JP5307702B2 - heatsink - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子を冷却するためのヒートシンクに関する。 The present invention relates to a heat sink for cooling a semiconductor element.
特許文献1には、排熱効率を低下させることなく応力の発生を防ぐことを目的とした半導体レーザ装置及びヒートシンクが開示されている。特許文献1のヒートシンクは、レーザチップ搭載板と、放熱フィン形成板、水路形成板、放熱フィン形成板及び水路形成板を積層して構成されている。ヒートシンクの内部には、冷却液が通る流路が形成され、ヒートシンクの上面に半導体レーザチップが実装される。ヒートシンクの上面全体を構成するレーザチップ搭載板は、半導体レーザチップと熱膨張係数が近い例えばセラミック等の絶縁材料で構成される。放熱フィン形成板は、排熱効果を向上させるために、高熱伝導率材料である例えば銅で構成されている。水路形成板は、各層の熱膨張係数の違いによる反りの発生を抑えるために、レーザチップ搭載板と同じ材質で構成され、ヒートシンクを積層方向に対称な構成となっている。
特許文献2には、半導体用冷却器に歪みが生じないようにすると共に、半導体チップ及び半導体用冷却器に熱膨張があった際に半導体チップが半導体用冷却器から離脱するのを防止ことを目的とした技術が開示されている。特許文献2の半導体用冷却器は、半導体チップを冷却するためのものであって、上部プレートと中間プレートと下部プレートとを少なくとも含み、冷却媒体の入口部と出口部と流路部1とを備える。上部プレート及び下部プレートは、複合プレートとなっている。この複合プレートは、引っ張り強度が1000N/mm2以上、熱伝導率が100W/m・K以上、熱膨張率が摂氏1度あたり6.0ppm以下の材料からなる補助プレートの片面または両面に厚みが0.05mm以上の銅めっきが施されて構成される。
Patent Document 2 discloses that the semiconductor cooler is prevented from being distorted and that the semiconductor chip is prevented from being detached from the semiconductor cooler when the semiconductor chip and the semiconductor cooler are thermally expanded. The intended technique is disclosed. The semiconductor cooler of Patent Document 2 is for cooling a semiconductor chip, and includes at least an upper plate, an intermediate plate, and a lower plate, and includes an inlet portion, an outlet portion, and a
上記従来技術に係るヒートシンクは水冷式であり、ヒートシンクの内部には冷却用の水を流すための流路が設けられている。ヒートシンクの内部に水を流せば、ヒートシンク内部に腐食が生じる可能性が高くなるので、水に対する十分な耐腐食性が必要となる。また、ヒートシンクが複数の板状の部材の積層された構成を有しており、異なった金属からなる二つの板状の部材が接合されている箇所を含む場合には、異なった金属の接合界面はイオン化傾向の差に起因して腐食が発生する場合があるので、接合界面における耐腐食性が必要となる。そこで、本発明は、上記の事項を鑑みてなされた半導体素子を冷却するためのヒートシンクであり、十分な耐腐食性を実現することを目的としている。 The heat sink according to the prior art is water-cooled, and a flow path for flowing cooling water is provided inside the heat sink. If water is allowed to flow inside the heat sink, there is a high possibility that corrosion will occur inside the heat sink. Therefore, sufficient corrosion resistance against water is required. In addition, when the heat sink has a configuration in which a plurality of plate-like members are stacked and includes a portion where two plate-like members made of different metals are joined, different metal joining interfaces Since corrosion may occur due to differences in ionization tendency, corrosion resistance at the joint interface is required. Therefore, the present invention is a heat sink for cooling a semiconductor element made in view of the above matters, and aims to realize sufficient corrosion resistance.
本発明のヒートシンクに係る一つの態様は、半導体素子を冷却するためのヒートシンクであって、低熱膨張係数の材料からなる板状の第1の部材と前記第1の部材を被覆する第1の金属層とを有する第1の板状部と、第1の銅板部と前記第1の銅板部を被覆する第2の金属層とを有する第2の板状部と、第2の銅板部と前記第2の銅板部を被覆する第3の金属層とを有する第3の板状部とを備える。前記第3の板状部、前記第1の板上部、前記第2の板状部は、順に積層されており、前記第2の板状部は、前記第1の板状部側の主面に設けられた第1の凹部を有し、前記第3の板状部は、前記第1の板状部側の主面に設けられた第2の凹部を有し、前記第1の板状部は、前記第1の凹部及び前記第2の凹部に連通する貫通孔を有し、前記第1の金属層は、前記第1の金属層の表面に設けられた第1のAuSnはんだ層を有し、前記第2の金属層は、前記第2の金属層の表面に設けられた第2のAuSnはんだ層を有し、前記第3の金属層は、前記第3の金属層の表面に設けられた第3のAuSnはんだ層を有し、前記第1の金属層は、前記第2の板状部側において前記第2の金属層に接合している部分と、前記第3の板状部側において前記第3の金属層に接合している部分と、前記第2の板状部側であって前記第1の凹部上において前記第2の金属層から離隔している部分と、前記第3の板状部側であって前記第2の凹部上において前記第3の金属層から離隔している部分とを有し、前記第1の板状部と前記第2の板状部との接合面は、前記第1のAuSnはんだ層と前記第2のAuSnはんだ層との接合面であり、前記第1の板状部と前記第3の板状部との接合面は、前記第1のAuSnはんだ層と前記第3のAuSnはんだ層との接合面である。 One aspect of the heat sink of the present invention is a heat sink for cooling a semiconductor element, which is a plate-like first member made of a material having a low thermal expansion coefficient and a first metal that covers the first member. A first plate-like portion having a layer, a second copper-plate portion having a first copper plate portion and a second metal layer covering the first copper plate portion, a second copper-plate portion, and And a third plate-like portion having a third metal layer covering the second copper plate portion. The third plate-like portion, the first plate upper portion, and the second plate-like portion are laminated in order, and the second plate-like portion is a main surface on the first plate-like portion side. And the third plate-like portion has a second recess provided on a main surface on the first plate-like portion side, and the first plate-like shape is provided. The portion has a through hole communicating with the first recess and the second recess, and the first metal layer is formed of a first AuSn solder layer provided on a surface of the first metal layer. The second metal layer has a second AuSn solder layer provided on the surface of the second metal layer, and the third metal layer is formed on the surface of the third metal layer. A third AuSn solder layer provided; and the first metal layer has a portion joined to the second metal layer on the second plate-like portion side, and the third plate-like shape. On the part side A portion that is bonded to the metal layer, a portion that is on the second plate-like portion side and is separated from the second metal layer on the first concave portion, and the third plate-like shape And a portion separated from the third metal layer on the second concave portion, and a joining surface between the first plate-like portion and the second plate-like portion is: It is a joint surface between the first AuSn solder layer and the second AuSn solder layer, and the joint surface between the first plate-like portion and the third plate-like portion is the first AuSn solder layer. And the third AuSn solder layer.
従って、前記第1の板状部と前記第2の板状部、及び、前記第1の板状部と前記第3の板状部が、何れもAuSnはんだを介して接合されているので、接合面が異種金属界面となっておらず、よって、異種金属界面における腐食性が回避される。 Therefore, since the first plate-like portion and the second plate-like portion, and the first plate-like portion and the third plate-like portion are all joined via AuSn solder, The joining surface is not a dissimilar metal interface, and thus corrosiveness at the dissimilar metal interface is avoided.
本発明のヒートシンクに係る上記の態様においては、前記第1の金属層は、前記第1の部材と前記第1のAuSnはんだ層との間に設けられた第1のNiメッキ層と第1のAuメッキ層とを更に有し、前記第2の金属層は、前記第1の銅板部と前記第2のAuSnはんだ層との間に設けられた第2のNiメッキ層と第2のAuメッキ層とを更に有し、前記第3の金属層は、前記第2の銅板部と前記第3のAuSnはんだ層との間に設けられた第3のNiメッキ層と第3のAuメッキ層とを更に有することができる。 In the above aspect relating to the heat sink of the present invention, the first metal layer includes a first Ni plating layer provided between the first member and the first AuSn solder layer, and a first An Au plating layer, and the second metal layer includes a second Ni plating layer and a second Au plating provided between the first copper plate portion and the second AuSn solder layer. A third Ni plating layer and a third Au plating layer provided between the second copper plate portion and the third AuSn solder layer. Can further be included.
第1〜第3の金属層は、AuSnはんだ層下にNiメッキ層及びAuメッキ層を有している。このように、Ni及びAuを含有するメッキ層上にAuSnはんだ層が形成されるので、AuSnはんだ層との接合面においては、異種金属界面に生じるような腐食性が低減される。 The first to third metal layers have a Ni plating layer and an Au plating layer under the AuSn solder layer. As described above, since the AuSn solder layer is formed on the plating layer containing Ni and Au, the corrosiveness generated at the interface between different metals is reduced at the joint surface with the AuSn solder layer.
本発明のヒートシンクに係る上記の態様においては、前記第2の板状部は、低熱膨張係数の材料からなる板状の第2の部材と、第3の銅板部と、前記第3の銅板部を被覆する第4の金属層とを更に有し、前記第3の板状部は、低熱膨張係数の材料からなる板状の第3の部材と、第4の銅板部と、前記第4の銅板部を被覆する第5の金属層とを更に有し、前記第2の部材は、前記第2の金属層を介して前記第1の銅板部上に設けられ、前記第3の銅板部は、前記第4の金属層を介して前記第2の部材上に設けられ、前記第3の部材は、前記第3の金属層を介して前記第2の銅板部上に設けられ、前記第4の銅板部は、前記第5の金属層を介して前記第3の部材上に設けられている、ことができる。 In the above aspect relating to the heat sink of the present invention, the second plate-like portion includes a plate-like second member made of a material having a low thermal expansion coefficient, a third copper plate portion, and the third copper plate portion. A fourth metal layer covering the first plate, and the third plate-shaped portion includes a plate-shaped third member made of a material having a low thermal expansion coefficient, a fourth copper plate portion, and the fourth plate. A fifth metal layer covering the copper plate portion, the second member is provided on the first copper plate portion via the second metal layer, and the third copper plate portion is , Provided on the second member via the fourth metal layer, and the third member is provided on the second copper plate portion via the third metal layer. The copper plate portion can be provided on the third member via the fifth metal layer.
第3及び第4の銅板部を更に備えるので、第1及び第2の銅板部と共に、熱の排出が効率よく行える。 Since the third and fourth copper plate portions are further provided, heat can be efficiently discharged together with the first and second copper plate portions.
本発明のヒートシンクに係る上記の態様においては、前記第4の金属層は、第4のNiメッキ層と第4のAuメッキ層とを含み、前記第5の金属層は、第5のNiメッキ層と第5のAuメッキ層とを含む、ことができる。 In the above aspect relating to the heat sink of the present invention, the fourth metal layer includes a fourth Ni plating layer and a fourth Au plating layer, and the fifth metal layer includes a fifth Ni plating. And a fifth Au plating layer.
第4及び第3の金属層は、AuSnはんだ層下にNiメッキ層及びAuメッキ層を有している。このように、Ni及びAuを含有するメッキ層上にAuSnはんだ層が形成されるので、AuSnはんだ層との接合面においては、異種金属界面に生じるような腐食性が低減される。 The fourth and third metal layers have a Ni plating layer and an Au plating layer under the AuSn solder layer. As described above, since the AuSn solder layer is formed on the plating layer containing Ni and Au, the corrosiveness generated at the interface between different metals is reduced at the joint surface with the AuSn solder layer.
本発明によれば、十分な耐腐食性を有し半導体素子を冷却するためのヒートシンクを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can provide the heat sink which has sufficient corrosion resistance and cools a semiconductor element.
以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図1は、実施形態に係るヒートシンクの構成を示す分解斜視図である。ヒートシンク1は、半導体素子(例えば、図4等に示す半導体レーザ素子11等)を冷却するためのものである。ヒートシンク1は、板状部3、板状部5及び板状部7を備える。板状部3は、主面3dと、この主面3dの反対側にある裏面3eとを有している。板状部5は、表面5dと、この表面5dの反対側にある表面5eとを有している。板状部7は、主面7dと、この主面7dの反対側にある裏面7eとを有している。板状部7、板状部5、板状部3は、順に積層されている。板状部3、板状部5、板状部7は、積層された状態で略直方体を成す。すなわち、ヒートシンク1は、略直方体の外形を有する。板状部7の主面7dと板状部5の表面5eとが接触し、板状部5の表面5dと板状部3の主面3dとが接触している。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, if possible, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. FIG. 1 is an exploded perspective view showing a configuration of a heat sink according to the embodiment. The
板状部3は、主面3dから裏面3eに貫通する貫通孔3aと貫通孔3bとを有する。板状部5は、表面5dから表面5eに貫通する貫通孔5aと貫通孔5bとを有する。板状部7は、主面7dから裏面7eに貫通する貫通孔7aと貫通孔7bとを有する。貫通孔3a、貫通孔5a及び貫通孔7aは、何れも円筒形を有しており、それぞれの中心軸は、何れも中心軸AX1に重なっている。貫通孔3a、貫通孔5a及び貫通孔7aは、ヒートシンク1の表面1bから表面1aに貫通する給水路9aを構成する(図2を参照)。給水路9aには、外部から供給される冷却用の液体(冷却液)が流される。貫通孔3b、貫通孔5b及び貫通孔7bは、何れも円筒形を有しており、それぞれの中心軸は、何れも中心軸AX2に重なっている。貫通孔3b、貫通孔5b及び貫通孔7bは、ヒートシンク1の表面1bから表面1aに貫通する排水路9bを構成する(図2を参照)。排水路9bには、ヒートシンク1内に流した冷却液を外部に排出するための管である。
The plate-
板状部3は、主面3dに設けられた凹部3cを有する。凹部3cは、開口部3fを介して貫通孔3bに接続している。凹部3cは、貫通孔3bに連通しているが、貫通孔3aには連通していない。板状部5は、表面5dから表面5eに貫通する複数の貫通孔5cを有する。板状部7は、主面7dに設けられた凹部7cを有する。凹部7cは、開口部7fを介して貫通孔7aに接続している。凹部7cは、貫通孔7aに連通しているが、貫通孔7bには連通していない。貫通孔5cは、凹部3c及び凹部7cに連通する。
The plate-
図2に、ヒートシンク1の断面を示す。図2に示す断面は、中心軸AX1及び中心軸AX2を含む。図2に示すように、板状部3は、板状部31、板状部331及び板状部35を有しており、板状部7は、板状部71、板状部731及び板状部75を有する。板状部31、板状部331、板状部35は、順に積層されており、積層された状態で略直方体を成す。すなわち、板状部3は、略直方体の外形を有する。板状部75、板状部731、板状部71は、順に積層されており、積層された状態で略直方体を成す。すなわち、板状部7は、略直方体の外形を有する。板状部75、板状部731、板状部71、板状部5、板状部31、板状部331、板状部35は、順に積層されている。板状部35の表面はヒートシンク1の表面1aとなっており、板状部75の表面はヒートシンク1の表面1bとなっている。板状部75上に板状部731が設けられ、板状部731上に板状部71が設けられ、板状部71上に板状部5が設けられ、板状部5上に板状部31が設けられ、板状部31上に板状部331が設けられ、板状部331上に板状部35が設けられている。また、図2には、ヒートシンク1内を流れる冷却液の流路が、矢印Fによって示されている(以下、流路Fという)。また、板状部31と板状部71は、凹部3c及び凹部7cを除けば同様の構成を有しており、板状部331と板状部731は同様の構成を有しており、板状部35と板状部75は同様の構成を有している。
FIG. 2 shows a cross section of the
次に、図3を参照して、板状部31、板状部331、板状部35、板状部5、板状部71、板状部731及び板状部75の構成を説明する。図3(A)を参照して板状部31の構成を説明する。板状部31は、銅板部31aと、銅板部31aを被覆する金属層31g(Niメッキ層31b、Auメッキ層31c及びAuSnはんだ層31d)とを有する。Niメッキ層31b、Auメッキ層31c、AuSnはんだ層31dは、銅板部31aの表面(板状部31の端面31e、及び、凹部3cの内壁面側の表面を含む)上に、順に積層されている。Niメッキ層31bは銅板部31aの表面(銅板部31aの端面31e、及び、凹部3cの内壁面側の表面を含む)を露出させることなく被覆しており、Auメッキ層31cはNiメッキ層31bの表面を露出させることなく被覆しており、AuSnはんだ層31dはAuメッキ層31cの表面を露出させることなく被覆している。端面31eは、板状部31の外壁面側にある銅板部31aの表面、給水路9a(貫通孔3a)の内壁面側にある銅板部31aの表面、及び、排水路9b(貫通孔3b)の内壁面側にある銅板部31aの表面、に対応している。金属層31gは、端面31e上にも設けられている。AuSnはんだ層31dは、金属層31gの表面に設けられている。Niメッキ層31b及びAuメッキ層31cは、銅板部31aとAuSnはんだ層31dとの間に設けられている。金属層31gのうち端面31e上に設けられている部分は、ヒートシンク1の外壁面の一部、給水路9aの内壁面の一部、排水路9bの内壁面の一部、を成す。凹部3cは板状部31のみに設けられており、金属層31gは、特に、凹部3cの内壁面を成す。
Next, with reference to FIG. 3, the structure of the plate-shaped
図3(D)を参照して、板状部331の構成を説明する。板状部331は、低熱膨張係数部材331aと、低熱膨張係数部材331aを被覆する金属層331g(Niメッキ層331b、Auメッキ層331c及びAuSnはんだ層331d)とを有する。Niメッキ層331b、Auメッキ層331c、AuSnはんだ層331dは、低熱膨張係数部材331aの表面のうち端面331eを除いた部分上に、順に積層されている。すなわち、金属層331gは、板状部331の端面331e上には設けられておらず、低熱膨張係数部材331aの表面のうち、板状部331の外壁面側にある表面、給水路9aの内壁面側にある表面、及び、排水路9bの内壁面側にある表面、を除いた部分上にのみ設けられている。低熱膨張係数部材331aは、外壁面、給水路9aの内壁面、排水路9bの内壁面、の何れにおいても露出されている。板状部331は、板状部31の金属層31gを介して銅板部31a上に設けられている。Niメッキ層331bは低熱膨張係数部材331aの表面(端面331eを除いた低熱膨張係数部材331aの表面)を被覆しており、Auメッキ層331cはNiメッキ層331bの表面を露出させることなく被覆しており、AuSnはんだ層331dはAuメッキ層331cの表面を露出させることなく被覆している。端面331eは、板状部331の外壁面側にある低熱膨張係数部材331aの表面、給水路9a(貫通孔3a)の内壁面側にある低熱膨張係数部材331aの表面、及び、排水路9b(貫通孔3b)の内壁面側にある低熱膨張係数部材331aの表面、に対応している。AuSnはんだ層331dは、金属層331gの表面に設けられている。
With reference to FIG. 3D, the structure of the plate-
図3(B)及び図3(C)を参照して、板状部35の構成を説明する。板状部35は、銅板部35aと、銅板部35aを被覆する金属層35g(Niメッキ層35b、Auメッキ層35c及びAuSnはんだ層35d)とを有する。Niメッキ層35b、Auメッキ層35cは、銅板部35aの表面(銅板部35aの端面35e及び端面35fを含む)上に、順に積層されている。銅板部35aは、金属層35gを介して板状部331(又は板状部332)上に設けられている。Niメッキ層35bは銅板部35aの表面(銅板部35aの端面35e及び端面35fを含む)を露出させることなく被覆しており、Auメッキ層35cはNiメッキ層35bの表面を露出させることなく被覆している。金属層35gは、銅板部35aの端面35e及び端面35f上にも設けられている。AuSnはんだ層35dは、端面35f上にのみ設けられている。端面35f上においては、Niメッキ層35b、Auメッキ層35c、AuSnはんだ層35dが、順に積層されている。端面35eは、板状部35の外壁面側にある銅板部35aの表面に対応しており、端面35fは、給水路9a(貫通孔3a)の内壁面側にある銅板部35aの表面、及び、排水路9b(貫通孔3b)の内壁面側にある銅板部35aの表面、に対応している。金属層35gのうち端面35e上に設けられている部分はヒートシンク1の外壁面の一部を成し、金属層35gのうち端面35f上に設けられている部分は給水路9aの内壁面、排水路9bの内壁面の一部を成す。
With reference to FIG. 3 (B) and FIG. 3 (C), the structure of the plate-shaped
図3(A)を参照して板状部71の構成を説明する。板状部71は、銅板部71aと、銅板部71aを被覆する金属層71g(Niメッキ層71b、Auメッキ層71c及びAuSnはんだ層71d)とを有する。Niメッキ層71b、Auメッキ層71c、AuSnはんだ層71dは、銅板部71aの表面(板状部71の端面71e、及び、凹部7cの内壁面側の表面を含む)上に、順に積層されている。Niメッキ層71bは銅板部71aの表面(銅板部71aの端面71e、及び、凹部7cの内壁面側の表面を含む)を露出させることなく被覆しており、Auメッキ層71cはNiメッキ層71bの表面を露出させることなく被覆しており、AuSnはんだ層71dはAuメッキ層71cの表面を露出させることなく被覆している。端面71eは、板状部71の外壁面側にある銅板部71aの表面、給水路9a(貫通孔7a)の内壁面側にある銅板部71aの表面、及び、排水路9b(貫通孔7b)の内壁面側にある銅板部71aの表面、に対応している。金属層71gは、端面71e上にも設けられている。AuSnはんだ層71dは、金属層71gの表面に設けられている。Niメッキ層71b及びAuメッキ層71cは、銅板部71aとAuSnはんだ層71dとの間に設けられている。金属層71gのうち端面71e上に設けられている部分は、ヒートシンク1の外壁面の一部、給水路9aの内壁面の一部、排水路9bの内壁面の一部、を成す。凹部7cは板状部71のみに設けられており、金属層71gは、特に、凹部7cの内壁面を成す。
A configuration of the plate-
図3(D)を参照して、板状部731の構成を説明する。板状部731は、低熱膨張係数部材731aと、低熱膨張係数部材731aを被覆する金属層731g(Niメッキ層731b、Auメッキ層731c及びAuSnはんだ層731d)とを有する。Niメッキ層731b、Auメッキ層731c、AuSnはんだ層731dは、低熱膨張係数部材731aの表面のうち端面731eを除いた部分上に、順に積層されている。すなわち、金属層731gは、板状部731の端面731e上には設けられておらず、低熱膨張係数部材731aの表面のうち、板状部731の外壁面側にある表面、給水路9aの内壁面側にある表面、及び、排水路9bの内壁面側にある表面、を除いた部分上にのみ設けられている。低熱膨張係数部材731aは、外壁面、給水路9aの内壁面、排水路9bの内壁面、の何れにおいても露出されている。板状部731は、板状部71の金属層71gを介して銅板部71a上に設けられている。Niメッキ層731bは低熱膨張係数部材731aの表面(端面731eを除いた低熱膨張係数部材731aの表面)を露出させることなく被覆しており、Auメッキ層731cはNiメッキ層731bの表面を露出させることなく被覆しており、AuSnはんだ層731dはAuメッキ層731cの表面を露出させることなく被覆している。端面731eは、板状部731の外壁面側にある低熱膨張係数部材731aの表面、給水路9a(貫通孔3a)の内壁面側にある低熱膨張係数部材731aの表面、及び、排水路9b(貫通孔3b)の内壁面側にある低熱膨張係数部材731aの表面、に対応している。AuSnはんだ層731dは、金属層731gの表面に設けられている。
With reference to FIG. 3D, the structure of the plate-
図3(B)及び図3(C)を参照して、板状部75の構成を説明する。板状部75は、銅板部75aと、銅板部75aを被覆する金属層75g(Niメッキ層75b、Auメッキ層75c及びAuSnはんだ層75d)とを有する。Niメッキ層75b、Auメッキ層75cは、銅板部35aの表面(銅板部75aの端面75e及び端面75fを含む)上に、順に積層されている。銅板部75aは、金属層75gを介して板状部731(又は板状部732)上に設けられている。Niメッキ層75bは銅板部75aの表面(銅板部75aの端面75e及び端面75fを含む)を露出させることなく被覆しており、Auメッキ層75cはNiメッキ層75bの表面を露出させることなく被覆している。金属層75gは、銅板部75aの端面75e及び端面75f上にも設けられている。AuSnはんだ層75dは、端面75f上にのみ設けられている。端面75f上においては、Niメッキ層75b、Auメッキ層75c、AuSnはんだ層75dが、順に積層されている。端面75eは、板状部75の外壁面側にある銅板部75aの表面に対応しており、端面75fは、給水路9a(貫通孔3a)の内壁面側にある銅板部75aの表面、及び、排水路9b(貫通孔3b)の内壁面側にある銅板部75aの表面、に対応している。金属層75gのうち端面75e上に設けられている部分はヒートシンク1の外壁面の一部を成し、金属層75gのうち端面75f上に設けられている部分は給水路9aの内壁面、排水路9bの内壁面の一部を成す。
With reference to FIG. 3B and FIG. 3C, the configuration of the plate-
図3(A)を参照して板状部5の構成を説明する。板状部5は、低熱膨張係数の材料からなる板状の低熱膨張係数部材51aと、低熱膨張係数部材51aを被覆する金属層51g(Niメッキ層51b、Auメッキ層51c及びAuSnはんだ層51d)とを有する。Niメッキ層51b、Auメッキ層51c、AuSnはんだ層51dは、低熱膨張係数部材51aの表面(低熱膨張係数部材51aの端面51eを含む)上に、順に積層されている。Niメッキ層51bは低熱膨張係数部材51aの表面(低熱膨張係数部材51aの端面51eを含む)を露出させることなく被覆しており、Auメッキ層51cはNiメッキ層51bの表面を露出させることなく被覆しており、AuSnはんだ層51dはAuメッキ層51cの表面を露出させることなく被覆している。端面51eは、板状部5の外壁面側にある低熱膨張係数部材51aの表面、貫通孔5cの内壁面側にある低熱膨張係数部材51aの表面、給水路9a(貫通孔5a)の内壁面側にある低熱膨張係数部材51aの表面、及び、排水路9b(貫通孔5b)の内壁面側にある低熱膨張係数部材51aの表面、に対応している。金属層51gは、端面51e上にも設けられている。AuSnはんだ層51dは、金属層51gの表面に設けられている。Niメッキ層51b及びAuメッキ層51cは、低熱膨張係数部材51aとAuSnはんだ層51dとの間に設けられている。金属層51gのうち端面51e上に設けられている部分は、ヒートシンク1の外壁面の一部、給水路9aの内壁面の一部、排水路9bの内壁面の一部、を成す。
The configuration of the plate-
図2及び図3を参照して説明する。板状部5のAuSnはんだ層51dは、板状部3側において(表面5dにおいて)板状部31のAuSnはんだ層31dに接合しており、板状部7側において(表面5eにおいて)板状部71のAuSnはんだ層71dに接合している。金属層51gは、板状部3側において金属層31gに接合している部分と、板状部7側において金属層71gに接合している部分と、板状部3側であって凹部3c上において金属層31gから離隔している部分と、板状部7側であって凹部7c上において金属層71gから離隔している部分とを有する。板状部5の金属層51gのうち凹部3cと対面する領域は、板状部3の金属層31gと接合しておらず、板状部5の金属層51gのうち凹部7cと対面する領域は、板状部7の金属層71gと接合していない。板状部3と板状部5との接合面は、AuSnはんだ層31dとAuSnはんだ層51dとの接合面である。板状部5と板状部7との接合面は、AuSnはんだ層51dとAuSnはんだ層71dとの接合面である。
This will be described with reference to FIGS. The AuSn solder layer 51d of the plate-
銅板部31a及び銅板部71aは、何れも、0.5mm以上1.5mm以下の厚みを有し、例えば0.5mm程度の厚みを有することができる。また、ヒートシンク1の表面1aには、後述のように半導体レーザ素子11が設けられるが(図4及び図5を参照)、銅板部31a及び銅板部71aは、何れも、高熱伝導率を有するので、半導体レーザ素子11から発せられる熱を効率良く外部に逃がすことができる。Niメッキ層31b及びNiメッキ層71bは、何れも、1μm以上の厚みを有し、例えば2μm程度の厚みを有することができる。Niメッキ層31b及びNiメッキ層71bは、何れも、異種金属と接合させるためのバリアメタルとして設けられている。Auメッキ層31c及びAuメッキ層71cは、何れも、0.2μm以上2μm以下の厚みを有し、例えば0.2μmの厚みを有することができる。Auメッキ層31c及びAuメッキ層71cは、何れも、異種金属と接合させるためのバリアメタルとして設けられている。Auメッキ層31c、Auメッキ層71cは、それぞれ、AuSnはんだ層31d、AuSnはんだ層71dとそれぞれ接合させるために必要となる。AuSnはんだ層31d及びAuSnはんだ層71dは、何れも、1μm以上20μm以下の厚みを有し、例えば5μm程度の厚みを有することができる。AuSnはんだ層31d及びAuSnはんだ層71dは、何れも、異種金属との接合の目的で、及び、腐食防止の目的で、用いられる。
Each of the copper plate portion 31a and the copper plate portion 71a has a thickness of 0.5 mm or more and 1.5 mm or less, and can have a thickness of, for example, about 0.5 mm. Further, the
低熱膨張係数部材331a及び低熱膨張係数部材731aは、何れも、絶縁性の材料からなり、例えば、AlNからなることができる。低熱膨張係数部材331a及び低熱膨張係数部材731aは、何れも、0.1mm以上0.5mm以下の厚みを有し、例えば0.3mm程度の厚みを有することができる。ヒートシンク1が低熱膨張係数部材331a及び低熱膨張係数部材731aを有することによって、ヒートシンク1は、後述の半導体レーザスタック装置101において(図4及び図5を参照)、絶縁性を有する。低熱膨張係数部材331a及び低熱膨張係数部材731aは、何れも、高熱伝導率を有するので、半導体レーザ素子11から発せられる熱を効率良く外部に逃がすことができる。Niメッキ層331b及びNiメッキ層731bは、何れも、1μm以上の厚みを有し、例えば2μm程度の厚みを有することができる。Niメッキ層331b及びNiメッキ層731bは、何れも、異種金属と接合させるためのバリアメタルとして設けられている。Auメッキ層331c及びAuメッキ層731cは、何れも、0.2μm以上2μm以下の厚みを有し、例えば0.2μmの厚みを有することができる。Auメッキ層331c及びAuメッキ層731cは、何れも、異種金属と接合させるためのバリアメタルとして設けられている。Auメッキ層331c、Auメッキ層731cは、それぞれ、AuSnはんだ層331d、AuSnはんだ層731dとそれぞれ接合させるために必要となる。AuSnはんだ層331d及びAuSnはんだ層731dは、何れも、1μm以上10μm以下の厚みを有し、例えば3μm程度の厚みを有することができる。AuSnはんだ層331d及びAuSnはんだ層731dは、何れも、異種金属との接合の目的で、及び、腐食防止の目的で、用いられる。
Each of the low thermal
銅板部35a及び銅板部75aは、何れも、0.1mm以上0.5mm以下の厚みを有し、例えば0.3mm程度の厚みを有することができる。銅板部35a及び銅板部75aは、何れも、ヒートシンク1の表面1aに設けられる半導体レーザ素子11から発せられる熱を効率よく外部に逃がすために、高熱伝導率を有する。銅板部35a及び銅板部75aは、何れも、後述の半導体レーザスタック装置101、半導体レーザスタック装置102又は半導体レーザスタック装置103(図4〜図8を参照)において電流を流すための部分となっている。Niメッキ層35b及びNiメッキ層75bは、何れも、1μm以上の厚みを有し、例えば2μm程度の厚みを有することができる。Niメッキ層35b及びAuメッキ層75cは、何れも、異種金属と接合させるためのバリアメタルとして設けられている。Auメッキ層35c及びAuメッキ層75cは、何れも、0.2μm以上0.3μm以下の厚みを有し、例えば0.2μmの厚みを有することができる。Auメッキ層35c及びAuメッキ層75cは、何れも、半導体レーザ素子11とボンディングするために、及び、外気に対する耐食のために、設けられている。AuSnはんだ層35d及びAuSnはんだ層75dは、何れも、1μm以上10μm以下の厚みを有し、例えば3μm程度の厚みを有することができる。AuSnはんだ層35d及びAuSnはんだ層75dは、何れも、腐食防止の目的で用いられる。
Both the
低熱膨張係数部材51aは、ヒートシンク1自体の熱膨張を抑制するための低熱膨張材料からなり、例えば電気的に絶縁性のAlNからなることができる。なお、低熱膨張係数部材51aは、導電性のMo又はWからなることもできる。低熱膨張係数部材51aは、0.1mm以上0.5mm以下の厚みを有し、例えば0.1mm程度の厚みを有することができる。Niメッキ層51bは、1μm以上の厚みを有し、例えば2μm程度の厚みを有することができる。Niメッキ層51bは、異種金属と接合させるためのバリアメタルとして設けられている。Auメッキ層51cは、異種金属と接合させるためのバリアメタルとして設けられている。Auメッキ層51cは、AuSnはんだ層51dと接合させるために必要となる。AuSnはんだ層51dは、1μm以上10μm以下の厚みを有し、例えば3μm程度の厚みを有することができる。AuSnはんだ層51dは、異種金属との接合の目的で、及び、腐食防止の目的で、用いられる。
The low thermal expansion coefficient member 51a is made of a low thermal expansion material for suppressing the thermal expansion of the
以上説明したように、板状部331及び板状部731を有する本実施形態に係るヒートシンク1の場合、表面1aと表面1bとは、電気的に絶縁されている。また、ヒートシンク1は、四枚の銅板、すなわち、銅板部31a、銅板部35a、銅板部71a及び銅板部75aを有するので、熱(例えば、後述の半導体レーザ素子11から発せられる熱)の排出が効率よく行える。
As described above, in the case of the
次に、AuSnはんだ層31d、AuSnはんだ層331d、AuSnはんだ層35d、AuSnはんだ層51d、AuSnはんだ層71d、AuSnはんだ層731d、AuSnはんだ層75dの各はんだ層、及び、後述するAuSnはんだ層332d及びAuSnはんだ層732dの効果について説明する。AuSnはんだは積層時に接合材の役目を果たし、またAuを主成分として多くAuを含むことで、異種金属間界面に安定性を持たせることが出来る。溶融後のはんだ表面は、強固なAu合金膜になっており、酸性、アルカリ性などにも耐性があり、空孔等の欠陥が低減され表面精度も非常に滑らかである。溶融させ表面が均一に滑らかになることで、欠陥がなくなり、局所的な腐食防止にもなり、また流路F内を流れる冷却液によって受ける機械的損傷が低減されるので、劣化の進行が抑制され、よって、長期信頼性が向上する。AuSnハンダの組成比は、Au:Sn=80:20(wt%)とすることができる。この組成比のAuSnはんだは、Auを主成分に有する高融点のはんだであり、Auの含有量が多くバリア層として機能する。また80:20の組成比の場合、AuSnはんだの共晶点でもある為、はんだ自体にも安定性がある。また、AuSnはんだ層は、耐食性の機能を有する。なお、AuSnはんだ層の表面(AuSnはんだの溶融後の表面)の粗さが、Auメッキ面より滑らかであること(Auメッキ面の表面粗さRaは0.2μm程度であったが、AuSnはんだの溶融後の表面の表面粗さRaは0.02μm程度であった)、及び、AuSnはんだ層(溶融後のAuSnはんだ)の溶解度、すなわち、塩酸、硝酸、王水、更には、Auを溶解できるヨウ化カリウムによるAuSnはんだ層の溶解度が非常に小さいことは、既に実証されている。
Next, each of the AuSn solder layer 31d, the AuSn solder layer 331d, the
また、板状部5と板状部3、及び、板状部5と板状部7が、何れもAuSnはんだを介して接合されているので、接合面が異種金属界面となっておらず、よって、異種金属界面における腐食性が回避される。更に、板状部35と板状部331、板状部331と板状部31、板状部31と板状部5、板状部5と板状部71、板状部71と板状部731が、何れもAuSnはんだを介して接合されているので、接合面が異種金属界面となっておらず、よって、異種金属界面における腐食性が回避される。
In addition, since the plate-
次に、図4及び図5を参照して、本実施形態に係るヒートシンク1を用いた半導体レーザスタック装置の一例について説明する。図4及び図5に示すヒートシンク1は、低熱膨張係数部材331a及び低熱膨張係数部材731aを有しており、表面1aと表面1bとが電気的に絶縁している。図4は、半導体レーザスタック装置101の斜視図であり、図5(A)は半導体レーザスタック装置101の側面図であり、図5(B)は半導体レーザスタック装置101の正面図である。
Next, an example of a semiconductor laser stack apparatus using the
半導体レーザスタック装置101は、三つのヒートシンク1、電気的に絶縁性の二つのスペーサ13、三つの半導体レーザ素子11、導電性のリード板15a〜リード板15dを有する。三つのヒートシンク1と二つのスペーサ13とは、ヒートシンク1(以下、第1段目のヒートシンク1という)、スペーサ13、ヒートシンク1(以下、第2段目のヒートシンク1という)、スペーサ13、ヒートシンク1(第3段目のヒートシンク1という)の順に積層されている。半導体レーザ素子11の厚みは、スペーサ13の厚みよりも小さい。ヒートシンク1の表面1aには半導体レーザ素子11が設けられている。半導体レーザ素子11は、半導体レーザ素子11の設けられているヒートシンク1の表面1aに形成されている板状部35に接触している。半導体レーザ素子11は、p端子となるp側面と、このp側面の反対側にありn端子となるn側面とを有する。半導体レーザ素子11のp側面が表面1a(板状部35)に接触している。
The semiconductor
また、第1段目〜第3段目のヒートシンク1の表面1aのそれぞれには、リード板15a〜リード板15cが設けられている。第3段目のヒートシンク1の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のn側面にはリード板15dが設けられている。
In addition, a
リード板15aは第1段目のヒートシンク1の表面1a(すなわち板状部35)に接触し、リード板15bは第2段目のヒートシンク1の表面1a(すなわち板状部35)に接触し、リード板15cは第3段目のヒートシンク1の表面1a(すなわち板状部35)に接触し、リード板15dは、第3段目のヒートシンク1の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のn側面に接触している。リード板15aは、第1段目のヒートシンク1の板状部35を介して第1段目のヒートシンク1の表面1a上に設けられた半導体レーザ素子11のp端子に電気的に接続されている。リード板15bは、第2段目のヒートシンク1の板状部35を介して第2段目のヒートシンク1の表面1a上に設けられた半導体レーザ素子11のp端子に電気的に接続されている。リード板15cは、第3段目のヒートシンク1の板状部35を介して第3段目のヒートシンク1の表面1a上に設けられた半導体レーザ素子11のp端子に電気的に接続されている。リード板15dは、第3段目のヒートシンク1の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のn端子に電気的に接続されている。
The
リード板15bは、第1段目のヒートシンク1の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のn側面にも接触しており、リード板15cは、第2段目のヒートシンク1の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のn側面にも接触している。リード板15bは、第1段目のヒートシンク1の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のn端子と、第2段目のヒートシンク1の表面1aに設けられた板状部35とを電気的に接続する。リード板15cは、第2段目のヒートシンク1の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のn端子と、第3段目のヒートシンク1の表面1aに設けられた板状部35とを電気的に接続する。
The
第1段目のヒートシンク1の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のn端子は、リード板15bと、第2段目のヒートシンク1の表面1aに設けられた板状部35とを介して、第2段目のヒートシンク1の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のp端子に電気的に接続されている。第2段目のヒートシンク1の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のn端子は、リード板15cと、第3段目のヒートシンク1の表面1aに設けられた板状部35とを介して、第3段目のヒートシンク1の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のp端子に電気的に接続されている。
The n terminal of the
以上説明した構成を有する半導体レーザスタック装置101は、三つのヒートシンク1を有するが、それぞれが、スペーサ13によって離隔されており、隣接するヒートシンク1間にスペースが形成されている。各ヒートシンク1に設けられる半導体レーザ素子11は、このスペース内に収容可能となっている。半導体レーザ素子11の厚みは、スペーサ13の厚みよりも小さいので、半導体レーザ素子11は、隣接するヒートシンク1の押圧を回避できる。
The semiconductor
また、ヒートシンク1の表面1aと表面1bとは電気的に絶縁されているが、リード板15b及びリード板15c等によって、三つのヒートシンク1のそれぞれに設けられている三つの半導体レーザ素子11は、直列に電気的に接続される。具体的に説明する。第1段目のヒートシンク1の表面1aに設けられている半導体レーザ素子11のp端子は、リード板15aと第1段目のヒートシンク1の板状部35とに電気的に接続され、第1段目のヒートシンク1の表面1aに設けられている半導体レーザ素子11のn端子は、リード板15bと第2段目のヒートシンク1の板状部35と介して、第2段目のヒートシンク1の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のp端子に電気的に接続されている。第2段目のヒートシンク1の表面1aに設けられている半導体レーザ素子11のn端子は、リード板15cと第3段目のヒートシンク1の板状部35とを介して、第3段目のヒートシンク1の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のp端子に接続されている。
In addition, although the
また、凹部3c、貫通孔5c及び凹部7cを含む流路Fを構成する板状部31、板状部5及び板状部71は、絶縁性の材料からなる低熱膨張係数部材331a及び低熱膨張係数部材731aを介することによって、リード板15a〜リード板15cを介して電圧の印加されている板状部35及び板状部75と電気的に絶縁されているので、当該流路F内を流れる冷却液に電流が流れる可能性は低い。よって、流路F内に流す冷却液として、少なくとも導電率については規定されていない例えば水道水等の液体を用いることができる。
The plate-
(変形例)
なお、板状部3は、板状部331を有し、板状部7は、板状部731を有するとしたが、これに限らず、板状部3は、板状部331に代えて図3(A)に示す板状部332を有していてもよいし、板状部7は、板状部731に代えて図3(A)に示す板状部732を有していてもよい。板状部332と板状部732は、同様の構成を有する。板状部3が板状部331に代えて板状部332を有し、且つ、板状部7が板状部731に代えて板状部732を有する場合、ヒートシンク1内の流路F(給水路9a、凹部7c、貫通孔5c、凹部3c及び排水路9b)を流れる冷却液は、低導電率の液体が使用される。なお、ヒートシンク1については、本変形例においてはヒートシンク21と記し、板状部3については、本変形例においては板状部23と記し、板状部7については、本変形例においては板状部27と記す(図1及び図2を参照)。
(Modification)
In addition, although the plate-
次に、図3(A)を参照して板状部332の構成を説明する。板状部332は、低熱膨張係数部材332aと、低熱膨張係数部材332aを被覆する金属層332g(Niメッキ層332b、Auメッキ層332c及びAuSnはんだ層332d)とを有する。Niメッキ層332b、Auメッキ層332c、AuSnはんだ層332dは、低熱膨張係数部材332aの表面(低熱膨張係数部材332aの端面332eを含む)上に、順に積層されている。板状部332は、板状部31の金属層31gを介して銅板部31a上に設けられている。Niメッキ層332bは低熱膨張係数部材332aの表面(低熱膨張係数部材332aの端面332eを含む)を露出させることなく被覆しており、Auメッキ層332cはNiメッキ層332bの表面を露出させることなく被覆しており、AuSnはんだ層332dはAuメッキ層332cの表面を露出させることなく被覆している。端面332eは、板状部332の外壁面側にある低熱膨張係数部材332aの表面、給水路9a(貫通孔3a)の内壁面側にある低熱膨張係数部材332aの表面、及び、排水路9b(貫通孔3b)の内壁面側にある低熱膨張係数部材332aの表面、に対応している。金属層332gは、端面332e上にも設けられている。AuSnはんだ層332dは、金属層332gの表面に設けられている。金属層332gのうち端面332e上に設けられている部分は、ヒートシンク1の外壁面の一部、給水路9aの内壁面の一部、給水路9bの内壁面の一部を成す。
Next, the configuration of the plate-
図3(A)を参照して板状部732の構成を説明する。板状部732は、低熱膨張係数部材732aと、低熱膨張係数部材732aを被覆する金属層732g(Niメッキ層732b、Auメッキ層732c及びAuSnはんだ層732d)とを有する。Niメッキ層732b、Auメッキ層732c、AuSnはんだ層732dは、低熱膨張係数部材732aの表面(低熱膨張係数部材732aの端面732eを含む)上に、順に積層されている。板状部732は、板状部71の金属層71gを介して銅板部71a上に設けられている。Niメッキ層732bは低熱膨張係数部材732aの表面(低熱膨張係数部材732aの端面732eを含む)を露出させることなく被覆しており、Auメッキ層732cはNiメッキ層732bの表面を露出させることなく被覆しており、AuSnはんだ層732dはAuメッキ層732cの表面を露出させることなく被覆している。端面732eは、板状部732の外壁面側にある低熱膨張係数部材732aの表面、給水路9a(貫通孔7a)の内壁面側にある低熱膨張係数部材732aの表面、及び、排水路9b(貫通孔7b)の内壁面側にある低熱膨張係数部材732aの表面、に対応している。金属層732gは、端面732e上にも設けられている。AuSnはんだ層732dは、金属層732gの表面に設けられている。金属層732gのうち端面732e上に設けられている部分は、ヒートシンク1の外壁面の一部、給水路9aの内壁面の一部、給水路9bの内壁面の一部を成す。
A configuration of the plate-
低熱膨張係数部材332a及び低熱膨張係数部材732aは、何れも、例えば導電性のMo又はWからなることができる。低熱膨張係数部材332a及び低熱膨張係数部材732aは、何れも、0.1mm以上0.5mm以下の厚みを有し、例えば0.3mm程度の厚みを有することができる。低熱膨張係数部材332a及び低熱膨張係数部材732aを含めてヒートシンクを構成することで、半導体レーザ素子11への応力負荷の低減が可能であり、低膨張係数部材の表面を高熱伝導率を有する材料で被覆することで、半導体レーザ素子11から発せられる熱を効率良く外部に逃がすことができる。Niメッキ層332b及びNiメッキ層732bは、何れも、1μm以上の厚みを有し、例えば2μm程度の厚みを有することができる。Niメッキ層332b及びNiメッキ層732bは、何れも、異種金属と接合させるためのバリアメタルとして設けられている。Auメッキ層332c及びAuメッキ層732cは、何れも、0.2μm以上2μm以下の厚みを有し、例えば0.2μmの厚みを有することができる。Auメッキ層332c及びAuメッキ層732cは、何れも、異種金属と接合させるためのバリアメタルとして設けられている。Auメッキ層332c、Auメッキ層732cは、それぞれ、AuSnはんだ層332d、AuSnはんだ層732dとそれぞれ接合させるために必要となる。AuSnはんだ層332d及びAuSnはんだ層732dは、何れも、1μm以上10μm以下の厚みを有し、例えば3μm程度の厚みを有することができる。AuSnはんだ層332d及びAuSnはんだ層732dは、何れも、何れも、異種金属との接合の目的で、及び、腐食防止の目的で、用いられる。また、低熱膨張係数部材51aは、導電性のMo又はWからなることができる。
Both the low thermal expansion coefficient member 332a and the low thermal expansion coefficient member 732a can be made of, for example, conductive Mo or W. Each of the low thermal expansion coefficient member 332a and the low thermal expansion coefficient member 732a has a thickness of 0.1 mm to 0.5 mm, and can have a thickness of, for example, about 0.3 mm. By configuring the heat sink including the low thermal expansion coefficient member 332a and the low thermal expansion coefficient member 732a, the stress load on the
以上説明したように、板状部332及び板状部732を有する本変形例に係るヒートシンク21の場合、表面1aと表面1bとは、電気的に接続されている。
なお、本変形例に係るヒートシンク21は、板状部332、板状部35、板状部732及び板状部75を有さなくてもよい。すなわち、本変形例に係るヒートシンク21は、板状部31、板状部5及び板状部71のみからなる構成であってもよい。板状部5の低熱膨張係数部材51aがあれば、半導体レーザ素子11への応力負荷の低減が可能であり、半導体レーザ素子11と流路Fの距離がより短くなって、流路Fを流れる冷却液による冷却効果がより大きいものとなる。
As described above, in the case of the
Note that the
次に、図6〜図8を参照して、変形例に係るヒートシンク21を用いた半導体レーザスタック装置の二つの例について説明する。図6〜図8に示すヒートシンク21は、低熱膨張係数部材332a及び低熱膨張係数部材732aを有しており、表面1aと表面1bとが電気的に接続されている。まず、図6及び図7を参照して、変形例に係るヒートシンク21を用いた半導体レーザスタック装置102の構成を説明する。図6は、半導体レーザスタック装置102の斜視図であり、図7は、半導体レーザスタック装置102の側面図である。
Next, two examples of the semiconductor laser stack apparatus using the
半導体レーザスタック装置102は、三つのヒートシンク21、電気的に絶縁性の二つのスペーサ13、三つの半導体レーザ素子11、導電性のリード板15a及びリード板15dを有する。三つのヒートシンク21と二つのスペーサ13とは、ヒートシンク21(以下、第1段目のヒートシンク21という)、スペーサ13、ヒートシンク21(以下、第2段目のヒートシンク21という)、スペーサ13、ヒートシンク21(第3段目のヒートシンク21という)の順に積層されている。半導体レーザスタック装置102に搭載される半導体レーザ素子11及びスペーサ13は、同程度の厚みを有する。リード板15aは、第1段目のヒートシンク21の表面1bに設けられており、この表面1bに接触している。リード板15dは、第3段目のヒートシンク21の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のn側面に設けられおり、このn側面に接触している。
The semiconductor
第1段目のヒートシンク21と第2段目のヒートシンク21との間に設けられた半導体レーザ素子11及びスペーサ13は、何れも、第1段目のヒートシンク21の表面1aと、第2段目のヒートシンク21の表面1bとに接触している。第1段目のヒートシンク21と第2段目のヒートシンク21との間に設けられた半導体レーザ素子11のp側面は第1段目のヒートシンク21の表面1aに接触し、この半導体レーザ素子11のn側面は第2段目のヒートシンク21の表面1bに接触している。第1段目のヒートシンク21の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のp端子は、第1段目のヒートシンク21とリード板15aとに電気的に接続されている。第1段目のヒートシンク21の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のn端子は、第2段目のヒートシンク21に電気的に接続されている。
The
第2段目のヒートシンク21と第3段目のヒートシンク21との間に設けられた半導体レーザ素子11及びスペーサ13は、何れも、第2段目のヒートシンク21の表面1aと、第3段目のヒートシンク21の表面1bとに接触している。第2段目のヒートシンク21と第3段目のヒートシンク21との間に設けられた半導体レーザ素子11のp側面は第2段目のヒートシンク21の表面1aに接触し、この半導体レーザ素子11のn側面は第3段目のヒートシンク21の表面1bに接触している。第2段目のヒートシンク21の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のp端子は、第2段目のヒートシンク21と第1段目のヒートシンク21の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のn端子とに電気的に接続されている。第2段目のヒートシンク21の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のn端子は、第3段目のヒートシンク21に電気的に接続されている。
The
第3段目のヒートシンク21の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のp側面は、この表面1aに接触している。第3段目のヒートシンク21の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のp端子は、第3段目のヒートシンク21と第2段目のヒートシンク21の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のn端子とに電気的に接続されている。第3段目のヒートシンク21の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のn端子は、リード板15dに電気的に接続されている。
The p-side surface of the
以上説明した構成を有する半導体レーザスタック装置102は、ヒートシンク21が導電性を有する、すなわち、ヒートシンク21の表面1aと表面1bとが電気的に接続されているので、半導体レーザ素子11のp側面とn側面とのそれぞれにヒートシンク21を直接接合させることによって、半導体レーザスタック装置102に搭載される複数の半導体レーザ素子11を直列に電気的に接続することができる。また、ヒートシンク21が導電性を有するので、ヒートシンク21内に流す冷却液は、ヒートシンク21から電流が漏れないように、低導電率の液体を用いることができる。
In the semiconductor
次に、図8を参照して、変形例に係るヒートシンク21を用いた半導体レーザスタック装置103の構成を説明する。図8は、半導体レーザスタック装置103の側面図である。半導体レーザスタック装置103は、三つのヒートシンク21、三つのスペーサ17、三つの半導体レーザ素子11を有する。スペーサ17は、スペーサ17a、スペーサ17a及びスペーサ17cを有しており、スペーサ17a、スペーサ17b、スペーサ17cが、ヒートシンク21の表面1a上において、この順に積層された構成を有する。三つのヒートシンク21と三つのスペーサ17とは、ヒートシンク21(以下、第1段目のヒートシンク21という)、スペーサ17a、スペーサ17b、スペーサ17c、ヒートシンク21(以下、第2段目のヒートシンク21という)、スペーサ17a、スペーサ17b、スペーサ17c、ヒートシンク21(第3段目のヒートシンク21という)、スペーサ17a、スペーサ17b、スペーサ17c、の順に積層されている。
Next, the configuration of the semiconductor
第1段目のヒートシンク21の表面1aはこの表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のp側面に接しており、よって、第1段目のヒートシンク21はこの表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のp端子に電気的に接続されている。第2段目のヒートシンク21の表面1aはこの表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のp側面に接しており、よって、第2段目のヒートシンク21はこの表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のp端子に電気的に接続されている。第3段目のヒートシンク21の表面1aはこの表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のp側面に接しており、よって、第3段目のヒートシンク21はこの表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のp端子に電気的に接続されている。
The
スペーサ17aは、電気的に絶縁性の材料からなり、スペーサ17bとスペーサ17cとは、何れも導電性の材料からなる。スペーサ17bとスペーサ17cとは、同一の材料からなるものであってもよいし、異なる材料からなるものであってもよい。また、スペーサ17bとスペーサ17cとは、一体に形成されたものであってもよいし、別体として形成されて互いに接合されたものであってもよい。スペーサ17bは、スペーサ17cよりも、半導体レーザ素子11側に突出している突出部17dを有する。第1〜第3段目のヒートシンク21のそれぞれの表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のn端子は、金属ワイヤ19を介して、この半導体レーザ素子11と同じ表面1aに設けられたスペーサ17に含まれているスペーサ17bの突出部17dの表面に、電気的に接続されている。
The
以上説明した構成を有する半導体レーザスタック装置103は、三つのヒートシンク1を有するが、それぞれが、スペーサ17によって離隔されており、隣接するヒートシンク1間にスペースが形成されている。各ヒートシンク1に設けられる半導体レーザ素子11は、このスペース内に収容可能となっている。半導体レーザ素子11の厚みは、スペーサ17の厚みよりも小さいので、半導体レーザ素子11は、隣接するヒートシンク1の押圧を回避できる。また、半導体レーザ素子11のn端子は、金属ワイヤ19、スペーサ17b、スペーサ17及びヒートシンク21を介して、隣接する半導体レーザ素子11のp端子に電気的に接続されている。例えば、第1段目のヒートシンク21の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のn端子は、第1段目のヒートシンク21と第2段目のヒートシンク21との間にある金属ワイヤ19と、第1段目のヒートシンク21の表面1aに設けられたスペーサ17のスペーサ17b及びスペーサ17cと、第2段目のヒートシンク21とを介して、第2段目のヒートシンク21の表面1aに設けられた半導体レーザ素子11のp端子に電気的に接続されている。従って、金属ワイヤ19を用いた簡単な構成で、半導体レーザスタック装置103に搭載される複数の半導体レーザ素子11が直列に電気的に接続される。
The semiconductor
1,21…ヒートシンク、101,102,103…半導体レーザスタック装置、11…半導体レーザ素子、13,17,17a,17b,17c…スペーサ、15a,15b,15c,15d…リード板、17d…突出部、19…金属ワイヤ、1a,1b,5d,5e…表面、23,27,3,31,331,332,35,5,7,71,731,732,75…板状部、31a,35a,71a,75a…銅板部、31b,331b,332b,732b,35b,51b,71b,731b,75b…Niメッキ層、31c,331c,332c,35c,51c,71c,731c,732c,75c…Auメッキ層、31d,331d,332d,35d,51d,71d,731d,75d,732d…AuSnはんだ層、31e,331e,332e,35e,35f,51e,71e,731e,732e,75e,75f…端面、31g,331g,332g,35g,51g,71g,731g,732g,75g…金属層、331a,332a,51a,731a,732a…低熱膨張係数部材、3a,3b,5a,5b,5c,7a,7b…貫通孔、3c,7c…凹部、3d,7d…主面、3e,7e…裏面、3f,7f…開口部、9a…給水路、9b…排水路、AX1,AX2…中心軸、F…流路。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
板状の第1の部材と前記第1の部材を被覆する第1の金属層とを有する第1の板状部と、
第1の銅板部と前記第1の銅板部を被覆する第2の金属層とを有する第2の板状部と、
第2の銅板部と前記第2の銅板部を被覆する第3の金属層とを有する第3の板状部とを備え、
前記第3の板状部、前記第1の板状部、前記第2の板状部は、順に積層されており、
前記第2の板状部は、前記第1の板状部側の主面に設けられた第1の凹部を有し、
前記第3の板状部は、前記第1の板状部側の主面に設けられた第2の凹部を有し、
前記第1の板状部は、前記第1の凹部及び前記第2の凹部に連通する貫通孔を有し、
前記第1の金属層は、第1のNiメッキ層と第1のAuメッキ層と第1のAuSnはんだ層とを有し、
前記第1のNiメッキ層と前記第1のAuメッキ層と前記第1のAuSnはんだ層とは、前記第1の部材の部材の上に、順に積層されており、
前記第2の金属層は、第2のNiメッキ層と第2のAuメッキ層と第2のAuSnはんだ層とを有し、
前記第2のNiメッキ層と前記第2のAuメッキ層と前記第2のAuSnはんだ層とは、前記第1の銅板部の上に、順に積層されており、
前記第3の金属層は、第3のNiメッキ層と第3のAuメッキ層と第3のAuSnはんだ層とを有し、
前記第3のNiメッキ層と前記第3のAuメッキ層と前記第3のAuSnはんだ層とは、前記第2の銅板部の上に、順に積層されており、
前記第1の金属層は、前記第2の板状部側において前記第2の金属層に接合している部分と、前記第3の板状部側において前記第3の金属層に接合している部分と、前記第2の板状部側であって前記第1の凹部上において前記第2の金属層から離隔している部分と、前記第3の板状部側であって前記第2の凹部上において前記第3の金属層から離隔している部分とを有し、
前記第1の板状部と前記第2の板状部との接合面は、前記第1のAuSnはんだ層と前記第2のAuSnはんだ層との接合面であり、
前記第1の板状部と前記第3の板状部との接合面は、前記第1のAuSnはんだ層と前記第3のAuSnはんだ層との接合面であり、
前記第1の部材の材料は、AlN、Mo、Wの何れかである、
ことを特徴とするヒートシンク。 A heat sink for cooling a semiconductor element,
A first plate-like portion having a plate-like first member and a first metal layer covering the first member;
A second plate-shaped portion having a first copper plate portion and a second metal layer covering the first copper plate portion;
A third plate having a second copper plate and a third metal layer covering the second copper plate,
The third plate-like portion, the first plate-like portion , and the second plate-like portion are laminated in order,
The second plate-like portion has a first recess provided on a main surface on the first plate-like portion side,
The third plate-like portion has a second recess provided on the main surface on the first plate-like portion side,
The first plate-like portion has a through hole communicating with the first concave portion and the second concave portion,
The first metal layer has a first Ni plating layer, a first Au plating layer, and a first AuSn solder layer,
The first Ni plating layer, the first Au plating layer, and the first AuSn solder layer are sequentially laminated on the member of the first member,
The second metal layer has a second Ni plating layer, a second Au plating layer, and a second AuSn solder layer,
The second Ni plating layer, the second Au plating layer, and the second AuSn solder layer are sequentially laminated on the first copper plate portion.
The third metal layer has a third Ni plating layer, a third Au plating layer, and a third AuSn solder layer,
The third Ni plating layer, the third Au plating layer, and the third AuSn solder layer are sequentially stacked on the second copper plate portion,
The first metal layer is bonded to the second metal layer on the second plate-like portion side and to the third metal layer on the third plate-like portion side. A portion that is on the second plate-like portion side and is separated from the second metal layer on the first recess, and that is on the third plate-like portion side and the second plate portion side. And a portion spaced from the third metal layer on the concave portion of
The joint surface between the first plate-like portion and the second plate-like portion is a joint surface between the first AuSn solder layer and the second AuSn solder layer,
The joint surface between the first plate-like portion and the third plate-like portion is a joint surface between the first AuSn solder layer and the third AuSn solder layer,
The material of the first member is any one of AlN, Mo, and W.
A heat sink characterized by that.
前記第3の板状部は、板状の第3の部材と、第4の銅板部と、前記第4の銅板部を被覆する第5の金属層とを更に有し、
前記第2の部材は、前記第2の金属層を介して前記第1の銅板部上に設けられ、
前記第3の銅板部は、前記第4の金属層を介して前記第2の部材上に設けられ、
前記第3の部材は、前記第3の金属層を介して前記第2の銅板部上に設けられ、
前記第4の銅板部は、前記第5の金属層を介して前記第3の部材上に設けられており、
前記第2の部材の材料及び前記第3の部材の材料は、何れも、AlN、Mo、Wの何れかである、
ことを特徴とする請求項1に記載されているヒートシンク。 The second plate-like portion further includes a plate-like second member, a third copper plate portion, and a fourth metal layer covering the third copper plate portion,
The third plate-like portion further includes a plate-like third member, a fourth copper plate portion, and a fifth metal layer covering the fourth copper plate portion,
The second member is provided on the first copper plate part via the second metal layer,
The third copper plate portion is provided on the second member via the fourth metal layer,
The third member is provided on the second copper plate portion via the third metal layer,
The fourth copper plate portion is provided on the third member via the fifth metal layer,
The material of the second member and the material of the third member are either AlN, Mo, or W.
The heat sink according to claim 1.
前記第5の金属層は、第5のNiメッキ層と第5のAuメッキ層とを含む、
ことを特徴とする請求項2に記載されているヒートシンク。 The fourth metal layer includes a fourth Ni plating layer and a fourth Au plating layer,
The fifth metal layer includes a fifth Ni plating layer and a fifth Au plating layer,
A heat sink according to claim 2.
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