(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１、第２のヒートシンクと、第１、第２の半導体レーザとを備え、
前記第１及び第２のヒートシンクは、
上面に第１の溝部が形成された第１の平板状部材と、
下面に第２の溝部が形成された第２の平板状部材と、
前記第１の平板状部材の前記上面と前記第２の平板状部材の前記下面との間に設けられた仕切り板とを備え、
前記仕切り板には、前記第１の溝部と前記仕切り板の下面とによって形成された第１の空間と、前記第２の溝部と前記仕切り板の上面とによって形成された第２の空間とを連通する孔が設けられ、
さらに、前記第１の空間に流体を供給する供給口と、前記第２の空間から前記流体を排出する排出口とを有し、
前記第１の半導体レーザは、前記第１のヒートシンクの前記第２の平板状部材の上面と前記第２のヒートシンクの前記第１の平板状部材の下面とによって挟持され、
前記第２の半導体レーザは、前記第２のヒートシンクの前記第２の平板状部材の上面に載置されている
ことを特徴とする半導体レーザスタック装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の半導体レーザは、所定方向に配列された複数のレーザ出射点を有し、前記所定方向が前記第１及び第２の平板状部材の上面と略平行となるように配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザスタック装置。
【請求項３】
前記第１のヒートシンクの前記供給口と前記第２のヒートシンクの前記供給口との双方に接続された供給管と、
前記第１のヒートシンクの前記排出口と前記第２のヒートシンクの前記排出口との双方に接続された排出管と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザスタック装置。
【請求項４】
前記第２の平板状部材の上面は、冷却すべき発熱体を搭載する発熱体搭載領域を有し、
前記孔は、前記発熱体搭載領域に対向する位置に設けられている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体レーザスタック装置。
【請求項５】
前記孔が複数設けられている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の半導体レーザスタック装置。
【請求項６】
前記孔は、前記流体を前記第２の空間に噴出させるために十分小さい断面積を有している
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の半導体レーザスタック装置。
【請求項７】
前記孔の前記第２の空間側の縁部には、前記流体が前記孔から前記第２の空間に出力される方向を拘束するガイド片が設けられている
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の半導体レーザスタック装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、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、これを用いた半導体レーザ装置及び半導体レーザスタック装置に関するものである。
背景技術
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として、例えば特開平８−１３９４７９号公報に開示されているような、内部に冷却水を環流させる構造を有するヒートシンクが知られている。上記ヒートシンクは、加圧された冷却水が供給されるパイプ状の供給水路と、冷却水を排出する排出水路と、供給水路に供給された冷却水を排出水路内に噴出させる噴出孔とを備えて構成される。上記噴出孔から高圧で噴出された冷却水は、噴出孔の真上部に載置された発熱体を効率よく放熱させる。
発明の開示
しかし、上記従来技術にかかるヒートシンクには以下に示す問題点があった。すなわち、上記従来技術にかかるヒートシンクは、パイプ状の供給水路を有するため、ヒートシンクの厚みが増し、大型化してしまう。かかるパイプの径を小さくしてヒートシンクを薄型化することも考えられるが、製造が極めて困難となる。そこで本発明は、製造が比較的容易で、薄型化が可能なヒートシンク、並びに、これを用いた半導体レーザ装置及び半導体レーザスタック装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明のヒートシンクは、上面に第１の溝部が形成された第１の平板状部材と、下面に第２の溝部が形成された第２の平板状部材と、上記第１の平板状部材の上記上面と上記第２の平板状部材の上記下面との間に設けられた仕切り板とを備え、上記仕切り板には、上記第１の溝部と上記仕切り板の下面とによって形成された第１の空間と、上記第２の溝部と上記仕切り板の上面とによって形成された第２の空間とを連通する孔が設けられ、さらに、上記第１の空間に流体を供給する供給口と、上記第２の空間から上記流体を排出する排出口とを有することを特徴としている。
溝部を設けた第１、第２の平板状部材と孔を設けた仕切り板によって構成されることで、薄型化が可能となる。また、溝部の形成、孔の形成といった比較的簡単な工程によって製造ができ、すなわち、製造が比較的容易となる。
また、本発明の半導体レーザ装置は、上記ヒートシンクと、上記ヒートシンクの上記第２の平板状部材の上面に載置された半導体レーザとを備えたことを特徴としている。
上記ヒートシンクを用いることで、ヒートシンクの薄型化、製造容易化が図れ、その結果、半導体レーザ装置の小型化、製造容易化が可能となる。
また、本発明の半導体レーザスタック装置は、第１、第２のヒートシンクと、第１、第２の半導体レーザとを備え、上記第１及び第２のヒートシンクは、上記ヒートシンクであり、上記第１の半導体レーザは、上記第１のヒートシンクの上記第２の平板状部材の上面と上記第２のヒートシンクの上記第１の平板状部材の下面とによって挟持され、上記第２の半導体レーザは、上記第２のヒートシンクの上記第２の平板状部材の上面に載置されていることを特徴としている。
上記ヒートシンクを用いることで、ヒートシンクの薄型化、製造容易化が図れ、その結果、半導体レーザスタック装置の小型化、製造容易化が可能となる。
発明を実施するための最良の形態
本発明の実施形態にかかる半導体レーザスタック装置について、図面を参照して説明する。尚、本発明の半導体レーザ装置及びヒートシンクは、本実施形態にかかる半導体レーザスタック装置に含まれる。
まず、本実施形態に係る半導体レーザスタック装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る半導体レーザスタック装置の斜視図である。本実施形態にかかる半導体レーザスタック装置１は、図１に示すように、３つの半導体レーザ２ａ〜２ｃ、２つの銅板３ａ及び３ｂ、２つのリード板４ａ及び４ｂ、供給管５、排出管６、４つの絶縁部材７ａ〜７ｄ、及び、３つのヒートシンク１０ａ〜１０ｃを備えて構成される。以下、各構成要素について説明する。尚、説明の便宜上、図１のｚ軸正方向を上、ｚ軸負方向を下として説明する。
半導体レーザ２ａ〜２ｃは、所定方向（ｙ軸方向）に配列された複数のレーザ出射点を有する半導体レーザである。半導体レーザ２ａは、ヒートシンク１０ａの上面（後述の上側平板部材１６の上面。以下同じ。）とヒートシンク１０ｂの下面（後述の下側平板部材１２の下面。以下同じ。）とによって挟持され、半導体レーザ２ｂは、ヒートシンク１０ｂの上面とヒートシンク１０ｃの下面とによって挟持され、半導体レーザ２ｃは、ヒートシンク１０ｃの上面に載置されている。ここで、半導体レーザ２ａ〜２ｃそれぞれは、レーザ出射点の配列方向とヒートシンク１０ａ〜１０ｃの上面とが平行となるように配置され、また、半導体レーザ２ａ〜２ｃそれぞれの出射面と、ヒートシンク１０ａ〜１０ｃそれぞれ一つの側面とは、略同一平面上に配置されている。
半導体レーザ２ａの下面は、銅板３ａを介してリード板４ａに電気的に接続されているととも、半導体レーザ２ｃの上面は、銅板３ｂを介してリード板４ｂに電気的に接続されている。ここで、リード板４ａとリード板４ｂとの間に電圧を印加することで、半導体レーザ２ａ〜２ｃからレーザ光を出力させることが可能となる。
供給管５、排出管６のそれぞれは、ヒートシンク１０ａ〜１０ｃを貫通して設けられている。より詳細には、供給管５は、ヒートシンク１０ａ〜１０ｃそれぞれに形成された供給口４４（詳細は後述）と接続されており、排出管６は、ヒートシンク１０ａ〜１０ｃそれぞれに形成された排出口４６（詳細は後述）と接続されている。従って、供給管５からヒートシンク１０ａ〜１０ｃに対して、冷却水などの流体を供給することが可能となり、また、ヒートシンク１０ａ〜１０ｃから排出管６に対して上記冷却水を排出することが可能となる。
ヒートシンク１０ａの下面側、ヒートシンク１０ａの上面とヒートシンク１０ｂの下面との間隙、ヒートシンク１０ｂの上面とヒートシンク１０ｃの下面との間隙、ヒートシンク１０ｃの上面側それぞれには、供給管５及び排出管６を囲むように、ゴム製の絶縁部材７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが設けられている。絶縁部材７ａ〜７ｄは、各ヒートシンク間の絶縁を確保するとともに、冷却水の漏洩を防止する役割を果たす。
ヒートシンク１０ａ〜１０ｃは、以下に示すような構成となっている。尚、ヒートシンク１０ａ〜１０ｃそれぞれは同一の構成を有するため、以下、ヒートシンク１０ａについてのみ説明する。図２Ａ〜図２Ｃは、ヒートシンク１０ａの分解斜視図、図３は、ヒートシンク１０ａを上方から見た説明図、図４は、ヒートシンク１０ａを側方から見た説明図である。
ヒートシンク１０は、図２Ａ〜図２Ｃに示すように、下側平板部材１２（第１の平板部材）、中間平板部材１４（仕切り板）、上側平板部材１６（第２の平板部材）を順次積層し、接触面を拡散接合法、ろう付けあるいは接着剤を用いて接合して形成されている。
下側平板部材１２は４００μｍ程度の厚さを有する銅製の平板で、２つの貫通口１８，２０を有している。下側平板部材１２の上面（中間平板部材１４と接触する面）側には、深さが約２００μｍの供給水路用溝部２２（第１の溝部）が形成されている。供給水路用溝部２２は、一方の端部側が上記貫通口１８につながっており、他方の端部側は下側平板部材１２の幅方向（図１のｙ軸方向）に拡がっている。また、供給水路用溝部２２は、ヒートシンク１０ａ内を流れる冷却水の流動抵抗を小さくし、よどみを少なくするため、隅部２２ａが曲面形状となっている。ここで、供給水路用溝部２２は、下側平板部材１２の上面をエッチングすることによって形成されている。
上側平板部材１６も４００μｍ程度の厚さを有する銅製の平板で、下側平板部材１２の貫通口１８，２０それぞれに対応する位置に、２つの貫通口２６，２８を有している。上側平板部材１６の下面（中間平板部材１４と接触する面）側には、深さが約２００μｍの排出水路用溝部３０（第２の溝部）が形成されている。排出水路用溝部３０は、一方の端部側が上記貫通口２８につながっており、他方の端部側は上側平板部材１６の幅方向に拡がっている。ここで、排出水路用溝部３０の少なくとも一部は、下側平板部材１２に形成された供給水路用溝部２２と重なる部分（図２の斜線部）に形成されている。また、排出水路用溝部３０は、ヒートシンク１０ａ内を流れる冷却水の流動抵抗を小さくし、よどみを少なくするため、隅部３０ａが曲面形状となっている。ここで、排出水路用溝部３０は、上側平板部材１６の下面をエッチングすることによって形成されている。
中間平板部材１４は、１００μｍ程度の厚さを有する銅製の平板で、下側平板部材１２の貫通口１８，２０それぞれに対応する位置に、２つの貫通口３４，３６を有している。また、下側平板部材１２に形成された供給水路用溝部２２と上側平板部材１６に形成された排出水路用溝３０との重なる部分には、複数の導水孔３８が形成されている。ここで、導水孔３８は、中間平板部材１４を両面からエッチングすることによって形成されている。
ここで、特に、上側平板部材１６の上面は、冷却すべき発熱体である半導体レーザ２ａが搭載される半導体レーザ搭載領域１００を有しており、複数の導水孔３８は、当該半導体レーザ搭載領域１００に対向する位置に設けられている。すなわち、半導体レーザ２ａがほぼ直方体形状を有しているため、半導体レーザ搭載領域１００は長方形状となり、複数の導水孔３８は、かかる長方形状の長手方向（図１のｙ軸方向）に対して一列に配列して形成されている。
下側平板部材１２の上面と中間平板部材１４の下面、中間平板部材１４の上面と上側平板部材１６の下面とを接合することにより、図３または図４に示す如く、下側平板部材１２に形成された供給水路用溝部２２と中間平板部材１４の下面とによって、冷却水が供給される供給水路４０（第１の空間）が形成され、同様に上側平板部材１６に形成された排出水路用溝部３０と中間平板部材１４の上面とによって、冷却水を排出する排出水路４２（第２の空間）が形成される。ここで、上記導水孔３８は、供給水路４０に供給された冷却水を排出水路４２に噴出させるために十分小さい断面積を有している。
下側平板部材１２に形成された貫通口１８、中間平板部材１４に形成された貫通口３４、上側平板部材１６に形成された貫通口２６は連結されて、供給水路４０に冷却水を供給するための供給口４４を形成し、下側平板部材１２に形成された貫通口２０、中間平板部材１４に形成された貫通口３６、上側平板部材１６に形成された貫通口２８は連結されて、排出水路４２から冷却水を排出する排出口４６を形成する。
続いて、本実施形態にかかる半導体レーザスタック装置の作用及び効果について説明する。半導体レーザスタック装置１０は、下側平板部材１２、中間平板部材１４及び上側平板部材１６という３つの平板部材によってヒートシンク１０ａ〜１０ｃを構成している。従って、ヒートシンク１０ａ〜１０ｃを極めて薄く構成することができ、その結果、半導体レーザスタック装置１０を極めて小型に構成することができる。
また、ヒートシンク１０ａ〜１０ｃは、供給水路用溝部２２、排出水路用溝部３０といった溝部の形成、及び、導水孔３８といった孔の形成など、比較的簡単な工程によって製造が可能となり、製造が比較的容易である。その結果、半導体レーザスタック装置１０の製造が比較的容易となる。
また、本実施形態にかかる半導体レーザスタック装置１０は、ヒートシンク１０ａ〜１０ｃにおいて、導水孔３８を半導体レーザ搭載領域１００に対向する位置に設けていることで、冷却すべき半導体レーザ２ａ〜２ｃを効果的に冷却することが可能となる。その結果、半導体レーザ２ａ〜２ｃから安定したレーザ光を出力することが可能となる。
また、本実施形態にかかる半導体レーザスタック装置１０は、ヒートシンク１０ａ〜１０ｃにおいて、複数の導水孔３８を有している。その結果、半導体レーザ２ａ〜２ｃを均一かつ広範囲に冷却することができる。その結果、空間的に均一なレーザ光を出力することが可能となる。
さらに、本実施形態にかかる半導体レーザスタック装置１０は、ヒートシンク１０ａ〜１０ｃの導水孔３８が、供給水路４０に供給された冷却水を排出水路４２に噴出させるために十分小さい断面積を有している。従って、排出水路４２の内壁における境界層を破ることができ、半導体レーザ２ａ〜２ｃの冷却効率が増す、その結果、半導体レーザ２ａ〜２ｃそれぞれからさらに安定したレーザ光を出力することが可能となる。
さらに、本実施形態にかかる半導体レーザスタック装置１０は、ヒートシンク１０ａ〜１０ｃそれぞれの供給口４４に接続された一つの供給管５、及び、ヒートシンク１０ａ〜１０ｃそれぞれの排出口４６に接続された一つの排出管６とを備えることで、供給管５と供給口４４とを接続する他の接続管、あるいは、排出管６と排出口４６とを接続する他の接続管等が不要となり、より一層の小型化が図れる。
上記実施形態にかかる半導体レーザスタック装置１０のヒートシンク１０ａ〜１０ｃにおいては、複数の導水孔３８は、半導体レーザ搭載領域１００の長手方向に対して一列に配列して形成されていたが、これは、図５に示すように、半導体レーザ搭載領域１００の長手方向に対して二列に配列して形成されていてもよい。また、図６に示すように、半導体レーザ搭載領域１００の短手方向に延びるスリット状の導水孔３８が、半導体レーザ搭載領域１００の長手方向に対して一列に配列して形成されていてもよい。また、半導体レーザ搭載領域１００の長手方向に延びるスリット状の導水孔３８が図７に示すように一つ形成されていてもよく、図８に示すように２つ配列して形成されていてもよい。
ヒートシンク１０ａは、図９Ａ〜図９Ｂの分解斜視図に示されるようなものであってもよい。すなわち下側平板部材１２及び上側平板部材１６については図２Ａ〜図２Ｂを用いて説明したものと同様であるが、中間平板部材１４には、当該中間平板部材１４の一部をＵ字形に切り込んで、当該Ｕ字型の部分を上側平板部材１６側に立ち上げた引き起こし片３７と、当該引き起こし片３７の立ち上げによって形成された孔である導水孔３８が複数個形成されている。すなわち、導水孔３８は、供給水路４０に供給された冷却水を排出水路４２内に噴出させる孔となるとともに、引き起こし片３７は、導水孔３８の排出水路４２側の縁部に設けられ、冷却水が導水孔３８から排出水路４２に出力される方向を拘束するガイド片となる。かかるヒートシンク１０ａにおいては、供給口４４から供給水路４０に、２〜４ｋｇｆ／ｃｍ２ほどの水圧に加圧された冷却水が供給されると、冷却水は供給水路４０内を導水孔３８に向かって流れ、導水孔３８を通って排出水路４２内に噴出される。導水孔３８から噴出された冷却水によって、半導体レーザ搭載領域１００に載置された半導体レーザ２ａが放熱される。ここで、半導体レーザ２ａを導水孔３８の真上部に設けられない場合は、通常、導水孔３８から高圧で噴出された冷却水を半導体レーザ搭載領域１００の直下部に当てることができず、放熱効率が低下してしまう。これに対し、上記構成をとることで、図１０及び図１１に示すように、半導体レーザ２ａが導水孔３８の真上部でない位置に載置されているにもかかわらず、導水孔３８から噴出された冷却水の噴出方向を、引き起こし片３７によって、半導体レーザ搭載領域１００の方向に拘束し、高圧で噴出された冷却水を半導体レーザ搭載領域１００の直下部に当てることが可能となる。その結果、放熱効率が向上する。
また、板状の中間平板部材１４の一部を切り込んで立ち上げることによってガイド片である引き起こし片３７を形成することで、別途ガイド片用の部材等を製造することなく、容易にガイド片を形成することができる。
また、ガイド片である引き起こし片３７が板状に形成されるため、半導体レーザ２ａを放熱させた後に排出水路４２の上部から排出口４６に向かう冷却水の流動が当該引き起こし片３７によって妨げられることが防止され、引き起こし片３７に起因する排出水路４２の流動抵抗を小さく押さえることができる。その結果、放熱効率をさらに向上させることができる。
さらに、供給水路４０に供給される冷却水の圧力が２〜４ｋｇｆ／ｃｍ２程度の高圧であるのに対し、引き起こし片３７の厚さが１００μｍ程度の薄肉に形成されているため、供給水路４０に供給された冷却水の水圧に応じて引き起こし片３７の開度が変化し、導水孔３８の実質的な面積が変化する。より具体的には、冷却水の水圧が大きくなれば引き起こし片３７が起き上がり、導水孔３８の実質的な面積が大きくなる一方、冷却水の水圧が小さくなれば引き起こし片３７が倒れ、導水孔３８の実質的な面積が小さくなる。従って、水圧の変化によらず、冷却水の噴出速度がほぼ一定に維持される。その結果、水圧の変化によらず、冷却水の噴出速度をほぼ一定に維持することができ、半導体レーザ２ａを均一に放熱させることが可能となる。
上記実施形態に係るヒートシンク１０において、引き起こし片３７は、平坦な板状となっていたが、これは図１２Ａ〜図１２Ｃに示すように、断面がＶ字形状である引き起こし片３７であっても良い。尚、図１２Ａは、引き起こし片３７の平面図、図１２Ｂは、図１２ＡのＩ−Ｉ線に沿った断面図、図１２Ｃは、図１２ＡのＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
引き起こし片３７の断面をＶ字形状とすることで、冷却水は引き起こし片３７の両側部からも噴出され、冷却水を広範囲に噴出させることができるとともに、半導体レーザ２ａを冷却した冷却水が排出口４６に向かって流れる際の流動抵抗をより小さくすることが可能となる。
また、上記実施形態にかかる半導体レーザスタック装置１０のヒートシンク１０ａにおいて、下側平板部材１２の供給水路用溝部２２は、下側平板部材１２の上面をエッチングすることによって形成されていたが、これは、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、供給水路用溝部２２の側面を形成する穴１２ｃを有する第１の平板１２ａと供給水路用溝部２２の底面を形成する第２の平板１２ｂとを重ねて接着することによって形成されていてもよい。尚、上側平板部材１６についても上記と同様に、２枚の平板を重ねて接着することによって形成することもできる。
産業上の利用可能性
本発明は、光源として用いられる半導体レーザ装置及び半導体レーザスタック装置、及び、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として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は、半導体レーザスタック装置の斜視図である。
図２Ａ〜図２Ｃは、ヒートシンクの分解斜視図である。
図３は、ヒートシンクを上方から見た説明図である。
図４は、ヒートシンクを側方から見た説明図である。
図５は、中間平板部材の斜視図である。
図６は、中間平板部材の斜視図である。
図７は、中間平板部材の斜視図である。
図８は、中間平板部材の斜視図である。
図９Ａ〜図９Ｃは、ヒートシンクの分解斜視図である。
図１０は、ヒートシンクを上方から見た説明図である。
図１１は、ヒートシンクを側方から見た説明図である。
図１２Ａは、引き起こし片の平面図である。
図１２Ｂは、図１２ＡのＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
図１２Ｃは、図１２ＡのＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
図１３Ａ及び図１３Ｂは、下側平板部材の分解斜視図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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