CH709688A2 - Support de laser pour la fixation d'un laser à semiconducteur, et montage d'un élément laser dans un tel support. - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un procédé de montage d’un élément laser à semiconducteur dans un support de laser (1), comportant les étapes suivantes: fournir un support de laser (1) comportant un corps (2) métallique muni d’un logement (20) sensiblement cylindrique et comportant une extrémité frontale munie d’une première ouverture de passage du faisceau laser produit par ledit élément laser, ainsi qu’une extrémité arrière (22) munie d’une deuxième ouverture pour l’introduction dudit élément laser (3), ledit corps (2) étant traversé par un premier groupe de fenêtres (51, 52) disposées radialement dans un premier plan (P1) perpendiculaire à l’axe (23) dudit logement (20), l’espace angulaire entre lesdites fenêtres (51, 52) étant régulier, insérer ledit élément laser à semiconducteur dans ledit logement (20); insérer une colle de fixation dudit élément laser à semiconducteur dans lesdites fenêtres (51, 52); durcir simultanément la colle dans lesdites fenêtres (51, 52) au moyen de lumière ultraviolet pénétrant simultanément dans lesdites fenêtres (51, 52). L’invention concerne également un support de laser et un module de projection.

Description

Domaine technique

[0001] La présente invention concerne un support de laser pour fixer un laser à semiconducteur dans un dispositif, et le montage d’un élément laser dans un support.

Etat de la technique

[0002] Les éléments laser à semiconducteur comportent généralement un boîtier métallique et une fenêtre par laquelle le faisceau laser est émis. Des bornes de contact électriques permettent de les souder sur un circuit imprimé PCB et de les raccorder électriquement à un circuit électronique alimentant le laser. Cependant, la fixation par soudage des broches ne permet pas de contrôler avec précision la direction dans laquelle le faisceau laser est émis.

[0003] Il existe pourtant de nombreuses applications, notamment dans les têtes de lecture de disques optiques ou dans les microprojecteurs à laser, pour lesquelles il est nécessaire d’émettre le faisceau dans une direction précise. Dans ce but, on emploie fréquemment des supports de laser qui permettent de maintenir et d’aligner l’élément laser à semiconducteur par sa périphérie. Un exemple d’un tel support est décrit dans le document EP2453534.

[0004] Les lasers à semiconducteurs émettent une chaleur relativement importante qu’il est nécessaire d’évacuer afin de garder des variations de longueur d’onde émise ou des déplacements du faisceau provoquées par les dilatations. Les supports de laser connus ont donc également pour but d’aider évacuer cette chaleur, notamment en augmentant la surface d’échange thermique autour du laser.

[0005] Les éléments laser à semiconducteur peuvent être chassés, vissés ou collés dans leur support. Quel que soit le mode de fixation prévu, il est cependant crucial de garantir le centrage parfait de l’élément laser dans son logement.

[0006] Un but de la présente invention est donc de proposer un nouveau type de support de laser.

[0007] Un but de la présente invention est aussi de proposer un nouveau procédé de montage d’un élément laser à semiconducteur dans un support de laser.

[0008] En particulier, un but est aussi de proposer un support de laser qui permette d’évacuer efficacement la chaleur.

[0009] Un autre but est de proposer un procédé de montage facile de l’élément laser dans le support.

[0010] Un autre but est de proposer un procédé de montage de l’élément laser dans le support qui assure un centrage précis et reproductible de l’élément laser.

[0011] Un autre but est de proposer un support de laser qui permette d’ajuster la position et l’orientation de l’élément laser dans le support.

Bref résumé de l’invention

[0012] Selon l’invention, ces buts sont atteints notamment au moyen d’un procédé de montage d’un élément laser à semiconducteur dans un support de laser, comportant les étapes suivantes: fournir un support de laser comportant un corps métallique muni d’un logement sensiblement cylindrique et comportant une extrémité frontale munie d’une première ouverture de passage du faisceau laser produit par ledit élément laser, ainsi qu’une extrémité arrière munie d’une deuxième ouverture pour l’introduction dudit élément laser, ledit corps étant traversé par un premier groupe de fenêtres disposées radialement dans un premier plan perpendiculaire à l’axe dudit logement, l’espace angulaire entre lesdites fenêtres étant régulier, insérer ledit élément laser à semiconducteur dans ledit logement (20); insérer une colle de fixation dudit élément laser à semiconducteur dans lesdites fenêtres; durcir simultanément la colle dans lesdites fenêtres au moyen de lumière ultraviolet pénétrant simultanément dans lesdites fenêtres.

[0013] Ce procédé offre l’avantage d’un maintien de l’élément semiconducteur par plusieurs points de colle répartis symétriquement autour de l’axe du logement. Les tensions appliquées par la colle sont donc réparties symétriquement autour de l’élément semiconducteur, ce qui est favorable au centrage.

[0014] En outre, les différents points de collage sont durcis simultanément au moyen de lumière ultraviolet introduite simultanément par les différentes fenêtres. On évite ainsi le risque du durcissement d’un des points de colle avant le centrage parfait de l’élément à semiconducteur; les modifications de volume et de dureté de la colle pendant le durcissement s’appliquent de façon symétrique depuis les différentes fenêtres, en sorte que la résultante des efforts appliquées sur l’élément semiconducteur en raison du durcissement est nulle.

[0015] Après durcissement de la colle et lors de l’utilisation de l’élément laser à semiconducteur, cet arrangement permet en outre une diffusion symétrique et homogène de la chaleur émise, en évitant le risque de déformation occasionné par des différences de température le long de la périphérie du support de laser.

[0016] Le premier groupe de fenêtre est avantageusement constitué de deux fenêtres disposées symétriquement dans le premier plan par rapport au dit axe. La présence de deux fenêtres seulement permet de minimiser le nombre de points de colle et le nombre de points d’insertion de lumière ultraviolet, tout en permettant malgré tout un collage symétrique.

[0017] Un nombre de fenêtres dans le premier groupe différent de deux peut cependant être utilisé, par exemple trois fenêtres à 120° les unes des autres, ou quatre fenêtres à 90° les unes des autres.

[0018] Le corps peut être traversé par un deuxième groupe de fenêtres disposées radialement dans un deuxième plan parallèle au premier plan, l’espace angulaire entre lesdites fenêtres du deuxième groupe étant régulier. Le procédé peut alors comporter une étape d’insertion de colle dans les fenêtres du deuxième groupe et le durcissement simultané de la colle dans toutes les fenêtres du premier et du deuxième groupe.

[0019] Les fenêtres du deuxième groupe peuvent être utilisées pour maintenir plus efficacement l’élément semiconducteur en le collant sur un autre plan. Avantageusement, ces fenêtres du deuxième groupe sont utilisées pour coller une lentille traversée par la lumière de l’élément semiconducteur et montée dans le support.

[0020] Le deuxième groupe peut être constitué de deux fenêtres dans le deuxième plan et disposées symétriquement par rapport au dit axe. Un nombre de fenêtre différents peut être prévu.

[0021] Le nombre de fenêtres du premier et du deuxième groupe peut être égal ou différent. Avantageusement, les fenêtres du premier groupe sont alignées avec et en nombre égal aux fenêtres du deuxième groupe.

[0022] Les fenêtres peuvent comporter une première portion cylindrique.

[0023] Les fenêtres peuvent comporter une première portion cylindrique externe et une deuxième portion interne. La section de la deuxième portion cylindrique peut être plus grande que la section de la première portion cylindrique, ce qui permet d’augmenter la surface de contact entre la colle et l’élément laser à semiconducteur ou entre la colle et la lentille.

[0024] Le procédé peut comporter le remplissage de la deuxième portion interne avec ladite colle.

[0025] La lumière peut parvenir dans la deuxième portion par réflexion de la lumière ultraviolet contre les parois desdites fenêtres.

[0026] Une portion de la lumière ultraviolet peut être réfléchie contre les parois de l’élément à laser semiconducteur avant d’agir dans la colle.

[0027] Une portion de la lumière ultraviolet peut être réfléchie contre les parois de la lentille avant d’agir dans la colle.

[0028] Une portion de la lumière ultraviolet peut traverser la lentille avant d’agir dans la colle.

[0029] L’élément laser à semiconducteur peut être chassé à l’intérieur du logement. Cela permet un contact thermique optimal et donc une évacuation efficace de la chaleur produite. Cela permet en outre un centrage précis de l’élément laser à semiconducteur.

[0030] Le diamètre externe des éléments lasers à semiconducteur n’étant pas toujours garanti avec des tolérances étroites, il est aussi possible de prévoir un léger jeu entre l’élément laser et le support. Dans ce cas, la colle peut se glisser dans ce jeu, et contribuer à déterminer le centrage.

[0031] Une lentille peut être introduite dans le logement du corps.

[0032] Plusieurs, par exemple trois, supports de laser de longueur d’onde différentes peuvent être insérés dans un module métallique muni d’ouvertures en regard d’au moins certaines desdites fenêtres.

[0033] Les buts ci-dessus sont aussi obtenus au moyen d’un support de laser monté selon le procédé ci-dessus et comportant un corps métallique muni d’un logement sensiblement cylindrique pour y loger un élément laser à semiconducteur; ledit corps comportant une extrémité frontale munie d’une première ouverture de passage du faisceau laser produit par ledit élément laser, et une extrémité arrière munie d’une deuxième ouverture pour l’introduction dudit élément laser, ledit corps étant traversé par un premier groupe de fenêtres disposées radialement dans un premier plan perpendiculaire à l’axe dudit logement, l’espace angulaire entre lesdites fenêtres étant régulier, lesdites fenêtres étant au moins partiellement remplies de colle de fixation dudit élément laser à semiconducteur.

Brève description des figures

[0034] Des exemples de mise en œuvre de l’invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles: <tb>La fig. 1<SEP>illustre une première perspective d’un exemple de support de laser selon un mode de réalisation de l’invention. <tb>La fig. 2<SEP>illustre une deuxième perspective d’un exemple de support de laser selon un mode de réalisation de l’invention. <tb>La fig. 3<SEP>illustre une deuxième perspective d’un exemple de support de laser selon un mode de réalisation de l’invention. <tb>La fig. 4<SEP>illustre une première perspective d’un exemple de support de laser avec le laser monté, selon un mode de réalisation de l’invention. <tb>La fig. 5<SEP>illustre une deuxième perspective d’un exemple de support de laser avec le laser monté, selon un mode de réalisation de l’invention. <tb>La fig. 6<SEP>illustre une coupe transversale d’un support de laser avec le laser monté, selon un premier mode de réalisation de l’invention. <tb>La fig. 7<SEP>illustre une coupe transversale d’un support de laser avec le laser monté, selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. <tb>La fig. 8<SEP>illustre une vue en perspective d’un module dans lequel trois lasers sont montés chacun dans son support de laser, selon un mode de réalisation de l’invention.

Exemple(s) de mode de réalisation de l’invention

[0035] Un exemple de support de laser 1 selon un mode de réalisation de l’invention est illustré sur les fig. 1 à 5 , le support étant équipé de son élément laser à semiconducteur 3 sur les fig. 4 et 5 . L’élément laser 3 peut par exemple être une puce laser semiconducteur, par exemple une puce laser de type diode laser ou VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting laser) encapsulée dans un boîtier transistor outline (TO) CAN de type TO-3.8 mm ou TO-5,6 mm.

[0036] Le support de laser 1 comporte essentiellement un corps métallique 2, par exemple un corps en acier, de forme sensiblement cylindrique. Il peut être produit par un procédé de moulage sous pression (die casting) afin d’assurer une précision de forme élevée; un usinage haute précision est aussi possible. Une des extrémités du corps 2 se termine en portion de cône tronqué 25 définissant une extrémité frontale 21 perpendiculaire à l’axe de symétrie longitudinal 23 du corps. Une ouverture 210, par exemple une ouverture circulaire, est percée à travers cette extrémité frontale 21 et permet au faisceau laser produit par l’élément laser 3 de quitter le support. Le diamètre de l’ouverture 210 est de préférence inférieur au diamètre du faisceau laser émis par l’élément laser; l’ouverture agit ainsi comme un trou d’épingle, ou sténopé, et détermine la forme et la section du faisceau laser émis.

[0037] Un logement 20 est prévu à l’intérieur du corps 2 pour y loger l’élément laser à semiconducteur 3. Dans ce mode de réalisation, le logement est de forme essentiellement cylindrique, à l’exception de la portion avant qui se termine en portion de cône correspondant sensiblement au cône externe 25.

[0038] Le diamètre du logement 20 permet d’y insérer, par exemple d’y chasser un élément TO-3.8 mm ou TO-5.6 mm Un contact direct est ainsi assuré entre les parois externes de l’élément laser 3 et le support 2, permettant une évacuation efficace de la chaleur produite par la diode laser 3.

[0039] Dans un autre mode de réalisation, compatible avec des éléments laser de diamètre externe variable selon les tolérances de fabrication, l’élément laser est inséré dans le logement 20 avec un léger jeu 211. Dans ce cas, la colle 24 se glisse dans ce jeu et contribue au maintien centré de l’élément laser 3. La colle 24 est de préférence une colle choisie pour sa bonne conductivité thermique, par exemple une colle ayant des particules conductrices thermiques dans sa composition, par exemple une colle époxy avec des particules d’argent ou une colle ayant des nanotubes de carbone ou une colle d’argent et chlorure d’argent, ou une colle à base de carbone.

[0040] Après l’insertion et le collage de l’élément laser 3 dans le logement 20, de la colle peut aussi être introduite par l’arrière dans le logement 20 afin de remplir au moins une partie de l’interstice éventuel à l’arrière du logement, et du jeu 211, et d’améliorer ainsi le transfert thermique entre l’élément laser et le support 2.

[0041] Le support de laser 1 comporte un premier groupe de fenêtres constitué dans cet exemple par les deux fenêtres 51, 52. Le centre de toutes les fenêtres de ce groupe se trouve dans un même plan P1 perpendiculaire à l’axe de symétrie 23 du logement 20 et du support 1. Les fenêtres sont réparties à distance angulaire entre elles autour de l’axe 23; dans le cas illustré d’un groupe avec deux fenêtres, la distance angulaire entre les fenêtres 51 et 52 est donc de 180°. Dans le cas général d’un groupe avec N fenêtres, la distance angulaire entre fenêtres adjacentes est de 3607N. Cet arrangement permet d’assurer des points de collage répartis symétriquement autour de l’axe 23, et donc d’éviter des déplacements du laser 3 dans son support en raison de tensions exercées par la colle 24 notamment lors de son durcissement. L’utilisation de deux fenêtres est cependant suffisante pour assurer une répartition symétrique et permet de réduire le temps et le coût de collage.

[0042] Les fenêtres 51, 52 du premier groupe permettent de coller l’élément laser à semiconducteur 3 dans son support 2 au moyen de colle 24 insérée par chaque fenêtre, comme illustré sur la vue en coupe de la fig. 6 . La colle 24 est insérée à tour de rôle, ou simultanément, dans chacune des deux fenêtres 51, puis 52, avant d’être durcie simultanément au moyen de lumière ultraviolet introduite simultanément par les deux fenêtres 51 et 52 afin de produire un durcissement simultané de la colle dans toutes les fenêtres.

[0043] Chaque fenêtre comporte une section circulaire dans une portion cylindrique 60. Dans le mode de réalisation de la fig. 7 , les deux fenêtres comportent une première portion cylindrique externe 60 et une deuxième portion interne 61, qui peut être cylindrique également. La section de la deuxième portion cylindrique 61 est plus grande que la section de la première portion cylindrique 60 afin d’augmenter la surface de contact entre la colle 24 et l’élément laser 3.

[0044] La lumière ultraviolet pénétrant dans les fenêtres 51, 52 par leur portion externe 60 est réfléchie contre les parois latérales réfléchissantes de la fenêtre, et éventuellement contre les parois réfléchissantes de l’élément laser 3, afin d’irradier tout le volume de la colle 24, y compris le volume dans la portion interne 61.

[0045] Un deuxième groupe de fenêtres 53, 54 peut être prévu dans un deuxième plan P2 parallèle au plan P1. Le nombre de fenêtres dans le deuxième plan P2 peut être égal ou différent du nombre de fenêtres dans le premier plan P1. Dans un mode de réalisation avantageux, les fenêtres des deux groupes sont alignées. La section des fenêtres du deuxième groupe peut être identique ou différente de celles du premier groupe, et par exemple comprendre une portion 60, ou deux portions 60, 61 comme illustré sur les coupes des fig. 6 et 7 .

[0046] Le deuxième groupe de fenêtres 53, 54 peut être utilisé pour coller une autre portion de l’élément laser à semiconducteur 3. Avantageusement, il est utilisé pour coller une lentille (non représentée) qui peut être montée entre l’élément laser 3 et l’ouverture 210.

[0047] La fig. 8 illustre un module de projection 7 comportant trois supports de laser 1 selon l’invention. Les trois lasers peuvent être équipés de trois lasers de longueur d’onde différentes, par exemple 640nm pour le rouge, 520nm pour le vert et 460nm pour le bleu, afin de collaborer avec un combineur de faisceau pour produire un faisceau de lumière laser de longueur d’onde contrôlable en variant la proportion des trois couleurs. Un tel module est par exemple utilisé en combinaison avec des miroirs orientables dans des microprojecteurs d’images, des lunettes de projection rétinales, des head-mounted display ou des head-up displays par exemple. Les supports lasers sont par exemple logés côte-à-côte dans trois logements 71 du module 7, et fixés au moyen de colle thermique et/ou ultraviolet à bonne conductivité thermique répartie sur la circonférence des supports 2 et/ou insérée dans des ouvertures 70 au travers des parois du module 7. Le module 7 peut être métallique pour favoriser l’évacuation de chaleur.

Numéros de référence employés sur les figures

[0048] <tb>1<SEP>Support de laser <tb>2<SEP>Corps <tb>20<SEP>Logement <tb>21<SEP>Extrémité frontale <tb>210<SEP>Ouverture de passage du faisceau laser <tb>211<SEP>Jeu entre le logement 20 et l’élément laser 3 <tb>22<SEP>Extrémité arrière <tb>220<SEP>Ouverture pour l’introduction de l’élément laser <tb>23<SEP>Axe longitudinal du logement <tb>24<SEP>Colle <tb>25<SEP>Portion de cône <tb>3<SEP>Elément laser à semiconducteur <tb>51<SEP>Première fenêtre du premier groupe de fenêtres <tb>52<SEP>Deuxième fenêtre du premier groupe de fenêtres <tb>53<SEP>Première fenêtre du deuxième groupe de fenêtres <tb>54<SEP>Deuxième fenêtre du deuxième groupe de fenêtres <tb>60<SEP>Première portion des fenêtres <tb>61<SEP>Deuxième portion des fenêtres <tb>7<SEP>Module de projection <tb>70<SEP>Ouvertures <tb>71<SEP>Logements

Claims (15)

1. Un procédé de montage d’un élément laser à semiconducteur (3) dans un support de laser (1), comportant les étapes suivantes: fournir un support de laser (1) comportant un corps (2) métallique muni d’un logement (20) sensiblement cylindrique et comportant une extrémité frontale (21) munie d’une première ouverture (210) de passage du faisceau laser produit par ledit élément laser, ainsi qu’une extrémité arrière (22) munie d’une deuxième ouverture (220) pour l’introduction dudit élément laser (3), ledit corps (2) étant traversé par un premier groupe de fenêtres (51, 52) disposées radialement dans un premier plan (P1) perpendiculaire à l’axe (23) dudit logement (20), l’espace angulaire entre lesdites fenêtres (51, 52) étant régulier, insérer ledit élément laser à semiconducteur (3) dans ledit logement (20); insérer une colle (24) de fixation dudit élément laser à semiconducteur (3) dans lesdites fenêtres (51, 52); durcir simultanément la colle dans lesdites fenêtres (51, 52) au moyen de lumière ultraviolet pénétrant simultanément dans lesdites fenêtres (51, 52).

2. Procédé selon la revendication 1, ledit premier groupe étant constitué de deux dites fenêtres (51, 52) dans ledit premier plan (P1), les deux dites fenêtres (51, 52) étant disposées symétriquement par rapport au dit axe (23).

3. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, ledit corps (2) étant traversé par un deuxième groupe de fenêtres (53, 54) disposées radialement dans un deuxième plan (P1) parallèle au premier plan (P1), l’espace angulaire entre lesdites fenêtres (53, 54) du deuxième groupe étant régulier, le procédé comportant une étape d’insertion de colle dans les fenêtres du deuxième groupe (53, 54), et le durcissement simultané de la colle dans toutes les fenêtres (51–54) du premier et du deuxième groupe.

4. Procédé selon la revendication 3, ledit deuxième groupe comportant deux dites fenêtres (53, 54) dans ledit deuxième plan (P2) et disposées symétriquement par rapport au dit axe (23).

5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, lesdites fenêtres comportant une première portion cylindrique externe (60) et une deuxième portion interne (61), la section de la deuxième portion cylindrique étant plus grand que la section de la première portion cylindrique, le procédé comportant le remplissage de ladite deuxième portion interne (61) avec ladite colle (24), et le durcissement de la colle dans ladite deuxième portion par réflexion de la lumière ultraviolet contre les parois desdites fenêtres.

6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, l’insertion dudit élément laser à semiconducteur (3) comportant l’insertion de cet élément laser (3) avec un jeu (211) à l’intérieur dudit logement (20), et le maintien centré de cet élément laser (3) dans le logement grâce à la colle.

7. Procédé selon l’une des revendications 3 à 6, comportant l’introduction d’une lentille dans ledit corps (2), et le collage de ladite lentille au moyen de colle introduite au travers dudit deuxième groupe de fenêtres (53,54).

8. Procédé selon la revendication 7, comportant le durcissement de ladite colle (24) au moyen de lumière ultraviolet dont au moins une partie traverse ladite lentille.

9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, comportant l’insertion de trois dits supports de laser (1) de couleur différentes côte à côte dans trois logements d’un module de projection (7).

10. Support de laser monté selon le procédé d’une des revendications 1 à 9, et comportant un corps (2) métallique muni d’un logement (20) sensiblement cylindrique pour y loger un élément laser à semiconducteur (3); ledit corps (2) comportant une extrémité frontale (21) munie d’une première ouverture (210) de passage du faisceau laser produit par ledit élément laser, et une extrémité arrière (22) munie d’une deuxième ouverture (220) pour l’introduction dudit élément laser (3), caractérisé en ce que ledit corps (2) est traversé par un premier groupe de fenêtres (51, 52) disposées radialement dans un premier plan (P1) perpendiculaire à l’axe (23) dudit logement (20), l’espace angulaire entre lesdites fenêtres (51, 52) étant régulier, lesdites fenêtres (51, 52) étant au moins partiellement remplies de colle (24) de fixation dudit élément laser à semiconducteur (3).

11. Support de laser selon la revendication 10, comportant un deuxième groupe de fenêtres (53, 54) disposées radialement dans un deuxième plan (P1) parallèle au premier plan (P1) et espacées symétriquement par rapport au dit axe (23), l’espace angulaire entre lesdites fenêtres (53, 54) du deuxième groupe étant régulier.

12. Support de laser selon l’une des revendications 10 à 11, lesdites fenêtres comportant une première portion cylindrique externe (60) et une deuxième portion interne (61), la section de la deuxième portion cylindrique étant plus grande que la section de la première portion cylindrique.

13. Support de laser selon l’une des revendications 10 à 12, comportant une lentille en regard des fenêtres (53, 54) d’un desdits groupes.

14. Support de laser selon l’une des revendications 10 à 13, le diamètre de ladite ouverture (210) étant inférieur au diamètre du faisceau laser à l’entrée de ladite ouverture.

15. Module de projection (7) muni de trois logements (71) pour y loger côte-à-côte trois supports de laser selon l’une des revendications 10 à 14, les parois du module étant munies d’ouvertures (70) de fixation desdits supports de laser (1).