特許 5969898 ヒートシンク

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5969898

(24)【登録日】2016年7月15日

(45)【発行日】2016年8月17日

(54)【発明の名称】ヒートシンク

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20160804BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/46 Z

【請求項の数】5

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2012-248514(P2012-248514)

(22)【出願日】2012年11月12日

(65)【公開番号】特開2014-96527(P2014-96527A)

(43)【公開日】2014年5月22日

【審査請求日】2015年6月30日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、次世代素材等レーザー加工技術開発プロジェクト、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100124291

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100148013

【弁理士】

【氏名又は名称】中山 浩光

(72)【発明者】

【氏名】影山 進人

(72)【発明者】

【氏名】吉田 治正

(72)【発明者】

【氏名】宮島 博文

(72)【発明者】

【氏名】森田 剛徳

(72)【発明者】

【氏名】前田 純也

(72)【発明者】

【氏名】宮本 昌浩

【審査官】 多賀 和宏

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第００／０１１７１７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−３４０５３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００３２９３７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／３４−２３／４７３

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発熱体が載置される載置領域を有すると共に、冷却用の流体が供給される供給口及び前記流体を排出する排出口が前記載置領域から離間して設けられた本体部を備え、
前記本体部の内部には、前記供給口から供給された前記流体を前記載置領域側に向かって導くＩＮ側流路と、前記ＩＮ側流路を通った前記流体を前記載置領域下で噴出させる噴出孔列と、前記噴出孔列から噴出した前記流体を前記排出口に向かって導くＯＵＴ側流路と、によって構成される流路ユニットが複数段に積層されており、
前記載置領域下において、前記流路ユニットのそれぞれの前記噴出孔列は、各噴出孔の配列方向と交差する方向に配列されていることを特徴とするヒートシンク。

【請求項2】

前記流路ユニットごとに流路長が互いに異なっており、
前記流路長が長い前記流路ユニットにおける前記噴出孔の内径は、前記流路長が短い前記流路ユニットにおける前記噴出孔の内径よりも小さくなっていることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。

【請求項3】

前記流路ユニットごとに流路長が互いに異なっており、
前記流路長が長い前記流路ユニットにおける前記噴出孔の配列数は、前記流路長が短い前記流路ユニットにおける前記噴出孔の配列数よりも少なくなっていることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。

【請求項4】

前記流路ユニットごとに流路長が互いに異なっており、
前記流路長が長い前記流路ユニットにおける前記ＩＮ側流路の断面積は、前記流路長が短い前記流路ユニットにおける前記ＩＮ側流路の断面積よりも小さくなっていることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。

【請求項5】

前記ＩＮ側流路及び前記ＯＵＴ側流路は、前記流路ユニットの面内方向に延びる第１の部分と、前記流路ユニットの積層方向に延びる第２の部分とを有し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ヒートシンク。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ヒートシンクに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、半導体レーザ等の発熱体の放熱にはヒートシンクが用いられている。例えば特許文献１に記載のヒートシンクでは、上面に溝が形成された平板と、下面に溝が形成された平板とを、複数の貫通孔（流体の噴出孔）が形成された仕切板を介して接合して冷却用の流体の流路を構成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第００／１１７１７号パンフレット

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述したようなヒートシンクでは、冷却効率を十分に確保する観点から、流路を流れる流体の流速や圧力を十分に確保する必要がある。また、冷却の均一性を確保する観点から、流体の流速ムラをできる限り抑える必要がある。このような課題に対し、噴出孔の径を単に拡大する構成や、流路に複数列の噴出孔を接続する構成では、流速や圧力の確保が困難であった。

【0005】

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、十分な冷却効率で均一に発熱体を冷却できるヒートシンクを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題の解決のため、本発明に係るヒートシンクは、発熱体が載置される載置領域を有すると共に、冷却用の流体が供給される供給口及び流体を排出する排出口が載置領域から離間して設けられた本体部を備え、本体部の内部には、供給口から供給された流体を前記載置領域側に向かって導くＩＮ側流路と、ＩＮ側流路を通った流体を載置領域下で噴出させる噴出孔列と、噴出孔列から噴出した流体を前記排出口に向かって導くＯＵＴ側流路と、によって構成される流路ユニットが複数段に積層されており、載置領域下において、流路ユニットのそれぞれの噴出孔列は、各噴出孔の配列方向と交差する方向に配列されていることを特徴としている。

【0007】

このヒートシンクでは、冷却用の流体が噴出する噴出孔列が各噴出孔の配列方向と交差する方向に複数列で配列されている。これにより、発熱体が載置される載置領域に対して広範囲に流体を噴出させることができ、発熱体の冷却を均一に行うことが可能となる。また、このヒートシンクでは、複数の噴出孔列が単一の流路に接続されているのではなく、各流路ユニットにそれぞれ噴出孔列が接続されている。したがって、流路内の流体の圧力及び流速を確保でき、十分な冷却効率を達成できる。この構成では、流体の流速ムラも抑えられるので、冷却の均一性が損なわれることも回避できる。

【0008】

また、流路ユニットごとに流路長が互いに異なっており、流路長が長い流路ユニットにおける噴出孔の内径は、流路長が短い流路ユニットにおける噴出孔の内径よりも小さくなっていることが好ましい。この場合、流路長が異なる場合であっても、流路ユニットの噴出孔から噴出する流体の圧力及び流速を揃えることができる。したがって、発熱体の冷却を一層均一化できる。

【0009】

また、流路ユニットごとに流路長が互いに異なっており、流路長が長い流路ユニットにおける噴出孔の配列数は、流路長が短い流路ユニットにおける噴出孔の配列数よりも少なくなっていることが好ましい。この場合、流路長が異なる場合であっても、流路ユニットの噴出孔から噴出する流体の圧力及び流速を揃えることができる。したがって、発熱体の冷却を一層均一化できる。

【0010】

また、流路ユニットごとに流路長が互いに異なっており、流路長が長い流路ユニットにおけるＩＮ側流路の断面積は、流路長が短い流路ユニットにおけるＩＮ側流路の断面積よりも小さくなっていることが好ましい。この場合、流路長が異なる場合であっても、流路ユニットの噴出孔から噴出する流体の圧力及び流速を揃えることができる。したがって、発熱体の冷却を一層均一化できる。

【0011】

また、ＩＮ側流路及びＯＵＴ側流路は、流路ユニットの面内方向に延びる第１の部分と、流路ユニットの積層方向に延びる第２の部分とを有していることが好ましい。この場合、流路ユニットを流れる流体と本体部との接触面積が増加し、発熱体の冷却効率を一層向上できる。また、各流路ユニットの第２の部分同士を隔てる本体部の壁部によって、本体部の積層方向の剛性を高めることができる。

【発明の効果】

【0012】

本発明に係るヒートシンクによれば、十分な冷却効率で均一に発熱体を冷却できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明に係るヒートシンクの一実施形態を示す斜視図である。

【図2】図１に示したヒートシンクの一部を切り欠いて示す要部拡大斜視図である。

【図3】図１に示したヒートシンクの要部拡大断面図である。

【図4】図１に示したヒートシンクを構成する板状部材の層構成を示す分解斜視図である。

【図5】図４に示した板状部材の第２層のパターンを示す平面図である。

【図6】図６に示した板状部材の第１１層のパターンを示す平面図である。

【図7】本発明に係るヒートシンクの変形例を示す図である。

【図8】本発明に係るヒートシンクの別の変形例を示す図である。

【図9】本発明に係るヒートシンクの更に別の変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照しながら、本発明に係るヒートシンクの好適な実施形態について詳細に説明する。

【0015】

図１は、本発明に係るヒートシンクの一実施形態を示す斜視図である。同図に示すヒートシンク１は、例えば高出力の半導体レーザーバーＳ（図３参照）を冷却する冷却部材として用いられるものである。このヒートシンク１は、例えば長さ３０ｍｍ、幅１２ｍｍ、厚さ３ｍｍ程度の扁平な直方体形状をなす本体部２を備えている。

【0016】

本体部２の上面２ａの一端部は、半導体レーザーバーＳが載置される載置領域Ｐとなっている。また、本体部２には、冷却用の流体（例えば水）が供給される供給口３と、流体を排出する排出口４とが載置領域Ｐ側から順に設けられている。供給口３及び排出口４は、いずれも例えば断面円形をなし、載置領域Ｐから離間した位置で本体部２の上面２ａから下面２ｂまで貫通している。

【0017】

本体部２の内部には、図２及び図３に示すように、複数（本実施形態では３系統）の流路ユニット１１（本体部２の下面側から順に１１Ａ〜１１Ｃ）が積層されている。流路ユニット１１のそれぞれは、供給口３から供給された流体を載置領域Ｐ側に向かって導くＩＮ側流路１２（１２Ａ〜１２Ｃ）と、ＩＮ側流路１２を通った流体を載置領域Ｐ下で噴出させる噴出孔列１３（１３Ａ〜１３Ｃ）と、噴出孔列１３から噴出した流体を排出口４に向かって導くＯＵＴ側流路１４（１４Ａ〜１４Ｃ）と、によって構成されている。また、各流路ユニット１１のＩＮ側流路１２及びＯＵＴ側流路１４は、流路ユニット１１Ｃを除き、流路ユニット１１の面内方向に延びる第１の部分と、流路ユニット１１の積層方向に延びる第２の部分とを有している。

【0018】

流路ユニット１１ＡにおけるＩＮ側流路１２Ａの第１の部分１２ａは、本体部２において最も下面２ｂ側に位置し、載置領域Ｐ下で本体部２の長さ方向の端部近傍まで延びている。ＩＮ側流路１２Ａの第２の部分１２ｂは、第１の部分１２ａの端部から本体部２の上面２ａ側に略直角に折れ曲がり、本体部２の上面２ａの近傍で噴出孔列１３Ａに接続されている。また、流路ユニット１１ＡにおけるＯＵＴ側流路１４Ａの第１の部分１４ａは、ＩＮ側流路１２Ａの第１の部分１２ａの上層側に位置し、載置領域Ｐ下でＩＮ側流路１２Ａの第２の部分１２ｂよりも僅かに内側の位置まで延びている。ＯＵＴ側流路１４Ａの第２の部分１４ｂは、第１の部分１４ａの端部から本体部２の上面側に略直角に折れ曲がり、噴出孔列１３Ａに接続されている。

【0019】

流路ユニット１１ＢにおけるＩＮ側流路１２Ｂの第１の部分１２ｃは、本体部２の厚さ方向の略中央部分に位置し、載置領域Ｐ下でＯＵＴ側流路１４Ａの第２の部分１４ｂよりも僅かに内側の位置まで延びている。ＩＮ側流路１２Ｂの第２の部分１２ｄは、第１の部分１２ｃの端部から本体部２の上面２ａ側に略直角に折れ曲がり、本体部２の上面２ａの近傍で噴出孔列１３Ｂに接続されている。また、流路ユニット１１ＢにおけるＯＵＴ側流路１４Ｂの第１の部分１４ｃは、ＩＮ側流路１２Ｂの第１の部分１２ｃの上層側に位置し、載置領域Ｐ下でＩＮ側流路１２Ｂの第２の部分１２ｄよりも僅かに内側の位置まで延びている。ＯＵＴ側流路１４Ｂの第２の部分１４ｄは、第１の部分１４ｃの端部から本体部２の上面側に略直角に折れ曲がり、噴出孔列１３Ｂに接続されている。

【0020】

流路ユニット１１ＣのＩＮ側流路１２Ｃは、本体部２の厚さ方向の上面２ａ側で流路ユニット１１の面内方向に延び、載置領域Ｐ下でＯＵＴ側流路１４Ｂの第２の部分１４ｄよりも僅かに内側の位置で噴出孔列１３Ｃに接続されている。また、流路ユニット１１ＣのＯＵＴ側流路１４Ｃは、本体部２において最も上面２ａ側に位置して流路ユニット１１の面内方向に延び、噴出孔列１３Ｂに接続されている。以上のようなＩＮ側流路１２及びＯＵＴ側流路１４の構成により、各流路ユニット１１における流路長は、流路ユニット１１Ａが最も長くなっており、次いで、流路ユニット１１Ｂ、流路ユニット１１Ｃの順となっている。

【0021】

以上の構成を有するヒートシンク１は、図４に示すように、所定の溝パターンが形成された複数（本実施形態では全１３層）の平板部材２１を積層することによって形成されている。平板部材２１は、例えば厚さ１μｍ〜５μｍ程度のＮｉめっき及び厚さ２μｍ以上のＡｕめっきを銅板の表面に施した部材である。平板部材２１の最表面には、各層同士を接合するためのＡｕＳｎハンダが蒸着されている。ヒートシンク１の形成にあたっては、まず、板状部材２１を図４の順序で積層し、加圧・昇温によって一体化させて積層体を得る。そして、積層体を研磨・研削して外形寸法を調整した後、例えば厚さ１μｍ〜２μｍ程度のＮｉめっき及び厚さ０．１μｍ〜０．３μｍ程度のＡｕめっきを積層体の外表面全体に施す。

【0022】

次に、各層の平板部材２１の要部を説明する。ここでは、説明の便宜上、本体部２の下面２ｂ側から上面２ａ側に向かって第１層〜第１３層（平板部材２１Ａ〜２１Ｍ）とする。図４に示すように、全ての平板部材２１には、供給口３に相当する第１溝パターン２２及び排出口４に相当する第２溝パターン２３が形成されている。第１層の平板部材２１Ａ及び第１３層の平板部材２１Ｍは、カバー部材として機能し、第１溝パターン２２及び第２溝パターン２３のみが形成されている。

【0023】

供給口３とＩＮ側流路１２とが接続される第２層の平板部材２１Ｂでは、図５に示すように、ＩＮ側流路１２に相当する第３溝パターン２４が形成されている。この第３溝パターン２４は、供給口３から載置領域Ｐ側に向かって裾広がりの形状となっており、第３溝パターン２４の先端部は複数の仕切りによって分岐している。また、第１溝パターン２２と第３溝パターン２４との接続部分には、第１溝パターン２２の直径よりも幅が小さくなるような狭窄部２４ａが形成されている。

【0024】

この狭窄部２４ａにより、供給口３からの流体がＩＮ側流路１２の両サイドに過剰に流れることを抑制できる。半導体レーザーバーＳの中央部分は温度が比較的上昇し易い部分であり、流体を載置領域Ｐの中央に集めることで冷却効率を向上できる。このような狭窄部２４ａは、供給口３とＩＮ側流路１２とが接続される第６層の平板部材２１Ｆ及び第１０層の平板部材２１Ｊにおいても同様に形成されている（図４参照）。

【0025】

排出口４とＯＵＴ側流路１４とが接続される第２層〜第４層の平板部材２１Ｂ〜２１Ｄ、第６層〜第８層の平板部材２１Ｆ〜２１Ｈ、及び第１０層〜第１２層の平板部材２１Ｊ〜２１Ｌでは、図４に示すように、ＯＵＴ側流路１４に相当する第４溝パターン２５が形成されている。この第４溝パターン２５は、本体部２の幅方向の端部に沿って所定の長さで延在し、第２溝パターン２３の近傍で本体部２の中央側に折れ曲がって第２溝パターン２３に接続されている。

【0026】

第１１層の平板部材２１Ｋには、図６に示すように、噴出孔列１３が設けられている。噴出孔列１３は、例えば断面円形をなす噴出孔２６が本体部２の幅方向に等間隔に配列されることによって構成されている。噴出孔２６の直径は、噴流冷却効果の確保及び圧力損失の抑制を考慮して、例えば直径０．２ｍｍ〜０．４ｍｍ程度となっている。本実施形態では、３系統の流路ユニット１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃにそれぞれ対応して３列の噴出孔列１３Ａ〜１３Ｃが載置領域Ｐ下に配置されている。噴出孔列１３Ａ〜１３Ｃは、噴出孔２６の配列方向と交差する方向、すなわち、本体部２の長さ方向に配列され、本体部２の長さ方向の端部側から見て、噴出孔列１３Ａ、噴出孔列１３Ｂ、噴出孔２６Ｃの順に等間隔で配列されている。この噴出孔列１３の配列方向は、載置領域Ｐに載置される半導体レーザーバーＳの共振器長方向に一致する（図３参照）。

【0027】

噴出孔列１３Ａ，１３Ｂ間において本体部２の幅方向に帯状に延在する溝パターンは、ＯＵＴ側流路１４Ａの第２の部分１４ｂに相当する第５溝パターン２７であり、噴出孔列１３Ｂ，１３Ｃ間において本体部２の幅方向に帯状に延在する溝パターンは、ＯＵＴ側流路１４Ｂの第２の部分１４ｄに相当する第６溝パターン２８である。第５溝パターン２７は、第５層の板状部材２１Ｅから第１１層の板状部材２１Ｋにわたって同位置に形成され、第６溝パターン２８は、第９層の板状部材２１Ｉから第１１層の板状部材２１Ｋにわたって同位置に形成されている。

【0028】

さらに、第５溝パターン２７の外側には、ＩＮ側流路１２Ａの第２の部分１２ｂに相当する第７溝パターン２９が第３層の板状部材２１Ｃから第１１層の板状部材２１Ｋにわたって形成され、第５溝パターン２７と第６溝パターン２８との間には、ＩＮ側流路１２Ｂの第２の部分１２ｄに相当する第８溝パターン３０が第７層の板状部材２１Ｇから第１１層の板状部材２１Ｋにわたって形成されている。

【0029】

以上説明したように、ヒートシンク１では、冷却用の流体が噴出する噴出孔列１３が各噴出孔２６の配列方向と交差する方向に複数列で配列されている。これにより、半導体レーザーバーＳが載置される載置領域Ｐに対して広範囲に流体を噴出させることができ、半導体レーザーバーＳの冷却を均一に行うことが可能となる。また、このヒートシンク１では、複数の噴出孔列１３が単一の流路に接続されているのではなく、各流路ユニット１１にそれぞれ噴出孔列１３が接続されている。したがって、流路内の流体の圧力及び流速を確保でき、十分な冷却効率を達成できる。この構成では、流体の流速ムラも抑えられるので、冷却の均一性が損なわれることも回避できる。

【0030】

また、ヒートシンク１では、ＩＮ側流路１２及びＯＵＴ側流路１４が、流路ユニット１１の面内方向に延びる第１の部分１２ａ，１２ｃ，１４ａ，１４ｃと、流路ユニット１１の積層方向に延びる第２の部分１２ｂ，１２ｄ，１４ｂ，１４ｄとを有している。このような構成により、流路ユニット１１を流れる流体と本体部２との接触面積が増加し、半導体レーザーバーＳの冷却効率を一層向上できる。また、各流路ユニット１１の第２の部分同士を隔てる本体部２の壁部によって、本体部２の積層方向の剛性を高めることができる。

【0031】

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上述した実施形態に対し、流路ユニット１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの流路長の違いを考慮した構成を追加してもよい。すなわち、流路ユニット１１の流路長に差がある場合、流路長が長いほど流体の圧力及び流速が減少するため、流体の圧力及び流速の差を低減させる構成を追加してもよい。

【0032】

かかる構成として、まず、各噴出孔列１３における噴出孔２６の内径を調整することが挙げられる。この場合、流路長が長い流路ユニットにおける噴出孔の内径を、流路長が短い流路ユニットにおける噴出孔の内径よりも小さくすることが好適であり、例えば図７に示すように、流路ユニット１１Ａの噴出孔２６の内径＜流路ユニット１１Ｂの噴出孔２６の内径＜流路ユニット１１Ｃの噴出孔２６の内径、とすることが好ましい。

【0033】

また、各噴出孔列１３における噴出孔２６の配列数を調整してもよい。この場合、流路長が長い流路ユニットにおける噴出孔の配列数を、流路長が短い流路ユニットにおける噴出孔の配列数よりも少なくすることが好適であり、例えば図８に示すように、流路ユニット１１Ａの噴出孔２６の配列数＜流路ユニット１１Ｂの噴出孔２６の配列数＜流路ユニット１１Ｃの噴出孔２６の配列数、とすることが好ましい。配列数を変えた場合であっても、噴出孔２６，２６間の間隔が等間隔を保っていることが好ましい。

【0034】

さらに、ＩＮ側流路１２の断面積を調整することも可能である。この場合、流路長が長い流路ユニットにおけるＩＮ側流路の断面積を、流路長が短い流路ユニットにおけるＩＮ側流路の断面積よりも小さくなくすることが好適であり、例えば図９に示すように、流路ユニット１１ＡにおけるＩＮ側流路１２の断面積＜流路ユニット１１ＢにおけるＩＮ側流路１２の断面積＜流路ユニット１１ＣにおけるＩＮ側流路１２の断面積、とすることが好ましい。このような断面積の調整は、例えば板状部材２１の板厚を各層で変えることによって容易に実現できる。

【0035】

以上のような各変形例においては、流路ユニット１１の流路長が互いに異なる場合であっても、流路ユニット１１の噴出孔２６から噴出する流体の圧力及び流速を揃えることができる。したがって、載置領域Ｐにおける半導体レーザーバーＳの冷却を一層均一化できる。

【符号の説明】

【0036】

１…ヒートシンク、２…本体部、３…供給口、４…排出口、１１（１１Ａ〜１１Ｃ）…流路ユニット、１２（１２Ａ〜１２Ｃ）…ＩＮ側流路、１２ａ，１２ｃ…ＩＮ側流路の第１の部分、１２ｂ，１２ｄ…ＩＮ側流路の第２の部分、１３（１３Ａ〜１３Ｃ）…噴出孔列、１４（１４Ａ〜１４Ｃ）…ＯＵＴ側流路、１４ａ，１４ｃ…ＯＵＴ側流路の第１の部分、１４ｂ，１４ｄ…ＯＵＴ側流路の第２の部分、Ｓ…半導体レーザーバー（発熱体）、Ｐ…載置領域。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】