(57)【要約】  半導体レーザー装置のための実装は、単一のレーザーダイオード又は複数のエミッタを有するダイオードバーのいずれかであり得るレーザーダイオードなどの半導体レーザー装置のどちらかの側に熱伝導性のアノード及びカソードブロックを有する。少なくともアノードブロック及び半導体レーザー装置のアノードの間に挟まれているのは、高い熱伝導性を有する追従性の電気伝導性材料のシートであり、熱伝導性の追従性の材料は、半導体レーザー装置のカソードとカソードブロックの間に挟まれ得る。レーザーダイオード又はバーと実質的に同じ厚みの熱伝導性であるが、電気絶縁性のスペーサーが、ダイオード又はバーを取り囲んで、追従性の材料を圧縮状対に維持して、電流をレーザー装置に流しつつ、機械的な損傷を防止する。
2014531750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの電気伝導性アノードブロックと、
少なくとも１つの電気伝導性カソードブロックと、
アノード及びカソードを有し、前記アノードブロックと前記カソードブロックの間に配置された少なくとも１つの半導体装置と、
前記アノードブロックと前記半導体装置の前記アノードの間に配置された追従性の圧縮可能な材料の第１の層であって、前記追従性の材料が、電気的及び熱的に伝導性である、前記第１の層と、
前記アノードブロックから前記カソードブロックに流れる電流が、前記少なくとも１つの半導体装置のそれぞれを通ってのみ流れるように、前記追従性の材料と前記カソードブロックの間に位置する電気絶縁層と、
前記追従性の材料の圧縮の維持、前記レーザー装置の前記アノードと前記アノードブロックの間の前記追従性の材料を通る電気的及び熱的伝導の維持、及び、前記少なくとも１つの半導体装置のそれぞれの前記カソード側と前記カソードブロックの間の電気的及び熱的伝導の維持のための手段を有する、レーザー光を発生させる装置。
【請求項２】
前記追従性の材料が、熱分解性黒鉛シートの形態である、請求項１の装置。
【請求項３】
前記半導体装置が、パルス駆動され、１ミリ秒から１秒のパルス期間と、５０％以下のデューティファクタを有する、請求項１の装置。
【請求項４】
前記半導体装置が、レーザーダイオードであり、４００ｎｍから２０００ｎｍの出力波長を有する、請求項１の装置。
【請求項５】
前記アノード及びカソードブロックが、熱的に伝導性である、請求項１の装置。
【請求項６】
前記アノード及びカソードブロックが、銅製である、請求項５の装置。
【請求項７】
前記半導体装置が、１つから３つのエミッタを有するレーザー装置である、請求項１の装置。
【請求項８】
前記半導体装置の前記カソードと前記カソードブロックの間に配置された熱分解性黒鉛シートの第２の層を更に有する、請求項２の装置。
【請求項９】
圧縮の維持のための前記手段が接着剤である、請求項２の装置。
【請求項１０】
圧縮の維持のための前記手段がネジ又はボルトである、請求項２の装置。
【請求項１１】
圧縮の維持のための前記手段が、少なくとも１つのバネクリップである、請求項２の装置。
【請求項１２】
前記電気絶縁層が、前記半導体装置を受容するためのスロットを有する熱伝導性スペーサーを有し、前記半導体装置と実質的に同じ厚さであり、前記スペーサーが、前記半導体装置の側部の少なくとも一部の周りに配置されている。請求項２の装置。
【請求項１３】
前記スペーサーが、熱伝導性プラスチックである、請求項１２の装置。
【請求項１４】
前記スペーサーが、酸化ベリリウム、陽極処理アルミニウム、電気絶縁層を有するアルミニウム及び電気絶縁層を有する銅を含む群のうちの１つである、請求項１２の装置。
【請求項１５】
前記圧縮可能な材料が前記アノードに接触する場所で、前記圧縮可能な材料が、少なくとも銅及び金を含む群から選択される材料でメッキされている、請求項１の装置。
【請求項１６】
端面出射発光半導体装置から熱を除去する装置であって、
熱伝導性アノードブロックと、
熱伝導性カソードブロックと、
端面出射発光装置を受容するスロットを有する電気絶縁性の熱伝導性スペーサーであって、前記発光装置からの光が前記装置から出ることを許容するように前記スロットが配され、前記発光装置が、アノード及びカソードを有し、前記アノードが前記アノードブロックに最も近く、前記カソードが前記カソードブロックに最も近くなるように前記スロット内に配置された、前記スペーサーと、
前記アノードブロックと、前記スペーサー及び前記アノードの組み合わせにより形成される領域の少なくとも一部の間に挟まれた熱分解性高配向黒鉛の第１のシートと、
前記カソードブロックと、前記スペーサー及び前記カソードの組み合わせにより形成される領域の少なくとも一部の間に挟まれた熱分解性高配向黒鉛の第２のシートと、
前記熱分解性高配向黒鉛のシートの前記発光装置に対する圧縮を維持して、これらの間の熱的及び電気的伝導性を確保する手段を有する、装置。
【請求項１７】
前記黒鉛シートの圧縮が約３５％に維持される、請求項１６の装置。
【請求項１８】
前記アノードブロック及び前記カソードブロックが、前記黒鉛シートの圧縮を維持するように一緒に接着される、請求項１６の装置。
【請求項１９】
前記第１及び第２のシートが、異なる厚さである、請求項１６の装置。
【請求項２０】
前記アノードブロックが銅製である、請求項１６の装置。
【請求項２１】
前記発光装置が、１つから３つのエミッタを有する、請求項１６の装置。
【請求項２２】
前記スペーサーが、少なくとも５０Ｗ／ｍｄｅｇＫの熱伝導性を有する、請求項１６の装置。
【請求項２３】
半導体ダイオードレーザー装置から熱を除去する装置であって、
熱伝導性アノードブロックと、
熱伝導性カソードブロックと、
半導体ダイオードレーザー装置を受容するスロットを有する電気絶縁性の熱伝導性スペーサーであって、前記レーザー装置からの光が前記装置から出ることを許容するように前記スロットが配され、前記レーザー装置が、アノード及びカソードを有し、前記アノードが前記アノードブロックに最も近く、前記カソードが前記カソードブロックに最も近くなるように前記スロット内に配置された、前記スペーサーと、
前記アノードブロックと、前記スペーサー及び前記アノードの組み合わせにより形成される領域の少なくとも一部の間に挟まれた熱分解性高配向黒鉛の第１のシートと、
前記第１のシートが約３５％圧縮されて維持されるように、前記アノードブロックを前記カソードブロックの十分近くに配置する接着剤を有する、装置。
【請求項２４】
前記スペーサーが、電気絶縁層を有する銅を有し、前記絶縁層が、前記カソードブロックに最も近い、請求項２３の装置。
【請求項２５】
前記スペーサーが少なくとも５０Ｗ／ｍｄｅｇＫの熱伝導性を有する、請求項２３の装置。
【請求項２６】
前記ダイオードレーザー装置が、４００ｎｍと２０００ｎｍの間の出力波長を有する、請求項２３の装置。
【請求項２７】
前記ダイオードレーザー装置が、１ミリ秒から１秒のパルス期間と、５０％未満のデューティファクタを有するパルスでパルス駆動される、請求項２６の装置。
【請求項２８】
熱分解性高配向黒鉛の第２のシートが、前記カソードブロックと、前記スペーサー及び前記カソードの組み合わせにより形成される領域の少なくとも一部の間に挟まれる、請求項２７の装置。
【請求項２９】
前記アノード及びカソードブロックが、銅を有する、請求項２３の装置。
【請求項３０】
前記第１のシートが前記アノードに接触する領域で、前記第１のシートが、銅及び金を含む群のうちの１つでメッキされ、被覆され、又は、被膜されている、請求項２３の装置。
【請求項３１】
前記ダイオードレーザー装置が、１つから３つのエミッタを有する、請求項２３の装置。
【請求項３２】
前記第１のシートが、前記第２のシートよりも薄い、請求項２８の装置。
【請求項３３】
半導体レーザーダイオード装置を実装する装置であって、
熱的及び電気的に伝導性のアノードブロックと、
熱的及び電気的に伝導性のカソードブロックと、
少なくとも５０Ｗ／ｍｄｅｇＫの熱伝導性を有し、４００ｎｍと２０００ｎｍの間の出力波長を有する５０％未満のデューティファクタで１ミリ秒と１秒の間のパルスでパルスモードで動作する半導体レーザーダイオード装置を受容するスロットを更に有する電気絶縁性スペーサーであって、前記レーザーダイオード装置からの光が前記装置から出ることを許容するように前記スロットが配されており、前レーザーダイオード装置が、アノード及びカソードを有し、前記アノードが前記アノードブロックに最も近く、前記カソードが前記カソードブロックに最も近くなるように前記スロット内に配置された、前記スペーサーと、
前記アノードブロックと、前記スペーサー及び前記アノードの組み合わせにより形成される領域の少なくとも一部の間に挟まれた熱分解性高配向黒鉛の第１のシートと、
前記カソードブロックと、前記スペーサー及び前記カソードの組み合わせにより形成される領域の少なくとも一部の間に挟まれた熱分解性高配向黒鉛の第２のシートと、
前記発光装置に対する前記熱分解性高配向黒鉛のシートの圧縮を維持して、これらの間の熱的及び電気的伝導性を確保する手段を有する、装置。
【請求項３４】
前記スペーサーが、銅及び電気絶縁層を有し、前記電気絶縁層が、前記カソードブロックに近接して配置される、請求項３３の装置。
【請求項３５】
前記スペーサーが、陽極処理アルミニウム、アルミニウムと絶縁層、酸化ベリリウム、窒化ホウ素、及び、高熱伝導性粒子が組み込まれた複合材を含む群のうちの少なくとも１つを有する請求項３３の装置。
【請求項３６】
前記第１のシートが前記第２のシートよりも薄い、請求項３３の装置。
【請求項３７】
前記デューティファクタが２０％以下である、請求項３３の装置。
【請求項３８】
前記レーザーダイオード装置が、１つから３つのエミッタを有する、請求項３７の装置。
【請求項３９】
前記第１のシートが前記アノードに接触する領域で、前記第１のシートが金属でメッキされている、請求項３８の装置。
【請求項４０】
前記第１及び第２のシートを受容するためのチャネルが前記アノードブロック及び前記カソードブロックに形成されている、請求項１６の装置。
【請求項４１】
前記半導体装置が、レーザーダイオードバーである、請求項１の装置。
【請求項４２】
前記半導体装置がレーザーダイオードであり、１秒以下の期間、連続モードで動作する、請求項１の装置。
【請求項４３】
半導体レーザー装置を実装する方法であって、
電気伝導性アノードブロックを提供するステップと、
電気伝導性カソードブロックを提供するステップと、
アノード及びカソードを有し、前記アノードブロックと前記カソードブロックの間に配置された少なくとも１つの半導体レーザー装置を提供するステップと、
前記アノードブロックと前記半導体レーザー装置の前記アノードの間に配置された追従性の圧縮可能な材料の第１の層であって、前記追従性の材料が、電気的及び熱的に伝導性である、前記第１の層を提供するステップと、
前記アノードブロックから前記カソードブロックに流れる電流が前記少なくとも１つの半導体レーザー装置のそれぞれを通ってのみ流れるように、前記追従性の材料と前記カソードブロックの間に電気絶縁層を提供するステップと、
前記追従性の材料が約２０から約４５％の範囲で圧縮されるように、前記カソードブロックに対する前記アノードブロックの圧縮を維持するステップを有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願］
本出願は、両方が参照により本書に組み込まれる２０１２年５月２１日に出願された米国特許出願番号第１３／４７６，７６２号の分割及び２０１１年８月２９日に出願された米国特許出願番号第６１／５２８，７４７号の変更であり、これらの各出願の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、包括的には、半導体装置の実装のための方法及び装置に関し、より詳細には、レーザーダイオード等の発光半導体装置の実装のための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
非コヒーレント光（「ＬＥＤ」と呼ばれる）又はコヒーレント光（「レーザーダイオード」又は「ダイオードレーザー」と呼ばれる）のどちらかを出射する発光半導体装置が過去数十年に渡って開発されてきた。ＬＥＤ及びレーザーダイオードの共通の属性は、装置のアノード及びカソードとして機能する一対の導電性の面であり、これらの面を通って電流が流れて光を発生させる。高光出力が望ましい装置（例えば、いくつかのＬＥＤ照明用途及び、特に、高出力レーザーダイオード）では、装置実装の重要な面は、そのような実装の装置から予熱を除去する能力に関連する。すべての発光半導体装置は、ダイオード温度が上昇するに従って衰える電気−光効率を呈し、ダイオード温度が継続的に上昇した場合には、引き伸ばされた出射を伴い、又は、より高い電流レベルで、最終的には終局的な故障を生じるため、これは、高出力、高効率及び高信頼性が望ましい場合に特に重要である。
【０００４】
ＬＥＤ及びレーザーダイオードは、これらの装置が出射できる光量、これらが消費する電力量及びこれらが発生させる熱量を考慮すると、顕著にサイズが小さい。例として、１４７０ｎｍでレーザー光を出射する単一レーザーダイオード「チップ」（マサチューセッツ州ピーボディのセミネックス  コーポレーション）は、１０アンペアの入力電力及び約２ボルトの電圧降下で４ワットの連続波レーザー出射を容易に発生させ得る（入力電力２０ワットで２０％の効率を生じる）。このチップの寸法は、わずかに０．5mm幅で２．5mm長さで０．１６ｍｍ厚さである。より顕著なことに、実際のレーザー光は、わずかに９５μｍ（０．０９５ｍｍ）幅で１ミクロン高さであるアノード面（いわゆる「Ｐ側」）に集中する極めて薄くて狭い領域により出射される。このＰ側の「レーザーストライプ」は、０．０９５ｍｍ×２．５ｍｍ又は０．２４ｍｍ２の面積を有する。上記例では、入力電力の８０％が廃熱になるため、レーザーストライプ面の電力密度は、莫大な平方センチメートル当たり６０００ワットを超過する。これは、過熱又は終局的故障を防ぐためには、レーザーダイオードから効率的に伝導除去しなければならない熱エネルギーの量が顕著であることを表す。
【０００５】
高温面からの熱の伝導除去を最大化するには、高温面と冷却接触面の間の熱伝導が最大化されなければならない。一般に次の２つの手法が採用される。：ヒートシンクを加熱面に対して（しばしば、２つの面の間に配置された「放熱グリス」等の界面物質を用いて）機械的に押し付けるか、或いは、両面を半田又は高熱伝導エポキシなどの接着剤で結合させる。機械的な手法は、レーザーダイオードなどの半導体装置に対しては２つの理由で実際的であることが証明されていない。第１に、レーザーそれ自体は、ケース又はハウジングを有さず、レーザー物質は極めてもろい。したがって、硬質のヒートシンク面を用いて良好な熱伝導を達成するのに必要な圧力は、直ちに、又は、使用中に、半導体装置のクラック（割れ）を生じさせ得る。第２に、放熱グリスは、より軽い圧力で高い熱伝導性を達成する助けとなり得るが、グリスはレーザーダイオードの光表面に移動（マイグレーション）して、レーザーに永続的損傷を生じさせる傾向がある。
【０００６】
したがって、半田接合は、もろいダイオード材料に直接の機械的圧力を加えることなく、ヒートシンクへの、典型的には、エポキシよりも良好な熱伝導を提供するため、レーザーダイオードなどの半導体装置に対しては、半田接合がより頻繁に使用されてきた。しかし、この手法は、特に、典型的にはガリウム砒素又はインジウムリンから製作されるレーザーダイオードに対しては、その固有の欠点を有する。銅ヒートシンクへの単純な半田付けは、レーザーダイオード材料とヒートシンク材料の間の熱膨張率の差により、頻繁に失敗する。この問題を解決するため、より製作困難な（そして高価な）熱膨張率の近いヒートシンク材料を使用することが必要である。半田の熱膨張率は、半導体の熱膨張率と完全には整合しないため、半田もまた、レーザーダイオードに圧力を生じさせる。
【０００７】
半田付けについての関連する難題は、レーザーダイオードが、部分透過性で多層誘電体材料の高反射率コーティングからなる出力端面コーティングを後部レーザー端面に有することである。これらの光学面は、双方とも、半田付け工程の間、完全に擾乱無しの状態である必要があり、さもなければ、レーザーは故障する。このように、半田付け工程の間の酸化物除去のために典型的に使用される多くのフラックスは、使用できない。
【０００８】
更に、半田付けの間、レーザーダイオードが曝される温度上昇を最小に保つことが望ましいが、インジウム及びその合金等の低融点半田は、一般に、より高温の半田程良好には、表面に対する「濡れ」が得られない。これにより、レーザーダイオード表面が、可能な限り「半田付け性」が良いように設計されることが必要になる。このため、Ｐ側のメタライズは、典型的には、例えば、５０ナノメートルのチタン層、その上の１２５ｎｍのプラチナ層及び最後にそれを覆う２５０ｎｍの金層からなる真空蒸着層の「サンドイッチ」である。
【０００９】
更に、半田は、レーザーストライプの全長と密に接触する必要があり、さもなければ、接触の無い領域が致命的に高温になる。残念なことに、光学コーティングがレーザーダイオードチップの出力端面に堆積されるときに、コーティング材料の有る部分が意図せずにチップのＰ側に堆積し、その領域で半田がチップに接合することが阻害される。これは、典型的には、チップの初期不良を引き起こす。ヒートシンクへの半田実装前のチップのリジェクトの通常の理由は、このような端面コーティングの「オーバースプレイ」である。
【００１０】
最後に、いくつかの商業的に実装されるレーザーダイオードの最終的な追加的な複雑性として、６−１２もの微細な金線が、レーザー装置からの電流帰還経路を提供する目的で、レーザーダイオードのカソード面上に個々にボールボンディングされる。
【００１１】
上記から、所望の熱的及び光学的性能を提供しつつ、製造及び組立がより単純で、より信頼性の高いレーザーダイオード等の半導体装置を実装する方法が長く望まれていた。
【発明の概要】
【００１２】
本発明は、半導体装置からの熱の優れた伝導除去を提供し、また、ヒートシンクに半田付けされたレーザーダイオードで達成されるのと同様の光学性能を提供しつつ、従来技術よりも製造が単純な装置を提供することにより、上記改善を提供する。
【００１３】
１実施形態では、本発明の装置は、その間にスペーサーを有する一対の部分的に圧縮可能な熱伝導性の黒鉛シートのサンドイッチを有する。スペーサー内には、組立が完了したときにスロット内に配置されるレーザーダイオードとサイズ（長さ及び幅）が本質的に整合するスロットを有する。１実施形態では、黒鉛シートと半導体の間の適切な接触を確保するよう、スペーサーは、半導体装置の高さと同じか、それより僅かに薄い。そして、黒鉛シートは、レーザーダイオードと良好な熱的及び電気的接触を得るように任意の適切な手段により圧縮され、スペーサーは、レーザーダイオードへの過度の機械的圧迫を防ぐ。黒鉛シートは圧縮可能でスペーサー又は半導体よりも格段に柔軟であるため、レーザーダイオードチップを破壊することなく均一で適度な圧力をレーザーダイオードに加えることができる。
【００１４】
１実施形態では、アセンブリ（組立体）は、ネジで一緒に保持され、カソード及びアノードプレートの「サンドイッチ」は、ネジの機械力により圧縮される。代替的には、アセンブリは、例えば、ＵＶ硬化型エポキシを用いて、一緒に接着され、その場合、部品は、一緒に配置され、その後、接着の前に適切に圧縮され、接着剤が適切に硬化し又はさもなければ固化するまで圧縮状態に保たれる。接着される実施形態は、自動組立に特に良好に適合するが、他の多くの実施形態でも自動組立は可能である。
【００１５】
代替的実施形態では、複数のスロットがスペーサーに形成される。更なる代替的実施形態では、複数の黒鉛シートが、その間の複数のスペーサー、及び、各スペーサー内のスロットに配置されたレーザーダイオードと積層される。このように形成された複数層のサンドイッチは、従来技術と比較して信頼性高く、比較的低コストで組み立てられる半導体装置アレイを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明に従う装置の実施形態の展開図を示す。
【００１７】
【図２】図２は、本発明に従う装置の実施形態の展開図を示す。
【００１８】
【図３】図３は、図２に示す装置の組み立てられた状態の側部断面図を示す。
【００１９】
【図４】図４は、接着による組立に適した実施形態を示す。
【００２０】
【図５】図５は、単一層内に配置された複数のレーザーダイオードを有する代替実施形態の展開図を示す。
【００２１】
【図６】図６は、複数層内に配置された複数のレーザーダイオードを有する代替実施形態の展開図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１を参照して、本発明に従う装置の実施形態が展開図で示される。このような実施形態では、装置は、公称的には、０．５インチ幅×０．２５インチ深さ×０．２５インチ厚みの寸法の概略矩形形状であり得る。これらの寸法及び形状は単なる例であり、殆ど設計選択の問題であることが理解されるであろう。このように、図示及び説明される寸法及び形状は、限定することを意図されていない。例えば、単に、図で意図される０−８０サイズよりも小さいネジを使用することにより、又は、図４の実施形態との関連で説明するように接着剤を使用することにより、全体の装置は顕著に小さくし得る。同様に、十分な熱除去とともに、信頼できる機械的配置及び種々の要素間の熱的及び電気的伝導性を確実にするように十分な圧縮が提供される限り、形状は、任意の便宜な形状に変更され得る。
【００２３】
図１に示す実施形態では、カソードブロック１０は、銅などの電気的及び熱的に伝導性の物質から構成される。特定の位置は重要ではなく、他の固定機構が使用し得るが、一対のネジ穴１５が本質的にはブロックの外周の近傍に配置される。第１の電気的及び熱的に伝導性のシート２０がカソードブロック１０上に配置され、スペーサー３０がシート２０上に配置される。スペーサー３０は、電気絶縁性で、好ましくは、少なくともいくつかの実施形態では、熱的に伝導性である。更に、いくつかの実施形態では、スペーサーは、例えば、マイラー層が接合された銅シート、又は、上面又は下面の少なくとも１つが絶縁ワニス又はポリウレタンで被覆された銅シート、又は、陽極酸化アルミニウム、又は、銅と同様にして被覆されたアルミニウムにより達成され得る少なくとも５０ワット／メートル・ケルビン度（５０W/m-degK）の熱伝導性を有することが望ましい。スペーサーがマイラー等の単一絶縁層を有する金属であるいくつかの実施形態では、露出した金属面をアノードブロックに最も近いＰＧＳシートに対して配置することが望ましい。一般に、スペーサーは、好ましくは、高熱伝導性、製造容易性及び低コストを有する。このように、他の実施形態では、熱伝導性プラスチック材料、又は、高熱伝導性粒子混入複合材、又は、酸化ベリリウム又は窒化ホウ素などの高熱伝導性を有するセラミックス状材料、又は、絶縁層と組み合わされた他の金属が、スペーサーとして使用可能である。
【００２４】
スロット４０は、スペーサー３０の近位側エッジから内側に延び、スペーサー３０の厚みがレーザーダイオード５０の厚み又は高さと実質的に同じとして、レーザーダイオード５０に整合することを本質的に意図した寸法を有する。レーザーダイオードの出射端面５５は、スロットの開放端部に位置し、レーザー光が意図した態様でエッジ出射装置から出ていくことを許容する。いくつかの実施形態では、ダイオード５０は、光が複数の位置から出射するように、例えば、２−２５のストライプなど、複数のストライプ又はエミッタを有するバーを有し得る。
【００２５】
第２の伝導シート６０は、レーザーダイオードがスロット４０内に配置されたときに、スペーサー３０及びレーザーダイオード５０上に配置される。アノードブロック７０は、第２の伝導シート６０上に配置される。アセンブリは、電気絶縁性肩付きワッシャ８０及び導電性ボルト又はネジ９０等の任意の便宜の手段により一緒にクランプ（締めること）され、この目的のため、伝導シート及びスペーサーのそれぞれに孔９５が設けられる。上記のように、接着剤、絶縁バネクリップなどの他の固定手法が使用され得る。図１には示されないが、図３のアセンブリ図で見える１つの伝導性ラグが、アノード及びカソードブロックに適切な電気的接続性を付与する。
【００２６】
図１の実施形態では、レーザーダイオードは、ネジ又はボルト９０によって、アノードブロック及びカソードブロックの間で効果的にクランプされる。伝導シート２０及び６０は、いくらか圧縮可能で、従って、双方が、レーザーダイオードを所定の位置に機械的に保持するとともに、レーザーダイオードの長さに沿って均一にレーザーダイオードとの電気的接触を形成する。電気的伝導経路は、アノードから、第１の伝導シートを通り、その後、レーザーダイオード、第２の伝導シートを通り、最後にカソードブロックに形成される。スペーサーは、レーザーダイオードを通る以外の電気伝導を妨げる。所望の場合、レーザーダイオードへの過剰のクランプ力を防ぐため、詰め物（不図示）がアノード及びカソードブロックの間に設けられ、又は、スペーサー３０と一体化され得る。
【００２７】
伝導シート２０及び６０は、好ましくは、パナソニックエレクトロニックデバイス株式会社から販売されるような高配向熱分解黒鉛（pyrolytic highly oriented graphite）シート（以下では、「ＰＧＳ」又は「熱分解黒鉛（pyrolytic graphite）」と言う場合がある）から形成される。パナソニックから現在販売されているものなど、これらの熱分解黒鉛シートのあるものは、圧縮された場合に、より良い熱伝導性を提供する。このように、シート２０及び６０は、実施形態及び特に、生成される熱の量、アセンブリを横切る許容可能な電圧降下、及び、ＰＧＳ材料に加えられる熱的パルスの性質に応じて、圧縮量は約５％から約４５％の広い範囲で調整され得るが、良好な熱伝導を確実にするため、好ましくは、約１５から４０％又はそれ以上の％（ある実施形態では、公称〜２５％であるが、他の実施形態では、〜３５％が好ましい）で圧縮される。５％からｙｙ悪４５％の圧縮の範囲内では、より大きい圧縮がより少ない電圧降下を生じさせる。１実施形態では、約３５％の圧縮で、本発明のアセンブリを横切る電圧降下は、半田付けされたアセンブリを横切る電圧降下と実質的に同様、又は、約１．２と１．５ボルトの間となる。シート２０及び６０の厚みは同じである必要はない。（レーザーダイオードのアノード側でより多くの熱が生成される。）ＰＧＳ材料の実際の熱伝導性は、シートが薄くなるに従い増加することに留意すべきである。したがって、例えば、比較的より多くの熱を発生し、より早く熱を発生する設計は、アノード側の比較的薄いシートによる恩恵を受けるが、異なる熱パルス形状で使用する他の設計では、異なる厚みが好ましい場合がある。一般に、約６ｋｇ／ｍ２のクランプ力は、説明した実施形態に対して適切な圧縮を提供するが、他の実施形態では、４−８ｋｇ／ｍ２の範囲が一般的に好ましいが、１−３０ｋｇ／ｍ２の範囲が許容可能である。より高出力又はより長いパルス期間の実施形態を含むいくつかの実施形態では、特にアノード側でレーザーダイオードとＰＧＳ材料の間の電気接続抵抗を低下させることが望ましい場合がある。このような実施形態では、発光装置と接触するＰＧＳ材料の表面は、電気メッキ又は気相成長等の任意の適宜の手段によって、銅又は金等の伝導材料でメッキされ得る。代替的には、このような伝導材料の薄いシートが、レーザーダイオード及びＰＧＳ材料の間に配置され得る。他の実施形態では、発光装置のカソード側と接触する表面もまた被覆されることができ、更に他の実施形態では、ＰＧＳ材料の上下の両方が被覆され得る。伝導材料は、１−１０μｍの厚みが一般的には好ましいが、好ましくは、０．２〜２５μｍでメッキされる。ＰＧＳ材料上の金属層は、ＰＧＳ材料が、発光装置と同様、関連するブロック（アノード又はカソード）に対してコンプライアントであるように（追従性があるように）、十分に薄い。
【００２８】
このようなＰＧＳ材料から形成されるシート２０及び６０は、１００μｍ−１７μｍの範囲の厚みに対して、それぞれ、６００−１８００の範囲の横方向の熱伝導性（Ｗ／ｍＫ）を提供する。縦方向又はＺ方向には、このようなＰＧＳ材料の熱伝導性は、より高い熱伝導性が好ましいものの、約１５Ｗ／ｍＫ、又は、レーザーダイオードの半田実装で使用されるであろう種々の半田の熱伝導性と概略等価である。有利なことに、本発明では、半田実装において一般に必要な多層の金属化面をレーザーダイオード上に有することを要さないことが理解されるであろう。その代わり、少なくともいくつかの実施形態では、伝導シート２０及び６０は、金属化されていないレーザーダイオードと直接接触するように単に配置されて、適切な電流の流れを達成する。グラファイト材料もまた、インジウム、鉛又は錫と比肩しうる優れた電気伝導性を有する。しかし、本書に記載の本発明の新規な設計は、熱分解黒鉛を使用することに限定されることは意図されておらず、むしろ、良好な電気伝導性を有する非常に高い熱伝導性の圧縮可能な材料の使用も包含する。
【００２９】
本発明は、０．５から２０までアンペアの駆動電流、１ミリ秒から１秒までのパルス期間及び５０％程度のデューティファクタで４００ｎｍ−２０００ナノメータの範囲で動作するレーザーダイオード又はダイオードバーを必要とする用途に良好に適合する。パルスモードでは、本発明は、単一パルスモード又は繰り返しパルスモードのどちらでも動作し得る。例示的な実施形態では、装置は、１５％のデューティファクタに対応して、３０Ｈｚのパルス繰り返し速度の５ミリ秒のパルスで動作し得る。１０アンペアの駆動電流に対しては、各パルスの出力電力は、約４ワットである。約５ミリ秒のパルス期間に対しては、これは、約３０ミリジュールのパルスエネルギーを発生させる。いくつかの実施形態では、連続動作が１秒まで使用し得る。代替的には、パルス動作は、約１秒のパルス間の約１秒の冷却期間を効率的に提供して、５０％のデューティファクタで１秒までのパルスで使用でき、約１秒のパルスの間の１秒の冷却期間を効果的に提供する。更なる代替例では、レーザーダイオードチップと伝導シートの間の実効接触面積を十分に増加させることで、より長い期間、より長いパルス、又は、より増加したデューティファクタでの連続動作が可能になり得る。
【００３０】
図２は、単一のレーザーダイオード装置が使用される現在において好ましい、代替的な実施形態を示す。図１と実質的に同様の要素は、同様の番号で示されている。図２の実施形態では、カソードブロック１０は、典型的には銅から加工され、チャネル（溝）２５の両側の面３５を生じさせるチャネル２５が適宜の位置、例えば、カソードブロック１０の中央に切削される。チャネル２５は、面３５がアノードブロック７０に接触するときに、ＰＧＳシート２０及び６０が約２５％の圧縮を受けるような深さに加工される。この深さはダイオード５０の寸法及びＰＧＳシートの厚みに応じて、例えば、１０ミルであり得る。概略２５％の圧縮で、損傷を避けるようにダイオード５０への圧力を制限しつつ、良好な電気接続を確実にし、かつ、ダイオード５０が動かないことを確実にするための十分なクランプ力を提供しつつ、ＰＧＳ材料の熱性能の殆どが達成される。１実施形態では、シート２０及び６０の適切な圧縮を提供し、レーザーダイオード又は他の半導体を柔軟にクランプするためのクランプ力は、約１−３０ｋｇ／ｍ２の範囲であり得るが、殆どの設計では、４−８ｋｇ／ｍ２が許容可能である。いくつかの実施形態では、カソードブロックの面３５は、１／１０ミルの数倍程度の通常のポリウレタンなどの電気絶縁材料でスプレイされる。これは、カソードブロック１０のアノードブロック７０との電気的短絡を防止し、レーザーダイオードチップ５０を通って電流が流れるようにする。代替実施形態では、熱伝導性であるけれども電気絶縁性のスペーサー３０（接合されたマイラー層を有する銅シート等）が、図２に示すカソードブロックの面３５を覆うように側方に延びる。これにより、カソードブロックのこれらの面に電気絶縁層を直接スプレイする必要が解消される。
【００３１】
組立のため、例えば、４ミルの厚みで約１／４インチ×３／１６インチの寸法の一片のＰＧＳ材料２０がチャネル２５に配置される。レーザーダイオードチップ５０（公称６ミル）の厚みと同じ厚みのスペーサー３０が、その後、ＰＧＳシート２０の上部に配置される。その後、レーザーダイオードチップ５０がスペーサー３０のスロット４０に配置される。レーザーダイオードチップ５０は、電流が印加されたときに、そのレーザー出射が、出射端面５５を通ってアセンブリから伝搬して出ていくように、向けられる。また、レーザーストライプが、適切な電流の流れのために、アノードブロック７０に向くように、Ｐ側が図において上向きになるように、チップ５０が向けられる。
【００３２】
約１ミル厚みの第２のＰＧＳのシート６０が、その後、チップ５０及びスペーサー３０上に配置され、その後、アノードブロックが配置される。アセンブリを完成させるため、機械ネジ９０が、絶縁肩付きワッシャ８０を通し、そして、貫通孔９５を通して挿入され、カソードブロック１０のネジ穴にねじ込まれる。この圧縮実装アセンブリの革新的設計により、レーザーダイオードチップ５０上の圧力は、機械ネジに加えられるトルクとは本質的に独立である。すなわち、一旦、カソードブロック１０の面３５がアノードブロック７０に対して押されると、チャネル２５のトータルの間隙距離は、機械ネジに加えられるトルクとは本質的に独立となり、図１との関連で述べた詰め物と実質的に同様に、単純で信頼できるアセンブリが得られる。
【００３３】
電流を、組み立てられた圧縮実装体を通して、より特定的には、レーザーダイオードを通して流すことについては、図２と同様の実施形態であるが、ここでは断面で示す図３が参照される。アノードの電気接続を形成するため、アノードブロック７０上のアノードリングラグ３００上に載置された絶縁肩付きワッシャ８０Ａを通して機械ネジ９０Ａが配置される。アノードリングラグ３００は、アセンブリに電流を供給する電気配線及び関連する回路（不図示）の端末である。アノードリングラグ３００がアノードブロック７０上に載置されているため、電気接続が形成される。機械ネジ９０Ａは、その後、カソードブロック１００にねじ込まれる。
【００３４】
戻り電流経路は類似の態様で形成される。機械ネジ９０Ｃが、カソードリングラグ３１０を通して、その後、絶縁肩付きワッシャ８０Ｃを通して配置される。機械ネジ９０Ｃは同様にカソードブロック１０にねじ込まれているため、ネジ自体がカソード電位となり、カソードリングラグ３１０を通るアセンブリからの電流を戻す電気配線への戻り電流経路を提供する。
【００３５】
試験では、図２に関連して上に説明したポリウレタンの薄い電気絶縁層で被覆された熱伝導性銅スペーサーを用いる実施形態は、それぞれ５ミリ秒のパルスの概略１０アンペアまでに対して、（レーザーダイオードが金メッキヒートシンクに半田付けされたＰ側を有し、Ｎ側への複数の別々の金ワイヤーボンドを有する）従来の実装と実質的に同等のレーザー光出力を提供する。両装置を相当な平均電力（例えば、３０Ｈｚの繰り返し速度）で１０分以上動作させたときに、同様の同等性が示され、本発明からの熱移送は、より長い時間スケールでも従来の実装の場合と同等であることが確認された。本発明の示された性能は、顕著な実用性を提供する。例えば、フラクショナルノンアブレーティブレーザー（フラクショナル非切除用装置／fractional non-ablative device）での使用に適する実施形態では、５ミリ秒のパルス期間を有する４−８アンペアの範囲のパルス電流は、約７−１５ミリジュールの光出力エネルギーを提供する。当業者は、所望により出力を調整するように、電流及びパルス期間の両方が変更可能であることを認識するであろう。
【００３６】
本書に記載の実施形態は、圧縮を用いた新規な実装スキームの例の役割のみを有することが意図されており、同様に良好に動作し、それぞれの特有の利点を有し得る多数の変形形態が存在することが特記される。そのような１変形形態では、レーザーダイオードチップの片側のみが熱分解黒鉛又は同様の材料を利用し、他方側が固定的に取り付けられ得る。例えば、レーザーダイオードのＮ側が従来の印刷回路基板上の銅配線（copper trace）に半田付けされ得る。配線の厚みは、膨張整合（expansion-matched）銅−タングステン金属よりむしろ、銅へのチップの半田付けを可能にする十分な機械的な追従性を提供する。印刷回路基板に半田付けされたチップとともに、他の電子部品及び／又はセンサが、従来のＰＣ基板アセンブリ方法を用いて非常に接近して配置され得る。他の実施形態では、レーザーダイオードチップのＰ側は、アノードブロックの研磨面と直接接触して配置され、チップのカソード側と接触した黒鉛材料が、チップのクラック（割れ）を防ぐのに必要な圧縮性を提供する。更に他の実施形態では、黒鉛材料を好適に保持するように、チャネルがアノード及びカソードの両方に形成される。圧縮されたときに全体のアセンブリが各黒鉛シートを約２５−３５％圧縮するように、アノード及びカソードの黒鉛材料の厚さと共に、チャネルの深さが選択され、圧縮の増大は、一般に、アセンブリを横切るより少ない電圧降下を生じさせる。特に、チップ及び黒鉛シートから異物を除去するようにダイオードチップが周到に清浄化されたいくつかの実施形態では、ダイオードチップのクラック（割れ）を生じることなく、４０％以上の黒鉛シートの圧縮が達成され得る。
【００３７】
本発明の単純さ、信頼性及び製造容易性が、この装置を、ノンアブレーティブのフラクショナルレーザーなどの大量生産コンシューマ用（high-volume consumer）レーザーに理想的に適合したものにする。この圧縮実装の手法は、すべてがダイオードバーの側部から出射する、複数、しばしば、１８−２０の範囲のエミッタが相互に隣接して配置される、いわゆるレーザーダイオードバーにも同様に適用し得る。約８００ｎｍの波長で動作する典型的にはガリウム砒素から形成されるこのタイプのバーは、コンシューマ用レーザー脱毛装置で使用されるが、異なる波長又は異なる半導体装置を用いる装置のための多くの他の用途が存在する。本発明の上記利点の多くは、これらのタイプの用途にも同様に妥当し得る。このような構成の場合、スロット４０は単純に広げられる。
【００３８】
次に図４を参照すると、更なる代替実施形態が示されており、ここでは、全体のアセンブリが、ネジやボルトで一緒に固定されるのではなく、一緒に接着される。１実施形態では、アノード及びカソードブロックが相互に接近するアセンブリの２つ又は３つの側部（レーザー光を出射する側部を除く）に小さいポケットが形成される。接着剤は、その後、これらのポケットに挿入され、例えば、ＵＶ硬化セメント（接合剤）、二液型エポキシ、シアノアクリレート系セメント等で硬化される。アセンブリが一緒に接着される場合、例えば、（組立前の）半田等の標準的な手段により、電流の流入及び流出のために、カソード及びアノードブロックへの電気接続が容易に形成され得る。接着の過程の間、アセンブリは、ＰＧＳシートの所望の圧縮量が達成されるように圧力下に保たれ、接着剤が一旦硬化又は固化すると、その状態が維持される。
【００３９】
特に、アノードブロック４００は、スペーサー４１０を間に配置して、カソードブロック４０５の上に配置される。熱分解黒鉛材料のシート４１５は、アノードブロック４００のチャネル４２０と並べて、アノードブロック４００とスペーサー４１０の間に配置される。同様に、熱分解黒鉛材料の第２のシート４２５は、カソードブロックのチャネル４３０と並べて、スペーサー４１０とカソードブロック４０５の間に配置される。スペーサー４１０に配置されたスロット４３５は、発光装置（不図示、図２参照）を受容し、スペーサーの厚みは、上記のように、発光装置の厚みと同じか又はそれより僅かに薄い。
【００４０】
図４に示す要素は、任意の在来の手段により組み立てられる。例えば、各部品は、カソードブロックと他の要素を配置するための取付具を用いて組立のために並べられ、その後、スペーサーがアノード及びカソードプレートと接触するまでクランプすることにより組み立てられた要素を圧縮する。その後、接着剤が接着剤ポケット４４０に挿入されて、硬化又は固化されることができ、その時点でクランプが除去される。このような構成では、外部的なクランプ源が取り除かれたときに、黒鉛シートとダイオードチップの間で良好な接触が保たれることを確実にするために、限定された追従特性又は柔軟性を有する接着剤を使用することが望ましい。その他の構成は、電気接触抵抗を低下させるためのＰＧＳ材料のメッキ又は複数のエミッタを有するレーザーダイオードの使用の選択肢を含めて、図２に示すものと実質的に同様である。
【００４１】
本書の開示から、シート４１５及び４２５の厚みが異なる厚みであり得ることが理解される。例えば、カソード側のシート４２５は、約１００μｍ厚であり得、一方、アノード側のシート４１５は、約２５μｍ厚であり得る。このような厚みの場合、チャネル４２０の深さは、約１６−１７μｍであり得、一方、チャネル４３０の深さは、約６５−７５μｍであり得る。カソード及びアノードブロックのサイズは重要でないが、熱分解黒鉛材料のシートが概略同サイズとして、実用的なサイズは、１ｃｍ×１ｃｍ×０．５ｃｍである。上記のように、スペーサーは、１ミルのマイラーの層が接合された公称５ミル厚の銅シートであり、「ポケット」は、公称１２５ミル深さである。
【００４２】
代替実施形態では、アノードブロックのチャネルは、省略され、発光装置のアノードのメタライゼーションは、研磨された銅アノードブロック上に直接載置されるか、或いは、チャネル無しで薄い（〜１７−２５μｍ）熱分解黒鉛材料のシート上に載置される。
【００４３】
次に図５を参照すると、更なる代替実施形態が示されており、ここでは、一連の個々のレーザーダイオード５０が、熱伝導性であるけれども電気絶縁性のスペーサー３０の複数のスロット４０により別々に搭載されている。その他の構成は、実質的に図２に示すものと同様である。
【００４４】
次に図６を参照すると、更に他の代替実施形態が示されている。図６の実施形態では、複数のスペーサーが、カソードブロック１０に隣接する積層の底部に熱的及び電気的伝導性シート２０を有して、それぞれ、熱的及び電気的伝導性シート６０に挟まれて、積層されている。図示の実施形態では、各スペーサーは、それぞれがレーザーダイオードを受容するように適合された複数のスロットを有する。このように、組み立てられたときに、図示の実施形態は、ダイオード装置の圧縮実装を可能にするように積層された３つの伝導性シートを有して、２層のレーザーダイオード装置を有する。各層のダイオード装置の数は、層の数と同様に、特定の設計の目的に応じて選択できる事項であることが理解されるであろう。同様に、個別のダイオードの代わりにダイオードバーを使用し得る。
【００４５】
上記のように、単純な圧縮アセンブリを用いたレーザーダイオードは、半田付けされたアセンブリに関連する複雑性や信頼性の問題無しに、また、少なくともいくつかの実施形態におけるレーザーダイオードのアノード及びカソード表面上のチタン、ニッケル及び金等の特別に準備された金属化被覆の必要を生じることなく、その表面からの良好な熱の伝導除去を享有できる。
【００４６】
上記から、新しく、新規で進歩性のある装置及びそのような装置の製造方法が開示されたことが理解できる。上記の開示から、当業者は、本発明の範囲から逸脱することのない多数の代替及び均等物を認識することができ、したがって、本発明は、添付請求の範囲のみにより限定されることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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