特許 6238800 冷却構造

(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】6238800

(24)【登録日】2017年11月10日

(45)【発行日】2017年11月29日

(54)【発明の名称】冷却構造

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20171120BHJP

   H01S 5/024 20060101ALI20171120BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20171120BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/46 Z

   H01S5/024

   H05K7/20 N

【請求項の数】8

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2014-53541(P2014-53541)

(22)【出願日】2014年3月17日

(65)【公開番号】特開2015-177101(P2015-177101A)

(43)【公開日】2015年10月5日

【審査請求日】2016年11月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005186

【氏名又は名称】株式会社フジクラ

(74)【代理人】

【識別番号】100109896

【弁理士】

【氏名又は名称】森 友宏

(72)【発明者】

【氏名】生駒 晋也

【審査官】 豊島 洋介

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２２７４７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０４０７７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２１８５８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１８９１５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１５６３０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０９３０２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１４１１１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５３３８６８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ２３／２９

２３／３４ −２３／３６

２３／３７３−２３／４２７

２３／４４

２３／４６７−２３／４７３

Ｈ０１Ｓ ５／００ − ５／５０

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷却対象物の少なくとも一部を冷却するための冷却構造であって、
冷却対象物が取り付けられる第１の面と、該第１の面とは反対側に位置する第２の面とを有する第１の板部材と、
前記第１の板部材の第２の面から突出するように形成された冷却部と、
前記冷却部を収容する収容部が形成され、前記冷却部が前記収容部に収容された状態で前記第１の板部材の前記第２の面上に積層される第２の板部材であって、前記第１の板部材のヤング率よりも高いヤング率を有する第２の板部材と、
を備えたことを特徴とする冷却構造。

【請求項2】

前記第２の板部材の収容部は、前記第２の板部材を貫通する開口により構成されることを特徴とする請求項１の冷却構造。

【請求項3】

前記冷却部の内部には、冷却流体を流通させる空間が形成され、
前記冷却構造は、
冷却流体源から前記冷却流体を前記空間に供給する冷却流体供給管と、
前記空間から前記冷却流体を排出する冷却流体排出管と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却構造。

【請求項4】

前記冷却部は、前記空間内に配置された複数のフィンを有することを特徴とする請求項３に記載の冷却構造。

【請求項5】

前記冷却流体供給管と前記冷却流体排出管は前記冷却部の略対角線上に接続されることを特徴とする請求項３又は４に記載の冷却構造。

【請求項6】

前記第１の板部材の熱伝導率は、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の冷却構造。

【請求項7】

前記第２の板部材の密度は、前記第１の板部材の密度よりも低いことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の冷却構造。

【請求項8】

前記冷却対象物が光半導体モジュールであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の冷却構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷却構造に係り、特に冷却対象物に取り付けて該冷却対象物の少なくとも一部を冷却するための冷却構造に関するものである。

【背景技術】

【0002】

例えば、半導体レーザ素子を備えた光半導体モジュールにおいては、半導体レーザ素子により生じる熱による温度上昇を防止するために、光半導体モジュールを冷却基板上に固定して放熱を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような冷却基板は、発熱源である半導体レーザ素子からの熱を冷却媒質に効率よく伝達させるため、熱伝導率の高い材料により構成されるが、材料の加工性や価格などから、冷却基板の材料としては銅を用いることが一般的である。これに対して、光半導体モジュールの筐体として用いられる材料は一般的にＣｕＷやＭｏであり、これらＣｕＷやＭｏのヤング率は冷却基板の材料である銅に比べて約２〜３倍大きいものとなっている。このため、光半導体モジュールを冷却基板に固定する場合には以下に述べるような問題が生じる。

【0003】

図１Ａに示すように、光半導体モジュール５００においては、一般に、その構造の非対称性から筐体５１０の底板５２０に反りが生じる。このような光半導体モジュール５００を図１Ａに示すような薄い冷却基板６００に固定する場合、上述したように筐体５１０の底板５２０のヤング率が冷却基板６００のヤング率の約２〜３倍であるため、筐体５１０を冷却基板６００に取り付けた際に、図１Ｂに示すように、冷却基板６００が筐体５１０の底板５２０の反りにより変形してしまう。このため、底板５２０を平面に維持した状態で光半導体モジュール５００内部の光学系を適切な位置に調整することができなくなり、光半導体モジュール５００から十分な出力を得ることができなくなってしまう。

【0004】

このような問題は、図１Ｃに示すような十分に厚い冷却基板６００を用いることで解決できる。すなわち、冷却基板６００を十分に厚くすることにより、筐体５１０の底板５２０のヤング率が冷却基板６００のヤング率よりも高くても冷却基板６００が変形しにくくなるので、筐体５１０の底板５２０を冷却基板６００の上面に倣わせることができる。したがって、図１Ｃに示す場合には、底板５２０を平面に維持した状態で光半導体モジュール５００内部の光学系を適切な位置に調整することが可能となり、光半導体モジュール５００から十分な出力を得ることができる。しかしながら、図１Ｃに示す場合には、冷却基板６００の厚さを光半導体モジュール５００の筐体５１０の底面５２０の厚さの約２〜３倍以上にしなければならず、冷却基板５００の重量が増加するとともにコストも上昇してしまうという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００２−３２９９２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、厚さを薄くすることにより重量とコストを低減することができるとともに、冷却対象物が取り付けられる面の変形を抑制することができる冷却構造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】

【0007】

本発明の一態様によれば、冷却対象物の少なくとも一部を冷却するための冷却構造が提供される。この冷却構造は、冷却対象物が取り付けられる第１の面と、該第１の面とは反対側に位置する第２の面とを有する第１の板部材と、上記第１の板部材の第２の面から突出するように形成された冷却部と、上記冷却部を収容する収容部が形成され、上記冷却部が上記収容部に収容された状態で上記第１の板部材の上記第２の面上に積層される第２の板部材とを備えている。この第２の板部材は、上記第１の板部材のヤング率よりも高いヤング率を有している。例えば光半導体モジュールを上記冷却対象物とすることができる。

【0008】

上記第２の板部材の収容部は、上記第２の板部材を貫通する開口により構成されていてもよい。あるいは、上記第２の板部材の収容部は、上記第２の板部材に形成された凹部により構成されていてもよい。

【0009】

上記冷却部の内部に冷却流体を流通させる空間を形成してもよい。この場合において、上記冷却構造に、冷却流体源から上記冷却流体を上記空間に供給する冷却流体供給管と、上記空間から上記冷却流体を排出する冷却流体排出管とを設けてもよい。また、上記冷却部は、上記空間内に配置された複数のフィンを有していてもよい。さらに、上記冷却流体供給管と上記冷却流体排出管が上記冷却部の略対角線上に接続されることが好ましい。

【0010】

上記第１の板部材の熱伝導率は、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。また、上記第２の板部材の密度は、上記第１の板部材の密度よりも低いことが好ましい。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、冷却構造の第２の板部材のヤング率が第１の板部材のヤング率よりも高いため、第２の板部材を比較的薄くしても、冷却対象物を第１の板部材に取り付ける際に第１の板部材の面が変形してしまうことを抑制することができる。すなわち、冷却構造を第１の板部材だけで構成した場合よりも冷却構造の合成ヤング率を高めることができるので、第１の板部材だけで構成した場合よりも冷却構造全体を薄くしつつ、第１の板部材の変形を抑制することができる。したがって、冷却構造全体の重量とコストが低減される。また、冷却対象物を冷却するための冷却部が第２の板部材に形成された収容部に収容された状態で第２の板部材が第１の板部材に積層されるので、冷却構造全体の厚さの増加を最小限にしつつ、効率的に冷却対象物を冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1A】光半導体モジュールを冷却基板に取り付ける場合の問題点を説明するための概念図である。

【図1B】光半導体モジュールを冷却基板に取り付ける場合の問題点を説明するための概念図である。

【図1C】光半導体モジュールを冷却基板に取り付ける場合の問題点を説明するための概念図である。

【図2】本発明の一実施形態における光半導体モジュール及びその冷却構造を模式的に示す正面図である。

【図3】図２の平面図である。

【図4】図３に示される冷却構造の分解斜視図である。

【図5】図４に示される第１の板部材及び冷却部の底面図である。

【図6】図４に示される第１の板部材及び冷却部の正面図である。

【図7】図４に示される第１の板部材及び冷却部の背面図である。

【図8】図５に示される第１の板部材及び冷却部のVIII−VIII線断面図である。

【図9】図５に示される第１の板部材及び冷却部のIX−IX線断面図である。

【図10】図５に示される冷却部のX−X線断面図である。

【図11】図４に示される第２の板部材の平面図である。

【図12】図４に示される第２の板部材の正面図である。

【図13】図４に示される第２の板部材の背面図である。

【図14】図１１に示される第２の板部材のXIV−XIV線断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明に係る冷却構造の実施形態について図２から図１４を参照して詳細に説明する。なお、図２から図１４において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

【0014】

図２は、本発明の一実施形態における光半導体モジュール１００及びその冷却構造２００を模式的に示す正面図であり、図３は、その平面図である。なお、本実施形態では、光半導体モジュール１００を冷却対象物とする例を説明するが、冷却対象物は光半導体モジュールに限られるものではなく、少なくとも一部を冷却する必要があるものであればどのようなものであってもよい。

【0015】

図２及び図３に示すように、光半導体モジュール１００は、略直方体状の筐体１１０と、筐体１１０から延びる光ファイバ１２０と、電気エネルギーを光エネルギーに変換して出力する光半導体１３０と、光半導体１３０からの出力を光ファイバ１２０に結合させるための光学系１４０とを備えている。光半導体１３０及び光学系１４０は筐体１１０の内部に収容されている。このような構成により、光半導体１３０からの光出力は、光学系１４０により光ファイバ１２０に結合され、光ファイバ１２０を介して光半導体モジュール１００の外部に出力される。

【0016】

光半導体モジュール１００は冷却構造２００に取り付けられており、この冷却構造２００によって光半導体１３０で生じた熱が放熱されるようになっている。図２に示すように、冷却構造２００は、上面２１０Ａに光半導体モジュール１００が取り付けられる第１の板部材２１０と、第１の板部材２１０の下面２１０Ｂに積層される第２の板部材２２０とを含んでいる。第１の板部材２１０の上面２１０Ａは高精度の平坦面となっている。

【0017】

以下、この冷却構造２００の構造について詳細に説明する。図４は、冷却構造２００の分解斜視図である。図４では、第１の板部材２１０が裏返された状態で示されている。図４に示すように、第１の板部材２１０の下面２１０Ｂには、下面２１０Ｂから下方に突出するように略直方体状の冷却部２３０が形成されている。また、第２の板部材２２０には、この冷却部２３０に対応する位置に第２の板部材２２０を貫通する開口２２２が形成されている。すなわち、この開口２２２は、第１の板部材２１０と第２の板部材２２０とを積層させたときに冷却部２３０を収容する収容部として機能する。

【0018】

第１の板部材２１０は、冷却部２３０とともに光半導体モジュール１００を冷却することを目的としているため、熱伝導率の高い材料から形成される。例えば、第１の板部材２１０は、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料からなることが好ましい。このような材料としては例えばアルミニウムがある。また、冷却構造２００全体を薄くするために、第１の板部材２１０の厚さを薄くすることが好ましい。

【0019】

第２の板部材２２０の材料としては、第２の板部材２２０のヤング率が第１の板部材２１０のヤング率よりも大きくなるように選択される。このような材料としては例えばステンレスがある。第２の板部材２２０の厚さは、光半導体モジュール１００を冷却構造２００に固定した際に、光半導体モジュール１００の筐体１１０の底面１１０Ａの反りにより第１の板部材２１０の上面２１０Ａが変形しない程度の厚さとする。この場合において、上述したように第２の板部材２２０のヤング率を第１の板部材２１０のヤング率よりも大きくしているので、第１の板部材２１０の上面２１０Ａを変形しないようにするために必要な第２の板部材２２０の厚さを薄くすることができる。これにより冷却構造２００全体としての厚さを薄くすることができる。

【0020】

図５は第１の板部材２１０及び冷却部２３０の底面図、図６は正面図、図７は背面図である。また、図８は図５に示される第１の板部材２１０及び冷却部２３０のVIII−VIII線断面図、図９は図５に示される第１の板部材２１０及び冷却部２３０のIX−IX線断面図、図１０は図５に示される冷却部２３０のX−X線断面図である。図１１は第２の板部材２２０の平面図、図１２は正面図、図１３は背面図、図１４は図１１に示される第２の板部材２２０のXIV−XIV線断面図である。

【0021】

図５から図１０に示されるように、冷却部２３０は、第１の板部材２１０の下面２１０Ｂに形成された多数のフィン２３２とこれらのフィン２３２を下側から覆うカバー体２３４とを含んでいる。このカバー体２３４は、第１の板部材２１０の下面２１０Ｂにろう付けなどにより固定されている。なお、本実施形態におけるカバー体２３４は、第１の板部材２１０と同一の材料から形成されているが、第１の板部材２１０と異なる材料から形成されていてもよい。

【0022】

図５から図７に示すように、カバー体２３４の１つの角部の近傍には冷却流体供給管２４０が接続されており、この角部の対角線上の角部の近傍には冷却流体排出管２４２が接続されている。冷却流体供給管２４０は、冷却流体（例えば水）を供給する冷却流体源（図示せず）に接続されている。冷却流体排出管２４２は、例えば上述した冷却流体源に接続されており、冷却流体が冷却流体供給管２４０及び冷却流体排出管２４２を介して循環するようになっている。図１１から図１４に示すように、第２の板部材２２０には、開口２２２に隣接して冷却流体供給管２４０を収容する溝２２４と冷却流体排出管２４２を収容する溝２２６とが形成されている。

【0023】

図９及び図１０に示すように、冷却部２３０の内部には、カバー体２３４と第１の板部材２１０の下面２１０Ｂとによって入口空間２３７及び出口空間２３８が形成されている。入口空間２３７は冷却流体供給管２４０に連通しており、出口空間２３８は冷却流体排出管２４２に連通している。また、第１の板部材２１０の下面２１０Ｂに形成されたフィン２３２は互いに平行に延びており、図８に示すように、隣接するフィン２３２とカバー体２３４とによって多数のフィン空間２３９が冷却部２３０の内部に形成されている。これらのフィン空間２３９のそれぞれは入口空間２３７と出口空間２３８に連通している。

【0024】

図示しない冷却流体源からの冷却流体は、冷却流体供給管２４０を通って冷却部２３０の入口空間２３７に供給され、フィン２３２と熱交換を行いながら多数のフィン空間２３９を通過する。フィン空間２３９を通過する間にフィン２３２から熱を吸収した冷却流体は、出口空間２３８から冷却流体排出管２４２を通って外部に排出される。ここで、冷却流体供給管２４０と冷却流体排出管２４２とが冷却部２３０の対角線上の角部の近傍に接続されているため、冷却流体が冷却部２３０の内部空間全体に広がって流れやすくなっており、冷却部２３０における冷却効率が良好となる。

【0025】

このような構成の冷却部２３０を第１の板部材２１０の下方に設けることにより、第１の板部材２１０上に載置された光半導体モジュール１００を冷却することができる。この場合において、冷却を特に必要としている第１の板部材２１０の領域の下方に冷却部２３０を配置することが好ましい。すなわち、本実施形態では、発熱源である光半導体１３０（図３参照）の下方に冷却部２３０が配置されており、発熱源になるべく近いところに冷却部２３０が位置するようになっているため、光半導体モジュール１００を効果的に冷却することができる。

【0026】

以上のように、本実施形態によれば、第２の板部材２２０のヤング率が第１の板部材２１０のヤング率よりも高いため、第２の板部材２２０を比較的薄くしても、光半導体モジュール１００を第１の板部材２１０に取り付ける際に第１の板部材２１０の上面２１０Ａが光半導体モジュール１００の筐体１１０の底面１１０Ａの反りにより変形してしまうことを抑制することができる。すなわち、冷却構造を第１の板部材２１０だけで構成した場合よりも冷却構造２００の合成ヤング率を高めることができるので、第１の板部材２１０だけで構成した場合よりも冷却構造２００全体を薄くしつつ、第１の板部材２１０の変形を抑制することができる。したがって、冷却構造２００全体の重量とコストが低減される。

【0027】

このような構成により、光半導体モジュール１００の筐体１１０の底面１１０Ａを第１の板部材２１０の上面２１０Ａに倣わせて平面とすることができる。したがって、筐体１１０の底面１１０Ａを平面に維持した状態で光半導体モジュール１００内部の光学系１４０を最適な位置に調整することができ、光半導体モジュール１００から十分な出力を得ることが可能となる。

【0028】

また、光半導体モジュール１００を冷却するための冷却部２３０が第２の板部材２２０に形成された開口２２２に収容された状態で第２の板部材２２０が第１の板部材２１０の下方に積層されるので、冷却構造２００全体の厚さの増加を最小限にしつつ、効率的に光半導体モジュール１００を冷却することができる。

【0029】

ここで、第２の板部材２２０の密度を第１の板部材２１０の密度よりも低くすることが好ましい。このように、第２の板部材２２０の密度を第１の板部材２１０の密度よりも低くすれば、第２の板部材２２０の厚さが増加することによる重量の増加を抑えることができるので、全体的に薄くて軽い冷却構造２００を実現することができる。

【0030】

上述した実施形態では、冷却部２３０に冷却流体を供給して冷却対象物を冷却することとしたが、冷却部２３０における冷却方法はこれに限られるものではない。例えば、冷却部２３０の下面を冷熱源に接触させて冷却対象物を冷却することとしてもよい。

【0031】

また、上述した実施形態では、第２の板部材２２０を貫通する開口２２２により冷却部２３０を収容する収容部を構成した例について説明したが、第２の板部材２２０を貫通しない凹部を第２の板部材２２０に形成し、この凹部により収容部を構成してもよい。ただし、第２の板部材２２０を貫通する開口２２２により収容部を構成した場合には、冷却部２３０の下面側にも冷却対象物を取り付けて冷却することも可能となるので、冷却部２３０の上下両側で冷却を行う必要がある場合には、上述した実施形態のように第２の板部材２２０を貫通する開口２２２により収容部を構成することが好ましい。

【0032】

上述した実施形態においては、第１の板部材２１０の上面２１０Ａが高精度の平坦面であるものとして説明したが、筐体１１０の底面１１０Ａを第１の板部材２１０の上面２１０Ａに倣わせることができれば第１の板部材２１０の上面２１０Ａは必ずしも平坦面である必要はない。

【0033】

なお、本明細書において使用した「上面」、「下面」、「底面」、「下方」、「下側」、その他の位置関係を示す用語は、図示した実施形態との関連において使用されているものであって、光半導体モジュール１００及び冷却構造２００の相対的な位置関係によって変化するものであることは理解できよう。

【0034】

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

【符号の説明】

【0035】

１００ 光半導体モジュール（冷却対象物）
１１０ 筐体
１１０Ａ 底面
１２０ 光ファイバ
１３０ 光半導体
１４０ 光学系
２００ 冷却構造
２１０ 第１の板部材
２１０Ａ 上面
２１０Ｂ 下面
２２０ 第２の板部材
２２２ 開口
２２４ 溝
２２６ 溝
２３０ 冷却部
２３２ フィン
２３４ カバー体
２３７ 入口空間
２３８ 出口空間
２３９ フィン空間
２４０ 冷却流体供給管
２４２ 冷却流体排出管

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】