(57)【要約】【課題】本発明は半導体素子の温度をより早く正確に計測することにより、半導体素子の出力をより正確に制御することのできる半導体素子モジュールを提供する。【解決手段】放熱フィン４の半導体素子１と反対側の面に窪み３を設け、この窪み３に温度検出素子２を配置し、温度検出素子２と放熱フィン４を熱伝導グリスで熱的に接続したので、熱伝導グリスが放熱フィン４と温度検出素子２の接触面の凹凸のすきまを埋め、相互の接触面積が大きくなるため放熱フィン４と温度検出素子２間の熱伝導効率がより高くなり、半導体素子１の温度をより正確に検出できる。【選択図】図１
2010212477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、前記半導体素子と熱的に接続した放熱フィンと、前記放熱フィンを冷却する冷却ファンとを備え、前記放熱フィンの前記半導体素子と反対側の面に窪みを設け、前記窪みに温度検出素子を配置し、前記温度検出素子と前記放熱フィンを熱伝導グリスで熱的に接続した半導体素子モジュール。
【請求項２】
前記温度検出素子を配置する窪みとして、前記温度検出素子よりも大きな窪みを設けた請求項１記載の半導体素子モジュール。
【請求項３】
前記温度検出素子の信号を入力し、前記温度検出素子から設定された第１の温度以上の信号が入力された場合に前記冷却ファンを駆動する冷却ファン駆動制御部を設けた請求項１または２に記載の半導体素子モジュール。
【請求項４】
前記温度検出素子の信号を入力し、前記温度検出素子から設定された第１の温度以上の信号が入力された場合に前記信号に応じた回転数で前記冷却ファンを駆動する冷却ファン駆動回転数制御部を設けた請求項１から３の何れかに記載の半導体素子モジュール。
【請求項５】
前記温度検出素子の信号を入力し、前記温度検出素子から設定された第２の温度以上の信号が入力された場合に前記半導体素子への電力供給を停止する半導体素子駆動制御部を設けた請求項３または４に記載の半導体素子モジュール。
【請求項６】
前記半導体素子としてレーザを出力する半導体素子を用いた請求項１から５の何れかに記載の半導体素子モジュール。
【請求項７】
前記温度検出素子の信号と前記半導体素子への供給電力と半導体素子のレーザ出力の関係を保持する記憶部を設け、前記記憶部の出力から前記レーザ出力が一定になるように前記半導体素子への電力供給を制御する半導体素子駆動制御部を設けた請求項６記載の半導体素子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力を供給すると発熱する半導体素子を冷却する構造を有する半導体素子モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザ素子など電力を供給すると発熱する半導体素子を冷却する構造を有する半導体素子モジュールは図６に示すような構成となっていた。
【０００３】
図６に示す半導体素子モジュールは、半導体レーザ素子１０１、半導体レーザ素子１０１内部の光学系とカップリングして半導体レーザ素子１０１のレーザ出力を伝送する光ファイバ１０２、半導体レーザ素子１０１を固定する基板１０３、一端に熱的に接続している例えばヒートシンクなどの放熱フィン１０４。放熱フィン１０４の他端（開放端）に配置している冷却ファン１０５、基板１０３上でかつ半導体レーザ素子１０１の近傍に設けた例えばサーミスタなどの温度検出素子１０６を備えており、この冷却ファン１０５は温度検出素子１０６からの信号に基づいて図示しない制御装置で駆動している（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３６８３２６号公報（段落００２８、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体素子は温度によりその出力が変動する性質がある。上記従来の構成では、温度検出素子１０６が基板１０３を介して半導体素子１０１と熱的に接続されている。ここで半導体素子１０１と温度検出素子１０６との接触面には凹凸があり、接触部が点接触となり熱伝導効率が低下する。また基板１０３上の温度検出素子１０６と半導体素子１０１との距離のため熱抵抗が発生する。更に基板１０３は放熱フィン１０４よりも熱抵抗が大きい。
【０００５】
これらの理由で半導体素子１０１の温度に計測誤差が生じ、また半導体素子１０１の温度が変動した場合に温度計測値に遅延が発生していた。
【０００６】
本発明は半導体素子の温度をより早く正確に計測することにより、半導体素子の出力をより正確に制御することのできる半導体素子モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明は、半導体素子と、前記半導体素子と熱的に接続した放熱フィンと、前記放熱フィンを冷却する冷却ファンとを備え、前記放熱フィンの前記半導体素子と反対側の面に窪みを設け、前記窪みに温度検出素子を配置し、前記温度検出素子と前記放熱フィンを熱伝導グリスで熱的に接続したものである。
【０００８】
この構成により、熱伝導グリスは放熱フィンと温度検出素子の接触面の凹凸のすきまを埋めるため、相互の接触面積が大きくなる。さらにグリス層は薄いため放熱フィンと温度検出素子間の熱伝導効率がより高くなる。
【０００９】
そして、半導体素子と温度検出素子間の熱抵抗を小さくでき、また各半導体素子モジュール毎の熱抵抗のばらつきも小さくできるため、半導体素子の温度をより正確に検出でき、温度計測値の遅延を小さくできる。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明は前記温度検出素子を配置する窪みを設け、前記温度検出素子と前記放熱フィンを熱伝導グリスで熱的に接続したことにより、前記半導体素子と前記温度検出素子間の熱抵抗を小さくでき、半導体素子の温度をより正確に検出でき、温度計測値の遅延を小さくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における要部を破断した構成図である。
【００１３】
図１に示す本発明の実施の形態１の半導体素子モジュールは、レーザ出力を伝送する光ファイバ（図示せず）と内部の光学系をカップリングしているレーザダイオードなどの半導体素子１、サーミスタなどの温度検出素子２、熱伝導グリスを内部に配置した窪み３、放熱フィン４、冷却ファン５、半導体素子を固定する基板６、冷却ファン駆動部７、半導体素子駆動部８を備えており、半導体素子１は基板６に接続し、基板６は放熱フィン６に当接して、半導体素子１と放熱フィン４とを熱的に接合している。この放熱フィン４の基板６との当接面とは反対側に冷却ファン５を配置し、冷却ファン５の駆動を制御する冷却ファン駆動部７を接続している。
【００１４】
そして、本実施の形態１の特徴とする構成は、放熱フィン４の基板６との当接面とは反対側で、かつ、半導体素子１の位置に一番近い場所、例えば半導体素子１の中央部分に対向する位置に窪み３を配置し、その窪み３の内部に熱伝導グリスを入れ、その上に温度検出素子２を配置したことである。
【００１５】
そして、温度検出素子２の検出信号は冷却ファン駆動部７に入力するように接続している。
【００１６】
以上のように構成された半導体モジュールの動作を説明する。
【００１７】
半導体素子駆動部８は半導体素子１に電力を供給することで半導体素子１が機能する。また冷却ファン駆動部７が冷却ファン５に電力を供給することで冷却ファン５が回転する。半導体素子１は電力を供給されると内部に熱が発生する。この熱は基板６から放熱フィン４に伝わり、冷却ファン５により発生する風で強制的に空気中に逃がされる。また半導体素子１に発生した熱の一部は放熱フィン４から熱伝導グリスを経て温度検出素子２に伝わる。
【００１８】
この半導体素子１から温度検出素子２までの熱抵抗が小さいほど早く、正確に半導体素子１の温度を検出することができる。
【００１９】
なお、半導体素子１と放熱フィン４との当接面に窪みを設け、その窪みに温度検出素子を設けることも考えられるが、この場合、半導体素子と放熱フィンの当接面積が減少して冷却効果が下がるのと、温度検出素子の故障などによる交換時に、半導体素子と放熱フィンを引き剥してから取り出す必要があり、手間がかかるものとなる。
【００２０】
これに対して本発明のように温度検出素子２を放熱フィン４の基板６との当接面とは反対側で、かつ、半導体素子１の位置に一番近い場所、例えば半導体素子１の中央部分に対向する位置に配置することで、半導体素子１の冷却効果を下げることなく半導体素子１と温度検出素子２との距離を短縮することができ、熱抵抗の大きい基板６を通る熱伝導経路を最小にすることができるとともに、温度検出素子２の不具合などによる交換時にも容易に交換することができる。また、熱伝導グリスは温度検出素子２と放熱フィン４の接触面の凹凸部を埋め、放熱フィン４と温度検出素子２の接触面積を均一、かつ大きくする働きがあり、検出精度を高めることができる。
【００２１】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における要部を破断した構成図である。
【００２２】
図２に示す本発明の実施の形態２の半導体素子モジュールは、レーザ出力を伝送する光ファイバ（図示せず）と内部の光学系をカップリングしているレーザダイオードなどの半導体素子１、サーミスタなどの温度検出素子２、熱伝導グリスを内部に配置した窪み３、放熱フィン４、冷却ファン５、半導体素子を固定する基板６、冷却ファン駆動部７、半導体素子駆動部８を備えており、半導体素子１は基板６に接続し、基板６は放熱フィン６に当接して、半導体素子１と放熱フィン４とを熱的に接合している。この放熱フィン４の基板６との当接面とは反対側に冷却ファン５を配置し、冷却ファン５の駆動を制御する冷却ファン駆動部７を接続している。
【００２３】
そして、本実施の形態２の特徴とする構成は、放熱フィン４の基板６との当接面とは反対側で、かつ、半導体素子１の位置に一番近い場所、例えば半導体素子１の中央部分に対向する位置に窪み３を配置し、その窪み３の内部に熱伝導グリスを入れ、その中に熱伝導グリスに埋まるように温度検出素子２を配置したことである。
【００２４】
そして、温度検出素子２の検出信号は冷却ファン駆動部７に入力するように接続している。
【００２５】
すなわち、図１に示す実施の形態１との違いは温度検出素子２が放熱フィン４の窪み３の中に入っており、熱伝導グリスでその周囲が包まれていることである。
【００２６】
この構成により放熱フィン４と温検出素子４の接触面積が図１の実施の形態１の場合よりもさらに大きくなり、より早く正確に半導体素子の温度を検出することが可能となる。
【００２７】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における要部を破断した構成図である。
【００２８】
図３に示す本発明の実施の形態３の半導体素子モジュールは、レーザ出力を伝送する光ファイバ（図示せず）と内部の光学系をカップリングしているレーザダイオードなどの半導体素子１、サーミスタなどの温度検出素子２、熱伝導グリスを内部に配置した窪み３、放熱フィン４、冷却ファン５、半導体素子を固定する基板６、冷却ファン駆動部７、半導体素子駆動部８、冷却ファン駆動制御部９を備えており、半導体素子１は基板６に接続し、基板６は放熱フィン６に当接して、半導体素子１と放熱フィン４とを熱的に接合している。この放熱フィン４の基板６との当接面とは反対側に冷却ファン５を配置し、冷却ファン５の駆動を制御する冷却ファン駆動部７を接続している。
【００２９】
そして、放熱フィン４の基板６との当接面とは反対側で、かつ、半導体素子１の位置に一番近い場所、例えば半導体素子１の中央部分に対向する位置に窪み３を配置し、その窪み３の内部に熱伝導グリスを入れ、その中に熱伝導グリスに埋まるように温度検出素子２を配置している。
【００３０】
そして、温度検出素子２の検出信号は冷却ファン駆動制御部９に入力し、この冷却ファン駆動制御部９の出力を冷却ファン駆動部７に入力するように接続している。
【００３１】
すなわち、図２に示す実施の形態２との違いは、冷却ファンの駆動制御部９を備えていることである。ここで半導体素子１の出力は温度依存性を持つため、その温度を安定させることが必要である。
【００３２】
冷却ファン駆動制御部９は温度検出素子２の信号が一定温度以上になるまで冷却ファン５を駆動しないことにより、半導体素子１の温度をより早く一定温度に立ち上げることができる。したがって、電源投入後の半導体素子１のウォーミングアップ時間を短縮することが可能となる。
【００３３】
なお、立ち上げ時の温度検出は温度検出素子２を用いる以外に、規定温度を検知する専用の温度検出素子を別に取り付けてもよい。
【００３４】
さらに、冷却ファン駆動制御部９は温度検出素子２の信号から、その温度に応じて冷却ファン５の速度を変化させる信号を冷却ファン駆動部７に送り、温度が低い時は回転数を下げ、高い時は回転数を上げることで冷却能力を可変させるように構成してもよい。
【００３５】
これにより半導体素子の温度を規定温度範囲に抑えることができる。
【００３６】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４における要部を破断した構成図である。
【００３７】
図４に示す本発明の実施の形態４の半導体素子モジュールは、レーザ出力を伝送する光ファイバ（図示せず）と内部の光学系をカップリングしているレーザダイオードなどの半導体素子１、サーミスタなどの温度検出素子２、熱伝導グリスを内部に配置した窪み３、放熱フィン４、冷却ファン５、半導体素子を固定する基板６、冷却ファン駆動部７、半導体素子駆動部８、冷却ファン駆動制御部９、半導体素子制御部１０を備えており、半導体素子１は基板６に接続しており、基板６は放熱フィン６に当接して、半導体素子１と放熱フィン４とを熱的に接合している。この放熱フィン４の基板６との当接面とは反対側に冷却ファン５を配置し、冷却ファン５の駆動を制御する冷却ファン駆動部７を接続している。
【００３８】
そして、放熱フィン４の基板６との当接面とは反対側で、かつ、半導体素子１の位置に一番近い場所、例えば半導体素子１の中央部分に対向する位置に窪み３を配置し、その窪み３の内部に熱伝導グリスを入れ、その中に熱伝導グリスに埋まるように温度検出素子２を配置している。
【００３９】
そして、温度検出素子２の検出信号は半導体素子制御部１０に入力し、この半導体素子制御部１０の出力を半導体素子駆動部８と冷却ファン駆動制御部９にそれぞれ入力するように接続し、この冷却ファン駆動制御部９の出力を冷却ファン駆動部７に入力するように接続している。
【００４０】
半導体素子制御部１０は温度検出素子２から得られる信号から半導体素子１の温度が設定値以上になったと判断すると、半導体素子駆動部８から半導体素子１への電力供給を遮断する。
【００４１】
この構成により半導体素子１の温度が定格を超えて破損することを自動的に防ぐことができる。
【００４２】
なおこの判断は温度検出素子２以外に専用の温度検出素子を取り付けて、その信号により行ってもよい。
【００４３】
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５における要部を破断した構成図である。
【００４４】
図５に示す本発明の実施の形態５の半導体素子モジュールは、レーザ出力を伝送する光ファイバ（図示せず）と内部の光学系をカップリングしているレーザダイオードなどの半導体素子１、サーミスタなどの温度検出素子２、熱伝導グリスを内部に配置した窪み３、放熱フィン４、冷却ファン５、半導体素子を固定する基板６、冷却ファン駆動部７、半導体素子駆動部８、冷却ファン駆動制御部９、半導体素子制御部１０、半導体素子の各温度における電力と出力の関係を保持する記憶部１１を備えており、半導体素子１は基板６に接続しており、基板６は放熱フィン６に当接して、半導体素子１と放熱フィン４とを熱的に接合している。この放熱フィン４の基板６との当接面とは反対側に冷却ファン５を配置し、冷却ファン５の駆動を制御する冷却ファン駆動部７を接続している。
【００４５】
そして、放熱フィン４の基板６との当接面とは反対側で、かつ、半導体素子１の位置に一番近い場所、例えば半導体素子１の中央部分に対向する位置に窪み３を配置し、その窪み３の内部に熱伝導グリスを入れ、その中に熱伝導グリスに埋まるように温度検出素子２を配置している。
【００４６】
そして、温度検出素子２の検出信号は半導体素子制御部１０に入力し、この半導体素子制御部１０の出力を半導体素子駆動部８と冷却ファン駆動制御部９にそれぞれ入力するように接続し、この冷却ファン駆動制御部９の出力を冷却ファン駆動部７に入力するように接続している。
【００４７】
また、半導体素子制御部１０には記憶部１１からの信号を入力するようにしている。
【００４８】
そして、半導体素子制御部１０は温度検出素子２から得られる半導体素子１の温度と現在の目標出力を、記憶部１１から得られる温度特性からその目標電力を計算して、その出力が目標出力になるように半導体素子駆動部８に対して電力を調整する信号を送る。
【００４９】
この構成により半導体素子の温度が変動しても、その出力の変動を抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の半導体モジュールは、半導体素子の温度変動による出力変動を軽減することができ、半導体モジュールとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態１における要部を破断した構成図
【図２】本発明の実施の形態２における要部を破断した構成図
【図３】本発明の実施の形態３における要部を破断した構成図
【図４】本発明の実施の形態４における要部を破断した構成図
【図５】本発明の実施の形態５における要部を破断した構成図
【図６】従来の半導体素子モジュールの構成を示す概要図
【符号の説明】
【００５２】
１    半導体素子
２    温度検出素子
３    熱伝導グリス
４    放熱フィン
５    冷却ファン
６    半導体素子を固定する基板
７    冷却ファン駆動部
８    半導体素子駆動部
９    冷却ファン制御部
１０    半導体素子制御部
１１    記憶部
【図１】
2010212477.tif 000003
【図２】
2010212477.tif 000004
【図３】
2010212477.tif 000005
【図４】
2010212477.tif 000006
【図５】
2010212477.tif 000007
【図６】
2010212477.tif 000008