(57)【要約】  【課題】    放熱器の構成の変更を極力少なくするとともに、冷却水内に金属イオンが溶け出す電食の影響を受けない放熱器を、また、このような放熱器を構成する受熱体の形成方法を提供する。  【解決手段】  発熱体であるＬＤ（レーザダイオード）アレイ２００が取り付けられ、内部に形成された流路２を流れる冷却水９００によりこのＬＤアレイ２００を冷却する水冷式の放熱器１において、放熱器１の内部の流路２の流路形成面（表面）を覆い、冷却水９００と放熱器１とを電気的に絶縁する保護層（酸化チタン層）３を、備える放熱器１とした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側に発熱体が接触して取り付けられ、内側に形成された流路を流れる冷却液によりこの発熱体を冷却する液冷式の放熱器において、
放熱器内部の流路形成面を覆い、冷却液と放熱器とを電気的に絶縁する保護層を、
備えることを特徴とする放熱器。
【請求項２】
請求項１に記載の放熱器において、
前記保護層は、電気的に絶縁するとともに摩擦抵抗を低減する酸化チタン層であることを特徴とする放熱器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の放熱器において、
前記発熱体は、前記放熱器を電源経路の一部として電気的に接続する半導体レーザダイオードを搭載したレーザダイオードアレイであることを特徴とする放熱器。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の放熱器において、
前記放熱器は、
保護層が形成された流路形成面と、この流路形成面以外であって地金属が現れた接合面と、を有する板状の受熱体と、
これら受熱体の接合面で接合する接合層と、
を備え、複数枚から成る受熱体を接合層により接合して積層し、保護層で覆われた流路が形成される構造を有することを特徴とする放熱器。
【請求項５】
請求項４に記載の放熱器において、
前記接合層は、ロー材、ロー材シートまたは拡散接合により受熱体の接合面同士を電気的、熱的、および、機械的に接合して形成した接合層であることを特徴とする放熱器。
【請求項６】
請求項４に記載された放熱器を構成する受熱体の形成方法であって、
流路形成面と、流路形成面以外の接合面と、を有する受熱体を形成する受熱体形成工程と、
受熱体の全面にマスク膜を塗布するマスク膜塗布工程と、
流路形成面を含む面上のマスク膜の上にレジストを塗布するレジスト塗布工程と、
マスクをレジスト上に載置し、接合面上のレジストを露光するレジスト露光工程と、
レジストを現像して流路形成面のレジストを剥離させるパターニング現像工程と、
流路形成面上のマスク膜を除去して流路形成面の地金を露出させるマスク膜エッチング工程と、
全てのレジストを剥離するレジスト剥離工程と、
スパッタリング、イオンプレーティングなどのＰＶＤ法、または、ＣＶＤ法により流路形成面を含む面に成膜する成膜工程と、
マスク膜を剥離して流路形成面にのみ保護層を形成するマスク膜剥離工程と、
を有することを特徴とする受熱体の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザダイオード（以下、単にＬＤと略記する）アレイなど放熱体を冷却する液冷式の放熱器、および、この放熱器を構成する受熱体の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力のＬＤは他の部品とともに一体に搭載されたＬＤアレイとして使用されることが一般的である。このＬＤは発熱密度が数十〜数百Ｗ／ｃｍ２程度と大きいため、ＬＤアレイ全体は温度上昇し、ＬＤのレーザ出力、効率、発信波長、素子寿命が大きな影響を受ける。従って、ＬＤアレイから熱をいかに除去するかが非常に重要な課題となっている。
【０００３】
このような熱対策としては、例えば、放熱器の使用が考えられる。放熱器をＬＤアレイに接触した状態で取り付けて、効率良く放熱を行うものである。
しかしながら、放熱器と接触するＬＤアレイの接触面は、例えば横幅１０ｍｍ×縦幅１〜１．５ｍｍ程度であり、放熱器との接触面積が非常に小さい。このため、単なる空冷式の放熱器ではＬＤの発熱量が放熱量よりも上回り、ＬＤアレイの温度上昇が抑えきれなかった。このような事情から、ＬＤアレイ用の放熱器は、内部に流路を設けた液冷式（一般的には水冷式）の放熱器を用いるのが一般的である。
【０００４】
この従来技術によるＬＤアレイの放熱について概略説明する。図１２はＬＤアレイ放熱システムの模式的なシステム構成図である。ＬＤアレイ放熱システムは、放熱器１００、ＬＤアレイ２００、電力供給装置３００、給排水用マニホールド４００、流路５００、タンク６００、流路７００、ポンプ８００、を備え、冷却水（具体的には純水）９００が循環するシステムである。
【０００５】
本システムにおいて、高出力のＬＤ（図示せず）を搭載したＬＤアレイ２００が、ロー材等により接合されて、放熱器１００に直接マウントされる。このＬＤアレイ２００は、電力供給装置３００→放熱器１００→ＬＤアレイ２００→ＬＤという経路を経て電力が供給されて、ＬＤアレイ２００中のＬＤを発光させる方式としている。このような高出力のＬＤには１個当たり４０〜１００Ｗという電力が印加されるため、放熱器１００の内部にもこの大電力が印加され、電流ｉが流れることとなる。
【０００６】
また、本システムでは、放熱器１００に冷却水９００を供給、排出する循環系を形成しており、ポンプ８００によりタンク６００の冷却水９００が流路７００→ポンプ８００→給排水用マニホールド４００の流路４００ａ→放熱器１００の流路１０１→給排水用マニホールド４００の流路４００ｂ→流路５００と循環する。この際、ＬＤアレイ２００→放熱器１００→流路１０１内の冷却水９００へという経路で熱伝導されて、ＬＤアレイ２００を冷却する。
【０００７】
続いて、この放熱器１００の構造の詳細について概略説明する。図１３は放熱器のＰ−Ｐ線断面図である。図１４は放熱器の断面図であり、図１４（ａ）はＡ−Ａ線断面のＡ矢視図、図１４（ｂ）はＢ−Ｂ線断面のＢ矢視図、図１４（ｃ）はＣ−Ｃ線断面のＣ矢視図である。図１５は放熱器の断面図であり、図１５（ａ）は接合前のＱ−Ｑ線断面のＱ矢視図、図１５（ｂ）は接合後のＱ−Ｑ線断面のＱ矢視図である。
【０００８】
放熱器１００は、高出力ＬＤアレイ用の放熱器であり、図１３で示すように、板状の下受熱体１１０，中受熱体１２０，上受熱体１３０を積み重ねた３層の構造を採用している。これら下受熱体１１０，中受熱体１２０，上受熱体１３０は、ともに熱伝導が良好な金属材料を用いて製作されている。
下受熱体１１０は、図１３や，図１４（ｃ）のＣ矢視方向から見た下受熱体１１０の上面図のように、給水口１１１、放熱フィン１１２、下面水路１１３、流路絞り部１１４、排水口１１５を備える。なお、点描部は貫通してない、つまり底がある穴であることを表している。
中受熱体１２０は、図１３や，図１４（ｂ）のＢ矢視方向から見た中受熱体１２０の上面図のように、円形連通孔１２１、円形連通孔１２２、隔壁１２３、貫通孔１２４、上座グリ部１２５、下座グリ部１２６（図１３参照）を備える。点描部は底がある穴であることを表している。
上受熱体１３０は、図１３や，図１４（ａ）のＡ矢視方向から見た上受熱体１３０の下面図のように、給水口１３１、上面水路１３２、放熱フィン１３３を備える。点描部は底がある穴であることを表している。
図１５（ａ）のように接合前の下受熱体１１０，中受熱体１２０，上受熱体１３０に対してロー材シート（図示せず）を挟んだ拡散接合や半田などにより、図１５（ｂ）のように気密を維持した状態で且つ熱伝導良好な状態に接合されている。このような接合により、図１５（ａ），（ｂ）で示すような下受熱体１１０，中受熱体１２０，上受熱体１３０に連通する流路が形成される。なお、図示しないが接合面では薄い接合層が形成される。
【０００９】
続いて、このような構成の放熱器１００における冷却水の流れについて説明する。図１３で示すように、放熱フィン１３３の上側でＬＤアレイ２００が上受熱体１３０に接合されている。冷却水９００は、図１３で示すように、流路４００ａから下受熱体１１０の給水口１１１に導かれ、そのまま中受熱体１２０の円形連通口１２１を通過して、上受熱体１３０の給水口１３１まで到達する。上受熱体１３０の上面水路１３２は面積が拡大された流路であり、冷却水９００も面積が拡大されて放熱フィン１３３に到達する。この際、給水側の圧力損失を低減させるために、放熱フィン１３３の手前まで中受熱体１２０に上座グリ部１２５を設けて流路断面積を拡大させ、放熱フィン１３３に冷却水９００が流入する際、流速を向上させて熱交換効率を高めるようにしている。
【００１０】
この放熱フィン１３３まで到達した冷却水９００は、放熱フィン１３３と冷却水９００とでＬＤアレイ２００の高い熱と冷却水９００の低い熱とが熱交換され、中受熱体１２０の円形連通口１２２を通り下受熱体１１０に設けられた放熱フィン１１２の間を通り、下面水路１１３に到達する。ここで、冷却水９００は流路絞り部１１４により２つに分流し排水口１１５で再び合流し、放熱器１００外に排出される。この際、圧力損失を低減させるために、放熱フィン１１３の後ろ側に中受熱体１２０に下座グリ部１２６（図１３参照）を設けて流路断面積を拡大させている。同様に、排水口１１５の圧力損失を低減させるため、中受熱体１２０に貫通孔１２４を設け流路断面積を拡大させている。
【００１１】
この放熱器１００では冷却効果を高めるため、放熱フィン１３３に特徴を持たせている。放熱器１００の放熱フィン１３３はＬＤアレイ２００が取り付けられる位置の下側に設けられており、ＬＤアレイ２００で発生した熱を上受熱体１３０で放熱し板厚方向に熱伝導させ、ＬＤアレイ２００の数倍の長さに設計された放熱フィン１３３に導かせている。
多数の放熱フィン１３３に冷却水９００が接するため効率よく熱交換が行われる。しかし、上受熱体１３０に設けられた放熱フィン１３３だけでは放熱量が充分でないため、中受熱体１２０の隔壁１２３に熱伝導させ、さらに下受熱体１１０に設けた放熱フィン１１２に熱伝導させ放熱量を増加させる構造としている（図１４，図１５参照）。
このような構成のため、放熱器１００は放熱量を高めている。従来技術はこのようなものであった。
【００１２】
また、従来技術の他の放熱器として、例えば、特許文献１に記載された発明が知られている。特許文献１に記載された冷却装置も、レーザダイオード冷却用途の冷却装置であって、金属シートを多層に積層して製作するものである。
【００１３】
【特許文献１】特開平１０−２０９５３１号公報（段落番号００３６，００３８，図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
図１２〜図１５を用いて説明した従来技術の放熱器１００は、ＬＤアレイ２００に搭載されたＬＤへの電源供給のため放熱器１００と電気的に接続されて電源経路が放熱器１００内に形成されている。ＬＤには最大１０００Ｗもの電力が印可されるというものであり、放熱器１００にも、例えば、図１２中の一点鎖線のような電路で電流ｉが流れ、放熱器１００に電界がかかることになる。また、放熱器１００と冷却水９００とが直接接触している。この場合、放熱器１００の材料である金属が水のような電解質に触れ、イオン化傾向により、冷却水９００の中に金属イオンが溶け出す。しかも、放熱器１００の内部には上述のように大きな電界が印加されているので、金属イオンの溶け出しが加速されて電食現象を引き起こす。
従来技術では、熱伝導を良くするため、放熱器１００の材料として銅材を用い、加えて放熱器１００を製作する場合、製造コストを低く抑えるため、放熱器１００に表面処理を行わず、拡散接合等により接合しているので、イオン化傾向は高くなり前述のように電食による腐食が発生する。
【００１５】
しかも、図１２で示すように、ＬＤアレイ放熱システムでは金属製の給排水用マニホールド４００など他の金属部品の中も冷却水９００が流れ、この金属部品等は電気的にＬＤの電力供給装置３００とＧＮＤが共通になっている場合が多い。
冷却水９００は電気抵抗が１ＭΩ・ｃｍ以上の純水を用いているので、電食の現象は起こり難いが、時間経過と共に、冷却水９００内に溶け出した金属イオンにより電気抵抗が低くなり電流が流れ易くなると、金属部品がＧＮＤに設置されているので、放熱器１００内を通過する際、冷却するにも電界が加わり放熱器１００からの金属イオンの溶け出しが激しくなってくる。
【００１６】
特にＬＤを搭載したＬＤアレイ２００をマウントしている放熱器１００の直下には放熱フィン１３３を実装させているが、この部分は冷却水９００の流速が速いため電食による腐食が特に激しく、放熱フィン１３３部分が全て溶けてしまうという現象が起こると冷却ができなくなり、ＬＤの温度上昇が著しく大きくなってＬＤが破損するおそれがあった。
この種の放熱器１００は、出力を大きくする場合、放熱器１００を数十段積層して放熱効果を高める使い方も行っている。この場合はＬＤはシリーズに電力を供給するので、最上段の放熱器に流れる冷却水にはＧＮＤからみて相当大きな電界が印加されることになり、電食の問題は更に重要になってくる。しかしながら、電食の問題は解決されていなかった。
【００１７】
また、従来技術では冷却特性に問題があった。
ＬＤアレイ２００の大出力化に伴う温度上昇を抑えるためには、冷却水との熱交換効率を更に高める必要がある。図１６は管壁の地肌が露出した流路に冷却水を流したときの流れの状態を表した模式図であり、図１６（ａ）は流路断面積大の模式図、図１６（ｂ）は流路断面積小の模式図、図１６（ｃ）は管壁の拡大図である。図１７は電力印加による影響を説明する説明図であり、図１７（ａ）は時間−電力線図、図１７（ｂ）は電力と温度との関係を説明する説明図である。
図１６（ａ）に示すように、流路１０１に冷却水９００を流すと管壁１０１ａの管摩擦抵抗と流体の粘性により流速分布が発生する。この管摩擦抵抗により流路１０１を流れる流体の抵抗、即ち圧力損失を増大させている。この影響は、図１６（ｂ）で示すように熱交換性能を高める（流速を速くする）ため流路断面積を小さくした場合、管摩擦抵抗の影響により、圧力損失が著しく増大する。
【００１８】
また、管摩擦抵抗により管壁１０１ａ付近の流速は小さいため、放熱器１００本体から流体に熱が移動する熱伝達による熱抵抗が大きくなり、熱交換性能が低下する。
更に、管壁１０１ａの表面の濡れ性が悪いと、図１６（ｃ）のように管壁１０１ａを拡大視すると、表面には微小な凹凸があり、この凹部には冷却水がなじまずに空気層１０２が生じる。空気層１０２は断熱材となり、管壁１０１ａからの熱は主に凸部のみからの熱伝達になるので、熱交換性能を著しく劣化させる原因となっている。
【００１９】
さらに、図１７（ａ）に示すように、この種の放熱器１００はＬＤに印加する電力は連続的ではなく、高周波パルスの如く断続的で印加パターンも様々である。
このような、使われ方をする放熱器１００において、前記のような管の管摩擦抵抗の影響で管壁１０１ａ表面付近の流速が遅く、且つ管壁１０１ａ表面の濡れ性が悪いため著しく熱交換性能が低下すると、図１７（ｂ）に示すように電力印加開始時間から放熱器１００の温度上昇が安定状態（定常状態）になるまでの加熱応答時間が長くなる。同様に電力遮断時から放熱器１００の温度降下するまでの冷却応答時間も長くなる。加熱又は冷却応答時間が長くなると、ＬＤの発信波長に直接影響を及ぼし、印加電力のＯＮ−ＯＦＦサイクルが早いと発信波長が安定しないという問題が生じる。
【００２０】
また、これら問題は、特許文献１に記載された発明でも起こり得るものであり、対策が要請されていた。
【００２１】
そこで、上記した問題点に鑑みて本発明はなされたものであり、その目的は、構成の変更は極力少ないままに冷却性能を向上させ、さらに冷却水内に金属イオンが溶け出す電食の影響を受けない放熱器を、また、このような放熱器を構成する受熱体の受熱体の形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記の課題を解決するため、本発明の請求項１に係る発明の放熱器は、
外側に発熱体が接触して取り付けられ、内側に形成された流路を流れる冷却液によりこの発熱体を冷却する液冷式の放熱器において、
放熱器内部の流路形成面を覆い、冷却液と放熱器とを電気的に絶縁する保護層を、
備えることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の請求項２に係る発明の放熱器は、
請求項１に記載の放熱器において、
前記保護層は、電気的に絶縁するとともに摩擦抵抗を低減する酸化チタン層であることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の請求項３に係る発明の放熱器は、
請求項１または請求項２に記載の放熱器において、
前記発熱体は、前記放熱器を電源経路の一部として電気的に接続する半導体レーザダイオードを搭載したレーザダイオードアレイであることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の請求項４に係る発明の放熱器は、
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の放熱器において、
前記放熱器は、
保護層が形成された流路形成面と、この流路形成面以外であって地金属が現れた接合面と、を有する板状の受熱体と、
これら受熱体の接合面で接合する接合層と、
を備え、複数枚から成る受熱体を接合層により接合して積層し、保護層で覆われた流路が形成される構造を有することを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の請求項５に係る発明の放熱器は、
請求項４に記載の放熱器において、
前記接合層は、ロー材、ロー材シートまたは拡散接合により受熱体の接合面同士を電気的、熱的、および、機械的に接合して形成した接合層であることを特徴とする。
【００２７】
本発明の請求項６に係る発明の受熱体の形成方法は、
請求項４に記載された放熱器を構成する受熱体の形成方法であって、
流路形成面と、流路形成面以外の接合面と、を有する受熱体を形成する受熱体形成工程と、
受熱体の全面にマスク膜を塗布するマスク膜塗布工程と、
流路形成面を含む面上のマスク膜の上にレジストを塗布するレジスト塗布工程と、
マスクをレジスト上に載置し、接合面上のレジストを露光するレジスト露光工程と、
レジストを現像して流路形成面のレジストを剥離させるパターニング現像工程と、
流路形成面上のマスク膜を除去して流路形成面の地金属を露出させるマスク膜エッチング工程と、
全てのレジストを剥離するレジスト剥離工程と、
スパッタリング、イオンプレーティングなどのＰＶＤ法、または、ＣＶＤ法により流路形成面を含む面に成膜する成膜工程と、
マスク膜を剥離して流路形成面にのみ保護層を形成するマスク膜剥離工程と、
を有することを特徴とする。
【００２８】
本発明では、放熱器の流路の全面に保護層（特に酸化チタン層が好ましい）を形成する。この保護層の形成方法は、シリコンのウェットエッチング技術を用いるものであり、放熱器を構成する複数の受熱体の外観と接合面のみに金属のマスク膜を形成し、受熱体の流路形成面を含む全面にスパッタリング方法にて保護層を形成した後、マスク膜を除去すれば、受熱体接合面には保護層がなく地金属が露出し、また、流路形成面（詳しくは流路底面及び流路傾斜面であり、流路傾斜面と接合面との境界であるエッジ部まで）には完全に保護層を成膜することが可能になり、各受熱体の接合面では通常のロー材シートによる接合や拡散接合による接合層を形成して接合が可能になる。このように構成された放熱器は、流路形成面の流路傾斜面のエッジ部まで保護層が形成されているので、接合時に流路内部のみが完全に保護層で覆われ、冷却水と放熱器とを電気的に絶縁する。また保護層により管壁の濡れ性を向上させて、熱冷却性能を高める。
【発明の効果】
【００２９】
以上のような本発明によれば、構成の変更は極力少ないまま冷却性能を向上させ、さらに冷却水内に金属イオンが溶け出す電食の影響を受けない放熱器を、また、このような放熱器を構成する受熱体の受熱体の形成方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
続いて、本発明を実施するための最良の形態の放熱器を用いるＬＤアレイの放熱について図を参照しつつ概略説明する。図１は本形態の放熱器を含むＬＤアレイ放熱システムの模式的なシステム構成図である。ＬＤアレイ放熱システムは、放熱器１、ＬＤアレイ２００、電力供給装置３００、給排水用マニホールド４００、流路５００、タンク６００、流路７００、ポンプ８００、を備え、冷却水９００が循環するシステムである。
本システムでは放熱器１が新規であるが、他の構成や冷却水循環系等は従来技術と同じであり図１２と同じ符号を付すと共に、その重複する説明を省略する。
この放熱器１の流路２の全面には保護層３が形成されている点が新規な点である。放熱器１と冷却水９００との界面に介在する保護層３により電気的な絶縁が確保される。このため、ＬＤ通電時に、ＬＤアレイ２００と電力供給装置３００との間で放熱器１により電源経路が形成され、電力供給により大きな電界が加わっても、保護層３により冷却水９００には電気的経路が形成されないため、電食により放熱器１から冷却水９００へ金属イオンが溶け出すことはない。なお、保護層３としては電気的な絶縁が確保できるものであれば、適宜採用が可能である。
このような放熱器１では、電食の発生が抑止される。
【００３１】
この保護層３としては、特に、電気的な絶縁とともに流路２の管壁の地金属よりも濡れ性を高めて管摩擦抵抗を低減する酸化チタンによる保護層（酸化チタン層）が好ましい。この酸化チタンによる保護層を採用する理由について説明する。図２は管壁に酸化チタン層が形成された流路に冷却水を流したときの流れの状態を表した模式図であり、図２（ａ）は流路断面積大の模式図、図２（ｂ）は流路断面積小の模式図、図２（ｃ）は管壁の拡大図である。
【００３２】
酸化チタンは光触媒として紫外線を照射すると超親水性効果が向上する。このような効果は一度紫外線を照射すれば永続的に続く効果である。流路２に成膜により形成した保護層（酸化チタン層）３に紫外線を照射した上で放熱器１を形成すると、この保護層（酸化チタン層）３に超親水性効果が現れて管壁２ａ表面の濡れ性が飛躍的に向上することから、図１６（ａ）と比較しても、図２（ａ）に示すように管摩擦抵抗が減り管壁２ａの表面の流速が著しく増加し熱交換性能が向上する。これは熱交換性能を一段と向上させるために流路断面積を小さくしたとしても、管壁２ａの表面の管摩擦抵抗が充分に低く、図１６（ｂ）と比較しても、図２（ｂ）に示すように、流速が充分に高く熱交換性能が大きい。
【００３３】
このように超親水性効果の向上によって熱交換量が増大するのは、図２（ｃ）に示すように管壁２ａの表面の微小な凹凸部に冷却水９００が殆ど接触するので、管壁２ａ全面からの放熱が可能になるからである。
保護層（酸化チタン層）３により管壁２ａ表面の親水性が改善されるため、管摩擦抵抗が著しく低減されて管壁２ａ付近の冷却水速度が速くなって冷却性能が高くなる。これにより、ＬＤアレイ２００に通電した時に応答性が飛躍的に向上し、ＬＤアレイ２００の発信波長も瞬時に安定化させることが可能である。
また、放熱器１内の流路２の全部の管壁２ａの管摩擦抵抗を大幅に低減させることができるので圧力損失を低減させることが可能である。
【００３４】
続いて、この放熱器１の構造の詳細について概略説明する。図３は放熱器のＰ−Ｐ線断面図である。図４は放熱器の断面図であり、図４（ａ）はＡ−Ａ線断面のＡ矢視図、図４（ｂ）はＢ−Ｂ線断面のＢ矢視図、図４（ｃ）はＣ−Ｃ線断面のＣ矢視図である。
【００３５】
放熱器１は、高出力ＬＤアレイ用の放熱器であり、図３で示すように、板状の下受熱体１０，中受熱体２０，上受熱体３０を積み重ねた３層の構造を採用している。これら下受熱体１０，中受熱体２０，上受熱体３０は、ともに熱伝導が良好な金属材料を用いて製作されている。これら下受熱体１０，中受熱体２０，上受熱体３０には、それぞれ貫通孔（例えば中受熱体２０の円形連通口２２）、有底穴（例えば下受熱体１０の下面水路１３）、または、平面（例えば中受熱体２０の貫通孔２４と接して保護層３４が形成される上受熱体３０の平面）というような流路形成面が形成され、されにそれら流路形成面に酸化チタン層である保護層３が形成されている。この流路形成面以外は地金属が現れた接合面となっている。
下受熱体１０は、図３や、図４（ｃ）のようにＣ矢視方向から見た下受熱体１０の上面図のように、給水口１１、放熱フィン１２、下面水路１３、流路絞り部１４、排水口１５を備える。点描部は底がある穴であって保護層３が形成されることを表している。
中受熱体２０は、図３や、図４（ｂ）のようにＢ矢視方向から見た中受熱体２０の上面図のように、円形連通孔２１、円形連通孔２２、隔壁２３、貫通孔２４、上座グリ部２５、下座グリ部２６（図３参照）を備える。点描部は底がある穴であって保護層３が形成されることを表している。
上受熱体３０は、図３や、図４（ａ）のようにＡ矢視方向から見た上受熱体３０の下面図のように、給水口３１、上面水路３２、放熱フィン３３、保護層３４を備える。上面水路３２の点描部は底がある穴であって保護層３が形成されることを表し、また、保護層３４の網目部は穴ではなく平面に保護層のみが形成されることを表している。
【００３６】
これら下受熱体１０，中受熱体２０，上受熱体３０は接合面同士を接合する接合層により接合して積層するとともに図３のような流路が形成される。
この接合層は、図示しないが、ロー材、ロー材シートまたは拡散接合により各受熱体の接合面同士を電気的、熱的、機械的に接合して形成した層である。ロー材は、銅など溶接が使用できない材料のときに使用され、ロー材（銅と金、または銅と銀の合金）を接続したい所にはさんで真空炉の中へ入れ、加熱してロー材を溶かして接続する。これにより一体に形成された放熱器１となる。また、拡散接合は下受熱体１０，中受熱体２０，上受熱体３０をプレス機で挟持加圧した状態で熱を加えて接合する。放熱器１はこのようにして構成される。
【００３７】
このような本形態の放熱器１は、流路２に保護層３が形成されたため、冷却水との間で電気的絶縁が確保され、電食が防止される。
さらに保護層３が酸化チタン層３とすれば放熱器１内全ての流路形成面の管摩擦抵抗を大幅に低減させることができて圧力損失を低減させることも可能となり、これにより、本形態の放熱器１と従来技術の放熱器１００とでは、図４と図１４とで比較しても明らかなように、円形連通口２２の径が小さくなって隔壁２３のや放熱フィン１２，３３の数を増大させることができ、冷却水９００との接触面積を大幅に増加させて冷却効果も高めることができる。
【００３８】
続いて、このような構成の放熱器１における冷却水９００の流れについて説明する。
図１で示すように、放熱フィン１の上面の端部にはＬＤアレイ２００が接合されている。冷却水９００は、図１，図３，図４で示すように、下受熱体１０の給水口１１に導かれた冷却水９００はそのまま中受熱体２０の円形連通口２１を通過して、上受熱体３０の給水口３１まで到達する。
上受熱体３０の上面水路３２は面積が拡大された流路であり、冷却水９００は面積が拡大されて放熱フィン３３に到達する。この際、給水側の圧力損失を低減させるために、放熱フィン３３の手前まで中受熱体２０に上座グリ部２５を設けて流路断面積を拡大させ、放熱フィン３３に冷却水９００が流入する際、流速を向上させて熱交換効率を高めるようにしている。
放熱フィン３３まで到達した冷却水９００は、放熱フィン３３と冷却水９００とでＬＤアレイ２００の高熱と冷却水９００の低熱とで熱交換され、中受熱体２０の円形連通口２２を通り、下受熱体１０に設けられた放熱フィン１２の間を通り、下面水路１３に到達する。ここで、冷却水９００は流路絞り部１４により２つに分流し排水口１５で再び合流し、放熱器１の外に排出される。この際、圧力損失を低減させるために、放熱フィン１３の後ろ側に中受熱体２０に下座グリ部２６（図３参照）を設けて流路断面積を拡大させている。同様に、排水口１５の圧力損失を低減させるため、中受熱体２０に貫通孔２４を設け流路断面積を拡大させている。
【００３９】
この放熱器１では冷却効果を高めるため、放熱フィン３３に特徴を持たせている。放熱器１の放熱フィン３３はＬＤアレイ２００が取り付けられる位置の下側に設けられており、ＬＤアレイ２００で発生した熱を上受熱体３０で放熱し板厚方向に熱伝導させ、ＬＤアレイ２００の数倍の長さに設計された放熱フィン３３に導かせている。
また、上受熱体３０に設けられた放熱フィン３３だけでは放熱量が充分でないため、中受熱体２０の隔壁２３に熱伝導させ、さらに下受熱体１０に設けた放熱フィン１２に熱伝導させ放熱量を増加させる構造としている。
ここで着目すべきは、先に説明したように、放熱器１内全ての流路２の壁面２ａの管摩擦抵抗を大幅に低減させて従来技術の放熱器１００（図１４参照）よりも円形連通口２２の管径を小さくでき、放熱フィン１２，３３の実装密度も高くすることが可能になり、より大きな伝熱性能を得ることが可能である。
【００４０】
このような放熱器１では、放熱器１の流路２の管壁２ａの保護層３が電気的に絶縁して冷却水９００にイオンが溶け出ないため電気が流れなくなり、電食による腐食が発生しない。且つ放熱器１を構成する下受熱体１０，中受熱体２０，上受熱体３０の接合部は地金属を電気的、熱的に接合させているため、電気・熱ともに良好な導電性が得られるので、半導体部品や半導体レーザ等に容易に通電させることが可能である。
また、保護層３が酸化チタン層の場合には親和性が向上することで冷却性能も高められるため、高出力のＬＤに適用することが可能となる。
【００４１】
続いて、放熱器１の製造方法について説明する。ここで本発明の酸化チタンを放熱器の流路内に成膜して保護層３を形成する方法としてシリコンのウェットエッチング技術を適用した理由を図を参照しつつ述べる。図５はスパッタリングの説明図であり、図５（ａ）はスパッタリング成膜の説明図、図５（ｂ）は成膜した保護層の説明図である。図６はスパッタリングマスク成膜の説明図であり、図６（ａ）はスパッタリングの説明図、図６（ｂ）は成膜した保護層の説明図である。
【００４２】
酸化チタンを流路に形成する方法はディップ法やスプレー塗布などあるが、いずれも膜厚が薄くできない、密着強度が低いなど信頼性が乏しい。そこで、成膜が緻密で密着強度が高い方法としてスパッタリング等のＰＶＤ法やＣＶＤ法が有効になる。しかしながら、図５（ａ）に示すように、マスク無しでスパッタ装置４０にターゲット（酸化チタン：ＴｉＯ２）４１を載置してスパッタリングを行うと、流路形成面４２と同時に接合面４３まで含めた全面に酸化チタンが成膜されてしまう。酸化チタンは表面は電気的に絶縁する層なので、図５（ｂ）のように拡散接合する際、接合温度が非常に高くなるのと同時に、各受熱体間が電気的に絶縁されてしまうので、何らかの通電方法が必要になり構造の複雑化やそれに伴うコストアップ等を引き起こす。
【００４３】
この種の問題を解決するための手段として、図６（ａ）に示すようにスパッタリングする際に、マスク４４を用いると下受熱体１０，中受熱体２０，上受熱体３０の接合面が未成膜部４５となって酸化チタンは成膜されない。しかし、マスク４４は通常金属の板材に所定のスリット幅を加工してマスク４４としているが加工精度に限界があるので、各受熱体の接合面の幅より若干大きめに加工し、接合面には酸化チタンを成膜させないようにしている。
【００４４】
この場合、スパッタリングの特徴として、ターゲット４１である酸化チタンの塊にイオン化されたＡｒガスを吹き付けてアルゴンによりはじき飛ばされた酸化チタンが受熱体に直線的に飛んでいくというものであり、マスク４４によって傾斜面などへは成膜できない。酸化チタンが成膜できない部分は冷却水と直接接触するので、電食により金属イオンが冷却水に溶け出してしまうことになる。このような場合の解決手段として、イオンプレーティングの方法がある。この方法によれば傾斜面等への成膜も可能な技術はあるが、スパッタ時の受熱体はマスクの上に載せている程度で接合面にマスクが完全に密着していないため、僅かな隙間に酸化チタンが進入してしまう問題もあり、受熱体への絶縁膜による保護層形成には何らかの対策が必要であり、本発明のシリコンのウェットエッチング技術を用いることで流路形成面のみに完全に成膜することが可能となった。
【００４５】
続いて、シリコンのウェットエッチング技術を用いて形成した受熱体を用いる放熱器の製造方法について説明する。図７，図８は受熱体の形成方法を説明する説明図、図９は保護層（酸化チタン層）の説明図であり、図９（ａ）は流路側面の保護層を示す図、図９（ｂ）は内側湾曲面の保護層を示す図である。
受熱体の接合面では地金属を露出し、流路形成面にのみ保護層（酸化チタン層）を形成する必要があり、このような保護層を形成する方法について述べる。ここに受熱体の例として下受熱体１０を、また、保護層として酸化チタン層を例に挙げて説明する。予め流路形成面と、流路形成面以外の接合面と、を有する下受熱体１０を形成する（受熱体形成工程）。
【００４６】
工程１）図７（ａ）で示すように下受熱体１０の全面にマスク膜５１を塗布する。これは例えばアルミニウム（Ａｌ）などが用いられる。（マスク膜（Ａｌ）塗布工程）
工程２）図７（ｂ）で示すように、流路形成面上にあるマスク膜５１の上にのみレジスト５２を塗布する。この場合流路形成面の傾斜面に沿って立体的に塗布する。（レジスト塗布工程）
工程３）図７（ｃ）で示すようにガラス基材にパターニングされたマスク５３を載置して露光する。パターニングの無いスリット５３ａでは光が透過して接合面上にあるレジストは露光され、パターニングがあるマスク５３では光が遮光されて流路形成面上にあるレジストは露光されない（レジスト露光工程）。
工程４）図７（ｄ）で示すようにレジスト５２を現像して露光したレジストを硬化させて接合面４３上にレジストを残し、また、露光していないレジスト５２を剥離させる（パターニング現像工程）。
【００４７】
なお、前記した工程３，４では露光された部分が現像後に残るネガ型フォトレジストを用いているが、代わりに露光されなかった部分が像として残るポジ型フォトレジストを用いても良い。この場合、工程３ではマスクのパターニングは光が透過して流路形成面上にあるレジストは露光され、パターニングがあるマスク５３では光が遮光されて接合面上にあるレジストは露光されない。また、工程４ではレジスト５２を現像して露光していないレジストを硬化させ、また、露光したレジスト５２を剥離させることとなる。このようにしても本発明の実施は可能である。
【００４８】
工程５）エッチングを行うと、図８（ａ）で示すように硬化したレジスト５２の下側、つまり下受熱体１０の接合面上にあるマスク膜５１は残り、また、流路形成面上のマスク膜を除去して流路形成面の地金属部分だけ露出させる（マスク膜エッチング工程）。
工程６）レジストを剥離して図８（ｂ）で示すように下受熱体１０の流路形成面以外をマスク膜５１で覆った状態とする（レジスト剥離工程）。
工程７）このような下受熱体１０に対してスパッタリングを行い、図８（ｃ）で示すように、下受熱体１０の流路形成面の地肌やマスク膜５１を含めて全面にスパッタにより酸化チタンを成膜して酸化チタン膜５４を形成する（酸化チタン成膜工程）。
工程８）最後にマスク膜５１を全て剥離する。接合面４３に成膜された酸化チタン膜５４はマスク膜５２ともども綺麗に除去され、且つ接合面と流路形成面（図８（ｄ）では流路傾斜面）の境界エッジ部分まで完全に酸化チタンによる保護層（酸化チタン層）５５が成膜される（マスク膜剥離工程）。
これにより図８（ｄ）で示すように流路形成面のみに保護層（酸化チタン層）５５が設けられた受熱体が形成される。接合面４３は地金属のままなので、拡散接合等で容易に接合が可能になる。
【００４９】
なお、スパッタリングでは原理的に垂直部や内側に湾曲した部分には成膜できないため、図３に示す中受熱体２０の連通孔２２や、下受熱体１０や上受熱体３０の有底穴の下面水路１３や上面水路３２をエッチング等で成形した場合、スパッタリングでは、原理的に鉛直部や湾曲部に成膜されない。そこで、イオンプレーティングに代表されるような、ＰＶＤ法やＣＶＤ法の何れかによれば成膜可能である。これにより図９（ａ）で示すように、例えば中受熱体２０の円形連通口２２の側面や、図９（ｂ）の下受熱体１０や上受熱体３０の有底穴の下面水路１３や上面水路３２の内側湾曲面でも保護膜が形成される。
【００５０】
続いて、このような下受熱体１０，中受熱体２０，上受熱体３０を貼り合わせる。図１０は放熱器の断面図で、図１０（ａ）は接合前のＱ−Ｑ線断面のＱ矢視図、図１０（ｂ）は接合後のＱ−Ｑ線断面のＱ矢視図である。
スパッタリングにて成膜した保護層（酸化チタン層）５５が流路形成面に設けられた下受熱体１０，中受熱体２０，上受熱体３０に対してロー材シート（図示せず）を挟んだ拡散接合や半田などにより、図１０（ｂ）のように気密を維持した状態で且つ熱伝導良好な状態に接合する。接合面には酸化チタンによる保護層が形成されておらず、地金属同士を接合してより強固に密着させることができる。また、電気的な絶縁層がないため、熱伝導・電気経路の形成が確実に行われる。
【００５１】
このような放熱器では各種の変形が可能であり、例えば、熱交換量を増大させるために、図１１に示すように、中受熱体２０の内部に冷却水を往復動させるような場合であっても管摩擦抵抗が先に述べた原理により大幅に低減されていて濡れ性の向上から冷却性能をより高くすることができ、冷却水循環装置なども小型にできるメリットもある。
【００５２】
本発明によれば、シリコンのウェットエッチングのマスク膜成形を用いて酸化チタンを成膜させることで、放熱器内部の水路のみに容易に絶縁層を形成させることが可能である。これにより、冷却水と放熱器の地金属が直接接触することがないのでＬＤアレイに大きな電界を印加しても電食による冷却水内への金属イオン流出を抑制できる。
また、各受熱体を接合する際、シリコンのウェットエッチングのマスク膜成形を用いたことにより、前記受熱体の接合部には酸化チタンが成膜されることがないので、従来のような拡散接合を用いて容易に接合することが可能になる。前記受熱体にＮｉやＡｕメッキなどを施して、ＡｕＳｎ半田等による接合も可能である。
更に、接合部に酸化チタン層がないので、この部分も従来装置同様電気を良好に通すことが可能になり且つ、放熱器内部への熱拡散も良好となるメリットもある。また、酸化チタンは腐食に強いので一般の水道水などでも適応が可能なメリットもある。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明を実施するための最良の形態の放熱器を含むＬＤアレイ放熱システムの模式的なシステム構成図である。
【図２】管壁に酸化チタン層が形成された流路に冷却水を流したときの流れの状態を表した模式図であり、図２（ａ）は流路断面積大の模式図、図２（ｂ）は流路断面積小の模式図、図２（ｃ）は管壁の拡大図である。
【図３】放熱器のＰ−Ｐ線断面図である。
【図４】放熱器の断面図であり、図４（ａ）はＡ−Ａ線断面のＡ矢視図、図４（ｂ）はＢ−Ｂ線断面のＢ矢視図、図４（ｃ）はＣ−Ｃ線断面のＣ矢視図である。
【図５】スパッタリングの説明図であり、図５（ａ）はスパッタリング成膜の説明図、図５（ｂ）は成膜した保護層の説明図である。
【図６】スパッタリングマスク成膜の説明図であり、図６（ａ）はスパッタリングの説明図、図６（ｂ）は成膜した保護層の説明図である。
【図７】受熱体の形成方法を説明する説明図である。
【図８】受熱体の形成方法を説明する説明図である。
【図９】保護層（酸化チタン層）の説明図であり、図９（ａ）は流路側面の保護層を示す図、図９（ｂ）は内側湾曲面の保護層を示す図である。
【図１０】放熱器の断面図で、図１０（ａ）は接合前のＱ−Ｑ線断面のＱ矢視図、図１０（ｂ）は接合後のＱ−Ｑ線断面のＱ矢視図である。
【図１１】他の形態の放熱器の断面構成図である。
【図１２】ＬＤアレイ放熱システムの模式的なシステム構成図である。
【図１３】放熱器のＰ−Ｐ線断面図である。
【図１４】放熱器の断面図であり、図１４（ａ）はＡ−Ａ線断面のＡ矢視図、図１４（ｂ）はＢ−Ｂ線断面のＢ矢視図、図１４（ｃ）はＣ−Ｃ線断面のＣ矢視図である。
【図１５】放熱器の断面図であり、図１５（ａ）は接合前のＱ−Ｑ線断面のＱ矢視図、図１５（ｂ）は接合後のＱ−Ｑ線断面のＱ矢視図である。
【図１６】管壁の地肌が露出した流路に冷却水を流したときの流れの状態を表した模式図であり、図１６（ａ）は流路断面積大の模式図、図１６（ｂ）は流路断面積小の模式図、図１６（ｃ）は管壁の拡大図である。
【図１７】電力印加による影響を説明する説明図であり、図１７（ａ）は時間−電力線図、図１７（ｂ）は電力と温度との関係を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００５４】
１：放熱器
２：流路
２ａ：管壁
３：保護層
１０：下受熱体
１１：給水口
１２：放熱フィン
１３：下面水路
１４：流路絞り部
１５：排水口
２０：中受熱体
２１：円形連通孔
２２：円形連通孔
２３：隔壁
２４：貫通孔
２５：上座グリ部
２６：下座グリ部
３０：下受熱体
３１：給水口
３２：上面水路
３３：放熱フィン
３４：保護層
４０：スパッタ装置
４１：ターゲット
４２：流路形成面
４３：接合面
４４：マスク
４５：未成膜部
５１：マスク膜
５２：レジスト
５３：マスク
５３ａ：スリット
５４：酸化チタン膜
５５：保護層（酸化チタン層）
２００：ＬＤアレイ
３００：電力供給装置
４００：給排水用マニホールド
４００ａ，４００ｂ：流路
５００：流路
６００：タンク
７００：流路
８００：ポンプ
９００：冷却水
【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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【図７】
2005221091.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2005221091.tif 000012
【図１１】
2005221091.tif 000013
【図１２】
2005221091.tif 000014
【図１３】
2005221091.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2005221091.tif 000017
【図１６】
2005221091.tif 000018
【図１７】
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