JPH1197770A - 半導体用冷却部品の製造方法及び半導体レーザ用冷却部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高出力半導体レーザダイオードの如く、多量の
ジュール熱の発生する半導体等を効率よく冷却する冷却
部品を容易に提供すること。 【解決手段】銅系金属薄板に銅と共晶合金を作る金属の
メッキを施して接合する半導体冷却部品の製造方法を特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体用冷却部品の
製造方法及び半導体レーザ用冷却部品の製造方法に係
り、例えば高出力半導体レーザダイオードの如く、多量
のジュール熱の発生する半導体等を効率よく冷却する冷
却部品の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体レーザの励起用として従来はキセノ
ンランプや高出力の水銀灯などが使用されていたが、最
近では小型で励起効率が上がる高出力半導体レーザダイ
オードの開発が進んでいる。このような高出力半導体レ
ーザダイオードを動作させるとき、半導体レーザダイオ
ード列である半導体レーザバーから放出される多量のジ
ュール熱が発生する。このジュール熱を吸収して半導体
レーザバーを冷却するための装置として冷却用モジュー
ルが使用される。

【０００３】一般的に高出力半導体レーザ用の冷却モジ
ュールにはヒートシンクが広く使用される。ところでこ
のヒートシンクは、限られた空間の中で最大の冷却効果
を得る必要があるため、多数の冷却用フインを設けるな
ど構造的に複雑な形状をしたものが多く、高価なものと
なっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ヒートシンクの代わり
として、銅系の薄板にケミカルエッチングにより流路を
形成し、この銅系薄板を積層させ拡散接合により銅系薄
板を接着して、内部に冷却水用の流路を設けた冷却部品
を構成し、この流路に冷却水を流すことで、その銅系薄
板上に配置した半導体の冷却効果を得るものがある。

【０００５】このような冷却部品では、拡散接合に約１
０００℃という高温での熱処理を必要とし、そのため熱
による変形を起こしやすく、しかもこの温度における熱
処理の結果、常温に冷却されたときにおけるアニールの
ため、平面度がなくしかも硬さもなくなるため、熱処理
後の組み立て等に支障をきたす場合が多い。

【０００６】また前記流路が形成された銅系薄板を積層
して接合するとき、接合面に銀ろうを挟み込み、ろう付
けにより流路の形成された銅板を積層接着する方法もあ
る。この場合、冷却水用の流路の形状に合わせて銀ろう
のシートを加工しないと、熱処理時に流路に銀ろうが流
れて流路を埋めてしまい、必要な冷却効果が望めない。
しかも銀ろう自体は固いため薄くすることができず、流
路に合わせて穴抜きするときには穴抜き用の金型が必要
となり高価なものとなる。銀ろう自体を流路に合わせて
加工することは、高価な金型を必要とするのみならず、
固いため極めて困難である。

【０００７】本発明の目的は、このような問題点を改善
して、前記構造的に複雑なヒートシンクよりも安価に製
造可能であり、しかも銅系薄板の拡散接合よりも低温度
で接合処理が可能な半導体用冷却部品の製造方法及び半
導体レーザ用冷却部品の製造方法を提供するものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的は、下記の如
く、本発明の請求項に記載された発明により達成するこ
とができる。 （１）請求項１に記載された半導体用冷却部品の製造方
法では、銅系金属薄板に、銅と共晶合金を作る金属のメ
ッキを施して接合することを特徴とする。

【０００９】（２）請求項２に記載された半導体レーザ
用冷却部品の製造方法では、これまた銅系金属薄板に銅
と共晶合金を作る金属のメッキを施して接合することを
特徴とする。

【００１０】これにより下記の如き作用を奏する。 （１）接着面に銅と共晶合金を作る金属のメッキを施し
て接合するため、従来の銅系金属の拡散接合よりも低温
度で接合が可能となり、熱処理後の変形がなく、被冷却
体の取付けなど、その後の取扱いが非常に容易になる。
しかも流路に対する銀ろうの流れ込みがないので、冷却
効果を向上することができる。

【００１１】（２）流路に対する銀ろうの流れ込みによ
る流路の封鎖がないため、冷却効果を向上することがで
き、発熱量の大きな半導体レーザを効果的に冷却するこ
とができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１〜図３
にもとづき説明する。図１は本発明の実施の形態図であ
り（Ａ）は上板、中板、下板の個別説明図、（Ｂ）はこ
れら各板の積層状態説明図、（Ｃ）は前記（Ｂ）の鎖線
断面図、図２は流路説明図、図３は中板説明図である。

【００１３】図中１は上板、２は中板、３は下板、４は
半導体レーザバー、５は第１水路用孔部、６は第２水路
用孔部、７−１、７−２・・・は上板に形成された細
溝、８−１、８−２・・・は中板に形成された小孔、９
−１、９−２・・・は下板に形成された細溝、１０−
１、１０−２・・・は細溝仕切部、１１−１、１１−２
・・・は中溝、１２−１、１２−２・・・は中溝仕切
部、１３−１、１３−２・・・は合流溝、１４−１、１
４−２・・・は合流溝仕切部、１５は冷却溝部、１６は
小孔列、１７は冷却溝部、２０は冷却部品である。

【００１４】上板１はその面に、例えば半導体レーザバ
ー４の如き半導体の被冷却体が載置されてこれを冷却す
るものであり、その裏面には、図２に示す如き、冷却溝
部が形成され、これに冷却水が流されるものであり、無
酸化銅の如き銅で構成される。

【００１５】中板２は、上板１に形成された冷却溝部と
下板３に形成された冷却溝部とを接続するものであり、
図３に示す如く、多数の小孔８−１、８−２、８−３・
・・が形成され、これにより前記上板１の冷却溝部と下
板３に形成された冷却溝部とを連通する。中板２は、上
板１と同じく、無酸化銅の如き銅で構成される。

【００１６】下板３は、上板１及び中板２とともに冷却
水の流路を構成するものであり、図２に詳細に示す如
く、冷却溝部が形成され、これに冷却水が流されるもの
であり、前記上板１と同じく、無酸化銅の如き銅で構成
される。なお下板３は上板１と同一に構成されている。

【００１７】また上板１、中板２、下板３には、いずれ
も第１水路用孔部５と第２水路用孔部６が形成されてい
る。半導体レーザバー４は、同一方向にレーザ光を出力
する複数の半導体レーザダイオード列であり、例えば固
体レーザ励起用として使用されるものである。

【００１８】第１水路用孔部５は、図１に示す如く、例
えば下方から上方に冷却水を矢印方向に流すことによ
り、上板１に形成された冷却溝部及び中板２に形成され
た小孔８を通って冷却水が流入するものである。この流
入した冷却水は、下板３に形成した冷却溝部を経由し
て、図１に示す矢印方向に示される如く、第２水路用孔
部６を上から下方に流れて、流出される。図１（Ｃ）に
示す如く、上板１の細溝７−１、７−２・・・と下板３
の細溝９−１、９−２・・・は中板２の小孔８−１、８
−２、８−３・・・により連通しているので、このよう
に冷却水が流れる。

【００１９】上板１に形成された冷却溝部と、下板３に
形成された冷却溝部とは同一構成であるので、図２を参
照して下板３について冷却溝部の詳細について説明す
る。下板３には、複数の細溝９−１、９−２、９−３、
９−４・・・が細溝仕切部１０−１、中溝仕切部１２−
１、細溝仕切部１０−２、合流溝仕切部１４−１・・・
等により仕切られて構成されている。

【００２０】細溝９−１と９−２は細溝仕切部１０−１
の先で合流して中溝１１−１を構成し、細溝９−３と９
−４は細溝仕切部１０−２の先で合流して中溝１１−２
を構成する。そして中溝１１−１と１１−２は中溝仕切
部１２−１の先で合流して合流溝１３−１を構成する。
このようにして合流溝１３−１、１３−２・・・が構成
される。そして各合流溝１３−１、１３−２・・・は第
１水路用孔部５と接続されている。

【００２１】上板１と下板３とは前記の如く、同一に構
成されており、図１（Ａ）に示す上板１の裏面には図２
において下板３について説明した前記各溝、仕切部が同
様に構成されている。ただし上板１と下板３とは向きが
反対のため、図１（Ａ）の上板１の各溝、仕切部は、後
述する図４に点線で示す冷却溝部１５に示す如き位置に
存在する。

【００２２】前記細溝９−１、９−２・・・、中溝１１
−１、１１−２・・・、合流溝１３−１、１３−２・・
・の深さは上板１、下板３を構成する薄板の厚さの１／
２を少し超える状態に、例えばケミカルエッチング法に
より形成される。このとき、第１水路用孔部５及び第２
水路用孔部６も、この薄板を両側からケミカルエッチン
グすることにより、前記各溝とともに同時に形成するこ
とができる。

【００２３】また中板２に形成された小孔８−１、８−
２・・・も薄板を両側からケミカルエッチングすること
により、図１（Ｃ）に示す如き状態で、これまた第１水
路用孔部５及び第２水路用孔部６と同時に形成すること
ができる。このようにして図１（Ａ）に示す如く、上板
１、中板２、下板３を得る。

【００２４】それから中板２の両面に、この銅製の薄板
と共晶合金を作る金属、例えば銀のメッキを施す。そし
てこの両面に銀メッキされた中板２を挟んで上板１と中
板２と下板３を積層し、これに重なりを載せ、真空炉中
で加熱圧着する。

【００２５】これによりメッキされた銀が接触している
銅の中に徐々に拡散してゆき、銀ろうの成分に近くなっ
たところで融点が下がり、接着部分は液相化し上板１、
中板２、下板３は接着する。このようにして銀ろうを使
用することなく、銀ろうと同じ８００〜８２０℃の温度
で接着することができる。

【００２６】このようにして冷却部品２０を構成したあ
とでそれから所定の位置に半導体レーザバー４を載置
し、冷却水を流すことにより半導体レーザバー４を強力
に冷却することができる。

【００２７】なお図１（Ａ）では上板１、中板２、下板
３を積層固定するに先立ち半導体レーザバー４を固定す
るかのように示されているが、これは半導体レーザバー
４が上板１にのみ載置されていることを示したものであ
る。

【００２８】勿論この冷却器は半導体レーザバーの冷却
にのみ使用されるものではなく、上板１の平面部分に半
導体チップ等を載置して冷却することもできる。前記図
１（Ｂ）に示す冷却部品２０は、図４に示す如き手法に
より、効率的に生産することができる。

【００２９】銅製の薄板３１に冷却溝部１５を有する上
板１のパターンを多数個ケミカルエッチングにより形成
し、銅製の薄板３２に小孔列１６を有する中板２のパタ
ーンを多数個ケミカルエッチングにより形成し、銅製の
薄板３３に冷却溝部１７を有する下板３のパターンを多
数個ケミカルエッチングにより形成する。

【００３０】それからこの中板２のパターンが形成され
た銅製の薄板３２の両面を銀メッキした後に、前記銅製
の薄板３１、３２、３３を積層する。このとき、各薄板
３１、３２、３３にはピン孔３４−１、３４−２、３４
−３が形成されているので、これらにピンを通して位置
合わせして積層し、積層体３５を構成する。

【００３１】それからこの３枚の薄板３１、３２、３３
をレーザ溶接にて仮止めし、これに重りを載せ真空炉を
用いて加熱し、３枚の薄板３１、３２、３３を圧着させ
る。これにより、前記と同様に、薄板３２にメッキされ
た銀が接触している薄板３１または３３及び自己の薄板
３２の銅の中に徐々に拡散し、銀ろうの成分に近くなる
と融点が下がり液相化して薄板３１、３２、３３は接着
する。

【００３２】このようにして接着後、冷却部品と余分な
部分とは切り離して除去され、冷却部品２０を得る。そ
してこのあと半導体レーザバー４を載置する。このよう
にして冷却部品２０が取付けられた半導体レーザバー４
を、図５に示す如く、固体レーザ４０に対してそのレー
ザ光が固体レーザ４０を励起するように配置する。

【００３３】半導体レーザダイオードの出力は、固体レ
ーザと整合性がよいため効率よく励起することができ
る。なお、前記説明では薄板を構成する銅系金属として
無酸素銅を使用した例について説明したが、本発明は勿
論これに限定されるものではなく、その他のものとして
ベリリウム銅、黄銅、リン青銅、洋白、白銅等を使用す
ることができる。

【００３４】また銅と共晶合金を作る金属のメッキとし
て銀メッキの例について説明したが、本発明はこれまた
勿論これに限定されるものではなく、銅及び銅合金に施
す一般的な金属メッキと同様のものを使用することがで
き、その他のものとして錫メッキ、金メッキ、ガドミウ
ムメッキ等を使用することができる。

【００３５】銅と共晶合金を作る金属のメッキを中板の
両面に施した例について説明したが、本発明は勿論これ
に限定されるものではなく上板及び下板のそれぞれ冷却
溝部が形成された面に施すことができる。このとき、メ
ッキは溝部分には施されにくく、面状部分や、仕切部等
に形成され易い。さらに本発明では銅と共晶合金を作る
金属のメッキを中板の両面及び上板、下板のそれぞれの
冷却溝部が形成された面とに形成して前記接着を行うこ
ともできる。

【００３６】

【発明の効果】本発明では下記の如き効果を奏する。 （１）接着面に銅系金属と共晶合金を作る金属のメッキ
を施して接合するので、従来の銅系金属の拡散接合より
も低温度で接合することが可能となるため分岐構造の溝
部を有する冷却部品を低温度で製造することができ、熱
処理後の変形がなく、被冷却体の取付けなど、その後の
取扱いが容易な冷却部品を得ることができる。しかも冷
却流体の流路に対する銀ろうの流れ込みがないので冷却
部品の冷却効果を向上することができる。

【００３７】（２）冷却流体の流路に対する銀ろうの流
れ込みによる流路の封鎖がないため、冷却効果を向上す
ることができ、発熱量の大きい半導体レーザバーを効果
的に冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態図である。

【図２】流路を有する上板、下板説明図である。

【図３】中板説明図である。

【図４】製造状態説明図である。

【図５】固体レーザに対する使用状態説明図である。

【符号の説明】

１ 上板 ２ 中板 ３ 下板 ４ 半導体レーザバー ５ 第１水路用孔部 ６ 第２水路用孔部 ７ 細溝 ８ 小孔 ９ 細溝 １０ 細溝仕切部 １１ 中溝 １２ 中溝仕切部 １３ 合流溝 １４ 合流溝仕切部 １５ 冷却溝部 １６ 小孔列 １７ 冷却溝部 ２０ 冷却部品

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古澤 孝 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通シンター株式会社内 (72)発明者 瀧川 宏 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 (72)発明者 西川 祐司 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】銅系金属薄板に銅と共晶合金を作る金属の
   メッキを施して接合することを特徴とする半導体用冷却
   部品の製造方法。
2. 【請求項２】銅系金属薄板に銅と共晶合金を作る金属の
   メッキを施して接合することを特徴とする半導体レーザ
   用冷却部品の製造方法。