(57)【要約】【課題】【解決手段】レーザーダイオード組立体は、放射面（２０）と該放射面と対向する反射面（２２）とを有するレーザーダイオード（１２）を有する。第１の電気伝導性ヒートシンク（１６）が第１の半田接合部（１９）を介してレーザーダイオードの１つの面に取付けられ、該ヒートシンクは第１の冷却流路（４０）を有する。第２の電気伝導性ヒートシンク（１４）が第２の半田接合部（１８）を介してレーザーダイオードの別の面に取付けられ、該ヒートシンクは第２の冷却流路を有する。基板（３０）の頂部側は第１及び第２の電気伝導性ヒートシンクの底部側と連通する。基板（３０）は電気絶縁性であり、かつ第１の冷却流路及び第２の冷却流路（４０）に冷却剤（５３）を送る流れ流路システム（４５）を有する。冷却剤から分離された金属化層（３２）が第１のヒートシンク（１６）及び第２のヒートシンク（１４）に取付けられ、かつレーザーダイオードに電気的に連結されてレーザーダイオードに電流を伝導する。【選択図】図１
2008533719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーダイオード組立体であって、
放射面及び該放射面と対向する反射面を有するレーザーダイオードにして、前記放射面及び反射面間に第１及び第２の側面を有する前記レーザーダイオードと、
前記レーザーダイオードの前記第１の側面に第１の半田接合部を介して取付けられた第１の電気絶縁性ヒートシンクにして、第１の冷却流路を有する前記第１の電気絶縁性ヒートシンクと、
前記レーザーダイオードの前記第２の側面に第２の半田接合部を介して取付けられた第２の電気絶縁性ヒートシンクにして、第２の冷却流路を有する前記第２の電気絶縁性ヒートシンクと、
頂部側及び底部側を有する基板にして、前記頂部側は前記第１の電気絶縁性ヒートシンクの第１の底部側及び前記第２の電気絶縁性ヒートシンクの第２の底部側と連通し、かつ前記第１の冷却流路及び前記第２の冷却流路に冷却剤（ｃｏｏｌａｎｔ）を送る流れ流路システムを有する、前記基板と、
前記第１の電気絶縁性ヒートシンク及び前記第２の電気絶縁性ヒートシンクに取付けられた金属化層にして、前記レーザーダイオードに電気的に連結されて該レーザーダイオードに電流を伝導し、かつ前記冷却剤から分離される前記金属化層とを備える、前記レーザーダイオード組立体。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザーダイオード組立体において、前記基板と連通する流体マニホールドをさらに含み、該流体マニホールドは前記基板に前記冷却剤を分配する、前記レーザーダイオード組立体。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザーダイオード組立体において、前記第１の電気絶縁性ヒートシンク及び前記第２の電気絶縁性ヒートシンクは電気絶縁性シリコンブロックから形成される、前記レーザーダイオード組立体。
【請求項４】
請求項３に記載のレーザーダイオード組立体において、前記電気絶縁性シリコンブロックは、接合されたシリコン層から形成される、前記レーザーダイオード組立体。
【請求項５】
請求項１に記載のレーザーダイオード組立体において、前記冷却剤は水である、前記レーザーダイオード組立体。
【請求項６】
請求項１に記載のレーザーダイオード組立体において、前記流れ流路システムは、入口と、出口と、バイパス領域とを有し、前記入口は前記第１の電気絶縁性ヒートシンクに前記冷却剤を提供し、前記バイパス領域は前記第１の電気絶縁性ヒートシンクから前記第２の電気絶縁性ヒートシンクに前記冷却剤を送り、かつ前記出口は前記第２の電気絶縁性ヒートシンクから前記冷却剤を受取る、前記レーザーダイオード組立体。
【請求項７】
請求項６に記載のレーザーダイオード組立体において、前記基板は、共に溶着されて前記バイパス領域を作り出す複数の層から製作される、前記レーザーダイオード組立体。
【請求項８】
請求項１に記載のレーザーダイオード組立体において、前記第１及び第２の電気絶縁性ヒートシンクの少なくとも一方は、前記レーザーダイオードの前記２つの側面の一方の近くにある壁部に前記冷却剤を衝突させる衝突領域を含む、前記レーザーダイオード組立体。
【請求項９】
請求項８に記載のレーザーダイオード組立体において、前記衝突領域は前記壁部に複数の冷却剤流を提供する衝突ノズルを含んでおり、前記第１及び第２の電気絶縁性ヒートシンクの前記少なくとも一方は所定の材料から製作され、前記衝突ノズルは該所定の材料に包み込まれた金属から製作される、前記レーザーダイオード組立体。
【請求項１０】
請求項９に記載のレーザーダイオード組立体において、前記壁部は、前記所定の材料に少なくとも部分的に包み込まれた熱伝導性構造体の側面であり、前記所定の材料は高分子（ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ）である、前記レーザーダイオード組立体。
【請求項１１】
請求項１に記載のレーザーダイオード組立体において、前記金属化層は前記第１及び第２の電気絶縁性ヒートシンクの外面に位置する、前記レーザーダイオード組立体。
【請求項１２】
レーザーダイオード組立体であって、
放射面及び該放射面と対向する反射面を有するレーザーダイオードにして、前記放射面及び反射面間に第１及び第２の側面を有する前記レーザーダイオードと、
前記レーザーダイオードの前記第１の側面に取付けられた第１のヒートシンクにして、第１の冷却流路を作り出す第１の組の多数の構成部品を有する前記第１のヒートシンクと、
前記レーザーダイオードの前記第２の側面に取付けられた第２のヒートシンクにして、第２の冷却流路を作り出す第２の組の多数の構成部品を有する前記第２のヒートシンクと、
前記第１のヒートシンク及び前記第２のヒートシンクと連通する少なくとも１つの基板にして、前記第１の冷却流路及び前記第２の冷却流路に冷却剤を送る流れ流路システムを有する前記少なくとも１つの基板と、
前記レーザーダイオードに電気的に連結されて該レーザーダイオードに電流を伝導する金属通路とを備える、前記レーザーダイオード組立体。
【請求項１３】
請求項１２に記載のレーザーダイオード組立体において、前記少なくとも１つの基板は１つの基板を含み、かつ前記流れ流路システムは、バイパス領域と、入口と、出口とを含み、前記入口は前記第１のヒートシンクに前記冷却剤を提供し、前記バイパス領域は前記第１のヒートシンクから前記第２のヒートシンクに前記冷却剤を送り、前記出口は前記第２のヒートシンクから前記冷却剤を受取る、前記レーザーダイオード組立体。
【請求項１４】
請求項１２に記載のレーザーダイオード組立体において、前記第１のヒートシンクは第１の複数の材料層を接合することにより作り出され、該第１の複数の層は前記第１の組の多数の構成部品であり、かつ前記第２のヒートシンクは第２の複数の材料層を接合することにより作り出され、該第２の複数の層は前記第２の組の多数の構成部品である、前記レーザーダイオード組立体。
【請求項１５】
請求項１４に記載のレーザーダイオード組立体において、前記第１及び前記第２の複数の層は銅板であり、かつ前記金属通路は該銅板により提供される、前記レーザーダイオード組立体。
【請求項１６】
請求項１５に記載のレーザーダイオード組立体において、前記冷却剤は脱イオン水である、前記レーザーダイオード組立体。
【請求項１７】
請求項１４に記載のレーザーダイオード組立体において、前記複数の層はシリコン層であり、前記金属通路は前記第１及び第２のヒートシンク上の金属化層により提供される、前記レーザーダイオード組立体。
【請求項１８】
請求項１２に記載のレーザーダイオード組立体において、少なくとも前記第１のヒートシンクは、前記レーザーダイオードの前記第１の側面の近くにある壁部に前記冷却剤を衝突させる衝突領域を含み、前記第１の組の多数の構成部品は、基礎構造体と、該基礎構造体内に包み込まれた衝突ノズルとを含む、前記レーザーダイオード組立体。
【請求項１９】
放射面及び該放射面と対向する反射面を備えるレーザーダイオードにして前記放射面及び反射面間に第１及び第２の側面を有する前記レーザーダイオード、を有するレーザーダイオード組立体の製造方法であって、
第１の電気絶縁性ヒートシンクにして第１の冷却流路を有する前記第１の電気絶縁性ヒートシンクを、前記レーザーダイオードの前記第１の側面に第１の半田層を介して連結する工程と、
第２の電気絶縁性ヒートシンクにして第２の冷却流路を有する前記第２の電気絶縁性ヒートシンクを、前記レーザーダイオードの前記第２の側面に第２の半田層を介して連結する工程と、
少なくとも１つの基板にして前記第１の冷却流路及び前記第２の冷却流路に冷却剤を送る流れ流路システムを有する前記少なくとも１つの基板を、前記第１の電気絶縁性ヒートシンク及び前記第２の電気絶縁性ヒートシンクに連結する工程と、
前記第１の電気絶縁性ヒートシンク及び前記第２の電気絶縁性ヒートシンクに取付けられる電流通路にして、前記冷却剤から電気的に分離されかつ前記レーザーダイオードに電流を提供する前記電流通路を作り出す工程とを備える、前記方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法において、前記作り出す工程は、前記第１の電気絶縁性ヒートシンク及び前記第２の電気絶縁性ヒートシンクに金属化層を適用する工程を含む、前記方法。
【請求項２１】
請求項１９に記載の方法において、複数の接合層から前記第１の電気絶縁性ヒートシンク及び前記第２の電気絶縁性ヒートシンクを形成する工程をさらに含む、前記方法。
【請求項２２】
請求項１９に記載の方法において、前記第１及び第２の電気絶縁性ヒートシンクの少なくとも一方は、前記レーザーダイオードの前記２つの側面の一方の近くにある壁部に前記冷却剤を衝突させる衝突領域を含む、前記方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法において、前記衝突領域は前記壁部に複数の冷却剤流を提供する衝突ノズルを含んでおり、前記第１及び第２の電気絶縁性ヒートシンクの前記少なくとも一方は高分子材料から製作され、前記衝突ノズルは該高分子材料に包み込まれた金属から製作される、前記方法。
【請求項２４】
請求項１９に記載の方法において、前記第１及び第２の半田層は同じ材料である、前記方法。
【請求項２５】
請求項１９に記載の方法において、前記第１及び前記第２の電気絶縁性ヒートシンクに前記少なくとも１つの基板を連結する工程は、第３の半田層を伴う半田付け工程を含み、該第３の半田層は前記第１及び第２の半田層とは異なった材料である、前記方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は一般にレーザーダイオードに関し、特に、レーザーダイオードパッケージの端部ブロック内に収容されたマクロチャネル冷却流路の使用を通じて改良された熱放散を提供するレーザーダイオードパッケージ用の冷却機構に関する。
【発明の背景】
【０００２】
半導体レーザーダイオードは数多くの利点を有する。半導体レーザーダイオードは小型であり、それらの活性領域の幅は概して１ミクロン未満から数ミクロンであり、それらの高さは通常１ミリメートルの数分の１以下である。それらの活性領域の長さは概して約１ミリメートル未満である。１つの方向に放射を生じさせる内部反射面は、レーザーダイオードが生産される基板を劈開することにより形成され、従って高い機械的安定性を有する。
【０００３】
高い効率は半導体レーザーダイオードを用いて可能であり、いくらかのパルス接合型のレーザーダイオードは５０％近い外部量子効率を有する。半導体レーザーダイオードは、使用される半導体合金により約２０から約０．７ミクロンの波長で放射を生じさせる。例えば、アルミニウムをドープしたガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）で製作されたレーザーダイオードは、おおよそ０．８ミクロン（〜８００ｎｍ）で放射を発するが、これはネオジムドープのイットリウム−アルミニウムガーネット（Ｎｄ；ＹＡＧ）、並びに他の結晶及びガラスから製作された普通の固体レーザーロッド及びスラブの吸収スペクトルに近い。従って、半導体レーザーダイオードは、より大きな固体レーザーシステムの光学励起源として使用することができる。
【０００４】
半導体レーザーダイオードの一般的な利用は、熱に関連する問題により制限されている。これらの問題は、レーザーダイオードの単位面積当りの熱放散が大きく、結果として、熱サイクルにより誘発されて接合部の温度と応力が高められることに関連づけられる。レーザーダイオードの効率とレーザーダイオードの実用寿命は、接合部における動作温度が増加するにつれて減少する。
【０００５】
さらに、レーザーダイオードの発出波長はその接合部温度の関数である。従って、特定の出力波長が求められるときには、一定の接合部温度を維持することは必須である。例えば、Ｎｄ；ＹＡＧロッド又はスラブを励起するのに使用されるＡｌＧａＡｓレーザーダイオードは、約８０８ｎｍで放射を発するべきであり、それはこれがＮｄ；ＹＡＧに最適のエネルギ吸収が存在する波長だからである。しかしながら、ＡｌＧａＡｓレーザーダイオードの接合部温度が３．５℃から４．０℃ずれるたびに、波長は１ｍｍシフトする。よって、接合部温度を制御すること、従って適切に熱を放散することは極めて重要である。
【０００６】
固体レーザーロッド又はスラブをレーザーダイオードにより励起する時には、熱の放散はより問題となる。それは、より大型の固体レーザーロッド又はスラブが要求する量の入力パワーを生成するアレイ中に複数の個々のダイオードを高密度に詰込むことが必要となるからである。しかしながら、個々のレーザーダイオードの詰込み密度が増加する時には、個々のレーザーダイオードから熱を抜取るのに利用できる空間は減少する。これは、個々のダイオードのアレイからの熱抜取りの問題をさらに悪化させる。
【０００７】
レーザーダイオードシステムは、それ故、できるだけ効率的に動作するために効果的な熱伝達機構を利用しなければならない。１つの現在のレーザーダイオードシステムは、その中を冷却水が流れて熱を吸収するピンフィン型熱交換器を利用する。具体的に言うと、レーザーダイオードシステムは、２つの金属端部ブロック間に半田付けされたレーザーダイオードバーを有する。端部ブロックはそれら自体が部分的に金属化された基板に半田付けされる。このパッケージはアレイサブモジュールとして知られている。このパッケージの機能は、レーザーダイオードバーから熱を抜取り、電気フックアップの接続を許容することである。使用前に、パッケージは水冷式の熱交換器に半田付けされる。パッケージは一般にレーザーダイオードバーの両側から端部ブロックを介して熱を引離し、そして熱は熱が冷却水により運び去られるピンフィン型熱交換器へと下って行く。
【０００８】
しかしながら、この配列の不利点は、レーザーの熱源と冷却水との間の距離である。この距離は、例えばレーザーダイオードバーが２０を上回るワットで動作される時に、パッケージを高温で作動させる原因となりうる。この距離はまた、オン／オフサイクルモードで動作される時に貧弱な性能の一因となる。
【０００９】
レーザーダイオードパッケージ用の別の型式の冷却システムは、マクロチャネル冷却器を利用する。これらのレーザーダイオードパッケージは小型であり、例えば１ｍｍの厚さであり、それらの中に延びる小型の水流路を有する。水流路は熱源（すなわち、レーザーダイオードバー）の底部側の近くを通過し、効率的な熱伝達を可能にする。しかしながら、マクロチャネル冷却器は概してレーザーダイオードバーの一方の側のみから熱を除去する。
【００１０】
マクロチャネル冷却器が使用される時は、電流と冷却水とは同じ物理的空間に存在する。その結果、冷却水は脱イオン化されなければならない。しかしながら、脱イオン水の使用は、給水に曝されるすべての部分がガラス、プラスチック、ステンレス鋼又は金めっきされるかのいずれかであることを要求する。これらの材料で製作されていない部分は通常急速に劣化し、深刻な腐蝕問題の原因となりうる。
【００１１】
マクロチャネル冷却器は、共に多層に拡散接合された薄い銅板のスタックから製作される。各々の層は、他の層と拡散接合された後に、レーザーダイオードの下の領域を冷却剤が通過するのを許容する小型の流路が形成されるようにフォトエッチングされる。しかしながら、マクロチャネル冷却器は比較的大型であり、またそれらが形成される材料の制限のため製作費用が高い。本発明は、この、及び他の必要性を満たすことを対象とする。
【発明の概要】
【００１２】
本発明は、レーザーダイオードを有するレーザーダイオード組立体を対象とする。レーザーダイオードは、放射面及び該放射面と対向する反射面を有する。レーザーダイオードは、放射及び反射面間に第１及び第２の側面を有する。レーザーダイオードの第１の側面に第１の半田接合部を介して第１の電気絶縁性ヒートシンクが取付けられ、該第１のヒートシンクは第１の冷却流路を有する。レーザーダイオードの第２の側面に第２の半田接合部を介して第２の電気絶縁性ヒートシンクが取付けられ、該第２の電気絶縁性ヒートシンクは第２の冷却流路を有する。基板は頂部側及び底部側を有し、頂部側は第１の電気絶縁性ヒートシンクの第１の底部側及び第２の電気絶縁性ヒートシンクの第２の底部側と連通する。基板は第１の冷却流路及び第２の冷却流路に冷却剤を送る流れ流路システムを有する。金属化層が第１の電気絶縁性ヒートシンク及び第２の電気絶縁性ヒートシンクに取付けられる。金属化層は、レーザーダイオードに電気的に連結されてレーザーダイオードに電流を伝導する。金属化層は冷却剤から分離される。
【００１３】
本発明の別の態様は、放射面及び該放射面と対向する反射面を備えたレーザーダイオードを有するレーザーダイオード組立体を対象とする。レーザーダイオードは、放射及び反射面間に第１及び第２の側面を有する。レーザーダイオードの第１の側面に第１のヒートシンクが取付けられ、該第１のヒートシンクは第１の冷却流路を作り出す第１の多数の構成部品を有する。レーザーダイオードの第２の側面に第２のヒートシンク取付けられ、該第２のヒートシンクは第２の冷却流路を作り出す第２の多数の構成部品を有する。少なくとも１つの基板が第１のヒートシンク及び第２のヒートシンクと連通する。前記少なくとも１つの基板は、第１の冷却流路及び第２の冷却流路に冷却剤を送る流れ流路システムを有する。金属通路がレーザーダイオードに電気的に連結されてレーザーダイオードに電流を伝導する。
【００１４】
本発明の追加の態様は、放射面及び該放射面と対向する反射面を備えたレーザーダイオードを有するレーザーダイオード組立体の製造方法を対象とする。レーザーダイオードは、放射及び反射面間に第１及び第２の側面を有する。第１の電気絶縁性ヒートシンクがレーザーダイオードの第１の側面に第１の半田層を介して連結される。第１のヒートシンクは第１の冷却流路を有する。第２の電気絶縁性ヒートシンクがレーザーダイオードの第２の側面に第２の半田層を介して連結される。第２のヒートシンクは第２の冷却流路を有する。少なくとも１つの基板が第１の電気絶縁性ヒートシンク及び第２の電気絶縁性ヒートシンクに連結される。前記基板は、第１の冷却流路及び第２の冷却流路に冷却剤を送る流れ流路システムを有する。第１の電気絶縁性ヒートシンク及び第２の電気絶縁性ヒートシンクに取付けられる電流通路が作り出され、該電流通路は冷却剤から電気的に分離される。
【００１５】
上述の本発明の概要は、本発明の各々の実施の形態又はすべての態様を表すことを意図しない。詳細な説明及び図面は本発明の実施の形態及び態様の多くを説明するであろう。
【発明の実施の形態】
【００１６】
本発明の先の及び他の利点は以下の詳細な説明を読み、図面を参照することによって明らかとなろう。
本発明は様々な改変や代替的な形態を受けやすいが、具体的な実施の形態を例として図面に示し、また本書にて詳細に説明する。しかしながら、本発明を開示された特定の形態に制限する意図のないことは理解されるべきである。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲により規定される本発明の精神及び範囲内に入るすべての改変例、均等例及び代替例を含むべきものである。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態によるレーザーダイオード組立体１０を端面図で示す。レーザーダイオード組立体１０は、左側のヒートシンク１４と右側のヒートシンク１６との間に挟まれたレーザーダイオード１２（時には“レーザーダイオードバー”と呼ぶ）を含む。ヒートシンク１４及び１６は銅等の電気的かつ熱的に伝導性の材料から製作される。電気伝導性はレーザーダイオード１２を通じて電流を伝導するのに必要とされる。熱伝導性はレーザーダイオード１２から高熱を奪い去り、レーザーダイオード１２を合理的な温度に維持するのに必要とされる。左側のヒートシンク１４は半田層１８によりレーザーダイオード１２に連結される。右側のヒートシンク１６は別の半田層１９によりレーザーダイオード１２に連結される。半田層１８及び１９はインジウムを基材とする半田から形成できる。
【００１８】
レーザーダイオード１２は一端に放射面２０を、及び放射面２０と対向する反射面２２を有する。レーザーダイオード１２の高さは、放射面２０と反射面２２との間の距離として規定される。光子が生じるレーザーダイオード１２の接合部は、レーザーダイオード組立体１０の右側のヒートシンク１６に最も近いところにある。電力は接合部の画定された領域に、レーザーダイオード１２のこれらの領域に隣接して電気伝導性材料を、かつこれらの領域の外側に電気伝導性のより少ない材料を提供することにより、案内される。その結果、レーザーダイオード１２は、電気エネルギが光エネルギに変換されるこれらの領域に対応して放射面２０上に複数の放射点を有する。電力が印加された時に、光子は接合部中を伝播し、そして放射が放射面２０でのみ発生するように反射面２２で反射される。
【００１９】
基板３０は左側及び右側のヒートシンク１４及び１６の下方に位置決めされ、それぞれ半田層２４及び２５により左側及び右側のヒートシンク１４及び１６に保持される。半田層１８及び１９と同様に、半田層２４及び２５はインジウムを基材とする半田から形成できる。
【００２０】
基板３０は概して、高い熱伝導率を有するが低い電気伝導率を有する、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）等の材料から製作される。基板３０は、その頂部及び底部面の両方に金属化層３２を含む。基板３０の下面の金属化層３２は、流体マニホールド３３（図５参照）又は熱交換器等の熱溜めにレーザーダイオード組立体１０の全体が半田付けされるのを許容するため存在する。基板３０の上面の金属化層３２は、左側及び右側のヒートシンク１４及び１６の半田層２４及び２５がそれぞれ基板３０に取付けられるのを許容する。基板３０の上面に沿った金属化層３２はレーザーダイオード１２の直下の領域には存在せず、ヒートシンク１４と１６とを互いに電気的に分離して電流がレーザーダイオード１２を通じてのみ伝導されるようにする。基板３０の金属化層３２はチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）又は金（Ａｕ）等の材料から形成できる。底部金属化層３２は流体マニホールド３３に装着される。
【００２１】
光学エネルギを作り出すために、電流はレーザーダイオード１２中を伝導されなければならない。レーザーダイオード組立体１０を右側から左側に見る時に、図１にて参照番号５１を備えた矢印により図示されるように、電流は右側のヒートシンク１６からレーザーダイオード１２に、そして左側のヒートシンク１４に流れ込む。レーザーダイオード１２の下方には、上述のように、レーザーダイオード１２の直下の金属化層３２の破断のため、電気通路がない。レーザーダイオード１２中を通過する電流は、レーザーダイオード組立体１０のための光学エネルギを生じさせる。
【００２２】
レーザーダイオード組立体１０ができるだけ効率的に動作するのを確実にするため、効果的な熱伝達機構が用いられる。レーザーダイオード組立体１０はその中に配置された、レーザーダイオード１２の両側に冷却を提供する冷却剤流路４０を含む。より具体的には、レーザーダイオード組立体１０は、基板３０の両側の一方の底部に入口４２、及び基板３０中にかつ左側及び右側のヒートシンク１４及び１６間に延在するバイパス領域４５を有する冷却剤流路４０を含む。
【００２３】
冷却剤流路４０はまた基板３０の底部の反対側に出口５０を有する。冷却剤流路４０は、参照番号５３を備えた矢印により示す方向に冷却剤が流れるのを許容するのに役立つ。冷却剤は、流体マニホールド３３から入口４２に上って入り、基板３０を通って右側のヒートシンク１６に入り、レーザーダイオード１２の右側の近くの右側のヒートシンク１６の領域を通り、バイパス領域４５を介して基板３０に下って戻り、レーザーダイオード１２の左側の近くの領域を通って左側のヒートシンク１４に上って入り、それから基板３０の左側を通って下って戻り、出口５０を出て、流体マニホールド３３に戻るように流れる。冷却剤流路４０内の冷却剤はレーザーダイオード１２から熱を吸収し、同時にレーザーダイオード組立体１０がコンパクトな設計を保つのを許容する。単一の冷却剤流路４０のみを図示するが、レーザーダイオード組立体１０は複数の異なった冷却剤流路４０を含むことができる。冷却剤の流れの方向はまた、反対方向（すなわち、基板３０の左側から入り、右側から出る）に発生することもできる。冷却剤流路４０中を流れる冷却剤は脱イオン水又はフルロイナート（ｆｌｕｒｏｉｎｅｒｔ）等の別の非電気伝導性冷却剤であることができる。
【００２４】
レーザーダイオード組立体１０から、冷却剤流路４０中を移動する冷却剤へのこの熱の伝達は、過熱による破損なしにレーザーダイオード１２が効率的に動作するのを許容する。右側及び左側の流路付きヒートシンク１６及び１４を利用することにより、冷却剤は標準的なマクロチャネル冷却器におけると同じ程度に熱源（すなわち、レーザーダイオード１２）に近づくことができる。しかしながら、標準的なマクロチャネル冷却器と違って、本発明のレーザーダイオード１２の両側が冷却される。この両側冷却により、レーザーダイオード１２の熱的性能は標準的なマクロチャネル冷却器の熱的性能より優れ、同時にコンパクト性を保つ。
【００２５】
図２は、本発明の実施の形態による拡散接合された銅板を使用して製作された右側の流路付きヒートシンク１６の分解図を示す。図示のように、右側のヒートシンク１６は、共に多層に拡散接合された薄い銅板２０２、２０５、２１０、２１５、２２０、２２５及び２３０のスタックから形成される。左側のヒートシンク１４も同様の仕方で形成できる。各々の層は、他の層との拡散接合後に、レーザーダイオード組立体１０中を冷却剤が通過するのを許容する冷却剤流路４０が形成されるようにフォトエッチングされる。よって、冷却剤流路４０を利用することにより、冷却剤はレーザーダイオード１２（すなわち、熱源）と近接近し、より効果的な熱伝達を可能にする。図２の矢印で示すように、冷却剤は、冷却剤流路４０を形成する銅板の開口部を通じて右側のヒートシンク１６中を上って通り、それからより効率的な熱伝達のためにフィン状の構造体を含む対向開口部を下って戻るように移動する。
【００２６】
図３は本発明の実施の形態による基板３０の層の分解図を示す。図示のように、２つの銅板３１５及び３２０がセラミック層３１０の下に置かれ、該セラミック層は頂部の銅層３０５の下に置かれる。これらの銅層は互いに拡散接合され、所定の場所にある時に冷却剤流路４０が形成される。より具体的には、所定の場所にある時に、冷却剤は基板３０の流路４０中を上り、それから直上に位置する右側のヒートシンク１６に上って入るように流れることができる。４つの層のみが示されているが、他の実施の形態では４つより多くの又は少ない材料層を利用することができる。入口４２と出口５０とは底部の銅層３２０の両側に配置されている。基板３０中の冷却剤の流れは図３に示す矢印を介して図示されている。冷却剤は、層３１５、３１０及び３０５中を上り、そして図２に関して上述したように右側のヒートシンク１６に入るように流れる。冷却剤はそれからバイパス領域４５を介して層３０５、３１０及び３１５を通って下って戻り、それから層３１５、３１０及び３０５を通って上り、そして左側のヒートシンク１４に入るように流れる。最後に、冷却剤は左側のヒートシンク１４を出て戻り、層３０５、３１０、３１５及び３２０を通って下るように流れ、３２０で冷却剤は出口５０を介して出て行く。
【００２７】
図４は、組立てられたレーザーダイオード組立体１０の分解斜視図を示す。図示のように、基板３０は流れ流路システム４００を有する。流れ流路システム４００はその中に配置された冷却流路４０の部分を含む。より具体的には、流れ流路システム４００は、入口４２と、バイパス領域４５と、出口５０とを含み、対向する左側１４及び右側１６のヒートシンクの直下に位置する。
【００２８】
図５は、この実施の形態において、一組の３つのレーザーダイオード組立体１０ａ、１０ｂ及び１０ｃに冷却剤を分配する流体マニホールド３３を示す。図示のように、流体マニホールド３３は、ダイオード組立体１０ａ、１０ｂ及び１０ｃの下に位置するいくつかの出口開口部５００ａ、５００ｂ及び５００ｃを含む。これらの出口開口部５００ａ、５００ｂ及び５００ｃはそれぞれのレーザーダイオード組立体１０ａ、１０ｂ及び１０ｃの冷却剤流路４０の入口４２と整列して、冷却剤が流体マニホールド３３から上って直接ダイオード組立体１０ａ、１０ｂ及び１０ｃに入るように流れる通路を有するようにする。冷却剤がそれぞれのレーザーダイオード組立体１０ａ、１０ｂ及び１０ｃ中を流れた後、冷却剤はそれぞれの冷却剤流路４０の出口５０から出、入口開口部５０２ａ、５０２ｂ及び５０２ｃを介して流体マニホールド３３に戻るように流れる。
【００２９】
ダイオード組立体１０ａ、１０ｂ及び１０ｃの各々の基板３０は、流体マニホールド３３の頂部に半田付けされることができる。各々の基板３０の底部に位置する金属化層３２（図１参照）は半田付けに適した表面を提供する。なお、流体マニホールド３３の頂部は非伝導性基板３０のように構成して、左側及び右側のヒートシンク１４及び１６をそれぞれ前記頂部に取付け、基板３０の必要性をなくすことができることに注意するべきである。
【００３０】
図１〜５の実施の形態において、左側及び右側のヒートシンク１４及び１６の冷却剤流路４０は、冷却剤がレーザーダイオード１２の両側に非常に近づくのを許容し、これによって効率的な熱伝達を提供する。この両側冷却により、このレーザーダイオード組立体１０の熱的性能は標準的なマクロチャネル冷却器の熱的性能より優れ、同時にコンパクト性を保つ。しかしながら、冷却剤流れ通路５３と電流の流れ通路５１とが重なるので、冷却剤は非電気伝導性でなければならない（例えば、脱イオン水又はフルオイナートが利用できる）。
【００３１】
図６は、レーザーダイオード組立体６１０の電流通路６５１と冷却剤流れ通路６５３とが切離された本発明の代替的な実施の形態を示す。図示のように、電流通路６５１と冷却剤流れ通路６５３とは分離されている（すなわち、それらは重ならない）。レーザーダイオード６１２はそれぞれ半田層６１８及び６１９により左側のヒートシンク６１４と右側のヒートシンク６１６との間に位置決めされる。半田層６１８及び６１９はインジウムを基材とする半田から形成できる。レーザーダイオード６１２は反射面６２２と放射面６２０とを有する。ヒートシンク６１４及び６１６は、シリコン、ＰＥＥＫ（登録商標）（ポリエーテルエーテルケトン）、ダイヤモンド、ＢｅＯ、又は射出成形セラミック又はプラスチック等の熱伝導性の、しかし電気絶縁性の材料から形成される。左側のヒートシンク６１４及び右側のヒートシンク６１６は、図３の拡散接合された銅板に関して上述したのと同様な仕方で拡散接合されたシリコン板から形成できる。
【００３２】
基板６３０は、左側及び右側のヒートシンク６１４及び６１６の下方に位置決めされ、それぞれ半田層６２４及び６２５により左側及び右側のヒートシンク６１４及び６１６に保持される。半田層６１８及び６１９と同様に、半田層６２４及び６２５はインジウムを基材とする半田から形成できる。図示のように、半田層６１８と６２４のどちらも、左側のヒートシンク６１４の右手下方の角部の周囲の領域には位置しない。この領域における半田の欠如は半田層６２４から半田層６１８を電気的に分離するのに役立つ。同様に、半田層６１９と６２５とは、半田層６１９と６２５のどちらも右側のヒートシンク６１６の左手下方の角部の周囲の領域に位置しないので互いに電気的に分離される。
【００３３】
図１〜５に関して上述した実施の形態の基板３０と同様に、基板６３０は、高い熱伝導率を有するが低い導電率を有する、ＢｅＯ等の材料から製作することができる。基板６３０はその頂部及び底部面の両方に金属化層６３２を含む。基板６３０の下面の金属化層６３２は、流体マニホールド６３３又は熱交換器等の熱溜めにレーザーダイオード組立体６１０の全体が半田付けされるのを許容するため存在する。基板６３０の上面の金属化層６３２は、それぞれ左側及び右側のヒートシンク６１４及び６１６の半田層６２４及び６２５が基板６３０に取付けられるのを許容する。基板６３０の上面に沿った金属化層６３２はレーザーダイオード６１２の直下の領域には存在せず、ヒートシンク６１４と６１６とを互いに電気的に分離して、電流がレーザーダイオード６１２を通じてのみ伝導されるようにする。基板６３０の金属化層６３２はチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）又は金（Ａｕ）等の材料から形成できる。底部金属化層６３２は流体マニホールド６３３に装着される。
【００３４】
冷却剤流路６４０はレーザーダイオード組立体６１０中に延在する。この冷却剤流路６４０は図１に示す実施の形態の冷却剤流路４０と同様である。この冷却剤流路６４０は、基板６３０中に冷却剤を受取るための入口６４２を有し、右側のヒートシンク６１６中へと上って延在する。冷却剤流路６４０は、右側のヒートシンク６１６から下ってバイパス領域６４５にて基板に戻り、それから左側のヒートシンク６１４に渡り、最後に下って基板６３０に戻り、出口６５０を介して流体マニホールド６３３へと出るように延在する。
【００３５】
図示のように、レーザーダイオード組立体６１０は、左側及び右側のヒートシンク６１４及び６１６に取付けられた金属化層６６０を有する。金属化層６６０は、左側及び右側のヒートシンク６１４及び６１６の頂部に配置することができ、あるいは左側及び右側のヒートシンク６１４及び６１６に埋め込むように取付けることもできよう。この金属化層６６０はレーザーダイオード６１２に電流を供給するために利用される。左側及び右側のヒートシンクは電気絶縁性のシリコンから形成されるので、金属化層６６０はレーザーダイオード６１２を動作させるのに必要な電流を供給するのに必要である。また、左側及び右側のヒートシンク６１４及び６１６は絶縁性のシリコンから形成されるので、冷却剤と電流の流れ通路６５３と６５１とはそれぞれ交差せず又は重ならない。その結果、電流通路６５１と冷却剤流れ通路６５２との重なりはない。それ故、冷却剤流路６４０中を流れる冷却剤として非電気伝導性冷却剤（脱イオン水又はフルロイナート等）が利用されなければならないという要求はない。基板６３０は、この実施の形態の改変例において金属（例えば、銅）であることもでき、それは左側及び右側のシリコン製ヒートシンク６１４及び６１６が電流を絶縁するからである。また、もし基板６３０が銅から製作されれば、金属化層６３２は要求されず、省略することができる。
【００３６】
図７は、冷却流路７４０が衝突冷却器７３７及び７４３に連結されて、レーザーダイオード組立体７１０のダイヤモンド層７３５及び７４１から熱を除去する冷却剤を循環させる本発明の追加の実施の形態を示す。図示のように、レーザーダイオード組立体７１０は右側のヒートシンク７１６と左側のヒートシンク７１４とを含む。これらのヒートシンク７１６及び７１４は各々がＰＥＥＫ（登録商標）、シリコン、ダイヤモンド、ＢｅＯ又は他の射出成形プラスチック又はセラミックから形成できる。レーザーダイオード７１２は半田層７１８により左側のヒートシンク７１４に、また半田層７１９により右側のヒートシンク７１６に連結される。基板７３０は、レーザーダイオード組立体７１０の底部に位置決めされ、そして接着剤又は半田／金属化層７３２により左側及び右側のヒートシンク７１４及び７１６に連結される。ダイヤモンド層７３５は、左側のヒートシンク７１４内に位置し、かつレーザーダイオード７１２に近接近して位置決めされる。ダイヤモンド層７３５はこの実施の形態のいくらかの変形例において半田層７１８と同一平面であることができる。ダイヤモンド層７３５が利用されるのは、ダイヤモンドは高い伝導率を有するが、電気伝導率は低く、それ故、レーザーダイオード７１２の性能に悪影響を及ぼすことなく、レーザーダイオードから衝突冷却領域に熱を伝達するからである。
【００３７】
左側のヒートシンク７１４はまた、冷却剤流路７４０から、熱が吸収されるダイヤモンド層７３５に冷却剤を循環させる衝突冷却器７３７を含む。衝突冷却器７３７は、冷却剤流路７４０から冷却剤を受取り、該冷却剤を流路付き構造体７３９に向ける。流路付き構造体７３９はニッケルから形成できる。流路付き構造体７３９はノズルに類似し、冷却剤がダイヤモンド層７３５の露出された面に到達するまでその中を流れることができるハネカム状の複数の孔の配列を有する。流路付き構造体７３９はまた復帰孔を有し、冷却剤は該復帰孔中を衝突冷却器７３７に向かってダイヤモンド層７３５から離れる方向に復帰する。復帰するとすぐに、冷却剤は、衝突冷却器７３７から下方に下り、基板７３０に下って戻り、そして冷却剤マニホールド又はこれに接続された熱交換器に出るように流れる。右側のヒートシンク７１６はレーザーダイオード７１２と近接近したダイヤモンド層７４１を有する。右側のヒートシンク７１６はそれ自体の衝突冷却ク７４３及び流路付き構造体７４４を有する。金属化層７６０が右側及び左側のヒートシンク７１６及び７１４の外面に位置する。電流は矢印７５１の方向に金属化層７６０を通じてレーザーダイオード７１２に流れる。
【００３８】
冷却工程時、冷却剤は、参照番号７５３で示す矢印により表示された冷却剤流れ方向を入口７４２から冷却剤流路７４０に上って入るように流れる。冷却剤は、右側のヒートシンク７１６中に上って入り、それから衝突冷却器７４３及び流路付き構造体７４４を通り、そしてダイヤモンド層７４１にぶつかるように流れる。冷却剤はそれから、流路付き構造体７４４を通り、衝突冷却器７４３から下り、バイパス領域７４５にて基板７３０に戻るように復帰する。次に、冷却剤は、左側のヒートシンク７１４中を上り、衝突冷却器７３７と流路付き構造体７３９とを通り、ダイヤモンド層７３５にぶつかるように流れる。最後に、冷却剤は、流路付き構造体７３９中を復帰し、それから基板中を下り、出口７５０を出て、冷却剤マニホールド又はこれに接続された熱交換器に流れ込む。冷却剤は水であることができる。金属化層７６０中を流れる電流は冷却剤流路７４０から電気的に分離される。
【００３９】
図７に示す実施の形態はダイヤモンド層７３５及び７４１を有するが、ＢｅＯ等の他の好適な材料をダイヤモンドの代わりに使用することができる。また、基板７３０は銅又はＢｅＯ等のいくつかの好適な材料から形成することができる。米国ロサンゼルスのバトンルージュに位置するＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｍｅｚｚｏ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社は、図７に示す実施の形態の衝突冷却器７３７及び７４３に好適と思われる衝突冷却器を製造する。
【００４０】
熱を運び去る上述の衝突領域に加えて、熱伝達はＲｉｎｉ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（登録商標）社により製造されるもの等の蒸発型噴霧冷却器により行うこともできよう。
上述の様々な実施の形態はすべて、冷却剤マニホールド又は熱交換器から基板に上り、右側のヒートシンク中を上り、バイパス領域を介して再び基板に下って戻り、それから左側のヒートシンクを通り、基板中を下って戻り、冷却剤マニホールド又は熱交換器に至る通路により冷却剤を移動させる冷却剤流路を説明する。これは連続通路として知られる、すなわち冷却剤がレーザーダイオード組立体の全体を通じて流れる１つの通路がある。しかしながら、平行の冷却剤通路を利用することもできることは認識されるべきである。別言すれば、左側と右側のシンクのために別個の冷却剤流路があることができる。例えば、第１の冷却剤流路は、冷却剤マニホールドから基板中を上り、右側のヒートシンクの全体を通り、それから基板中を下って戻って、加熱された冷却剤が冷却剤マニホールド又は熱交換器に復帰できるように延在する。第２の冷却剤流路は、冷却剤マニホールドから基板中を上り、左側のヒートシンクを通り、それから再び基板中を下って戻って、加熱された冷却剤が冷却剤マニホールド又は熱交換器に復帰できるように延在することになろう。この配列は平行通路として知られるが、それは各々のヒートシンクに移動する冷却剤が異なった通路中を進まなければならないからである。
【００４１】
本発明を１つ又は複数の特定の実施の形態を参照して説明したが、当業者は本発明の精神及び範囲から逸脱することなくこれらに多くの変更を加えることができることを認めるであろう。これらの実施の形態及びそれらの明白な変形の各々は、添付の特許請求の範囲に明らかにされるクレームされた発明の精神及び範囲内に含まれると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態によるレーザーダイオード組立体を端面図で示す。
【図２】本発明の実施の形態による拡散接合された銅の技術を使用して製作された右側の流路付きヒートシンクの分解図を示す。
【図３】本発明の実施の形態による基板層の分解図を示す。
【図４】組立てられたレーザーダイオード組立体の分解斜視図を示す。
【図５】この実施の形態において、一組の３つのレーザーダイオード組立体に冷却剤を分配する流体マニホールドを図示する。
【図６】レーザーダイオード組立体の電流通路と冷却剤流れ流路とが切離された本発明の代替的な実施の形態を図示する。
【図７】冷却流路が衝突冷却器に連結され、かつレーザーダイオード組立体のダイヤモンド層から熱を除去する冷却剤を循環させる本発明の追加の実施の形態を図示する。
【符号の説明】
【００４３】
１０・・・・・レーザーダイオード組立体
１２・・・・・レーザーダイオード
１４・・・・・左側のヒートシンク
１６・・・・・右側のヒートシンク
１８・・・・・半田層
１９・・・・・半田層
２０・・・・・放射面
２２・・・・・反射面
２４・・・・・半田層
２５・・・・・半田層
３０・・・・・基板
３２・・・・・金属化層
３３・・・・・流体マニホールド
４０・・・・・冷却剤流路
４２・・・・・入口
４５・・・・・バイパス領域
５０・・・・・出口
５１・・・・・電流通路
５３・・・・・冷却剤通路
６１０・・・・レーザーダイオード組立体
６５１・・・・電流通路
７１０・・・・レーザーダイオード組立体
７３５・・・・ダイヤモンド層
７３７・・・・衝突冷却器
７３９・・・・流路付き構造体
【図１】
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【図２】
2008533719.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2008533719.tif 000007
【図６】
2008533719.tif 000008
【図７】
2008533719.tif 000009
【国際調査報告】
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2008533719.tif 000011
2008533719.tif 000012