(57)【要約】【課題】  半導体発光素子や半導体受光素子、又は半導体デバイス等の発熱体の放熱に用いられるヒートシンク、並びにこれを備えた半導体装置を提供する。【解決手段】  発熱体が熱的に接続される第１の面を有する第１の板状部材と、該第１の板状部材の第２の面と接続される第２の板状部材とから成る積層板状部材に、流体が供給される供給口と、該供給口と連通し流体が排出される排出口とを備えたヒートシンクにおいて、前記第１の板状部材の第２の面には凹凸を有する。前記凹凸は、発熱体の接続領域に対向した第２の面に有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体が熱的に接続される第１の面を有する第１の板状部材と、該第１の板状部材の第２の面と接続される第２の板状部材とから成る積層板状部材に、流体が供給される供給口と、該供給口と連通し流体が排出される排出口とを備えたヒートシンクにおいて、
前記第１の板状部材の第２の面には凹凸を有することを特徴とするヒートシンク。
【請求項２】
前記凹凸は、発熱体の接続領域に対向した第２の面に有することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク。
【請求項３】
前記凹凸は、段差が１０μｍ以上５００μｍ以下であ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。
【請求項４】
発熱体が熱的に接続される第１の面を有する第１の板状部材と、該第１の板状部材の第２の面と接続される第２の板状部材とから成る積層板状部材に、流体が供給される供給口と、該供給口と連通し流体が排出される排出口とを備えたヒートシンクにおいて、
前記第１の板状部材は、第１の面における発熱体の接触面積（ａ）に対して、発熱体の接触領域に対向した第２の面における表面積（ｂ）が大きいことを特徴とするヒートシンク。
【請求項５】
前記第１の面における発熱体の接触面積（ａ）と、第２の面における発熱体の接触領域に対向した第２の面における表面積（ｂ）との比が、０．２≦（ａ／ｂ）＜１であることを特徴とする請求項４に記載のヒートシンク。
【請求項６】
前記第１の板状部材における第１の面と前記発熱体とは共晶材料を介して接続されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項７】
前記第１の板状部材における第２の面と前記第２の板状部材とは共晶材料を介して接続されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のヒートシンクと、半導体から成る発熱体とを備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
前記発熱体は、前記第１の板状部材における第１の面上に１以上が実装されて成ることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記発熱体が半導体発光素子であることを特徴とする請求項８又は９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
２枚の板状部材の間に冷却用流体を流す流路が形成されたヒートシンクと、前記ヒートシンクの主面上に１次元又は２次元状に配列するように実装された複数の窒化物半導体発光素子とを備えた半導体発光装置であって、
前記流路内において前記板状部材の表面に複数の凸部が形成されたことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項１２】
前記複数の凸部は、前記流路の入口から出口に向かって最も近接する凸部同士を順次結んだ線分が屈曲を繰り返すよう互いにずれて配置されたことを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光装置。
【請求項１３】
前記複数の凸部の少なくとも一部は、前記半導体発光素子の間に中心が位置するように形成されたことを特徴とする請求項１１又は１２に半導体発光装置。
【請求項１４】
前記複数の凸部の少なくとも一部は、前記半導体発光素子の略中央に中心が位置するように形成されたことを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
【請求項１５】
前記複数の凸部が各半導体発光素子の略中央と頂点付近とに配置されたことを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
【請求項１６】
前記凸部の上面が対向する板状部材に接合されたことを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
【請求項１７】
前記流路が平面視で略円形又は略楕円形であることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
【請求項１８】
前記流路の入口及び／又は出口が円弧状であることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
【請求項１９】
前記板状部材の貼り合わせ面が、Ａｕを含む金属材料によって覆われていることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子や半導体受光素子、又は半導体デバイス等の発熱体の放熱に用いられるヒートシンク、並びにこれを備えた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記半導体デバイス等の発熱体の放熱に用いられるヒートシンクにおける一般的な冷却手段としては、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を用いることで発熱体の放熱を行うものであり、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。近年、更なる高出力化や高輝度化等が要求される半導体装置においては、効率よく冷却ができる能動的冷却手段の採用が好まれている。
【０００３】
前記受動的冷却手段を用いた半導体装置として、例えば赤外帯域の半導体レーザアレイで１〜数十ワット（Ｗ）もの光出力が得られている。ここで、半導体レーザアレイとは、単一半導体結晶上に複数の共振器が配列されたアレイ、もしくは分離された複数の半導体結晶上にぞれぞれ共振器が配列されたアレイのことを示す。
【０００４】
また前記半導体レーザアレイをスタック構造とすることによって、数十〜数キロワット（Ｗ）もの光出力が得られている。このようなスタック構造をした半導体装置に用いられている冷却手段が能動的冷却手段である。例えば、ヒートシンク内に水路を設け、半導体レーザアレイの直下を冷却する技術が提案されている。水路内において、加圧された流体が発熱体の直下に吹き付けられるように水路を細めた複数の微細孔が設けられている。この微細孔から流体を勢いよく半導体レーザアレイの直下に吹き付けることで、熱伝達効率を向上させる（特許文献１）。
【０００５】
前記半導体装置の構造は、半導体レーザ等の発熱体の放熱面に対し、流体がほぼ直角に当たるように水路が設計されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１３９４７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記能動的冷却方式の一例として示した半導体レーザ等は、発熱体の放熱面に対して流体（冷却媒体）がほぼ直角に当たるように水路を設計することにより、ヒートシンク内壁面における摩擦抵抗を限りなく小さくした点に特徴がある。すなわち、流体（冷却媒体）と放熱面とが接する部位には、摩擦抵抗を引き起こす一種の皮膜が形成されており、該皮膜を皮膜面に対して垂直な方向から冷却水を勢い良く吹き付けることにより皮膜を破壊して、冷却効率を効率良く向上するものである。
【０００８】
しかしながら、ＬＥＤや面発光レーザ等の面発光装置は、マトリクス状に実装することによりその機能を発揮するものである。即ち、ＬＥＤや面発光レーザ等の面発光装置を複数個組み合わせて高出力の発光装置を作ろうとすれば、複数の面発光装置をマトリクス状に実装する必要がある。これらの面発光装置は各々が発熱体であるため、各面発光装置に対して効率の高い冷却を行う必要がある。ところが、前記水路構造を適用した場合、放熱面に垂直な方向から流体（冷却媒体）が吹き付けられる部位は限られているため、このような部位を面発光装置毎に多数形成するためには水路が複雑化してしまい、面発光装置の高密度な実装が妨げられてしまうという問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、上記問題に鑑み、十分な冷却機能を有するヒートシンク、及びこのようなヒートシンクを備えた半導体装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また本発明は、放熱面と流体（冷却媒体）の流れる方向とが平行な位置関係にある場合や、流体（冷却媒体）の流れる方向と平行な面上に発熱体を１以上実装してある場合においても十分な冷却機能を有するヒートシンク、及びこのようなヒートシンクを備えた半導体装置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】
【００１１】
本発明のヒートシンクは、発熱体が熱的に接続される第１の面を有する第１の板状部材と、該第１の板状部材の第２の面と接続される第２の板状部材とから成る積層板状部材に、流体が供給される供給口と、該供給口と連通し流体が排出される排出口とを備えたヒートシンクにおいて、前記第１の板状部材の第２の面には凹凸を有する。
【００１２】
前記第１の板状部材における第２の面に凹凸を有することで、同一領域での流体が流れる表面積を大きくすることができる。即ち、第１の板状部材の第２の面に形成された凸部は放熱フィンのような役割を果たすようになる。また流体は、段差がある面を進行するため直線的に進行するのみならず、進行方向や進行速度を変化させながら進むことになる。そのため発熱体からの熱を効率よく冷却することができる。またヒートシンクの薄型化や小型化を優先するために供給口の径を小さくした場合であっても十分な冷却機能を有する。
【００１３】
ここで、前記第１の板状部材が、発熱体と接続しているとは、直接的に接しているものに限定されず、熱的に接続していればよい。つまり、第１の板状部材と発熱体との間には熱輸送経路が形成されていればよく、例えば共晶材料を一層又は多層で介している構成としても構わない。また、前記流体とは、冷却媒体であって、純水や低融点液体等である。
【００１４】
また、本発明のヒートシンクにおいて、前記凹凸は、発熱体の接続領域に対向した領域に形成することが好ましい。これにより、流体と接する放熱面積を例えば２倍以上に広げ、第２の面における熱密度（熱流の密度）を下げることができるので効率よく冷却することが出来る。
【００１５】
また、本発明のヒートシンクにおいて、前記第１の板状部材の、第２の面に形成される凹凸は、段差が１０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。凹凸構造は、板状部材に水路を形成するのと同時にケミカルエッチング等によって形成するが、加工精度の都合上１０μｍ以上とするのが好ましい。また、エッチングによって削り出した量が流体の流量を決めるため、上記範囲が５００μｍより高ければ、実質的に冷却に寄与しない流体が存在することになり、しかも過剰な流体を循環させるために、圧力が必要以上に上がってしまい、効率的ではない。そのため、前記段差は５００μｍ以下であることが好ましい。
【００１６】
前記凹凸の段差は１００μｍ以上３００μｍ以下であることがより好ましい。該範囲で段差を形成することにより、更に効率よくヒートシンクを冷却することが出来る。
【００１７】
また、本発明のヒートシンクは、発熱体が熱的に接続される第１の面を有する第１の板状部材と、該第１の板状部材の第２の面と接続される第２の板状部材とから成る積層板状部材に、流体が供給される供給口と、該供給口と連通し流体が排出される排出口とを備えたヒートシンクにおいて、前記第１の板状部材は、第１の面における発熱体の接触面積（ａ）に対して、発熱体の接触領域に対向した第２の面における表面積（ｂ）が大きいことを特徴とする。本件発明者は、放熱面から放熱される熱輸送において、発熱体からの熱はヒートシンク内を厚さ方向に４５°の角度で広がりながら第１の板状部材における第２の面まで伝わる温度分布を確認している。このため発熱体である面発光装置等を高密度に実装すると、隣接する発熱体から生じた熱が第１の板状部材の厚さ方向に伝わる間に重なり合って熱干渉を起こし、局所的に大きな熱が発生することになる。従って、発熱体である面発光装置等を高密度に実装した場合、各面発光装置に流すことができる投入電力は低く制限されてしまう。しかしながら本件発明によれば、そのような高密度実装した半導体装置において、上記構成のような放熱面を確保することで、許容される投入電力を格段に上げることができる。ここで、投入電力とは、面発光装置等の半導体素子に流す電流量と印加電圧の積であり、その投入電力を素子の投影面積で割った値を熱密度と称する。本件発明によれば、例えば熱密度２Ｗ／ｍｍ２以上となるような投入電力を許容することができる。尚、高密度実装とは、発熱体同士の間隔を発熱体の幅より狭くした実装形態であって、該発熱体の数量は３個以上とする。
【００１８】
また、本発明のヒートシンクにおける前記第１の面における発熱体の接触面積（ａ）と、第２の面における発熱体の接触領域に対向した第２の面における表面積（ｂ）との比が、０．２≦（ａ／ｂ）＜１であることが好ましい。更に好ましくは、上記範囲は０．２≦（ａ／ｂ）＜０．５とする。第２の面における表面積（ｂ）が、第１の面における発熱体の接触面積（a）の５倍より大きくすると、かなりの加工精度が要求されることになる。しかしながら、上記範囲であれば、冷却効率をより向上することができる。
【００１９】
また、前記第１の板状部材における第１の面と前記発熱体とは共晶材料を介して接続することが好ましい。これにより、発熱体に熱的ダメージを与えない低温で発熱体と板状部材とを貼り合わせることが可能になる。また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。
【００２０】
また、前記第１の板状部材における第２の面と前記第２の板状部材とも共晶材料を介して接続することが好ましい。各板状部材を貼り合わせる接着部材として共晶材料を使用することにより、板状部材を比較的低温で貼り合わせることが可能になる。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、薄型化を容易に実現でき、熱抵抗を低下することができる。
【００２１】
また本発明の半導体装置は、前記ヒートシンクと、半導体から成る発熱体とを備えたことを特徴とする半導体装置である。このようなヒートシンクを用いることで発熱体の素子特性の熱劣化を防ぐことが可能となり、信頼性に優れた半導体装置を提供することができる。
【００２２】
本発明の半導体装置は、前記第１の板状部材における第１の面上に１以上が実装されて成ることが好ましい。前記第１の板状部材の第２の面上に形成された凹凸によって、該第２の面における熱密度が低下する。そのため、発熱体の自己発熱による光出力の低下を抑制することが可能となり、複数の発熱体を高密度実装することができる。
【００２３】
また、本発明発光装置において、前記発熱体が半導体発光素子であることが好ましい。半導体発光素子は熱特性が敏感であるため熱による劣化が著しい。特に半導体レーザ（ＬＤ）やＬＥＤは発熱量が大きい．しかしながら、本発明のヒートシンクを搭載することで高密度実装かつ高出力化が実現できる。また、半導体発光素子の中でも窒化物半導体発光素子は発熱量が多いため、本発明のヒートシンクを搭載することは特に有効である。
【００２４】
また、本発明のヒートシンクは、前記板状部材を各々貼り合わせる工程において、一方の板状部材の表面側に接着部材を形成し、他方の板状部材の貼り合わせ面に金属膜を形成した後、貼り合わせることができる。接着部材のみならず金属膜を形成することによって接着部材の濡れ性を高め、板状部材同士の密着性を高めることによって冷却材の漏れ問題等の信頼性をさらに高めることが出来る。
【００２５】
また、本発明のヒートシンクは、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。本発明のヒートシンクの製造方法としては、前記共晶材料の張り合わせ温度を５００℃以下とすることが好ましい。この温度範囲でヒートシンクを製造することにより著しく熱変形が改善される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の構成により、例えば、ヒートシンクに窒化物半導体から成るＬＥＤを１０個以上で高密度実装することを可能とし、更にはＣＷ駆動で連続発光するワット光源が得られる。また、本発明のヒートシンクに高出力面発光半導体レーザを１以上実装することにより、熱量の大きな窒化物半導体レーザであっても、ＣＷ駆動で連続発振する小型なワット光源が得られる。また本発明のヒートシンクであれば、半導体発光素子を１以上実装したワット光源自身を複数個配列することも可能となり、さらに高出力な光源を得ることができる。
【００２７】
本発明のヒートシンクは、面発光半導体レーザおよび高輝度ＬＥＤなどで特に有効であるが、発熱を伴うあらゆる半導体デバイスに対し適用できるヒートシンクとして用いることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面に基づいて、本発明を実施するための形態を説明する。
図１は本発明のヒートシンクを備えた半導体装置を示す模式的断面図である。図１の半導体装置は、第１の板状部材２と第２の板状部材３によって構成されたヒートシンクを有しており、発熱体であるＬＥＤチップ１を第１の板状部材２上に実装している。第１の板状部材２と第２の板状部材３との間には冷却用流体を流す流路１２が形成されている。第２の板状部材３は流体の供給口３６ａと排出口３６ｂとを備えている。第１の板状部材２の上面には、ＬＥＤチップ１の実装領域を除いて絶縁性部材４が形成されており、その絶縁性部材４の上に金属部材５が形成されている。第１の板状部材２と金属部材５は絶縁性部材４によって電気的に絶縁されている。発熱体であるＬＥＤチップ１は、その上面に形成されたｎ側電極が金属部材５とワイヤーで接続されている。一方、ＬＥＤチップ１のｐ側電極は、ＬＥＤチップ１の底面に形成されており、第１の板状部材２に接続されている。金属部材５の上には、さらに金属製のキャップ溶接部材６が電気的に接続するように形成されている。また、第１の板状部材２と第２の板状部材３も電気的に接続されている。電源８は、キャップ溶接部材６と第２の板状部材３に接続される。電気的接続経路としては、発熱体１を介して第１の板状部材２と金属部材５とが接続されている。即ち、第２の板状部材３と第１の板状部材２とがＬＥＤチップ１のｐ側電極に電流を流すリードの役割を果たし、金属製のキャップ溶接部材６と金属部材５とがＬＥＤチップ１のｎ側電極に電流を流すリードの役割を果たしている。また金属部材５上のキャップ溶接部材６には、さらにＬＥＤチップ１を保護するためのカバーであるキャップ７が形成されている。キャップ７にはＬＥＤチップ１の発光を観測できるように窓部が形成され、透光性の窓部材９が嵌め込まれている。
【００２９】
図２は、図１に示す半導体装置の構造を模式的に示す斜視図である。尚、図面の簡単のため、金属部材５、キャップ溶接部材６及びキャップ７は省略している。図２に示すように、第１の板状部材２の上に円形の窓部を有する絶縁性部材４が形成されており、その円形の窓部４ａから第１の板状部材２が露出している。この円形の窓部４ａの内側がＬＥＤチップ１の実装領域となっており、窓部４ａ内に複数（図２では２１個）のＬＥＤチップ１が正方マトリックス状に配置されている。尚、正方マトリックス状とは、個々のＬＥＤチップが碁盤目状に配列している状態を差し、配列全体が矩形でなくても良い。本実施の形態によれば、以下に説明する水冷構造によって高い冷却効率を実現できるため、発熱体であるＬＥＤチップ１は、ＬＥＤチップ同士の間隔１１を狭く制限した高密度実装とすることができる。
【００３０】
図３は、本実施の形態に係る半導体装置のヒートシンクの構成を模式的に示す断面図である。尚、本図面では便宜のため個々の部材を分離して示している。ヒートシンクは、第１の板状部材２と第２の板状部材３によって構成されている。第１の板状部材２は、第１の面２１と第２の面２２を有しており、第２の板状部材３は、第１の面３１と第２の面３２を有している。発熱体であるＬＥＤチップ１は、第１の板状部材２の第１の面２１の上に実装されている。第１の板状部材２の第２の面２２と第２の板状部材３の第１の面３１とは互いに対向しており、これら２面に挟まれた部分が冷却用流体が流れる流路となる。図３に部分拡大図で示すように、第１の板状部材２の第２の面２２には、複数の凸部２５が形成されている。この凸部２５により冷却用流体と第１の板状部材２との接触面積が増加し、ＬＥＤチップ１から第１の板状部材２に伝わった熱が効率良く放散される。また、第１の板状部材２に形成された凸部２５は、冷却用流体の進行方向や進行速度を変化させる役割を果たし、このことによっても放熱効率が向上する。ヒートシンクを構成する板状部材は熱伝導性のよい部材とすることが好ましい。好ましくは、銅（Ｃｕ）を母材とした銅系薄板材料である。最も好ましくは無酸素銅である。尚、後述するように板状部材同士の接合を共晶材によって行えば、板状部材の材料選択の自由度が増す。特に、金を含む金属材料によって板状部材の貼り合わせ面全面を覆い、その金を含む金属材料の少なくとも一方を低融点（例えば融点５００℃以下）の共晶材とすれば、冷却材に対する腐食性も考慮する必要がなくなるため、板状部材の材料選択の自由度が一層増す。従って、板状部材（特に第１の板状部材）の材料として、その上に実装する半導体素子の基板材料と熱膨張係数が略同一の材料を用いることも可能となり、それによって半導体素子の実装時に半導体素子に加わる歪みを低減することができる。例えば、半導体素子がＣｕＷ等から成る支持基板上に形成されている場合には、第１の板状部材を同じＣｕＷによって構成し、その貼り合わせ面（＝第２の面）を金を含む金属材料（Ａｕ、ＡｕＳｎ、ＡｕＳｉ又はこれらの積層体等）で覆えば良い。
【００３１】
第１の板状部材２の第２の面２２に凸部２５が形成された結果、凹凸パターンが形成されている。本実施の形態では、凸部２５が平面視で円形（即ち、円柱状）である場合を例に説明するが、凹凸のパターン形状は、縞状、矩形状、ストライプ形状、格子形状等としても良い。第１の板状部材２の第２の面２２に形成される凹凸は、段差が好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以上３００μｍ以下とすることが望ましい。
【００３２】
また、本発明のヒートシンクにおいて、第１の板状部材の第１の面における発熱体の接触面積（ａ）と、第２の面における発熱体の接触領域に対向した第２の面における表面積（ｂ）との比を、好ましくは０．２≦（ａ／ｂ）＜１、更に好ましくは、０．２≦（ａ／ｂ）＜０．５とする。この条件を満たすヒートシンクとするためには、第１の板状部材２の第２の面２２に凹凸を形成すれば良い。また発熱体であるＬＥＤチップ１のチップサイズは□１００μｍ〜□１０ｍｍ程度である。従って、そのような発熱体１が複数個形成された第１の面に対向した第２の面に凹凸を形成する場合、第２の面に形成される凹部及び／又は凸部のサイズは幅を１０μｍ以上１０００μｍ以下とすることが好ましい。
【００３３】
第１の板状部材２と第２の板状部材３の好ましい形態について図４乃至６を参照しながら説明する。図４（ａ）〜（ｃ）は、第１の板状部材２の好ましい形態を示し、図５（ａ）〜（ｃ）は、第２の板状部材３の好ましい形態を示す。また、図６（ａ）及び（ｂ）は、図４と図５に示す板状部材を組み合わせた状態を示す。
【００３４】
まず、第１の板状部材２の好ましい形態について説明する。図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、第１の板状部材２の第２の面２２略中央には、冷却用流体の流路を形成するための円形凹部２４が形成されている。本実施の形態では、円形凹部２４の深さが冷却用流体を流す流路の高さに一致する。そこで円形凹部２４の深さは１０μｍ以上５００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以上３００μｍ以下とすることが望ましい。これは流路の高さが低すぎては、加工が困難であるばかりでなく冷却水が流路を流れる際の抵抗が大きくなるからであり、逆に流路の高さが高すぎては、放熱面である凹部２４の底面から遠く離れた位置にも冷却用流体が流れることになり、冷却に寄与しない流体を過剰に循環させることになるからである。
【００３５】
また、円形凹部２４の底面には、放熱フィンとなる凸部２５が規則的に配列されている。個々の凸部２５の高さは、円形凹部２４の深さと同じか、それよりも低くすることが好ましい。本実施の形態では、凸部２５の高さを円形凹部２４の深さ（＝流路の高さ）と同じにしている。こうすれば、第１の板状部材２と第２の板状部材３を張り合わせた際に凸部２５が支柱としての役割を果たし、ヒートシンクの機械的な強度が向上する。その際、凸部２５の上面を第２の板状部材３の表面と接合すれば、第１の板状部材２と第２の板状部材３の接合面積が増し、ヒートシンクの機械的強度が一層向上する。一方、凸部２５の高さを円形凹部２４の深さ（＝流路の高さ）よりも低くすれば、凸部２５の上面も冷却用の流体に接触することになり、放熱効率が向上する。尚、凸部２５を第２の板状部材３の第１の面３１に形成し、凸部２５の上面を第１の板状部材２の第２の面２２と貼り合わせることも可能である。その場合、凸部２５は第１の板状部材２の第２の面２２と熱的及び機械的に一体化しているため、第１の板状部材２の第２の面２２に凸部形成されたとみることができる。第１の板状部材２の４隅には螺子穴２３が形成されている。
【００３６】
次に、第２の板状部材３の好ましい形態について説明する。図５（ａ）乃至（ｃ）に示すように、第２の板状部材３には流体を供給するための貫通穴である供給口３６ａ及び流体を排出するための貫通穴である排出口３６ｂが形成されている。また、第２の板状部材の第１の面３１には、供給口３６ａから第２の板状部材３の中央に向かって略扇状に広がる扇状凹部３４ａが形成されており、冷却用流体を供給口３６ａから流路の入口に導くガイド部を構成している。尚、扇状凹部３４ａの板状部材中央に近い周縁３７ａは円弧状となっており、図４に示した円形凹部２４の周縁２４ａと共に流路の入口を構成する。また、扇状凹部３４ａの底面には、複数の支持柱３５ａが形成されている。支持柱３５ａは、流体の流れる方向に一致するよう放射状に配列されている。また、支持柱３５ａは、その上面が第２の板状部材の第１の面３１と面一になる高さを有しており、第１の板状部材２と第２の板状部材３を貼り合せる際の接合面となる。このような支持柱３５ａを形成することにより、ヒートシンクの機械的強度が向上すると共に、冷却用流体が流路全体に均一に流れやすくなる。
【００３７】
また、排出口３６ｂについても同様の構造が形成されている。即ち、排出口３６ｂから板状部材の中央に向かって略扇状に広がる扇状凹部３４ｂが形成されており、冷却用流体を流路の出口から排出口３６ｂに導く導入ガイド部を構成している。尚、扇状凹部３４ｂの板状部材中央に近い周縁３７ｂは円弧状となっており、図４に示した円形凹部２４の周縁２４ｂと共に流路の出口を構成する。また、扇状凹部３４ｂの底面には、複数の支持柱３５ｂが形成されている。尚、第２の板状部材３の４隅には螺子穴３３が形成されており、第２の板状部材２の４隅に設けられた螺子穴２３と一致させることで、板状部材同士の位置合わせを可能にしている。
【００３８】
これらの第１の板状部材２と第２の板状部材３を組み合わせると図６（ａ）及び（ｂ）に示すような形態となる。図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の板状部材２の第２の面２２に形成された円形凹部２４は、第２の板状部材の第１の面３１との間に円形の冷却用流路を形成する。この円形の冷却用流路の入口１３は、第２の板状部材３に形成された扇状凹部３４ａの円弧状の周縁部３７ａと、第１の板状部材２の円形凹部２４の周縁部２４ａとの間に形成されており、円弧状の形状を有する。同様に、円形の冷却用流路の出口１４は、第２の板状部材３に形成された扇状凹部３４ｂの円弧状の周縁部３７ｂと、第１の板状部材２の円形凹部２４の周縁部２４ｂとの間に形成されており、円弧状の形状を有する。尚、当然ながら円弧状の周縁部３７ａ又は３７ｂは、第１の板状部材２の円形凹部２４の周縁部２４ａ又は２４ｂよりも内側に位置するよう形成されている。また、第２の板状部材３に形成された扇状凹部３４ａは、第１の板状部材の第２の面３２との間に、供給口３６ａから流路の入口１３に冷却用流体を導くガイドを形成する。同様に、第２の板状部材３に形成された扇状凹部３４ｂは、第１の板状部材の第２の面２２との間に、流路の出口１４から排出口３６ｂに冷却用流体を導くガイドを形成する。
【００３９】
図６に示すヒートシンクにおいて冷却用流体の流れは次のようになる。まず、供給口３６ａから導入された冷却用流体は、扇状凹部３４ａによって構成されたガイドに沿って広がりながらヒートシンク中央に向かって流れる。そして、扇状凹部３４ａの周縁部３７ａに到達すると、扇状凹部３４ａの周縁部３７ａと円形凹部２４の周縁部２４ａによって形成された流路の入口１３に流れ込む。ここで流路の入口１３は円弧状であるため、ヒートシンクの中央に向かう流れの一部は、ヒートシンクの周辺部に回り込みながら流路に進入することになる。従って、冷却用流体が流路全体に均一に流れやすくなると共に、冷却用流体の水圧分布が流体の流れに対して垂直な等高線を形成し易くなる。従って、平面的な広がりを有する流路全体に渡って均一な冷却効果を得ることができ、実装したＬＥＤチップ１の熱による特性ばらつきを抑制することができる。
【００４０】
そして冷却用流路の入口１３から流入した流体は、凸部２５によってＳ字状に迂回を繰り返しながら流路の出口１４に向かう。即ち、凸部２５は、流路の入口１３の中央から出口１４の中央に向かって最も近接する凸部２５同士を順次結んだ線分が屈曲を繰り返すよう互いにずれて配置されているため、凸部２５にぶつかった流体はＳ字状に迂回を繰り返しながら流路を流れることになる。換言すれば、凸部２５の２次元配列を流路の入り口から第１列、第２列、・・第ｎ列とみたときに、第ｎ列目の凸部２５の配列は、第（ｎ−１）列目の凸部２５の配列から半ピッチ分だけ上下にずれて配置されている。これにより各凸部２５は、近接する４つの凸部のつくる正方形の中心に位置する配置となる。このように流体がＳ字状に迂回を繰り返しながら流れるように凸部２５を配置することにより、冷却用流体と第１の板状部材との間の熱交換が促進され、放熱効果が一層高くなる。
【００４１】
こうして流路を流れた冷却用流体は、流路出口１４に到達すると扇状凹部３４ｂによって構成されたガイドを通じて排出口３６ｂから排出される。ここで流路の出口１４は円弧状であるため、流路の周辺部から流れてきた流体は出口１４の中央に向かって回り込みながら流れ出ることになる。従って、先と同様に、冷却用流体が流路全体に均一に流れやすくなると共に、冷却用流体の水圧分布が流体の流れに対して垂直な等高線を形成し易くなる。従って、平面的な広がりを有する流路全体に渡って均一な放熱効果を得ることができ、実装したＬＥＤチップ１の熱による特性ばらつきを抑制することができる。尚、板状部材に形成される流路形状は図４、図５の形状に限定されるものではない。
【００４２】
本実施の形態において、流路内に形成する凸部２５は発熱体であるＬＥＤチップ１に対して特定の位置に配置することが好ましい。図７（ａ）及び（ｂ）は、ＬＥＤチップ１が正方マトリックス状に配列されている場合におけるＬＥＤチップ１と凸部２５の位置関係を示す模式図である。前述の通り、ＬＥＤチップ等の発熱体からの発熱は、放熱面から放熱される熱輸送においてヒートシンク内を厚さ方向に４５°の角度で広がりながら伝わる。即ち、図７（ｂ）に示すように、ＬＥＤチップ１で発生した熱は、第１の板状部材２を板厚方向に進行する際に４５°の角度で広がりながら進行する。このためＬＥＤチップ１等を、例えばチップ同士の間隔がチップ幅以下（より具体的には、チップ幅の半分以下）であるような高い密度で実装すると、隣接する２つのＬＥＤチップで生じた熱が第１の板状部材の厚さ方向に伝わる間に重なり合って熱干渉を起こし、ＬＥＤチップ１同士の間隔１１に相当する位置で相対的に熱密度が高くなる。そこで複数ある凸部２５の少なくとも一部は、ＬＥＤチップ１同士の間隔１１に相当する位置に形成することが望ましい。何故なら凸部２５を形成すれば、その部分における熱密度を下げることができるからである。即ち、凸部２５を形成すると、第１の板状部材２の単位投影面積あたりの表面積は大きくなるため、冷却用流体と接する面（＝第１の板状部材２の第２の面２２）における熱密度を下げることができる。従って、ＬＥＤチップ等の発熱体となる半導体素子を高密度に実装し、互いに熱干渉を起こす場合であっても、熱分布を抑制して高効率な冷却ができる。
【００４３】
また、同様の理由から、各ＬＥＤチップ１の略中央に相当する位置にも凸部２５を形成することが望ましい。何故なら、ＬＥＤチップ等の半導体発光素子は、一般に素子の中心部で大きな発熱を示すからである。そこで本実施の形態では、図７（ａ）に示すように、凸部２５をＬＥＤチップ１の中央と四隅に配置するように形成している。ＬＥＤチップ１の四隅に形成された凸部２５は、ＬＥＤチップ１同士の間隔１１上に中心を有するように配置されている。即ち、あるＬＥＤチップ１の四隅に形成される凸部２５は、隣接する３つのＬＥＤチップ１にも跨って形成されている。このように凸部２５を配置することにより、ＬＥＤチップ１自身の内部で生じる熱分布と、ＬＥＤチップ１同士の熱干渉によって起きる熱分布の両方を抑制して効果的な放熱を行うことができる。尚、矩形のＬＥＤチップ１の四隅に凸部２５を形成する代わりに、矩形のＬＥＤチップ１の各辺の中央に凸部２５を配置しても良い。その場合は隣接する２つのＬＥＤチップ１で１つの凸部２５を共有することになる。尚、この場合も凸部２５の中心をＬＥＤチップ同士の間隔１１上に配置することが好ましい。
【００４４】
ヒートシンクを構成する板状部材同士は、共晶材料にて貼り合わせることが好ましい。板状部材同士を共晶材料で貼り合わせることにより、第１の板状部材２から第２の板状部材３への熱伝導と電気伝導を良好にすると共に、冷却用流体の漏れがなく、耐熱性の高い接合が可能となる。第１の板状部材２と第２の板状部材の間の熱伝導が良好であれば、これらの組み合わせによってヒートシンクを構成する上で有利である。また、第１の板状部材２と第２の板状部材の間の電気伝導が良好であれば、これらの組み合わせによって構成したヒートシンクを半導体チップへのリードとする際に有利である。
【００４５】
また、共晶材料は貼り合わせ面の全面、即ち、第１の板状部材２の第２の面２２と第２の板状部材３の第１の面３１の全面に形成することが好ましい。これにより共晶材料によって板状部材の表面を流体による腐食等から保護することができる。例えば、板状部材としては熱伝導率の高い銅等を用いることが好ましいが、銅は冷却水によって電解腐食等を起こしやすい。従って、板状部材の貼り合わせ面の全面を耐食性の高い共晶部材（例えば、Ａｕを含む合金等）で覆うことにより、信頼性の高いヒートシンクとすることができる。また、一方の板状部材の表面を共晶材料で覆い、他方の板状部材の貼り合わせ面側に金属膜を形成する構成とすることもできる。つまり、板状部材に金属膜を形成することによって、板状部材の表面を保護すると共に共晶材料との接続を容易にすることができる。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種を含む接着部材であることが好ましい。金属膜は接着部材である共晶材料との関係で濡れ性が良好な金属であれば特に限定されない。好ましい組み合わせとしては、共晶材料としてＡｕを含む合金（例えば、ＡｕＳｎ）を用い、金属膜としてＡｕもしくはＡｕを含む積層体を用いることができる。
【００４６】
また、本発明のヒートシンクは、２以上の発熱体１をアレイ状に実装することができる。本発明のヒートシンクを用いることにより、発熱体を複数実装しても十分な放熱を確保すると共に、冷却材などの流れ込みや、それによる板状部材のはがれ等を抑制することができる。またヒートシンクの同一面上に形成されるアレイ状の発熱体は電気的に並列、及び／又は直列に接続されていてもよい。
【００４７】
さらに、発熱体は第１導電型層と第２導電型層とを有する半導体素子であることが好ましい。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。本実施の形態では、第１の導電型層がヒートシンクに電気的に接続され、第２導電型層がヒートシンク上に絶縁膜を介して形成された金属部材に電気的に接続されている。
【００４８】
本発明において発熱体である半導体素子は、窒化物半導体素子であることが好ましい。窒化物半導体素子としては、全部を窒化物半導体で構成することもでき、部分的に窒化物半導体以外の材料で構成することもできる。窒化物半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、あるいはこれらの混晶であるＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）からなる半導体を用いることができる。またこれに加えて、III族元素としてＢを用いることもでき、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓで置換することもできる。前記窒化物半導体を積層した窒化物半導体層には活性層を有し、該活性層は単一（ＳＱＷ）又は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とする。
【００４９】
前記窒化物半導体の成長方法としては、特に限定されないが、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）など、窒化物半導体の成長方法として知られている全ての方法を好適に用いることができる。特に、ＭＯＣＶＤは結晶性良く成長させることができるので好ましい。
【００５０】
窒化物半導体層の電極形成面を光取り出し面とする構成にしても良いし、窒化物半導体層を積層した基板側を光取り出し面としても良い。窒化物半導体層を積層した基板側を光り取り出し面とする場合、窒化物半導体素子の電極を形成した面を除いて保護膜を形成し、窒化物半導体層の上に形成された電極と外部電極等とをメタライズ層（バンプ）によって接続するフェイスダウン構造とすることが好ましい。基板側を光取り出し面とすることで光取り出し効率が向上する。
【００５１】
本発明における窒化物半導体素子は、支持基板上に導電層とｐ電極を介してｐ型窒化物半導体層、活性層、ｎ型窒化物半導体層を有し、その上にｎ電極を形成した構成とすることもできる。該窒化物半導体素子はｐ電極とｎ電極が窒化物半導体層を挟んで向かい合う対向電極構造とするものである。この場合には、前記窒化物半導体素子は、ｎ電極側が光取り出し面となる。窒化物半導体（特にＧａＮ系半導体）はｎ型層の抵抗が低いため、ｎ電極のサイズを小さくできる。光の取り出し効率の向上はｎ電極を小さくすることで光を遮る領域を低減できるからである。
【００５２】
更にはチップ化した発熱体である窒化物半導体素子の近傍に蛍光体を樹脂と混合させて形成することで、高出力の白色発光素子を得ることがでる。前記蛍光体の一例を以下に示す。緑色系発光蛍光体としては、ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｃｅ，Ｔｂ、ＭｇＡｌ１１Ｏ１９：Ｃｅ，Ｔｂ、Ｓｒ７Ａｌ１２Ｏ２５：Ｅｕ、（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうち少なくとも１以上）Ｇａ２Ｓ４：Ｅｕがある。また、青色系発光蛍光体としてはＳｒ５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ、（ＳｒＣａＢａ）５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ、（ＢａＣａ）５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ、（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうち少なくとも１以上）２Ｂ５Ｏ９Ｃｌ：Ｅｕ，Ｍｎ、（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうち少なくとも１以上）（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ，Ｍｎがある。さらに、赤色系発光蛍光体としてはＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、Ｌａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、Ｙ２Ｏ３：Ｅｕ、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕがある。特にＹＡＧを含有させることで、白色光を発光することができ、照明用光源など用途も格段に広がる。ＹＡＧは、（Ｙ１−ｘＧdｘ）３（Ａｌ１−ｙＧａｙ）５Ｏ１２：Ｒ（Ｒは、Ｃｅ、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｈｏから選ばれる少なくとも１以上である。０＜Ｒ＜０．５である。）。本実施の形態において、赤味を帯びた光を発光する蛍光体として、特に窒化物系蛍光体を使用するが、本発明においては、上述したＹＡＧ系蛍光体と赤色系の光を発光可能な蛍光体とを備える発光装置とすることも可能である。このような赤色系の光を発光可能な蛍光体は、波長が４００〜６００ｎｍの光によって励起されて発光する蛍光体である。このようにＹＡＧ系蛍光体とともに赤色系の光を発光可能な蛍光体を使用することにより発光装置の演色性を向上させることが可能である。以上のような蛍光体を選択することで、種々の発光波長を持った光取り出し効率の高い発光素子を得ることができる。
【００５３】
また、本発明の半導体装置は、例えば図８に示すように、ヒートシンク４０を備えており、外側表面に設けられた供給口４２及び排出口４４を通じてヒートシンク４０内部を冷却材が流れる構造となっている。発熱体である半導体素子４６から発生した熱は、ヒートシンク４０内を流れる冷却材によって好適に放熱される。ヒートシンク４０は、例えば２以上の板状部材を貼り合わせて形成された積層板状部材であり、共晶材や濡れ性のよい金属膜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。また、本発明の発熱体を半導体発光素子、特に半導体レーザとすれば、５００ｎｍ以下の短波長領域において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。また本実施の形態は、発熱体が発光ダイオードや受光素子等である場合にも適用可能であることは言うまでもない。
【００５４】
本発明の実施形態により構成される半導体装置の一例としては、ＬＥＤ光源のユニットモジュール光源装置がある（図８）。該光源装置の外形は、ヒートシンク４０とそれを固定する固定冶具５０と螺子４８とから形成される。また、ヒートシンク４０と固定冶具５０との間には、ヒートシンク４０の供給口及び排出口と、固定冶具５０の供給口４２及び排出口４４とを水漏れなく連結させるための部材を用いても良い。この部材は，例えば樹脂であってもよく金属であってもよい。また、前記ＬＥＤ光源のユニットモジュール光源装置の外観は図８に示すような４角形でもよく、また図９に示すように３角形でも良い．なお、図８及び９において、電源からの電力供給配線は省略している．
【００５５】
また、前記構成から成るＬＥＤ光源のユニットモジュール光源装置を配列させて、超高出力化モジュール光源装置を構成することが出来る。図１０には超高出力化モジュール光源装置を示す。図１０に示すように、例えばＬＥＤ光源のユニットモジュール光源装置５２の外観が４角形の場合は、光源装置５２をアレイ状もしくはマトリクス状に配列させることにより、更なる高出力光源を構成することが出来る。この場合、ユニットモジュール光源装置５２の冷却材の供給口及び排出口は、ユニットモジュール光源装置５２同士の間で直列又は並列に連通させることが好ましい。即ち、ユニットモジュール光源装置５２の間で供給口同士又は排出口同士を連通させても良い。また、これに代えて、あるユニットモジュール光源装置５２の排出口を次のユニットモジュール光源装置の供給口に接続し、これを繰り返しても良い。また前記ＬＥＤ光源のユニットモジュール光源装置５２の外観が３角形の場合は、図１１に示すように、３角形の辺同士が重なるように順次円環状に配列することにより、全体として多角形となるように配置しても良い。こうした配列を採用することにより、小面積でありながら更なる高出力化を図った光源を構成することが出来る。なお、超高出力化モジュール光源装置は、それを構成するユニットモジュール光源装置間の供給口及び排出口とを水漏れなく連結させるための部材を用いても良い。この部材は、例えば樹脂や金属である。これにより、アレイ状またはマトリクス状または円形状に配列されてなる水路の直列結合において、高い水圧が必要になった場合であったとしても水漏れを防ぐことが可能となる。
【実施例】
【００５６】
以下に本発明の実施例を示すが、本発明は当然これに限定されるものではない。
厚みで200μｍの無酸素銅からなる第１の板状部材及び第２の板状部材を、図４、図５に示すように加工を施す。第１の板状部材には螺子穴を四方に形成し、発熱体を形成する第１の面に対向した第２の面には凹凸加工をしている（図４）。第２の板状部材にも螺子穴を四方に形成し、また流体を導入する供給口と排出口を形成する（図５）。これらの部材の形成面には、Ａｕ層、及び／又はＡｕＳｎ層を形成する。その後、Ｎ２ガス雰囲気中にて300℃〜400℃の熱処理を施し貼り合わせて積層板状部材を形成する。この積層板状部材には発熱体をＡｕＳｎ等の接着部材を使用して実装する。このとき、銅薄板に施すＡｕＳｎの共晶温度に比べ、発熱体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で、発熱体を接合する際のヒートシンクの剥離を抑制できる。このような発熱体を形成したヒートシンクは、水冷冶具に実装して流体として例えば純水等を循環させてもヒートシンクから流体が漏れることはない。
【００５７】
［実施例１］
ケミカルエッチング等により前記第１の板状部材の第２の面に、凹凸構造を施して積層板状部材を形成してなるヒートシンクにおいて、該ヒートシンク上に□１ｍｍの窒化物半導体から成るＬＥＤ素子を２１個実装し、開口径で８ｍｍ程度のＬＥＤ光源を試作した。前記凹凸は凹部の幅２００μｍ、深さ２００μｍであって、凸部の幅を８００μｍである。このＬＥＤ光源を構成する２１素子中の平均的な１素子のＩ−Ｌ特性と，従来受動的冷却手段により得られる１素子のＩＬ特性を調べたところ、図１２に示すように、○点で示す受動的冷却手段では０．３Ａ〜０．５Ａからリニアリティが崩れる。これに対して、本実施例である能動的冷却手段においては、実線で示すようにＬＥＤ素子が２１個実装された半導体装置であっても０．５Ａ以上にも及ぶリニアリティがとれていることが確認できた。また、図１３に示すように，該□１ｍｍのＬＥＤ素子を２１実装した半導体装置から５Ｗａｔｔを超える光出力が得られた。素子間隔が２００μｍ程度であって熱干渉を考慮したとしても、このような高密度実装でありながらリニアリティが良好な高輝度ＬＥＤ光源が得られた。
【００５８】
［実施例２］
本発明のヒートシンクに、前記ＬＥＤ素子を２１個実装してなる半導体装置において、流体として循環冷却媒体である純水（温度２５℃，流量０．４L/minの条件）を循環させて定電流駆動させた。その結果を図１４、１５に示す。
前記半導体装置は、純水（温度２５℃，流量０．４Ｌ/minの条件）を循環させ，電流１０．５Ａ（１素子当たりの投入電流は０．５Ａ）で定電流駆動させた（図１４）。比較例となる受動的冷却方法では、点線で示すように１素子に０．５Ａ投入した場合には、１００時間経過後には出力が約１０％低下することが推測されるが、本発明の能動的冷却手段を用いたヒートシンクに実装させた場合、発熱体であるＬＥＤ素子の間隔が２００μｍと高密度実装でありながらも１００時間後の劣化はほとんど観測できなかった。このときの熱密度は約２Ｗａｔｔ／ｍｍ２であるが、３Ｗａｔｔを超える光出力が得られた。
【００５９】
[実施例３]
また、本発明のヒートシンクにＬＥＤ素子を２１実装してなる半導体装置において、純水（温度２５℃，流量０．４Ｌ/minの条件）を循環させ、電流２０Ａ（１素子当たりの投入電流は０．９５Ａ）で定電流駆動させた（図１５）。受動的冷却方法では、１素子に１Ａ投入した場合、１０時間経過後には出力が約１５％低下することが推測されるが、本発明の能動的冷却手段を用いたヒートシンクに実装させた場合、素子間隔が２００μｍと高密度実装でありながらも、１０時間後の劣化はほとんど観測できなかった。このときの熱密度は約５Ｗａｔｔ／ｍｍ２であるが、５Ｗａｔｔを超える光出力が得られた。
【００６０】
[実施例４]
ヒートシンクに発熱体がマトリクス状に実装されたもの（以下、「系」という。）が、真空断熱空間に置かれており、ヒートシンク内に２５℃の冷却水が循環していると仮定してシミュレーションを行った。シミュレーション結果を図１６に示す。図１６（ａ）は、凸部を発熱体の中央と四隅に配置し、凸部の径を相対的に大きく設定したヒートシンクを用いたシミュレーションである（以下、単に「系（ａ）」という。）。図１６（ｂ）は、凸部を発熱体の中央に配置し、凸部の径を相対的に小さく設定したヒートシンクを用いたシミュレーションである（以下、単に「系（ｂ）」という。）。図１６（ｃ）は、凸部が全くないように設定したヒートシンクを用いたシミュレーションである（以下、単に「系（ｃ）」という）。
【００６１】
図１６（ａ）〜（ｃ）において、破線は冷却用流体の水圧分布を示す等高線である。図１６（ａ）〜（ｃ）に示すように、系（ｃ）より系（ｂ）、系（ｂ）より系（ａ）の方が、冷却用流体の水圧分布が流体の流れに対して垂直な等高線を形成しやすくなり、冷却用流体が流路全体に均一に流れやすくなる。これにより、系（ａ）のように凸部を設定したヒートシンクを用いた発光装置は、熱による特性ばらつきが抑制されることがわかる。
【００６２】
また、シミュレーションでは、２５℃の冷却水を絶えず循環させているので、系の最低温度が２５℃以上となるならばヒートシンクに熱が蓄熱される。すなわち実際には、系外部の材料へ放熱されるためパッケージの温度が上昇することが推測できる。図１７及び１８は、系（ａ）〜（ｃ）の最低温度、最高温度と冷却水の流量の関係を示すグラフである。ここで系の「最低温度」とは、系中で一番低い温度を指し、「最高温度」とは、系中で一番高い温度、すなわち発熱体自身の温度を指す。図１７及び図１８に示すように、系（ａ）のように凸部を設定したヒートシンクを用いた発光装置は、冷却水の流量が小さい場合でも、系の最低温度及び最高温度が低く維持されており、系外部の材料への熱の流出を抑制して熱平衡状態に導くことが可能である。
【００６３】
また、系の最高温度から計算される熱抵抗と流量の関係を図１９に示す。系（ａ）のように凸部を設定したヒートシンクを用いた発光装置は、流量０．３〜０．７Ｌ／ｍｉｎにおいて０．５℃／Ｗａｔｔ以下という熱抵抗を得ることができる。これは、非常に凝縮された熱密度の高い熱量を排熱することができることを表す。従って、本実施例の系（ａ）のような構成を持つ発光装置とすることで、１００Ｗａｔｔを超える電力を連続的に投入しても素手で持つことが可能である高出力な発光装置とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、半導体発光素子や半導体受光素子、又は半導体デバイス等の発熱体を形成したヒートシンク、並びにこれを備えた半導体装置として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】図１は、本発明の半導体装置の構成を説明する模式的断面図である。
【図２】図２は、本発明の半導体装置の構成を、金属キャップ等を省略して示した模式的斜視図である。
【図３】図３は、本発明のヒートシンク構造を説明する模式的断面図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の板状部材の一例を模式的に示す斜視図、平面図及び断面図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の板状部材の一例を模式的に示す斜視図、平面図及び断面図である。
【図６】図６（ａ）及び（ｂ）は、図４及び図５に示した板状部材を組み合わせた様子を示す平面図及び断面図である。
【図７】図７（ａ）及び（ｂ）は、半導体素子と流路内の凸部の位置関係を模式的に示す平面図及び断面図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態により構成されるＬＥＤ光源のユニットモジュール光源装置を説明する図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態により構成されるＬＥＤ光源のユニットモジュール光源装置を説明する図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態により構成されるＬＥＤ光源の超高出力化モジュール光源装置を説明する図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態により構成されるＬＥＤ光源の超高出力化モジュール光源装置を説明する図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施形態によってなされた能動的冷却手段によるＬＥＤ素子のＩＬ特性と，受動的冷却手段によるＬＥＤ素子のＩＬ特性の相対比較を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施形態によって高輝度化されたＬＥＤ光源のＩＬ特性である。
【図１４】図１４は、本発明の実施形態によって高輝度化されたＬＥＤ光源のＣＷ−ＡＣＣ駆動試験と，受動的冷却手段によるＬＥＤ１素子のＣＷ−ＡＣＣ駆動試験から予測される劣化曲線との比較を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施形態によって高輝度化されたＬＥＤ光源のＣＷ−ＡＣＣ駆動試験と，受動的冷却手段によるＬＥＤ１素子のＣＷ−ＡＣＣ駆動試験から予測される劣化曲線との比較を示す図である。
【図１６】図１６（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例４における系（ａ）〜（ｃ）を示す模式平面図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施例４における系（ａ）〜（ｃ）の最低温度と冷却水流量の関係を示すグラフである。
【図１８】図１８は、本発明の実施例４における系（ａ）〜（ｃ）の最高温度と冷却水流量の関係を示すグラフである。
【図１９】図１９は、本発明の実施例４における系（ａ）〜（ｃ）の熱抵抗と冷却水流量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６６】
１、１０・・・発熱体
２・・・第１の板状部材
３・・・第２の板状部材
【図１】
2006019676.tif 000003
【図２】
2006019676.tif 000004
【図３】
2006019676.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006019676.tif 000007
【図６】
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【図７】
2006019676.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2006019676.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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