CN108604768A - 半导体激光器装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开的半导体激光器装置(1)具有：散热器(20)、基座(30)、第一电极(60)、绝缘层(70)、半导体激光器元件(40)、连接部(50)以及第二电极(61)。基座(30)设置在散热器(20)的上表面的第一区域(R1)上，且是导电性的。第一电极(60)设置在散热器(20)的上表面且不同于第一区域(R1)的第二区域(R2)上，且是导电性的。第一电极(60)至少与基座(30)的侧面的一部分电连接或者与基座(30)的上表面电连接。

Description

半导体激光器装置及其制造方法
技术领域
本公开涉及半导体激光器装置及其制造方法，尤其涉及具备在散热器上设置的高输出的半导体激光器元件的半导体激光器装置及其制造方法。
背景技术
近年来，对使用了激光的金属加工的需求不断增加，且要求半导体激光器装置的高输出化。
图15是以往的激光二极管元件900的概要结构图。如图15所示，以往的激光二极管元件900具有上电极901、绝缘部902、LD芯片903、基座904、基座905、散热器906以及线907。上电极901以及绝缘部902的层叠体和LD芯片903、基座904以及基座905的层叠体搭载在散热器906上。
LD芯片903的上表面经由线907与上电极901(负电极)连接。而且，LD芯片903的下表面经由基座904以及基座905与正电极(未图示)连接。此外，散热器906是如下构造，即，具有冷却水流过内部的流路，从而提高冷却效率(例如参照专利文献1)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-172141号公报
发明内容
但是，在以往的激光二极管元件900中，负电极侧的电流路径是线907等，且对于正电极侧的电流路径未进行明确记载。这样，若激光二极管元件900的电流路径的电阻高，则流过LD芯片903的电流量被限制。因此，难以实现激光的高输出化。
本公开提供一种半导体激光器装置及其制造方法，所述半导体激光器装置能够大幅度地降低电流路径的电阻以使得大电流能够在半导体激光器元件中流动，并能够输出高输出的激光。
为了解决上述课题，本公开的半导体激光器装置具有散热器、基座、第一电极、绝缘层、半导体激光器元件、连接部以及第二电极。散热器具有冷却介质通过内部的流路，且是绝缘性的。基座设置在散热器的上表面的第一区域上，且是导电性的。第一电极设置在散热器的上表面且不同于第一区域的第二区域上，且是导电性的。绝缘层设置在第一电极上，且是绝缘性的。半导体激光器元件设置在基座的上表面的第三区域上，且输出激光。连接部设置在半导体激光器元件上，且是导电性的。第二电极设置在绝缘层以及连接部上，且是导电性的。而且，第一电极至少与基座的侧面的一部分电连接或者与基座的上表面且不同于第三区域的第四区域电连接。
此外，本公开的半导体激光器装置的制造方法具有第一工序～第六工序。在第一工序中，在具有内部通过冷却介质的流路且是绝缘性的散热器的上表面的第一区域上，设置导电性的基座。在第二工序中，在散热器的上表面且不同于第一区域的第二区域上，设置导电性的第一电极。在第三工序中，在第一电极上，设置绝缘性的绝缘层。在第四工序中，在基座的上表面的第三区域上，设置输出激光的半导体激光器元件。在第五工序中，在半导体激光器元件上，设置导电性的连接部。在第六工序中，在绝缘层以及连接部上，设置导电性的第二电极。进而，在第二工序中，将第一电极设置为至少与基座的侧面的一部分电连接或者与基座的上表面且不同于第三区域的第四区域电连接。
根据本公开的半导体激光器装置以及半导体激光器装置的制造方法，能够大幅度地降低电流路径的电阻以使得大电流能够流过半导体激光器元件，并能够输出高输出的激光。
附图说明
图1是示出实施方式的半导体激光器装置1的概要结构的剖视图。
图2是示出实施方式的半导体激光器装置2的概要结构的剖视图。
图3是示出实施方式的半导体激光器装置3的概要结构的剖视图。
图4是示出实施方式的半导体激光器装置4的概要结构的剖视图。
图5是示出实施方式的半导体激光器装置1的制造方法的剖视图。
图6是示出实施方式的半导体激光器装置1的制造方法的剖视图。
图7是示出实施方式的半导体激光器装置1的制造方法的剖视图。
图8是示出实施方式的半导体激光器装置2的制造方法的剖视图。
图9是示出实施方式的半导体激光器装置3的制造方法的剖视图。
图10是示出实施方式的半导体激光器装置4的制造方法的剖视图。
图11是示出实施方式的半导体激光器装置1的制造方法的剖视图。
图12是示出实施方式的半导体激光器装置1的制造方法的剖视图。
图13是示出实施方式的半导体激光器装置1的制造方法的剖视图。
图14是示出实施方式的半导体激光器装置1的制造方法的剖视图。
图15是以往的激光二极管元件900的概要结构图。
具体实施方式
(实施方式)
使用图1～图4对本实施方式进行说明。图1是示出本实施方式的半导体激光器装置1的概要结构的剖视图。图2是示出本实施方式的半导体激光器装置2的概要结构的剖视图。图3是示出本实施方式的半导体激光器装置3的概要结构的剖视图。图4是示出本实施方式的半导体激光器装置4的概要结构的剖视图。
如图1所示，半导体激光器装置1具有散热器20、基座30、第一电极60、绝缘层70、半导体激光器元件40、连接部50以及第二电极61。散热器20具有冷却介质通过内部的流路24，且是绝缘性的。基座30设置在散热器20的上表面的第一区域R1上，且是导电性的。第一电极60设置在散热器20的上表面、即与第一区域R1不同的第二区域R2上，且是导电性的。绝缘层70设置在第一电极60上，且是绝缘性的。半导体激光器元件40设置在基座30的上表面的第三区域R3上，且输出激光。连接部50设置在半导体激光器元件40上，且是导电性的。第二电极61设置在绝缘层70以及连接部50上，且是导电性的。而且，第一电极60至少与基座30的侧面的一部分或者基座30的上表面、即与第三区域R3不同的第四区域R4电连接。
接下来，对各结构进行具体说明。以下，只要没有特别说明，对于散热器20，将基座30以及第一电极60侧作为上方向进行说明。此外，对于第一电极60，将基座30侧作为右方向进行说明。进而，将与上方向以及右方向正交的方向作为前后方向进行说明。然而，这些方向用于说明，并不规定各半导体激光器装置的使用方向。
散热器20通过使绝缘板21、绝缘板22以及绝缘板23重叠而形成，从而形成冷却介质通过内部的流路24。绝缘板21～23的材料例如为氮化铝(A1N)。氮化铝具有高热传导率，因此散热器20能够有效地对半导体激光器元件40发出的热量进行散热。进而，通过将散热器20的材料设为氮化铝，从而散热器20具有与半导体激光器元件40相近的热膨胀系数，并且，耐腐蚀性也优异。此外，在散热器20的下表面形成有铜(Cu)层10，且在散热器20的上表面形成有铜(Cu)层11(第一导电层)。铜层11使第一电极60以及基座30与散热器20接合。即，第一电极60以及基座30与铜层11直接接触。另外，散热器20的材料不限于氮化铝。散热器20的材料只要是绝缘性的且热传导率高、热膨胀系数与半导体激光器元件40的热膨胀系数相近、并且耐腐蚀性高的材料即可。此外，铜层10以及铜层11不一定是必需的。也可以代替铜层11而使用热传导率高的其他材料。此外，也可以不设置铜层11，而直接将第一电极60以及基座30与散热器20接合。
基座30经由铜层11接合到散热器20的第一区域R1上。基座30的材料例如为铜钨(CuW)。此外，在基座30的上表面，在比设置半导体激光器元件40的第三区域R3大的区域，通过蒸镀形成金锡(AuSn)层31(第二导电层)。金锡层31使半导体激光器元件40与基座30接合。即，半导体激光器元件40与金锡层31直接接触。另外，基座30的材料不限于铜钨。基座30的材料只要是导电性的、热传导率高、且热膨胀系数被调整为在接合后对半导体激光器元件40的变形变小的材料即可。此外，金锡层31不一定是必需的，也可以代替金锡层31而使用导电性的、且热传导率高的材料。此外，也可以不设置金锡层31，而直接将半导体激光器元件40与基座30接合。
半导体激光器元件40经由金锡层31接合到基座30的第三区域R3上。在本实施方式中，对于半导体激光器元件40来说，下表面是正极(+)，上表面是负极(-)，但这些极性也可以相反。半导体激光器元件40通过流过电流来输出激光。在图1中，半导体激光器元件40从半导体激光器元件40的右端向右方向输出激光。流过半导体激光器元件40的电流量越大，半导体激光器元件40所产生的激光的输出越高，但伴随着这种情况，半导体激光器元件40所产生的发热也随之增加。若半导体激光器元件40变为高温，则引起激光的输出的降低、半导体激光器装置1本身的损坏。因此，需要通过散热器20等冷却半导体激光器元件40。此外，半导体激光器元件40可以是仅具有一个发光区域的元件，也可以是具有在前后方向上排列的多个发光区域的激光条。
连接部50形成在半导体激光器元件40上，且与半导体激光器元件40的上表面的负极连接。连接部50例如是使将金(Au)作为材料的线熔融而形成的金凸块。因为金比其他的金属柔软，所以在连接半导体激光器元件40和第二电极61时，连接部50变形。因此，能够在半导体激光器元件40和第二电极61之间获得良好的电连接。另外，连接部50的材料不限于金。连接部50的材料只要是导电性的、且能够确保半导体激光器元件40的上表面和第二电极61的电连接的材料即可。此外，如图1所示，也可以在连接部50和第二电极61之间设置金箔51(第三导电层)。即，连接部50以及第二电极61与金箔51直接接触。由此，连接部50和第二电极61之间的电连接进一步提高。也可以代替金箔51，而使用金以外的导电性的材料。此外，在连接部50和第二电极61之间，既可以设置两片以上的金箔51，也可以不设置金箔51。
第一电极60的至少一部分经由铜层11接合到散热器20的第二区域R2上。第一电极60的材料例如为铜(Cu)。此外，在第一电极60的上表面，设置有绝缘层70。绝缘层70确保第一电极60和第二电极61之间的绝缘性。另外，第一电极60的材料不限于铜，只要是导电性的材料即可。
进而，如图1所示，第一电极60还与基座30的侧面的一部分以及基座30的上表面、即与第三区域R3不同的第四区域R4接触直接。由此，能够大幅度地降低第一电极60和半导体激光器元件40的正极的电连接电阻。因此，大的电流能够流过半导体激光器元件40。此外，第一电极60和基座30之间的连接中所说的“直接接触”的状态是指，如图1所示，包括直接接触的状态和之间经由薄的导电层、薄的导电膜(未图示)而接触的状态这两者。通过以上的结构，第一电极60与半导体激光器元件40的下表面即正极电连接。
第二电极61设置在连接部50以及绝缘层70上，且与连接部50电连接。在本实施方式中，第二电极61经由金箔51与连接部50接触，但也可以不经由金箔51与连接部50接触。通过以上的结构，第二电极61与半导体激光器元件40的上表面即负极电连接。
而且，如图1所示，能够在第一电极60以及第二电极61安装用于将布线固定在各电极的螺栓80以及螺栓81。
另外，如图2所示，在半导体激光器装置2中，第一电极60与基座30的侧面的一部分直接接触，且不与第四区域直接接触。
进而，如图3所示，在半导体激光器装置3中，第一电极60与基座30的上表面的第四区域R4直接接触，且不与基座30的侧面直接接触。
进而，如图4所示，在半导体激光器装置4中，第一电极60经由布线构件52与基座的上表面的第四区域R4电连接。布线构件52例如是将铜作为材料的板簧。
半导体激光器装置1具有最高的连接电阻降低的效果。此外，即使是半导体激光器装置2、半导体激光器装置3或者半导体激光器装置4，也具有连接电阻降低的效果。另外，针对半导体激光器装置2、3、4，对于与半导体激光器装置1同样的结构，标注同样的附图标记，并省略说明。
在本实施方式中，“直接接触”的状态是指包含经由薄的导电层、薄的导电膜接触的状态。“不直接接触”的状态是指包含经由导电层、导电膜以外的绝缘性的构件接触的状态。
如上所述，在本实施方式的半导体激光器装置1中，第一电极60与基座30的侧面的一部分以及第四区域R4中的一者或两者电连接。因此，半导体激光器装置1能够大幅度地降低电流路径的电阻，且输出高输出的激光。
接下来，使用图5～图14对本实施方式的半导体激光器装置1～4的制造方法进行说明。然而，以下说明中的工序的顺序是一个例子，且不限制各半导体激光器装置的制造方法。
图5～图14是示出本实施方式的半导体激光器装置的制造方法的剖视图。另外，对于与图1同样的结构，标注同样的附图标记，并省略说明。
如图5所示，层叠绝缘板21～23，形成具有冷却介质通过内部的流路24的散热器20。在散热器20的上表面形成铜层11，且在散热器20的下表面形成铜层10。铜层10以及铜层11的形成方法例如为铜膜的贴附。另外，铜层10以及铜层11也可以不必形成。
接下来，如图6所示，在散热器20的上表面的第一区域R1上，设置导电性的基座30(第一工序)。此时，如果形成了铜层11，则散热器20和基座30经由铜层11接合。
接下来，如图7所示，在散热器20的上表面上的、与第一区域R不同的第二区域R2上，设置导电性的第一电极60(第二工序)。此时，如果形成了铜层11，则散热器20和第一电极60经由铜层11接合。此时，将第一电极60设置为与基座30的侧面的一部分以及基座30的上表面即第四区域R4电连接。即，将第一电极60设置为与基座30的侧面的一部分以及作为基座30的上表面的第四区域R4直接接触。
另外，此时，如图8所示，若将第一电极60设置为仅与基座30的侧面的一部分直接接触，则最终制造出图2的半导体激光器装置2。
此外，此时，如图9所示，若将第一电极60设置为仅与作为基座30的上表面的第四区域R4直接接触，则最终制造出图3的半导体激光器装置3。
此外，此时，如图10所示，若将第一电极60设置为经由布线构件52与作为基座30的上表面的第四区域R4电连接，则最终制造出图4的半导体激光器装置4。
以下，将半导体激光器装置1作为例子进行说明。
接下来，如图11所示，在第一电极60上设置绝缘性的绝缘层70(第三工序)。例如，能够通过将热传导率高的绝缘片贴附在第一电极60上，来设置绝缘层70。
接下来，如图12所示，在基座30的上表面的第三区域R3上，设置输出激光的半导体激光器元件40(第四工序)。另外，在设置半导体激光器元件40之前，也可以在比第三区域R3大的区域，预先蒸镀金锡层31。
接下来，如图13所示，在半导体激光器元件40上，设置导电性的连接部50(第五工序)。例如，能够通过熔融金线，来设置连接部50。连接部50的数量能够通过连接部50的大小、半导体激光器元件40的大小来任意确定。
接下来，如图14所示，在绝缘层70以及连接部50上设置导电性的第二电极61(第六工序)。另外，在设置第二电极61之前，也可以将金箔51插入在连接部50和第二电极61之间。
而且，通过在第一电极60以及第二电极61安装用于固定布线的螺栓80以及螺栓81，从而制造图1的半导体激光器装置1。
如上所述，根据本实施方式的半导体激光器装置的制造方法，第一电极60与基座30的侧面的一部分以及第四区域R4中的一个或两个电连接。因此，能够制造出能够大幅度地降低电流路径的电阻并输出高输出的激光半导体激光器装置1。
另外，在本实施方式中，对于第一电极60和基座30的侧面的连接，不限于与基座30的侧面的一部分的连接，也可以是与基座30的整个侧面的连接。
此外，在本实施方式中，在将各导电构件相互连接时，也可以将薄的导电性的金属层、薄的导电性的金属膜作为粘结剂经由其来连接各导电构件。如果经由薄的导电性的金属层、薄的导电性的金属膜连接，则对于连接状态，使用表述“直接接触”。
[工业实用性]
根据本公开的半导体激光器装置以及半导体激光器装置的制造方法，能够大幅度地降低电流路径的电阻以使得大电流能够流过半导体激光器元件，并能够输出高输出的激光。因此，本公开的半导体激光器装置以及半导体激光器装置的制造方法在产业上有用。
附图标记说明
1、2、3、4 半导体激光器装置；
10 铜层；
11 铜层(第一导电层)；
20 散热器；
21～23 绝缘板；
24 流路；
30 基座；
31 金锡层(第二导电层)；
40 半导体激光器元件；
50 连接部；
51 金箔(第三导电层)；
52 布线构件；
60 第一电极；
61 第二电极；
70 绝缘层；
80、81 螺栓；
900 激光二极管元件；
901 上电极；
902 绝缘部；
903 LD芯片；
904、905 基座；
906 散热器；
907 线；
R1 第一区域；
R2 第二区域；
R3 第三区域；
R4 第四区域。

Claims (9)

1.一种半导体激光器装置，具备：
绝缘性的散热器，具有在内部通过冷却介质的流路；
导电性的基座，设置在所述散热器的上表面的第一区域上；
导电性的第一电极，设置在所述散热器的上表面且不同于所述第一区域的第二区域上；
绝缘性的绝缘层，设置在所述第一电极上；
半导体激光器元件，设置在所述基座的上表面的第三区域上，且输出激光；
导电性的连接部，设置在所述半导体激光器元件上；以及
导电性的第二电极，设置在所述绝缘层以及所述连接部上，
所述第一电极至少与所述基座的侧面的一部分电连接或者与所述基座的上表面且不同于所述第三区域的第四区域电连接。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器装置，其中，
所述半导体激光器装置还具备在所述散热器的上表面形成的第一导电层，
所述第一电极以及所述基座与所述第一导电层直接接触。
3.根据权利要求1或2所述的半导体激光器装置，其中，
所述半导体激光器装置还具备在所述基座的上表面的所述第三区域形成的第二导电层，
所述半导体激光器元件与所述第二导电层直接接触。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的半导体激光器装置，其中，
所述半导体激光器装置还具备在所述连接部和所述第二电极之间设置的第三导电层，
所述连接部以及所述第二电极与所述第三导电层直接接触。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的半导体激光器装置，其中，
所述第一电极通过与所述基座的侧面的一部分以及所述第四区域直接接触，从而与所述基座电连接。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的半导体激光器装置，其中，
所述第一电极通过与所述基座的侧面的一部分直接接触，从而与所述基座电连接，不与所述第四区域直接接触。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的半导体激光器装置，其中，
所述第一电极通过与所述第四区域直接接触，从而与所述基座电连接，不与所述基座的侧面直接接触。
8.根据权利要求1至4中的任一项所述的半导体激光器装置，其中，
所述第一电极经由布线材料与所述第四区域电连接。
9.一种半导体激光器装置的制造方法，具备：
第一工序，在绝缘性的散热器的上表面的第一区域上设置导电性的基座，该散热器具有内部通过冷却介质的流路；
第二工序，在所述散热器的上表面且不同于所述第一区域的第二区域上设置导电性的第一电极；
第三工序，在所述第一电极上设置绝缘性的绝缘层；
第四工序，在所述基座的上表面的第三区域上设置输出激光的半导体激光器元件；
第五工序，在所述半导体激光器元件上设置导电性的连接部；以及
第六工序，在所述绝缘层以及所述连接部上设置导电性的第二电极，
在所述第二工序中，将所述第一电极设置为至少与所述基座的侧面的一部分电连接或者与所述基座的上表面且不同于所述第三区域的第四区域电连接。
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