JP6345100B2 - ヒートシンクおよびレーザダイオード装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品などを放熱するためのヒートシンクおよびその製造方法に関する。また本発明は、該ヒートシンクを用いたレーザダイオード装置に関する。

下記特許文献１では、多数のヒートシンク部材を拡散接合、ろう付け等を用いて接合することによって、内部に微細な流路を設けた構造が提案されている。こうした構造は、１）冷媒が微細な流路を通過することによって、冷媒とヒートシンクの接触面積が増える効果と、２）細い流路を冷媒が通過することによって、流速が増加する効果の両方により、高い冷却能力を獲得するものである。

特許第４０３１９０３号

上記のようなヒートシンクでは、接合箇所が多いため、接合の不具合により冷媒漏れが生ずる可能性がある。さらに、部品点数および接合工程が多いため、複雑かつ高コストになる。従って、冷却能力は確保できるものの、一方で信頼性、寿命、コストの点で課題がある。

本発明の目的は、高い冷却能力を有し、簡単かつ低コストで実現できるヒートシンクおよびその製造方法を提供することである。

また本発明の目的は、こうしたヒートシンクを用いたレーザダイオード装置を提供することである。

この発明に係るヒートシンクは、シール部材の当たり面となる外面を有するブロック部材と、外面に対して傾斜し外面に形成された複数のドリル当たり面と、ドリル当たり面に垂直でありドリル当たり面に開口部を有し外面に対して傾斜しブロック部材の内部で互いに連通し開口部からブロック部材の内部へと延びる直線状の複数の流路とを備えている。

本発明によれば、ブロック部材の内部に冷媒流路を比較的簡単に形成できるため、高い冷却能力を有するヒートシンクを低コストで実現できる。

本発明の実施の形態１を示しており、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は平面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明の実施の形態１の分解断面図である。 図１のヒートシンクの形状を示すもので、図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は平面図、図３（ｃ）は断面図、図３（ｄ）は底面図である。 電気絶縁板およびシール部材の形状を示すもので、図４（ａ）は側面図、図４（ｂ）は平面図、図４（ｃ）は平面図、図４（ｄ）は側面図である。 マニホルドの形状を示すもので、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明の実施の形態２を示しており、図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は平面図、図６（ｃ）は図６（ｂ）中のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図６（ｄ）は背面図である。 図６のヒートシンクの後面にマニホルドを装着した状態を示す断面図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１を示しており、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は平面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図２は、その分解断面図である。レーザダイオード装置は、ＬＤ（レーザダイオード）バー７と、サブマウント８と、ヒートシンク９と、電気絶縁板５と、マニホルド３と、ポンプ（Ｐ）５１と、熱交換器（ＨＥ）５２などを備える。

ＬＤバー７は、複数の発光点が直線状に配列した半導体チップであり、一例として、光軸方向の長さが１ｍｍ〜４ｍｍ、幅が約１０ｍｍ、チップ厚みが約０．１ｍｍの寸法を有する。ＬＤバー７の発光波長は、典型的には６００ｎｍ〜１１００ｎｍであるが、その他の赤外波長、紫外波長または可視波長でもよく、発光波長と適合する半導体材料、例えば、ＧａＡｓ，ＧａＮ等が使用される。ＬＤバー７は、放射した光ビームが他の部材によって妨害されないように、好ましくはヒートシンク９の端部に揃えて、サブマウント８とともに設置される。接合方法として、半田付け、接着剤、溶接、熱圧着などが使用できる。また図１には示していないが、ＬＤバー７に給電するため機構、例えば、ワイヤボンディング、リード部材等が設けられる。

サブマウント８は、ヒートシンク９とＬＤバー７の間の熱膨張率の差に起因した損傷を防ぐ機能を有する。その材質として、導電材料、電気絶縁材料などが使用できる。導電材料の場合、ＧａＡｓと熱膨張率が近い材料、例えば、ＣｕＷが一般に使用される。電気絶縁材料の場合、ＳｉＣ，ＡｌＮ，ダイヤモンド等が使用される。その他に、ＣｕとＷを交互に積層して、適切な熱膨張率を実現した複合材料も使用できる。

ヒートシンク９は、ＬＤバー７で発生した熱を吸収して、外部へ放散する機能を有する。その材質として、熱伝導性に優れた単一のブロック部材、例えば、ＣｕブロックにＡｕメッキを施したものが一般に使用される。Ａｕメッキは、Ｃｕブロックの酸化を防止し、半田の塗れ性を改善する。その他に、ＣｕとＷを交互に積層した複合材料も使用でき、この場合、ＬＤバー７の材料、例えば、ＧａＡｓの熱膨張率と近いものであれば、サブマウント８を省略してもよい。絶縁材料のＡｌＮに金属を積層した部材も使用できる。

ヒートシンク９には、外面から内部へ直線状に延びる複数の流路６が設けられ、各流路６は、ヒートシンク９の内部で互いに連通している。図１（ｃ）では、２つの流路６がヒートシンク９の下面から互いに異なる角度で内部へ直線状に延びており、ＬＤバー７の近傍で互いに交差して連通部Ｑを設けた構造を例示している。これらの流路６に冷媒を通過させることによって、ＬＤバー７で発生した熱を効率的に外部へ排出することが可能になる。

マニホルド３は、ヒートシンク９の流路６に冷媒を供給するための入口流路１および、流路６から冷媒を排出するための出口流路２が一体的に形成された単一のブロック部材である。その材質として、金属、プラスチック、セラミック、ガラスなどの各種材料などが使用される。入口流路１および出口流路２は、ヒートシンク９の各流路６の開口部とそれぞれ対向するように設置される。マニホルド３は、ヒートシンク９の下面と液密的に接合され、必要に応じて、Ｏリングなどのシール部材４が入口流路１および出口流路２の周囲にそれぞれ設けられる。また、ヒートシンク９とマニホルド３との間に電気絶縁板５を介在させることによって、両者間の電気絶縁を確保することができる。電気絶縁板５の材料として、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ガラス樹脂等の絶縁体を使用したり、当接面に絶縁板を設けた金属などが使用できる。

ポンプ５１は、冷媒を送給する機能を有する。熱交換器５２は、例えば、放熱フィンを備え、冷媒の熱を外部へ取り出す機能を有する。入口流路１と出口流路２との間には、ポンプ５１および熱交換器５２からなる直列回路が接続される。冷媒は、ポンプ５１→入口流路１→流路６→連通部Ｑ→流路６→出口流路２→熱交換器５２→ポンプ５１の順で循環し、その結果、ＬＤバー７で発生した熱が効率的に外部へ排出される。冷媒として、水、フルオロカーボン、アンモニア、ヘリウム、二酸化炭素、オイルなどが使用できる。

次に、ヒートシンク９の製造方法について説明する。

図３は図１のヒートシンク９の形状を示すもので、図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は平面図、図３（ｃ）は断面図、図３（ｄ）は底面図である。まず最初に、銅材等の金属ブロックの外形を直方体に加工することにより、ヒートシンク９の外形寸法を有する単一のブロック部材を用意する。

次に、各流路６を形成する前の工程として、流路６の長手方向に対して垂直な面１２，１３を切削加工によって形成する。傾斜した流路６をそのままドリル加工する場合、傾斜面に沿ってドリル刃先が逃げて、加工が安定しない。その対策として、ドリル刃先が当たる面１２，１３を流路６の長手方向に対して垂直に加工することによって、安定したドリル加工を実現できる。また、より細いドリルを使用することができる。その結果、複雑で微細な水路を、金属等の接合またはろう付けを行うことなく設計、製造することができる。

次に、ブロック部材の外面から内部へ直線状に延びる第１の流路６を切削加工によって形成する。このとき、面１２において複数の開口部１５が存在するように、複数の流路６を形成することができる。こうした切削加工として、例えば、ドリル加工、エンドミル加工、リーマ加工などが利用できる。

次に、ブロック部材の外面から内部へ直線状に延びる第２の流路６を、ブロック部材の内部で第１の流路６と連通するように切削加工によって形成する。このとき、面１３において複数の開口部１４が存在するように、複数の流路６を形成することができる。

続いて、面精度が必要な面、例えば、ＬＤバー７およびサブマウント８の搭載面について、さらに切削、研磨などを行って高精度の面とし、その後、全体にメッキ等を行う。その際、必要に応じて、メッキ不要面についてはマスクを施す。こうしてヒートシンク９が完成する。その後、ＬＤバー７、サブマウント８を搭載する。

ここで、２つの流路６がヒートシンク９の内部でサブマウント８の近傍で連通した状態になるための方法を説明する。所望の寿命を確保するため、ヒートシンク内部の流路と外部の間に一定の厚みの削れしろを考慮し、例えば、その厚みが３ｍｍであった場合には、サブマウント８の下３ｍｍより深い位置、また、ヒートシンク９の光出射側の端面から３ｍｍ以上深い位置に、交点である連通部Ｑを設定する。その際、十分な連通状態を得るために、ドリルが交点より深く入る必要があること、その場合でも削れしろを確保することを考慮して、交点の位置を決定する。流路の曲がりにより乱流を生じさせ冷却能力を向上することができる。

ドリル穴は、水路が交わるだけ十分深く、かつ、削れしろが小さくなりすぎないような深さ、例えば、流路６の径の１〜１．５倍に設定する。その後、図３（ｄ）に示すように、面１２から穿孔した穴と面１３から穿孔した穴が重なるように、すなわち、穴が並んでいる方向に見て、同じ位置に穴を設けることにより、流路６の十分な接続が得られる。

図４は電気絶縁板５およびシール部材４の形状を示すもので、図４（ａ）は側面図、図４（ｂ）は平面図、図４（ｃ）は平面図、図４（ｄ）は側面図である。図５は、マニホルド３の形状を示すもので、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

ヒートシンク９とマニホルド３との間の接合面は、弾性体であるシール部材４によって封止されており、図示していないが、両者はネジ等で固定されている。シール部材４は、一定の弾性を持ち、変形、つぶれによって隙間を埋める機能を有するものであれば、パッキン、ガスケット等でもよい。また、取り外しの自由度を残す必要がないものであれば、半田付け、接着剤等による封止を行うことも可能である。

また、図２に示すように、開口部１４，１５が設けられている凹部の外側周囲には、マニホルド３の凸部１０，１１の外側で、電気絶縁板５の開口部の内側にシール部材４が位置決めされるように構成されている。シール部材４が適切な量で変形することによって、入口流路１と流路６および出口流路２と流路６とが液密的に接続される。また、図示していないが、電気絶縁板５は、位置決めピン等の手段によって、マニホルド３およびヒートシンク９に位置決めされており、シール部材４が位置ずれを起こすことがない。なお、シール部材４を固定するためには、上記のようにマニホルド３の上面に凸部１０，１１を設ける代わりに、ヒートシンク９の下面に凸部を設けることも可能である。

このように構成されたヒートシンク９では、ブロック部材の外面に対して傾斜した流路６を精度よく形成することが可能である。また、シール部材４の当たり面を単一面に限ることができるようになる。

また、ブロック部材の外面に対して垂直に流路を形成する場合と比べて、傾斜した流路６を形成した場合は、ＬＤバー７の近傍まで流路６を設置できるという利点がある。ＬＤバー７の光は、速軸方向の拡がり角が大きいため、ビームが大きく拡がる方向に障害物を設けることができない。また、速軸方向コリメータ（ＦＡＣ）をＬＤバー７の出射端面近傍に設ける必要があるため、そのためのスペースが必要となる。以上の理由により、ＬＤバー７の直下にあるヒートシンクの流路設計には制約が生じ、Ｏリングの幅等を考えると、外面に対して垂直に流路を形成した場合、ＬＤバー直下には流路の入口を設けることができない。

一方、ヒートシンク９の形状変更により、ＬＤバー直下に流路の入口を設けようとすると、ヒートシンクの前面に突出部を設ける必要が生じるため、加工費用、材料費用が大きくなるという課題がある。これに対して本実施形態の手法を採用することによって、所望の位置に流路の入口を設置できる。しかも、ドリルを用いた複数回の穿孔によって、微細な流路を比較的容易に形成できる。また、流路には接合部がなく、ＬＤバー７に対して可及的に接近するような流路設計が可能である。なお、実際の設計では、冷媒による壊食を考慮して、冷媒の流速を一定以下に維持するとともに、ヒートシンクの壊食による削れしろを確保して、長寿命を達成することが望ましい。

実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２を示しており、図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は平面図、図６（ｃ）は図６（ｂ）中のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図６（ｄ）は背面図である。本実施形態では、ＬＤ（レーザダイオード）バーの上面および下面の両方にヒートシンクをそれぞれ設置した例について説明する。

レーザダイオード装置は、ＬＤバー７と、２つのサブマウント８ａ，８ｂと、２つのヒートシンク９ａ，９ｂと、電気絶縁板１７，１８などを備える。

ＬＤバー７は、実施の形態１で説明したものと同様な構成を有する。

サブマウント８ａ，８ｂは、実施の形態１で説明したものと同様な構成を有し、ＬＤバー７の上面および下面の両方に設けられる。

ヒートシンク９ａ，９ｂは、実施の形態１で説明したものと同様に、外面から内部へ直線状に延びる複数の流路６ａ，６ｂがそれぞれ設けられ、各流路６ａ，６ｂは、ヒートシンク９の内部で互いに連通している。図６（ｃ）では、２つの流路６ａ，６ｂがヒートシンク９ａ，９ｂの後面から互いに異なる角度で内部へ直線状に延びており、ＬＤバー７の近傍で互いに交差して連通部Ｑａ，Ｑｂをそれぞれ設けた構造を例示している。これらの流路６ａ，６ｂに冷媒を通過させることによって、ＬＤバー７で発生した熱を効率的に外部へ排出することが可能になる。ヒートシンク９ａは、サブマウント８ａを介してＬＤバー７の上面に設けられ、ヒートシンク９ｂは、サブマウント８ｂを介してＬＤバー７の下面に設けられる。

電気絶縁板１７，１８は、ＬＤバー７およびサブマウント８ａ，８ｂの合計厚さと同程度な厚さを有しており、ヒートシンク９ａ，９ｂの間に介在することによって、ヒートシンク９ａ，９ｂの対向面を平行に保つ機能を有する。また、ヒートシンク９ａをプラス電極とし、ヒートシンク９ｂをマイナス電極としてＬＤバー７への給電を行う場合、ヒートシンク９ａ，９ｂの間の電気絶縁を確保する。

接合方法に関して、ＬＤバー７とサブマウント８ａ，８ｂとは、融点の高いハードソルダと呼ばれる半田、例えばＡｕＳｎ半田で接合し、サブマウント８ｂとヒートシンク９ｂとは、ＡｕＳｎ半田より融点の低い半田、例えばＳｎＡｇＣｕ半田で接合し、さらに、サブマウント８ａとヒートシンク９ａとは、ＳｎＡｇＣｕ半田より融点の低い半田、例えばＢｉ系半田で接合することが好ましい。これにより半田の融点の高い順番に接合を行うことが可能になり、各部材を安定に積層することができる。

次に、ヒートシンク９ａ，９ｂの製造方法について説明する。まず最初に、銅材等の金属ブロックの外形を直方体に加工することにより、ヒートシンク９ａ，９ｂの外形寸法を有する単一のブロック部材を用意する。

次に、各流路６ａ，６ｂを形成する前の工程として、流路６ａ，６ｂの長手方向に対して垂直な面を切削加工によって形成する。これによりドリル加工の際、ドリル刃先の逃げを防止でき、安定したドリル加工を実現できる。

次に、ブロック部材の外面から内部へ直線状に延びる第１の流路６ａ，６ｂを切削加工によって形成する。こうした切削加工として、例えば、ドリル加工、エンドミル加工、リーマ加工などが利用できる。

次に、ブロック部材の外面から内部へ直線状に延びる第２の流路６ａ，６ｂを、ブロック部材の内部で第１の流路６ａ，６ｂと連通するように切削加工によって形成する。

続いて、ＬＤバー７およびサブマウント８ａ，８ｂの搭載面について、さらに切削、研磨などを行って高精度の面とし、その後、全体にメッキ等を行う。その際、必要に応じて、メッキ不要面についてはマスクを施す。こうしてヒートシンク９ａ，９ｂが完成する。その後、ＬＤバー７の上面および下面にサブマウント８ａ，８ｂをそれぞれ固定し、さらにヒートシンク９ａ，９ｂをそれぞれ固定する。

このようにＬＤバー７の上面および下面を冷却することによって、片面冷却と比べて放熱回路の熱抵抗を下げることができ、ＬＤバーの光出力、量子効率といった出力特性を改善できるだけでなく、電流に依存した波長変化も小さくすることができる。さらに、温度上昇を抑えることができるため、遅軸方向の拡がり角の電流に依存した増加を抑制できるという利点がある。

流路６ａ，６ｂは、冷媒とヒートシンクの接触面積の拡大および流速の向上のために、細い水路を多くを設けた方がよいが、ドリルの径は穴の深さによって制限される。そのため、図６（ｃ）のような形状では、ヒートシンク９ａ，９ｂの光軸方向の長さは可能な限り短い方が好ましい。

また、本実施形態では、光出射方向とは反対の後面に流路６ａ，６ｂの入口と出口を設けた例を示したが、後面以外にも、実施の形態１のようにヒートシンクの最外面に設けもよく、ヒートシンク９ａ，９ｂの対向面または側面に設けもよい。

図７は、図６のヒートシンクの後面にマニホルドを装着した状態を示す断面図である。マニホルド３ａは、ヒートシンク９ａの流路６ａに冷媒を供給するための入口流路２０と、流路６ａから冷媒を排出する流路２１と、流路２１に排出された冷媒をヒートシンク９ｂの流路６ｂに供給する流路２２と、流路６ｂから冷媒を排出するための出口流路２３が一体的に形成された単一のブロック部材である。その材質として、金属、プラスチック、セラミック、ガラスなどの各種材料などが使用される。入口流路２０および出口流路２３は、ヒートシンク９ａ，９ｂの各流路６ａ，６ｂの開口部とそれぞれ対向するように設置される。マニホルド３ａは、ヒートシンク９ａ，９ｂの後面と液密的に接合され、必要に応じて、Ｏリングなどのシール部材２４が入口流路２０および出口流路２３の周囲にそれぞれ設けられる。また、ヒートシンク９ａ，９ｂとマニホルド３ａとの間に電気絶縁板１９を介在させることによって、両者間の電気絶縁を確保することができる。

ポンプ５１は、冷媒を送給する機能を有する。熱交換器５２は、例えば、放熱フィンを備え、冷媒の熱を外部へ取り出す機能を有する。入口流路２０と出口流路２３との間には、ポンプ５１および熱交換器５２からなる直列回路が接続される。冷媒は、ポンプ５１→入口流路２０→流路６ａ→連通部Ｑａ→流路６ａ→流路２１→流路２２→流路６ｂ→連通部Ｑｂ→流路６ｂ→出口流路２３→熱交換器５２→ポンプ５１の順で循環し、その結果、ＬＤバー７で発生した熱が効率的に外部へ排出される。

このようにヒートシンク９ａ，９ｂの後面だけで冷媒の供給および排出を行うことにより、例えばＯリング等による封止を行った場合には、Ｏリングの当たり面が１面に限られるため、Ｏリング当たり面が複数である場合と比べて、より単純で低コストかつ堅固な封止を実現できるという利点がある。

なお、ここではヒートシンク９ａの流路６ａとヒートシンク９ｂの流路６ｂとが直列に接続した例を示したが、並列に接続することも可能である。直列接続の場合、全体の冷媒流量を抑制できる利点がある。並列接続の場合、ヒートシンク９ａを通過するときの冷媒温度とヒートシンク９ｂを通過するときの冷媒温度の差を抑制できる利点がある。

上述の各実施形態において、単一のＬＤバー７を使用した場合を例示したが、複数のＬＤバーを、光軸が平行になるように厚さ方向に積層した垂直スタック型のＬＤバー、あるいは、複数のＬＤバーを、光軸が平行になるように水平方向に配列した水平アレイ型のＬＤバーでも同様に適用できる。

また、ＬＤバーの形状についても、上述の各実施形態においては、幅寸法（発光点が並ぶ方向）が約１０ｍｍのものについて説明したが、ＬＤバーの幅、長さについては制限がなく、幅３〜４ｍｍ程度のミニバーと呼ばれるＬＤバー、あるいは単一の発光点を持ち、幅が０．５ｍｍ前後で、長さが３〜４ｍｍ程度のシングルチップＬＤでも同様に適用できる。

また、冷却対象としてＬＤ（レーザダイオード）を例示したが、上述の各実施形態においても冷却対象はＬＤに限る必要はなく、その他の発熱体でも同様に適用できる。その場合でも、本発明の手法を使用することによって、Ｏリング押さえ面の制約の少ない、単一のＯリング押さえ面で封止が可能であり、信頼性の高い、製作コストが過大とならないヒートシンクを実現できる。

以上、説明したように、本発明に係るヒートシンクは、特許文献１のものと比べて、接合部および封止部がなく、信頼性が高く、製造の過大なコストを要しない冷却ブロックが得られる。

また、発熱体の近傍まで冷媒が到達するため、十分な冷却性能を達成できる。また、ドリル加工による穿孔だけで形成可能な単純な構成の冷却ブロックが得られる。

また、ＬＤの近傍まで冷媒が到達するため、十分な冷却性能を達成でき、波長の電流依存性が小さく、ＬＤ寿命の長い冷却ブロックが得られる。

１，２０ 入口流路、 ２，２３ 出口流路、 ３ マニホルド、
４，２４ シール部材、 ５，１７，１８，１９ 電気絶縁板、
６，６ａ，６ｂ，２１，２２ 流路、 ７ ＬＤ（レーザダイオード）バー、
８，８ａ，８ｂ サブマウント、 ９，９ａ，９ｂ ヒートシンク、
１０，１１ 凸部、 １２，１３ 面、
１４，１４ａ，１４ｂ，１５，１５ａ，１５ｂ 開口部
５１ ポンプ、 ５２ 熱交換器、 Ｑ，Ｑａ，Ｑｂ 連通部。

Claims (4)

1. シール部材の当たり面となる外面を有するブロック部材と、
   前記外面に対して傾斜し前記外面に形成された複数のドリル当たり面と、
   前記ドリル当たり面に垂直であり前記ドリル当たり面に開口部を有し前記ブロック部材の内部で互いに連通し前記開口部から前記ブロック部材の内部へと延びる直線状の複数の流路と
   を備えるヒートシンク。
2. ひとつの前記ドリル当たり面に対して複数の前記流路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記ブロック部材に対して間接又は直接にＬＤが接合され、前記流路に冷媒を流すことによって、前記ＬＤを冷却することを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートシンク。
4. レーザダイオードと、
   単一の第１ブロック部材で構成され前記第１ブロック部材の外面から内部へ直線状に延びる複数の流路が設けられ、各流路は、前記第１ブロック部材の内部で互いに連通し前記レーザダイオードの上面に熱的に接触する第１ヒートシンクと、
   単一の第２ブロック部材で構成され前記第２ブロック部材の外面から内部へ直線状に延びる複数の流路が設けられ、各流路は、前記第２ブロック部材の内部で互いに連通し前記レーザダイオードの下面に熱的に接触する第２ヒートシンクと、
   第１ヒートシンクおよび第２ヒートシンクの各流路と個別に連結される複数の連絡流路を備え、単一のブロック部材で構成されたマニホルドと、
   第１ヒートシンクおよび第２ヒートシンクと前記マニホルドとの間に介在した電気絶縁部材と、を備えることを特徴とするレーザダイオード装置。