专利名称：散热器和具有它的激光器装置以及激光器堆栈装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于半导体器件的发热体冷却的散热器、和使用它的 半导体激光器装置以及半导体激光器堆栈装置。
背景技术：
近年来，为了有效地冷却高输出的激光二极管，使用水冷式的散 热器的情况较多。为了提高冷却效率，优选散热器由热传导率高的材 料构成。而且，优选散热器的材料具有与激光二极管的热膨胀率接近 的热膨胀率。这是因为，如果激光二极管驱动吋的发热和因激光二极 管的反复开关而导致的温度变化，使激光二极管以及散热器发生热伸 缩，那么，在激光二极管将产生起因于两者的热膨胀率不同的应力应 变，激光二极管的特性恶化。然而，由于热传导率高且具有和激光二 极管相同程皮的热膨胀率的材料昂贵，囟此，如果用这种材料构成散 热器的全休，那么制造成木将很高。在日木特开平2004-186527号公报中，公开了一种散热器，能够在 有效地冷却激光二极管的同时，防止起因于热膨胀率的不同的激光二 极管特性的恶化。该散热器具有将3块板(上板、隔板以及下板)层 叠的构造。在上板上设有搭载激光二极管的底座部(sub mount),仅该 底座部由具有与激光二极管相同程度的热膨胀率的材料构成。为了抑 制制造成本，上板中的除去底座部的部分(基体部)、隔板以及下板， 由以铜为主成分的材料构成，具有比激光二极管高的热膨胀率。发明内容然而，由于底座部和其它部分的热膨胀率的差别较大，因此，随 着激光二极管的温度变化底座部被施加大应力，这有可能使应力应变 在底座部上的激光二极管上产生。而且，也有可能在底座部和其它部 分的界面产生接合疲劳，从而使底座部脱离。 本发明鉴于上述问题而提出，其课题在于，提供一种能够减少发 热体的应力应变的散热器，和具有它的激光器装置以及激光器堆栈装 置。一方面，本发明涉及冷却发热体的散热器。该散热器，包括导 电性的第1平板，具有形成有第1凹部的上而；导电性的第2平板， 具有形成有第2凹部的下而以及用于搭载发热体的上面；导电性的隔 板，具有覆盖第1凹部的下而、覆盖第2凹部的上面、以及使第1凹 部与第2凹部相连通的一个以上的贯通孔；冷却介质流入口，从第1 以及第2凹部的一方延仲设置，并使冷却介质流入该散热器冷却介 质流出口，从第1以及第2凹部的另一方延仲设置，并使冷却介质流 出该散热器。第1以及第2平板，都具有第1热膨胀率。隔板，具有 比第1热膨胀率小的第2热膨胀率。第1平板可以具有比隔板高的热传导率。第l以及第2平板可以由Cu构成。隔板可以由Ni、 Au、 W、 Pt、 Ti或不锈钢构成。另一方而，木发明涉及一种激光器装贫，包括具有上述构成的散热器、和挤战于该散热器的第2平板的上面的半导体激光器元件。 该半W休激光器元件，具有比第1以及第2平板的热膨胀率小的热膨 胀率。另一方而，本发明涉及一种激光器堆栈装置，具有第1散热器、 第2散热器、第1半导体激光器元件、第2半导体激光器元件。第1 散热器以及第2散热器是分别具有上述构成的散热器。第1半导体激 光器元件，被配置于第1散热器的第2平板的上面和第2散热器的第1 平板的下面之间，具有比第1以及第2的平板的热膨胀率小的热膨胀 率。第2半导体激光器元件，被搭载于第2散热器的第2平板的上面， 具有比第1以及第2平板的热膨胀率小的热膨胀率。通过下述的详细说明和附图，能够更加深刻地理解本发明。而且， 附图只不过是示例，并没有打算限定本发明的范围。
图1是表示本发明的激光器堆栈装置的一个实施方式的构成的立 体图。图2是表示激光器阵列的立体图。图3是表示散热器的构造的立体分解图。图4是散热器的平面图。图5是沿着图3的V-V线的散热器的剖面图。图6是沿着图3的VI-VI线的散热器的剖而图。图7是沿着图3的VII-VH线的散热器的剖面图。符号说明1…激光器堆栈装置，2a、 2b、 2c…激光器阵列，3a、 3b…铜板， 4a、 4b…引导板,5…供给板，6…排除管，7a、 7b、 7c、 7d…绝缘部件， 10a、 10b、 10c…散热器，12…下板，14…隔板，16…上板，18、 20." 开口， 22…第1凹部，26、 28…开口, 30…第2凹部，34、 36…开口， 38…导水孔，40…流入水路，42…流山水路，44…流入口， 46…流出 P， 48…冷却水，R2a…激光器挤载区域。
具体实施方式
下而，参照附图，详细地说明本发明的实施方式。而且，在附图 的说明中，川相同的符号标记相同的耍素，省略重复的说明。图1是表示本发明涉及的激光器堆栈装置的一个实施方式的构成 的立休图。该激光器堆栈装置l，包括三个激光器阵列2a 2c、两块 铜板3a以及3b、两块引导板4a以及4b、供给管5、排出管6、四个 绝缘部件7a 7d、以及三个散热器10a 10c。下面，对各构成要素进行说明。而且，为了说明的方便，以图1 的Z轴正方向为上，Z轴负方向为下。图2是表示激光器阵列2a的立体图。激光器阵列2b以及2c，具 有和激光器阵列2a相同的构造。各激光器阵列是，具有发光面50的 半导体激光器元件。在发光面50上，多个发光部52沿着Y轴方向以 一定的间隔排成一列。因此，激光器阵列2a 2c也被称为激光二极管 条(bar)。在驱动激光器阵列时，各发光部52沿着激光器阵列的轴方 向(共振器方向)发出激光。在本实施方式中，轴方向平行于X轴。
如图1所示，激光器阵列2a，被配置于散热器10a的上面和散热 器10b的下面之间，激光器阵列2b，被配置于散热器10b的上面和散 热器10c的下面之间，激光器阵列2c，被设置于散热器10c的上面。激光器阵列2a 2c，通过散热器10b以及10c互相电相连。激光器 阵列2a的下面，通过散热器10a以及铜板3a与引导板4a电相连，半 导体激光器阵列2c的上面，通过铜板3b与引导板4b电相连。因此， 在向引导板4a和引导板4b之间施加电压后，能够驱动激光器阵列 2a 2c，从激光器阵列2a 2c出射激光。贯通散热器10a 10c而设置供给管5、排出管6。供给管5，和贯 通散热器10a 10c的流入口 44 (后述)相连，排出管6，和贯通散热 器10a 10c的流出口 46 (后述)相连。从而，能够使冷却介质通过供 给管5流入散热器10a 10c，并且，使冷却介质通过排出管6从散热器 10a 10c流出。本实施方式中，使用水作为冷却介质。在散热器10a的下而、散热器10a的上面与散热器10b的下而的 问隙、散热器10b的上而与散热器10c的下而的问隙、以及散热器10c 的上而，分别设有橡胶制的绝缘部件7a、 7b、 7c、 7d，且包围供给管 5以及排水管6。绝缘部件7a 7d，在确保各散热器问的绝缘的同时， 防止冷却介质的泄漏。下面，参照图3~图7，说明散热器10a的构造。图3是表示散热 器10a的构造的分解立体图。图4是从上方(图1的Z轴方向)观看 到的散热器10a的平而图。图5、图6以及图7是分别沿着图3的V-V 线、VI-VI线以及VH-VII线的散热器10a的剖面图。而且，散热器10b 以及散热器10c具有和散热器10a相同的构造。如图3所示，散热器10具有将下板12、隔板14以及上板16依次 层叠的构造。这些板，利用导电性的接合剂25相接合。作为接合剂25， 优选使用热传导率高的Ag或AuSn等。下板12是厚度为400阿左右的铜制的平板，具有贯通下板12的 两个开口 18、 20。在下板12的上面(和隔板14相接触的面)，形成有 深度约为200pm的凹部22。凹部22，成为散热器10a内的冷却水的流 路的一部分。凹部22的一方的端部连接于开口 18，另一方的端部在下 板12的宽度方向(图1的Y轴方向)上扩展。开口 18,从凹部22延 伸设置在下板12的下面。为了减小流过散热器10a内的冷却水的流动 阻力，减少淤水，使凹部22的角部22a成为为曲面形状。这种凹部22， 例如，能够通过腐蚀下板12的上面而形成。上板16是厚度为400阿左右的铜制的平板，在分别对应于下板 12的开口 18、 20的位置上，具有贯通上板16的两个开口 26、 28。在 上板16的下面，形成有深度约为200阿的凹部30。凹部30，和凹部 22同样，也成为了冷却水的流路的一部分。凹部30的一方的端部连接 于开口 28，另一方的端部在上板16的宽度方向上扩展。开口 28，从 凹部30延伸设置在上板16的上面。凹部30被配置为，沿着Z轴从上 方观看散热器10a吋，和下板12的凹部22部分地重合。图4中，该 :范合部分川阴影表示。为了减小流过散热器10a内的冷却水的流动阻 力，减少淤水，使凹部30的角部30a成为曲而形状。这种凹部30，例 如，能够通过腐蚀上板16的下面而形成。隔板14是厚度为100pm左右的铜制的平板，在分别对应于下板 12的开口 18、 20的位置上，具有贯通隔板14的两个开口 34、 36。并 且，隔板14,在开口34、 36的相反侧，具有贯通隔板14的多个导水 孔38。沿着Z轴从上方观看散热器10a吋，这些导水孔38被配置在与 凹部22以及30这两者相重叠的位置上。从而，凹部22和30通过导 水孔38互相连通。导水孔38，例如能够通过从两面腐蚀隔板14而形 成。上板16的上面，具有搭载作为需要冷却的发热体的激光器阵列2a 的激光器搭载区域R2a。导水孔38，被设置在激光器搭载区域R2a的 正下方。由于激光器阵列2a大致呈长方体形状，所以激光器搭载区域 R2a成为长方形。多个导水孔38,沿着该长方形的长度方向(图1的 Y轴方向)即激光器阵列2的发光部52排列的方向，等间隔地排列。如图3~图6所示，在将下板12的上面和隔板14的下面接合时， 由下板12的凹部22和隔板14的下面形成空间40。该空间40是冷却 水48通过供给管5流入的流入水路。另一方面，在将隔板14的上面 和上板16的下面接合时，由上板16的凹部30和隔板14的上面形成 空间42。该空间42是使冷却水48通过排出管6流出的流出水路。
在将下板12、隔板14、以及上板16接合时，形成于下板12的开 口 18、形成于隔板14的开口 34、以及形成于上板16的开口 26相连 结，形成如图6所示的流入口44。流入口44，通过供给管5从激光器 堆栈装置1的外部接受冷却水48，并向流入水路40供给。另外，形成 于下板12的开口 20、形成于隔板14的开口 36、以及形成于上板16 的开口28相连结，而形成流出口46。流出口46,从流出水路42接受 冷却水48，通过排出管6使冷却水48向激光器堆栈装置1的外部流出。如图4~图7所示，通过流入水路40、流出水路42以及导水孔38， 构成连续的冷却水路。流入口 44以及流出口 46也成为该冷却水路的 一部分。导水孔38，使向流入水路40供给的冷却水向流出水路42喷 出。因此，导水孔38具有比流入水路40的截面积小得多的截而积。散热器10a 10c，在驱动激光器阵列2a 2c时，和激光器阵列2a 2c 进行热交换，降低它们的温设。由于山导水孔38形成的冷却水的喷流 冲击上板16中的位于激光器阵列2a 2c的正下方的位置，所以激光器 阵列2a 2c被i力'效地冷即。隔板14，由热膨胀率比构成下板12以及.l:板16的Cu小的材料 构成。优选该材料具有高的电传导性。作为满足这些条件的材料的例 子，可以列举出Ni、 Au、 W、 Pt、 Ti或不锈钢(SUS) 。 Ni的线热膨 胀率为12.8xlO-6/K， Au为14.2xlO-6/K， W为4.5xl(T6/K， SUS为 10.0xl(r6《，Pt为8.9xlO^/K， Ti为8.6x10VK。与此相对的是，Cu的 线热膨胀率为16xl(T6/K。另一方面，Cu的热传导率比Ni、 Au、 W、 Pt、 Ti以及SUS的任何一种的热传导率高。另外，激光器阵列2a 2c 具有比Cu小的热膨胀率。例如，在激光器阵列2a 2c为GaAs系的情 况下，该线热膨胀率约为6.5x1(TVK，在为InP系的情况下，约为 4.5xlO_6/K。而且，优选隔板14由耐腐蚀性强的材料构成。在散热器10a 10c 的冷却水路内流通的冷却水，由于溶解有空气中的二氧化碳，pH通常 不足7，在这种酸性的条件下，进行构成隔板14的元素的氧化反应和 溶解氧的还原反应等反应，腐蚀隔板14。当发生腐蚀后，导水孔38 的直径扩大，有可能无法生成冷却水的喷流，冷却性能降低。上述的 Ni、 Au、 W、 Pt、 Ti以及SUS，具有较强的耐腐蚀性，不容易因冷却
水的电解而被电化学腐蚀。因此，能够防止因腐蚀而导致的导水孔38 的扩大和由此而导致的冷却性能的降低。从这一点也可以看出，上述 的物质适合作为隔板14的材料。下面，说明本实施方式的优点。在本实施方式中，由于热膨胀率 小于上板16以及下板12的隔板14被夹在下板12和上板16之间，所 以，上板16以及下板12的热伸縮被隔板14阻止。因此，各散热器的 整体的热膨胀率下降，接近激光器阵列2a 2c的热膨胀率。并且，由 于隔板14被具有相同热膨胀率的下板12以及上板16夹持，所以，在 激光器阵列2a 2c的温度变化时，散热器10a 10c不容易弯曲。因此， 能够减小向激光器阵列2a 2c施加的压力和因该应力而在激光器阵列 2a 2c生成的应力应变。其结果是，能够抑制激光器阵列2a 2c的损伤 和特性恶化，并能够防止激光器阵列2a 2c从散热器10a 10c的脱离。由于下板12以及上板16具有比隔板14高的热传导率，所以即使 隔板14的热传导率不高，也能够提商在上板16和激光器阵列2a 2c 之间的热交换的效率，并且，捉i^加热器10a 10c的散热性，得到充 分的冷如性能。尤其是，构成下板12以及上板16的Cu，具有非常高 的热传导率，而且旅价。所以，散热器10a 10c，具有良好的冷却性能， 且制造成本也低。由于汁j于隔板14的Ni、 Au、 W、 Pt、 Ti或不锈钢具有足够的电 传导率和耐腐蚀性，所以能够在激光器阵列2a 2c之间形成良好的电 导通，而且能够提高散热器10a 10c的耐用性。以上，基于本实施方式详细地说明了本发明。但是，本发明并不 限定于上述实施方式。本发明能够在不脱离其要旨的范围内进行各种 变形。上述实施方式中，半导体激光器元件被直接载置于散热器上，但 是，也可以将半导体激光器元件搭载于底座上，然后该底座被载置于 散热器上。而且，代替激光器阵列，也可以在散热器上搭载具有单一 发光部的半导体激光器元件。并且，即使是在代替通过散热器层叠多个半导体激光器元件，而 采用在散热器上搭载单一的半导体激光器元件的构造的激光器装置 中，也能够得到和上述的激光器堆栈装置相同的优点。这种装置的一
个示例，具有从图1所示的激光器堆栈装置1中去掉激光器阵列2b、 2c，以及散热器10b、 10c的构造。
虽然在上述实施方式中，形成于下板的凹部22与流入口44连通， 形成于上板的凹部30与流出口 46连通，但是，形成于下板的凹部也 可以与冷却介质流出口连通，且形成于上板的凹部也可以和冷却介质 流入口连通。
从上述发明显而易见的是，可以用各种方法对本发明的实施方式 施加变形。这种变形并没有脱离本发明的范围，对本领域的从业人员 来说显而易见的是，这种变形全部被包括在权利要求的范围内。
产业上的利用可能性
本发明通过使用热膨胀率小于第1以及第2平板的隔板，能够减 小散热器全体的热膨胀率，并由此能够减小在半导体激光器元件等的 发热体产生的应力应变。
权利要求
1.一种冷却发热体的散热器，其特征在于，包括导电性的第1平板，具有形成有第1凹部的上面；导电性的第2平板，具有形成有第2凹部的下面以及用于搭载所述发热体的上面；导电性的隔板，具有覆盖所述第1凹部的下面、覆盖所述第2凹部的上面、以及使所述第1凹部与所述第2凹部相连通的一个以上的贯通孔；冷却介质流入口，从所述第1以及第2凹部的一方延伸设置，并使冷却介质流入该散热器；冷却介质流出口，从所述第1以及第2凹部的另一方延伸设置，并使冷却介质流出该散热器，其中，所述第1以及第2平板，都具有第1热膨胀率，所述隔板，具有比所述第1热膨胀率小的第2热膨胀率。
2. 如权利要求1所述的散热器，其特征在于 所述第1平板具有比所述隔板大的热传导率。
3. 如权利要求1或2所述的散热器，其特征在于 所述第1以及第2平板由Cu构成。
4. 如权利要求1 3中任何一项所述的散热器，其特征在于 所述隔板由Ni、 Au、 W、 Pt、 Ti或不锈钢构成。
5. —种激光器装置，其特征在于，包括 如权利要求1 4中任何一项所述的散热器；和 半导体激光器元件，搭载于所述散热器的所述第2平板的上面，并且具有比所述第1热膨胀率小的热膨胀率。
6. —种激光器堆栈装置，其特征在于具有第1散热器、第2散热器、第1半导体激光器元件、第2半 导体激光器元件，所述第1散热器以及第2散热器是如权利要求1 4中任何一项所 述的散热器，所述第1半导体激光器元件，配置于所述第1散热器的所述第2 平板的上面和所述第2散热器的所述第1平板的下面之间，具有比所 述第1热膨胀率小的热膨胀率，所述第2半导体激光器元件，搭载于所述第2散热器的所述第2 平板的上面，具有比所述第1热膨胀率小的热膨胀率。
全文摘要
本发明涉及散热器和具有它的激光器装置以及激光器堆栈装置，所述散热器(10a)，具有第1平板(12)，隔板(14)以及第2平板(16)。第1平板具有形成有第1凹部(22)的上面。第2平板具有形成有第2凹部(30)的下面，以及搭载有半导体激光器元件(2a)的上面。这些凹部成为冷却介质用流路的一部分。隔板具有覆盖第1凹部的下面、覆盖第2凹部的上面、以及使第1凹部连通于第2凹部的一个以上的贯通孔(38)。第1以及第2平板都具有第1热膨胀率。隔极具有比第1热膨胀率小的第2热膨胀率。
文档编号H01L23/36GK101164163SQ200680012968
公开日2008年4月16日 申请日期2006年4月27日 优先权日2005年6月20日
发明者大石谕, 宫岛博文, 渡边信雄, 菅博文, 铃木伸孝 申请人:浜松光子学株式会社