンク１１０を得た。このとき、Ｏリング８０１は図８（ｃ）に示すように、Ｏリング８０１の外側側面に絶縁膜８０４と第２の金属膜８０３とスペーサ８０２があり、またヒートシンク１１０と接する面は、ヒートシンク１１０の表面に形成された第１の金属膜１１１（Ａｕ層）と接している。このヒートシンク１１０は複数積層することができ、複数積層しても、冷却材が漏れることなく光源装置を形成でき、また好適に放熱されるヒートシンク１１０となる。
［実施例７］
実施例６によって得られたヒートシンク１１０を図９の（ｃ）に示すように４つ用い、積層して光源装置を形成した。図８に示されるヒートシンク１１０を積層する際、スペーサ８０２とヒートシンク１１０とが接合される。

図９（ａ）に示されるヒートシンク１１０は、図９（ｂ）に示されるよう、矢印９０１から冷却材が流入し、矢印９０２から冷却材が排出されるようになる。そして図９（ｃ）に示される、ヒートシンク１１０を４層積層した光源装置は、図９（ｄ）に示されるように冷却材が流入し、排出されるようになる。

このようにして図９（ｃ）に示されるような光源装置を作製し、レーザ発振させたところ、冷却部材がヒートシンク１１０内部で漏れることなく、また好適に放熱されるヒートシンク１１０が得られた。高出力のレーザ光源装置を得ることができた。
［実施例８］
実施例５によって得られたヒートシンク１１０であって、ヒートシンク１１０上に、窒化ガリウム系の半導体素子を１個実装してレーザ発振を試みた。この結果、１ＷのＣＷ駆動光源が得られた。また図１０に示すＩ−Ｌ特性が得られた。
［実施例９］
実施例５によって得られたヒートシンク１１０であって、ヒートシンク１１０上に１１個のレーザダイオード８１０を直列接続でアレイ状に実装してレーザ発振を試みた。この結果、４ＷのＣＷ駆動光源が得られた。また図１１に示されるようなＩ−Ｌ特性が得られた。
［実施例１０］
実施例７によって得られた光源装置であって、１つのヒートシンク１１０上に１２個の窒化ガリウム系の半導体素子を実装して、合計４８個のレーザダイオード８１０を用いた光源装置とし、レーザ発振を試みた。この結果、１８ＷのＣＷ駆動光源が得られた。また図１２に示されるようなＩ−Ｌ特性が得られた。

本発明の構成をとることにより、板状部材に対する微細加工を施すことが可能となり、熱変形も発生しなくなった。また、本発明の冷却装置に高出力半導体レーザおよび高出力半導体レーザアレイを実装することにより、窒化物系半導体レーザにおいて、ＣＷ駆動で室温で連続発振するワット光源（１Ｗ以上の光源）が得られる。本発明のヒートシンク１１０は、高出力半導体レーザおよび高出力半導体レーザアレイで特に有効であるが、ＬＥＤ素子、受光素子等のあらゆるデバイスに対し適用できるヒートシンク１１０として用いることもできる。

本発明のヒートシンク１１０を構成する板状部材の模式的側面図である。本発明のヒートシンク１１０を構成する板状部材のそれぞれについての平面図である。（ａ）本発明の冷却装置を実装した半導体レーザアレイの模式的側面図である。（ｂ）本発明の冷却装置を実装した半導体レーザアレイの模式的回路図である。（ａ）比較例１に示した一般的ステム実装の半導体レーザを示す模式的斜視図である。（ｂ）一般的ステムの時間（μｓ）に対する熱抵抗（℃／Ｗ）の変化図である。本発明のヒートシンク１１０の一実施の形態を示す模式図である。本発明のヒートシンク１１０となる板状部材の１つを模式的に示す図である。本発明のヒートシンク１１０の他の実施の形態を示す模式図である。本発明のヒートシンク１１０の一実施の形態を示す模式図である。本発明の光源装置を示す模式図である。本発明の一実施の形態によって発振されたレーザダイオード８１０のＩ−Ｌ特性を示す図である。本発明の他の実施の形態によって発振されたレーザダイオード８１０のＩ−Ｌ特性を示す図である。本発明の他の実施の形態によって発振されたレーザダイオード８１０のＩ−Ｌ特性を示す図である。本発明の他の実施の形態として、発光ダイオードを実装した図である。本発明の他の実施の形態として、発光ダイオードを実装した図である。

符号の説明

５・・・ヒートシンク１１０を構成する板状部材、
６・・・流体の供給口、
７・・・流体の排出口、
８、９、１０、１１、１２・・・流路を構成する孔、
５０１・・・レーザダイオードを実装する面、
６０１・・・孔の側面、
７０１・・・レーザダイオードを実装する面、
８０１・・・Ｏリング、
８０２・・・スペーサ、
８０３・・・第２の金属膜、
８０４・・・絶縁膜、
８１０・・・レーザダイオード、
８１１・・・ワイヤ、
９０１・・・供給口、
９０２・・・排出口。

Claims

供給口と排出口とが連通される流路を内部に有するヒートシンクであって、
前記ヒートシンクは、複数の板状部材がＡｕＳｎからなる共晶材料及びＡｕもしくはＡｕを含む積層体からなる第１の金属膜を介して互いに貼り合わせられてなることを特徴とするヒートシンク。
供給口と排出口とが連通される流路を内部に有するヒートシンクの製造方法であって、
複数の板状部材を準備する工程と、
前記板状部材の一方の面にＡｕＳｎからなる共晶材料を形成する工程と、
前記板状部材の他方の面にＡｕもしくはＡｕを含む積層体からなる第１の金属膜を形成する工程と、
前記共晶材料と前記第１の金属膜とが接着されるように、前記複数の板状部材を貼り合わせてヒートシンクとする工程と、を有することを特徴とするヒートシンクの製造方法。