JP3841633B2

JP3841633B2 - 半導体レーザモジュール

Info

Publication number: JP3841633B2
Application number: JP2000314981A
Authority: JP
Inventors: 克典鈴木; 健三郎飯島; 俊治星
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2020-10-16
Also published as: JP2002124611A; US20020043364A1; US6917638B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の半導体素子からなる電子デバイスを搭載する基板あるいは電子デバイスを収容する容器に装着されて、電子デバイスが発生した熱を外部に放出する電子デバイス用放熱体に係り、特に、熱膨張係数が電子デバイスあるいは電子デバイスを搭載する基板もしくは電子デバイスを収容する容器に近似する電子デバイス用放熱体を用いた半導体レーザモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子（熱電素子、ＩＣ、ＬＳＩ、ＶＬＳＩ、ダイオード等）などの電子デバイスの高出力化や高集積化が進展し、電子デバイスからの発熱量も急激に増大化する傾向がある。そのため高集積化したハイブリットＩＣなどの半導体装置においては、半導体素子の発熱を効率的に系外に放散させるために、銅や高融点金属材から成る放熱板をセラミックス回路基板に一体的に接合して用いている。しかしながら、銅や高融点金属材から成る放熱板は半導体素子や回路基板との熱膨張係数の差が大きいために、繰り返して作用する熱衝撃によって両部品の接合界面における熱応力が高まり剥離を引き起こし易い難点がある。
【０００３】
そこで、半導体素子や回路基板に近似した熱膨張率を有する放熱板として、タングステン（Ｗ）などの高融点金属材料の焼結体から成る放熱板が実用化されるようになった。しかしながら、タングステン（Ｗ）などの高融点金属材料のみから成る放熱板では、熱伝導性が不十分となるため、タングステン（Ｗ）などの高融点金属材料のみから成る焼結体の空孔部に銅（Ｃｕ）などの高熱伝導性材料を溶浸（含浸）させた含浸焼結合金から成る放熱板が使用されるようになった。
【０００４】
ところで、上述したような含浸焼結合金から成る放熱板は、例えば、以下のような手順で製造されている。即ち、タングステン（Ｗ）などの高融点材料粉末に、有機バインダーを予備配合して原料混合体とし、この原料混合体を、金型プレスでプレスして薄板状の成形体とする。この成形体を脱脂・焼結して多孔質の焼結体とした後、この焼結体の空孔部に銅（Ｃｕ）などの高熱伝導性材料を溶浸（含浸）させる。その後に、含浸焼結体の表面を、フライス盤やラップ盤などにより表面加工して、最終的に放熱板とする製法が一般的に採用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようにして成形される含浸焼結体から成る放熱板にあっては、熱伝導性を向上させようとする場合には熱伝導性に優れた銅（Ｃｕ）の含有率を多くする必要があるが、銅（Ｃｕ）の含有率を多くすると、放熱板全体としての熱膨張係数が大きくなるため、繰り返して作用する熱衝撃によって電子デバイスが装着された基板と放熱板との接合界面、あるいは電子デバイスが収容された容器と放熱板との接合界面における熱応力が高まり、放熱板が剥離を引き起こし易いという問題を生じた。
【０００６】
また、含浸焼結体から成る放熱板にあっては、焼結体に形成された空孔内に銅（Ｃｕ）が溶浸（含浸）されているため、含浸された銅（Ｃｕ）が存在する部分に沿って熱伝導がなされて熱が拡散することとなり、熱伝導方向はランダムな方向となる。このため、例えば、放熱板が接合された容器内に電子デバイスが密閉されていると、この放熱板の放熱方向がランダムな方向になって、電子デバイスで発生した熱をこの容器の系外に素早く放熱することが困難で、放熱効率が悪いという問題も生じた。
【０００７】
また、含浸焼結体から成る放熱板にあっては、焼結体に形成された空孔内に銅（Ｃｕ）を溶浸（含浸）させるため、最終的にラップ盤などを使用した表面研磨加工が必要となるので放熱板の製造工程が複雑になって、製造コストが上昇するという問題も生じた。また、焼結体とするための原料粉末の流動性，成形性，保形性を向上させるために、有機バインダーを使用しているため、脱脂工程が必要になるが、脱脂工程が不十分であると、焼結体表面に炭化物が固着して空孔を閉塞し易いため、高熱伝導性材料の溶浸（含浸）操作が困難になるという問題もあった。
【０００８】
さらに、焼結体の空孔内に高熱伝導性材料の溶浸（含浸）されない部分が存在するようになって、表面部においてもピンホールが発生し易く、このピンホールの上にめっき層を形成した場合には、めっき膨れを発生し易く、めっき性が良好で高品質の放熱板が得にくいという問題も生じた。また、高熱伝導性材料を溶浸（含浸）した後に、余剰の含浸材が焼結体表面に多量に付着するため、研削加工などによって表面に固着した余剰の含浸材を取り除いた後に、表面研磨加工を実施する必要があり、放熱板の仕上げ加工工数が増加して製造コストが上昇する問題も生じた。
【０００９】
そこで、本発明は上記の如き問題点を解消するためになされたものであり、放熱方向（熱伝導方向）が一定で、かつ熱膨張係数が電子デバイス、あるいは電子デバイスを搭載する基板、もしくは電子デバイスを収容する容器に近似する放熱体を用いた半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明による電子デバイスを搭載する基板あるいは電子デバイスを収容する容器に装着されて電子デバイスが発生した熱を外部に放出することができる電子デバイス用放熱体は、低熱膨張係数を有する材料からなる基板に貫通孔を備えるとともに、この貫通孔内に高熱伝導性材料が充填されて貫通孔の軸方向に熱伝導することができるようにしている。
【００１１】
このように、低熱膨張係数を有する材料からなる基板に貫通孔を備えるとともに、この貫通孔内に高熱伝導性材料が充填されていると、高熱伝導性材料が存在する部分に沿って熱伝導がなされるため、熱伝導方向は貫通孔の軸方向になるとともに、低熱膨張係数の基板で熱膨張が抑制されるようになる。これにより、電子デバイスで発生した熱は電子デバイスを搭載する回路基板あるいは電子デバイスを収容する容器から素早く系外に放熱されるようになるとともに、この放熱体の熱膨張も抑制することが可能となる。
【００１２】
また、本発明による電子デバイス用放熱体は、低熱膨張係数を有する材料からなる基板に貫通孔を備えるとともに、この低熱膨張係数を有する材料は銅の含有量が少なく、かつタングステンまたはモリブデンの含有量が多い銅−タングステン合金または銅−モリブデン合金、あるいは熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ〜１０ｐｐｍ／Ｋ（但し、室温から４００℃まで昇温したときの線膨張係数）以下のタングステン、鉄−ニッケル合金、鉄−ニッケル−コバルト合金から選択される１種から構成され、この貫通孔に銅の含有量が多く、かつタングステンまたはモリブデンの含有量が少ない銅−タングステン合金または銅−モリブデン合金、あるいは銅からなる高熱伝導性材料が充填されて、貫通孔の軸方向に熱伝導することができるようにしている。
【００１３】
一般に、電子デバイス、あるいは電子デバイスを搭載する回路基板、もしくは電子デバイスを収容する容器はセラミックスなどの低熱膨張係数を有する材料から形成されているため、これに接合される放熱体の熱膨張係数を近似させる必要がある。このため、本発明においては、銅の含有量が少なく、かつタングステンまたはモリブデンの含有量が多い銅−タングステン合金または銅−モリブデン合金、あるいは熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ〜１０ｐｐｍ／Ｋ（但し、室温から４００℃まで昇温したときの線膨張係数）以下のタングステン、鉄−ニッケル合金、鉄−ニッケル−コバルト合金から選択される１種により基板を構成している。
【００１４】
そして、放熱体の熱膨張係数をこれらの電子デバイス、回路基板、容器などの低熱膨張係数に近似させると熱伝導性が悪くなるため、本発明においては、低熱膨張係数の合金から構成される基板に貫通孔を備え、この貫通孔内に銅の含有量が多く、かつタングステンまたはモリブデンの含有量が少ない銅−タングステン合金または銅−モリブデン合金、あるいは銅からなる高熱伝導性材料を充填している。
【００１５】
このように、低熱膨張係数の基板に貫通孔を備え、この貫通孔内に高熱伝導性材料が充填されていると、高熱伝導性材料が存在する部分に沿って熱伝導がなされるために熱伝導方向は貫通孔の軸方向となるとともに、低熱膨張係数の基板で熱膨張が抑制されるようになる。これにより、電子デバイスで発生した熱は電子デバイスを搭載する回路基板あるいは電子デバイスを収容する容器から素早く系外に放熱されるようになるとともに、この放熱体の熱膨張も抑制することが可能となる。
【００１６】
この場合、均一な放熱性を考慮すると、中心部から基端部近傍まで延びかつ厚み方向に貫通する貫通孔が形成されているのが好ましい。なお、貫通孔が占有する全体積が大きくなりすぎると熱伝導性が向上する反面、熱膨張率が増大するため、貫通孔が占有する全体積は基板の全体積に対して４５％ｖｏｌ以下とするのが望ましい。一方、貫通孔が占有する全体積が小さくなりすぎると熱膨張率が向上する反面、熱伝導性が低下するため、貫通孔が占有する全体積は基板の全体積に対して１０ｖｏｌ％以上とするのが望ましい。
また、貫通孔の平均孔径（この場合の平均孔径は貫通孔の幅を意味する）が小さくなりすぎると熱膨張率が向上する反面、熱伝導性が低下するため、貫通孔の平均孔径は５０μｍ以上とするのが望ましい。一方、貫通孔の平均孔径が広くなりすぎると熱伝導性が向上する反面、熱膨張率が増大するため、貫通孔の平均孔径は１ｍｍ以下とするのが望ましい。
【００２２】
上述の電子デバイス用放熱体は、一対の絶縁基板の相対向する表面に形成された一対の電極を介して半導体からなる複数の熱電素子が導電接続された熱電モジュールを冷却素子として備えた半導体レーザモジュールに適用するのが好ましい。この場合、半導体レーザ素子を搭載する基板に前記熱電モジュールの吸熱側が接合され、熱電モジュールの発熱側に電子デバイス用放熱体が接合され、かつ該電子デバイス用放熱体は半導体レーザ素子を収容するパッケージの枠体の下部に蝋により接合されている構造とすればよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
ついで、本発明の実施の形態を放熱体の作製例（その１）、熱特性の測定、放熱特性の測定、放熱体の作製例（その２）、貫通孔の配置構造ならびに放熱体の適用例の順で以下に説明する。
【００２４】
１．放熱体の作製例（その１）
本発明の放熱体の作製例を図１に基づいて説明する。なお、図１は本発明の放熱体の製造工程を模式的に示す斜視図であり、図１（ａ）は第１工程を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）は第２工程を模式的に示す斜視図であり、図１（ｃ）はこれらの工程を経て作製された複合焼結体を模式的に示す斜視図であり、図１（ｄ）は得られた複合焼結体を切断した状態を模式的に示す斜視図である。
【００２５】
まず、平均粒径が２μｍのタングステン（Ｗ）粉末と、平均粒径が２μｍの銅（Ｃｕ）粉末を用意し、これらを混合して、タングステン粉末が８０体積％（８０ｖｏｌ％）と銅粉末が２０体積％（２０ｖｏｌ％）とからなる混合金属粉末とした。ついで、得られた混合金属粉末と同体積のバインダー（例えば、アクリル樹脂とワックスを混合したもの）を混合し、これらに有機溶媒を添加して混練し、タングステンリッチなＣｕ−Ｗからなる成形用組成物（第１成形用組成物）を得た後、この成形用組成物をペレット化した。
【００２６】
この後、タングステンリッチなＣｕ−Ｗからなる成形用組成物のペレットを射出成形機（図示せず）のホッパー内に充填した後、これを射出温度１３０℃、金型温度４０℃で射出成形した後、金型を水冷して射出物を固化させて、図１（ａ）に示すような多数の貫通孔１２が均等に配列された母材成形体（グリーン体）１１を得た。なお、得られた母材成形体１１は板状体であって、その厚みは２ｍｍで、長さは３０ｍｍで、幅は２０ｍｍに形成されており、貫通孔１２の孔径は０．５ｍｍで、貫通孔１２が占める体積は母材成形体１１の全体積に対して３０体積％であった。
【００２７】
一方、平均粒径が２μｍのタングステン（Ｗ）粉末と、平均粒径が２μｍの銅（Ｃｕ）粉末を用意し、これらを混合して、タングステン粉末が２５体積％（２５ｖｏｌ％）と銅粉末が７５体積％（７５ｖｏｌ％）とからなる混合金属粉末とした。得られた混合金属粉末と同体積のバインダー（例えば、アクリル樹脂とワックスを混合したもの）を添加して混練し、銅リッチなＣｕ−Ｗからなる成形用組成物（第２成形用組成物）を得た後、この成形用組成物をペレット化した。
【００２８】
ついで、銅リッチなＣｕ−Ｗからなる成形用組成物のペレットを射出成形機（図示せず）のホッパー内に充填するとともに、上述のようにして得られた母材成形体１１を射出成形機の金型内に装填した後、射出温度１３０℃、金型温度４０℃で射出成形した後、金型を水冷して射出物を固化させて、図１（ｂ）に示すように、母材成形体１１の多数の貫通孔１２内に銅リッチなＣｕ−Ｗからなる成形用組成物１３が充填された基板１０ａを得た。
【００２９】
ついで、得られた基板１０ａを焼結炉（図示せず）内に配置した後、この焼結炉内に１ｌ／ｍｉｎの流速で窒素ガスを充填して焼結炉内を窒素ガス雰囲気にし、０．５℃／ｍｉｎの昇温速度で室温から４１０℃まで加熱して、基板１０ａに含有されたバインダーを燃焼させて脱バインダー処理を行った。この後、この焼結炉内に１ｌ／ｍｉｎの流速で水素ガスを充填して焼結炉内を還元雰囲気にし、５℃／ｍｉｎの昇温速度で１４５０℃まで加熱した後、この温度を２時間保持して基板１０ａを焼結して、図１（ｃ）に示すような複合焼結体１０を作製した。
【００３０】
このようにして得られた複合焼結体１０は、図１（ｄ）に示すように、タングステンリッチなＣｕ−Ｗからなる低熱膨張係数の母材成形体１１の貫通孔１２の軸方向に沿って銅リッチなＣｕ−Ｗからなる高熱伝導性の充填層１３が形成されている。
【００３１】
２．熱特性の測定
上述のように作製した複合焼結体１０（母材成形体１１の貫通孔の孔径が０．５ｍｍで、貫通孔の体積比率が３０ｖｏｌ％で、Ｗの体積比率が８０ｖｏｌ％で、充填層１３のＣｕの体積比率が７５ｖｏｌ％のもの）の熱伝導率および熱膨張係数を、レーザーフラッシュ装置（日本真空理工（株）製：レーザーフラッシュサーマルホーンスタックアナライザＴＣ７０００）および熱膨張測定器（ＳＥＩＫＯ製ＴＭＡ６２００）を用いて測定すると、熱伝導率は２５５Ｗ／ｍＫで、熱膨張係数（室温から４００℃まで昇温したときの線膨張係数）は８．０ｐｐｍ／Ｋとなり、これらの数値を図２のグラフにプロットすると△₂となった。
ついで、充填層１３のＣｕの比率を１００ｖｏｌ％および５０ｖｏｌ％となるように調製したＣｕ−Ｗ成形用組成物（第２成形用組成物）を用いて複合焼結体１０を作製し、上述同様に熱伝導率および熱膨張係数をそれぞれ測定し、これらの数値を図２のグラフにプロットするとそれぞれ△₁、△₃に示すような結果となった。
【００３２】
また、貫通孔の孔径が０．５ｍｍで、Ｗの体積比率が８０ｖｏｌ％の母材成形体１１を用いて、貫通孔の体積比率を４５ｖｏｌ％にして、充填層１３のＣｕの体積比率が１００ｖｏｌ％、７５ｖｏｌ％および５０ｖｏｌ％に変化させて複合焼結体１０を作製し、上述同様に熱伝導率および熱膨張係数をそれぞれ測定し、これらの数値を図２のグラフにプロットするとそれぞれ□₁、□₂、□₃に示すような結果となった。
同様に、貫通孔の孔径が０．５ｍｍで、Ｗの体積比率が８０ｖｏｌ％の母材成形体１１を用いて、貫通孔の体積比率を１０ｖｏｌ％にして、充填層１３のＣｕの体積比率が１００ｖｏｌ％、７５ｖｏｌ％および５０ｖｏｌ％に変化させて複合焼結体１０を作製した。ついで、上述と同様に熱伝導率および熱膨張係数をそれぞれ測定し、これらの数値を図２のグラフにプロットするとそれぞれ◇₁、◇₂、◇₃に示すような結果となった。
【００３３】
なお、比較のためにタングステン粉末を圧粉し、仮焼結してポーラスな状態にした後、この仮焼結体に銅板を積層し、加熱処理して銅を仮焼結体の空孔に溶浸させて焼結体（溶浸材）を作製し、上述と同様に熱伝導率および熱膨張係数をそれぞれ測定し、これらの数値を図２のグラフにプロットするとそれぞれ○₁（仮焼結体の空孔率が３５ｖｏｌ％のもの）、○₂（仮焼結体の空孔率が２７．５ｖｏｌ％のもの）、○₃（仮焼結体の空孔率が２１ｖｏｌ％のもの）に示すような結果となった。
【００３４】
また、Ｗの体積比率が８０ｖｏｌ％の母材成形体１１を用いて、貫通孔の体積比率を３０ｖｏｌ％にし、貫通孔の孔径を０．０５ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍに変化させるとともに、充填層１３のＣｕの体積比率が１００ｖｏｌ％、７５ｖｏｌ％および５０ｖｏｌ％に変化させて複合焼結体１０を作製した。ついで、上述と同様に熱伝導率および熱膨張係数をそれぞれ測定した。この後、これらの数値を図３のグラフにプロットすると、貫通孔の孔径が０．０５ｍｍのものは◇₁（Ｃｕが１００ｖｏｌ％のもの）、◇₂（Ｃｕが７５ｖｏｌ％のもの）、◇₃（Ｃｕが５０ｖｏｌ％のもの）となった。
【００３５】
また、貫通孔の孔径が０．５ｍｍのものは□₁（Ｃｕが１００ｖｏｌ％のもの）、□₂（Ｃｕが７５ｖｏｌ％のもの）、□₃（Ｃｕが５０ｖｏｌ％のもの）となった。さらに、貫通孔の孔径が１．０ｍｍのものは△₁（Ｃｕが１００ｖｏｌ％のもの）、△₂（Ｃｕが７５ｖｏｌ％のもの）、△₃（Ｃｕが５０ｖｏｌ％のもの）となった。なお、図３においても図２と同様に溶浸材（○₁（仮焼結体の空孔率が３５ｖｏｌ％のもの）、○₂（仮焼結体の空孔率が２７．５ｖｏｌ％のもの）、○₃（仮焼結体の空孔率が２１ｖｏｌ％のもの））の結果も示している。
【００３６】
また、Ｗの体積比率が８０ｖｏｌ％の母材成形体１１を用いて、貫通孔の体積比率を４５ｖｏｌ％にし、貫通孔の孔径を０．０５ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍに変化させるとともに、充填層１３のＣｕの体積比率が１００ｖｏｌ％、７５ｖｏｌ％および５０ｖｏｌ％に変化させて複合焼結体１０を作製した。ついで、上述と同様に熱伝導率および熱膨張係数をそれぞれ測定し、これらの数値を図４のグラフにプロットすると、貫通孔の孔径が０．０５ｍｍのものは◇₁（Ｃｕが１００ｖｏｌ％のもの）、◇₂（Ｃｕが７５ｖｏｌ％のもの）、◇₃（Ｃｕが５０ｖｏｌ％のもの）となった。
【００３７】
また、貫通孔の孔径が０．５ｍｍのものは□₁（Ｃｕが１００ｖｏｌ％のもの）、□₂（Ｃｕが７５ｖｏｌ％のもの）、□₃（Ｃｕが５０ｖｏｌ％のもの）となった。さらに、貫通孔の孔径が１．０ｍｍのものは△₁（Ｃｕが１００ｖｏｌ％のもの）、△₂（Ｃｕが７５ｖｏｌ％のもの）、△₃（Ｃｕが５０ｖｏｌ％のもの）となった。なお、図４においても図２と同様に溶浸材（○₁（仮焼結体の空孔率が３５ｖｏｌ％のもの）、○₂（仮焼結体の空孔率が２７．５ｖｏｌ％のもの）、○₃（仮焼結体の空孔率が２１ｖｏｌ％のもの））の結果も示している。
【００３８】
さらに、Ｗの体積比率が８０ｖｏｌ％の母材成形体１１を用いて、貫通孔の体積比率を１０ｖｏｌ％にし、貫通孔の孔径を０．０５ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍに変化させるとともに、充填層１３のＣｕの体積比率が１００ｖｏｌ％、７５ｖｏｌ％および５０ｖｏｌ％に変化させて複合焼結体１０を作製した。ついで、上述と同様に熱伝導率および熱膨張係数をそれぞれ測定し、これらの数値を図５のグラフにプロットすると、貫通孔の孔径が０．０５ｍｍのものは◇₁（Ｃｕが１００ｖｏｌ％のもの）、◇₂（Ｃｕが７５ｖｏｌ％のもの）、◇₃（Ｃｕが５０ｖｏｌ％のもの）となった。
【００３９】
また、貫通孔の孔径が０．５ｍｍのものは□₁（Ｃｕが１００ｖｏｌ％のもの）、□₂（Ｃｕが７５ｖｏｌ％のもの）、□₃（Ｃｕが５０ｖｏｌ％のもの）となった。さらに、貫通孔の孔径が１．０ｍｍのものは△₁（Ｃｕが１００ｖｏｌ％のもの）、△₂（Ｃｕが７５ｖｏｌ％のもの）、△₃（Ｃｕが５０ｖｏｌ％のもの）となった。なお、図５においても図２と同様に溶浸材（○₁（仮焼結体の空孔率が３５ｖｏｌ％のもの）、○₂（仮焼結体の空孔率が２７．５ｖｏｌ％のもの）、○₃（仮焼結体の空孔率が２１ｖｏｌ％のもの））の結果も示している。
【００４０】
図２〜図５の結果から明らかなように、仮焼結体の空孔内に銅を溶浸した焼結体よりも、タングステンリッチなＣｕ−Ｗからなる母材成形体の貫通孔に銅リッチなＣｕ−Ｗからなる充填材を充填して焼結した複合焼結体１０の方が、セラミックスやガラスの熱膨張係数（４〜１０ｐｐｍ／Ｋ（ＲＴ〜４００℃））の範囲においては熱伝導率が向上していることが分かる。このことから、母材成形体の貫通孔の全体積（即ち、銅リッチなＣｕ−Ｗからなる充填材の充填容積）を１０ｖｏｌ％〜４５ｖｏｌ％の範囲に規制し、好ましくは２０ｖｏｌ％〜４５ｖｏｌ％の範囲に規制するのが望ましい。また、貫通孔の孔径を０．０５ｍｍ（５０μｍ）〜１．００ｍｍの範囲に規制し、好ましくは０．１ｍｍ〜１．００ｍｍの範囲に規制するのが望ましいということができる。
【００４１】
３．放熱特性の測定
ついで、上述のように作製した複合焼結体１０と、これと同じ熱膨張係数を有する溶浸材Ｘを用いて、放熱体の放熱速度（発熱体の温度上昇速度）の実験を行った。ここで、図６はこのような実験の様子を模式的に示す斜視図であり、放熱体（複合焼結体１０あるいは溶浸材Ｘ）の上に発熱体（電熱ヒータ）Ｈを載置するとともに、これを断熱材１４で被覆し、発熱体Ｈに電流を流して発熱体Ｈの温度を測定することにより行った。得られた測定結果に基づいて、発熱体Ｈの消費電力（Ｗ）を横軸とし、発熱体温度（℃）を縦軸として測定結果をプロットすると、図７に示すような結果が得られた。なお、図７において、△印は複合焼結体１０の結果を示しており、○印は溶浸材Ｘの結果を示している。
図７の結果から明らかなように、放熱体として溶浸材Ｘを用いるよりも、複合焼結体１０を用いた方が発熱体Ｈの温度上昇が小さいことが分かる。これは、複合焼結体１０の放熱効率（放熱速度）が優れていることを意味する。
【００４２】
なお、複合焼結体１０としては、母材成形体１１の貫通孔の孔径が０．５ｍｍで、貫通孔の体積比率が３０ｖｏｌ％で、Ｗの体積比率が８０ｖｏｌ％で、充填層１３のＣｕの体積比率が７５ｖｏｌ％で、熱伝導率が２５５Ｗ／ｍＫで、熱膨張係数が８．０ｐｐｍ／Ｋで、熱抵抗が−０．０６１７２８Ｋ／Ｗのものを使用した。また、溶浸材Ｘとしては、熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫで、熱膨張係数が８．０ｐｐｍ／Ｋで、熱抵抗が０．０４３５７３Ｋ／Ｗのものを用いた。これらの複合焼結体１０と溶浸材Ｘのサイズは厚みが１０ｍｍで、長さが３０ｍｍで、幅が３０ｍｍのものを使用した。
【００４３】
４．放熱体の作製例（その２）
上述した放熱体の作製例においては、所謂、ＭＩＭ（金属粉末射出成形）法を用いて貫通孔を備えた母材成形体を成形し、この貫通孔に充填材を充填した後に焼結して複合焼結体とするようにしたが、本発明の放熱体はこれ以外の方法によっても製造することができる。以下に、本発明の他の製造法について図８に基づいて説明する。なお、図８は他の例の放熱体の製造工程を模式的に示す図であり、図８（ａ）は第１工程を模式的に示す斜視図であり、図８（ｂ）は第２工程を模式的に示す斜視図である。
【００４４】
まず、厚みが２ｍｍで、長さが３０ｍｍで、幅が２０ｍｍのタングステン板１５を用意し、このタングステン板１５に直径が０．５ｍｍの貫通孔１６をタングステン板１５の全体に均一に分散するように放電加工により開けた。なお、貫通孔１６が占める体積がタングステン板１５の全体積に対して３０体積％となるよう調整した。ついで、貫通孔１６を設けたタングステン板１５の上に銅板を載置して積層体とした。ついで、得られた積層体を加熱炉（図示せず）内に配置した後、この加熱炉内に１ｌ／ｍｉｎの流速で水素ガスを充填して加熱炉内を還元雰囲気にし、５℃／ｍｉｎの昇温速度で１１５０℃まで加熱した後、この温度を３０分間保持して、タングステン板１５の貫通孔１６に銅１７を溶浸させて、図８（ｂ）に示すような複合金属体１０Ａを作製した。
【００４５】
上述のように作製した複合金属体１０Ａの熱伝導率および熱膨張係数を、上述と同様に、レーザーフラッシュ装置（日本真空理工（株）製：レーザーフラッシュサーマルホーンスタックアナライザＴＣ７０００）および熱膨張測定器（ＳＥＩＫＯ製ＴＭＡ６２００）を用いて測定すると、熱伝導率は２５５Ｗ／ｍＫで、熱膨張係数（室温から４００℃まで昇温したときの線膨張係数）は６．９ｐｐｍ／Ｋであった。
【００４６】
５．貫通孔の配置構造
上述した複合焼結体１０あるいは複合金属体１０Ａからなる放熱体においては、貫通孔の平面形状が円形で、かつ円形の貫通孔を均一に分散させる例について説明したが、放熱体全体で効率よい放熱が可能となる放熱体としては、図９に示すような貫通孔の配置構造とするのが望ましい。即ち、図９の複合焼結体からなる放熱体４０は、タングステンリッチなＣｕ−Ｗからなる母材基板４１に中心部から基端部近傍まで延びかつ厚み方向に貫通する貫通孔４２が放射状に形成されており、この貫通孔４２内に銅リッチなＣｕ−Ｗからなる充填材４３が充填されている。また、図９の複合金属体からなる放熱体４０Ａは、タングステン板４５に中心部から基端部近傍まで延びかつ厚み方向に貫通する貫通孔４６が放射状に形成されており、この貫通孔４６内に銅４７が溶浸されている。
【００５０】
６．放熱体の適用例
ついで、上述のように構成される放熱体の一適用例を、図１０に基づいて説明する。なお、図１０は上述した放熱体を用いた本発明の半導体レーザモジュールを模式的に示す断面図である。ここで、半導体レーザモジュールは半導体レーザ素子とレンズ等をパッケージ内に一体的に収容して構成され、この半導体レーザモジュールに光ファイバを結合して光増幅器が構成されるものである。
【００５１】
このような半導体レーザモジュールにおいて、レーザ光源として用いられる半導体レーザ素子は非常に高出力が要求され、数百ｍＡの駆動電流を必要とするため、半導体レーザ素子の発熱による光出力の低下や寿命の低下を招くおそれがある。また、半導体レーザ素子はその雰囲気温度が変化すると波長が変化するなどの光特性が変わるため、光ファイバと結合する半導体レーザモジュールの構成体内にペルチェ素子からなる熱電モジュールを備えるようにして、半導体レーザ素子を冷却するようにしている。
【００５２】
このような半導体レーザモジュール５０は、例えば、図１０に示すように、金属製パッケージ本体（枠体）５２を備えており、この枠体５２の１つの側壁５２ａに光取り出し窓５２ｂを設けている。また、枠体５２の下部に上述した放熱体４０（４０Ａ）が蝋付けにより枠体５２の下部に固着されており、枠体５２の上部には気密用のカバー５２ｃが取り付けられている。ここで、枠体５２内には、一対の基板５１ａ，５１ｂ間に複数個のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とからなるペルチェ素子を図示しない電極を介して挟み込み、複数のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とがＰ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に電気的に直列に導電接続され、更に端部のＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子を接合した電極にそれぞれリード線を接続して構成される熱電モジュール５１が配置されている。
【００５３】
一方の基板５１ａの上部には半導体レーザ素子５４、レンズＬおよび受光素子５７等を搭載したベース板５８が固定され、他方の基板５１ｂの下部と放熱体４０（４０Ａ）の上面とを接合することにより、他方の基板５１ｂは放熱体４０（４０Ａ）上に固定される。ベース板５８は基板５１ａに接合されて固定されている。半導体レーザ素子５４はヒートシンク５５に搭載されており、このヒートシンク５５は半導体レーザ素子５４の放熱を行うと共に、半導体レーザ素子５４とほぼ同じ熱膨張係数を有する材料（例えば、ダイヤモンド、ＳｉＣ、シリコン、Ｃｕ−Ｗ溶浸材、Ｃｕ−Ｗ−Ｎｉ合金など）を使用して熱応力による故障を防止している。なお、ヒートシンク５５を本発明の放熱体４０（４０Ａ）で構成するようにしてもよい。
【００５４】
また、ヒートシンク５５はヘッダ５６に搭載され、このヘッダ５６は半導体レーザ素子５４の電極用の端子を有している。ヘッダ５６の後部にはモニタ用の受光素子５７が設けられており、この受光素子５７は半導体レーザ素子５４の温度変化等による光出力の変化を監視し、その光出力が常に一定になるように駆動回路にフィードバックをかけている。レンズＬはレンズホルダ５３により固定されている。
【００５５】
なお、レンズホルダ５３は、半導体レーザ素子５４から出射され広がったレーザ光がレンズＬにより平行光になるように光軸調整後、ベース５８にＹＡＧレーザで固定されるようになされている。これは、光学調整後の半導体レーザ素子５４とレンズＬの軸ずれ感度が１μｍ以下と厳しいため固定安定度の高いＹＡＧレーザ溶接を用いるものである。これにより、半導体レーザ素子５４から出射されたレーザ光はレンズＬで平行光に変換され、この平行光が光取り出し窓５２ｂを通過するようになる。
【００５６】
レンズＬの前方には、スリーブ５９ｂが配置され、このスリーブ５９ｂにフェルール５９ｄを介してレンズ５９ａが固定されている。ここで、半導体レーザ素子５４から出射され光取り出し窓５２ｂを通過したレーザ光がレンズ５９ａで光ファイバ５９ｃに効率よく入射するように光軸調整した後、スリーブ５９ｂのＡ，Ｂ部でＹＡＧレーザ溶接固定している。これにより、半導体レーザ素子５４から出射された光はレンズＬと５９ａとによって光ファイバ５９ｃに効率良く結合される。このような半導体レーザモジュール５０が高出力可能なのはペルチェ素子からなる熱電モジュール５１で半導体レーザ素子５４を常時冷却し、半導体レーザ素子５４の発熱を低減しているとともに、熱電モジュール５１の高温側（ペルチェ素子の発熱側）が放熱体４０（４０Ａ）により効率よく外部に放出するためである。
【００５７】
上述したように、本発明においては、放熱体４０（４０Ａ）は、低熱膨張係数を有する材料からなる基板４１（４５）に貫通孔４２（４６）を備えるとともに、この貫通孔４２（４６）内に高熱伝導性材料４３が充填、あるいは銅４７が溶浸されているので、高熱伝導性材料４３あるいは銅４７が存在する部分に沿って熱伝導がなされるようになる。
【００５８】
このため、熱伝導方向は貫通孔４２（４６）の軸方向になるとともに、低熱膨張係数の基板４１（４５）で熱膨張が抑制されるようになる。これにより、半導体レーザで発生した熱は半導体レーザを搭載する回路基板あるいは半導体レーザを収容する容器から素早く系外に放熱されるようになるとともに、この放熱体の熱膨張も抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放熱体の製造工程を模式的に示す斜視図であり、図１（ａ）は第１工程を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）は第２工程を模式的に示す斜視図であり、図１（ｃ）はこれらの工程を経て作製された複合焼結体を模式的に示す斜視図であり、図１（ｄ）は得られた複合焼結体を切断した状態を模式的に示す斜視図である。
【図２】銅の含有量が２０ｖｏｌ％で孔径が０．５ｍｍの貫通孔を備えた母材成形体の貫通孔の体積比率を変化させた場合の熱膨張係数と熱伝導率の関係を示す図である。
【図３】銅の含有量が２０ｖｏｌ％で貫通孔の体積比率を３０ｖｏｌ％とした母材成形体の貫通孔の径を変化させた場合の熱膨張係数と熱伝導率の関係を示す図である。
【図４】銅の含有量が２０ｖｏｌ％で貫通孔の体積比率を４５ｖｏｌ％とした母材成形体の貫通孔の径を変化させた場合の熱膨張係数と熱伝導率の関係を示す図である。
【図５】銅の含有量が２０ｖｏｌ％で貫通孔の体積比率を１０ｖｏｌ％とした母材成形体の貫通孔の径を変化させた場合の熱膨張係数と熱伝導率の関係を示す図である。
【図６】放熱体の放熱特性の実験を模式的に示す斜視図である。
【図７】発熱体の消費電力と発熱体の温度との関係を示す図である。
【図８】本発明の他の例の複合金属体からなる放熱体の製造工程を模式的に示す図であり、図８（ａ）は第１工程を模式的に示す斜視図であり、図８（ｂ）は第２工程を模式的に示す斜視図である。
【図９】複合焼結体あるいは複合金属体からなる放熱体の貫通孔の配置構造を模式的に示す図である。
【図１０】本発明の放熱体を用いた半導体レーザモジュールを模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１０…複合焼結体（放熱体）、１１…基板、１２…貫通孔、１３…充填材（高熱伝導性材料）、１４…断熱材、Ｈ…発熱体、１０Ａ…複合金属体（放熱体）１５…基板、１６…貫通孔、１７…銅（溶浸材）、４０…複合焼結体からなる放熱体、４２…貫通孔、４３…充填材（高熱伝導性材料）、４０Ａ…複合金属体からなる放熱体、４５…基板、４６…貫通孔、４７…銅（溶浸材）、５０…半導体レーザモジュール、５１…熱電モジュール、５２…枠体、５２ａ…側壁、５２ｂ…光取り出し窓、５３…レンズホルダ、５４…半導体レーザ素子、５５…ヒートシンク、５６…ヘッダ、５７…受光素子、５８…ベース板、Ｌ…レンズ

Claims

一対の絶縁基板の相対向する表面に形成された一対の電極を介して半導体からなる複数の熱電素子が導電接続された熱電モジュールを冷却素子として備えた半導体レーザモジュールであって、
半導体レーザ素子を搭載する基板に前記熱電モジュールの吸熱側が接合され、
前記熱電モジュールの発熱側に電子デバイス用放熱体が接合され、かつ該電子デバイス用放熱体は前記半導体レーザ素子を収容するパッケージの枠体の下部に蝋により接合されており、
前記電子デバイス用放熱体は低熱膨張係数を有する材料からなる基板に中心部から基端部近傍まで延びかつ厚み方向に貫通する貫通孔が放射状に形成されており、該貫通孔内に高熱伝導性材料が充填されていることを特徴とする半導体レーザモジュール。
前記低熱膨張係数を有する材料は、銅の含有量が少なく、かつタングステンまたはモリブデンの含有量が多い銅−タングステン合金または銅−モリブデン合金からなり、
前記高熱伝導性材料は、銅の含有量が多く、かつタングステンまたはモリブデンの含有量が少ない銅−タングステン合金または銅−モリブデン合金からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
前記貫通孔の平均孔径は５０μｍ〜１ｍｍであり、該貫通孔を有する電子デバイス用放熱体は金属粉末射出成形法により得られたものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
前記貫通孔の全体積は前記基板の全体積に対して１０〜４５ｖｏｌ％であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。