CN108847571A - 半导体激光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于提供一种具有稳定的散热性的半导体激光装置。半导体激光装置(100)具备半导体激光元件(10)、载置半导体激光元件(10)的载置体(30)、与载置体(30)连接的基体(40)。基体(40)具有与载置体(30)嵌合的凹部和将凹部的底部的一部分贯通的贯通部。在此，凹部的底部中的除了贯通部之外的剩余部分的厚度为基体(40)的最大厚度的一半以下。载置体(30)的最下表面通过隔着剩余部分而从基体(40)的最下表面分离。

Description

半导体激光装置
本申请是申请号为201310019591.2、申请日为2013年1月18日、发明名称为半导体激光装置的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及半导体激光装置。
背景技术
作为现有技术，已知有一种将载置有“半导体激光元件”的“热沉(heat sink)”(相当于本说明书的“载置体”)嵌入到在“母体”(相当于本说明书的“基体”)上所形成的贯通部中的半导体激光装置(例如专利文献1)。在引用文献1中记载有如下情况：通过使“热沉”在“母体”的背侧露出，能够使“热沉”与“外部的热沉”直接连接，因此使散热性得以提高(参照引用文献1的段落10)。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开平6-302912号公报
但是，以使载置体的最下表面与基体的最下表面一致的方式将两者连接实际上较为困难。这是由于，虽然将载置体和基体使用焊料等并进行加热而连接，但因两者的热膨胀系数之差，而载置体的最下表面与基体的最下表面容易错动。因此，若能够使载置体的最下表面与基体的最下表面一致，则能够得到优良的散热性，但当两者的最下表面错动时，散热性会极端变差，从而存在无法得到稳定的散热性这样的问题。
发明内容
一方面涉及的半导体激光装置具备半导体激光元件、载置半导体激光元件的载置体、以及与载置体连接的基体。基体具有与载置体嵌合的凹部和将凹部的底部的一部分贯通的贯通部。在此，凹部的底部中的除了贯通部之外的剩余部分的厚度为基体的最大厚度的一半以下。载置体的最下表面通过隔着剩余部分而从基体的最下表面分离。
附图说明
图1是一实施方式涉及的半导体激光装置的剖面图。
图2是一实施方式涉及的半导体激光装置中使用的基体的剖面图。
图3是一实施方式涉及的半导体激光装置的俯视图。
图4是一实施方式涉及的半导体激光装置的侧视图。
图5是另一实施方式涉及的半导体激光装置的俯视图。
【符号说明】
100、200···半导体激光装置
10···半导体激光元件
20···夹设体
30···载置体
40···基体
40a···凹部
40b···贯通部
50-1···第一引线(リード)端子
50-2···第二引线端子
60-1···第一金属线
60-2···第二金属线
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明涉及的实施方式进行说明。但是，以下所示的实施方式是用于使本发明的技术思想具体化的例示，没有将本发明限定为以下的实施方式。另外，各附图中所示的构件的位置、大小等存在为了使说明明确而夸张的情况。
图1中示出本实施方式涉及的半导体激光装置100的上下方向的剖面图，图3中示出从上方观察半导体激光装置100而得到的俯视图，图4中示出从图1及图3的右侧观察半导体激光装置100而得到的侧视图。另外，图1是图3的线段X-X处的剖面图。另外，图2是半导体激光装置100中使用的基体40的剖面图。
如各图所示，半导体激光装置100具备半导体激光元件10、载置半导体激光元件10的载置体30、以及与载置体30连接的基体40。基体40具有与载置体30嵌合的凹部40a、以及将凹部40a的底部的一部分贯通的贯通部40b。在此，凹部40a的底部中的除了贯通部40b之外的剩余部分41的厚度为基体40的最大厚度的一半以下。载置体30的最下表面通过隔着剩余部分41而从基体40的最下表面离开。
由此，能够形成为稳定且具有充分优良的散热性的半导体激光装置。以下，进行详细地说明。
通常，作为构成载置体的材料，使用使来自半导体激光元件的热容易逸散的热传导率高的金属材料，而作为构成基体的材料，选择热传导率不过于高的金属材料，以使得之后能够对用于气密密封的盖进行焊接等。因而，基体的热传导率大多比载置体的热传导率差。因此，优选使基体的最下表面和载置体的最下表面一致，以使得在将基体和载置体组装后能够使载置体与外部散热部直接接触。这是由于能够使由半导体激光元件产生的热从载置体及基体这双方向外部散热部逸散的缘故。但是，实际上，因基体与载置体的热膨胀差或尺寸不均而难以使两者的最下表面一致，从而难以得到稳定的散热性。
因此，在半导体激光装置100中，通过在剩余部分41上配置载置体30的最下表面，从而使载置体30的最下表面从基体40的最下表面强制分离。由此，载置体30的最下表面始终位于比基体40的最下表面靠上方的位置，因此能够抑制装置间的散热性的不均。另外，作为原则，载置体30的最下表面中的与贯通部40b相当的区域不与外部散热部接触，因此认为也会损害散热性。但是，由于使位于载置体30正下方的剩余部分41形成得比较薄，因此不会较大地损害散热性。并且，在贯通部40b使载置体30的最下表面的一部分从基体40露出，因此即使在用于连接载置体30和基体40的连接构件(焊料等)上产生空孔(ボイド)(气孔)，也能够使空孔从成为露出部分的贯通部40b逸散。由此，能够抑制因连接构件中残留空孔而产生的散热性的恶化，因此能够期待更稳定的散热性。
以下，对半导体激光装置100中的主要的构成要素进行说明。
(半导体激光元件10)
关于半导体激光元件10，可以使用公知的元件，例如，可以使用由氮化物半导体构成的元件。半导体激光元件10具备p电极(未图示)及n电极(未图示)。在此，在半导体激光元件10的一侧形成有p电极，在另一侧形成有n电极。
半导体激光装置100中能够使用多模(横向多模)的半导体激光元件10。由于多模的半导体激光元件输出比较高，因此当装置的散热性存在离散时，散热性差的部分因热而优先发生劣化。当半导体激光元件因热而发生劣化时，不仅输出降低，而且最坏的情况下，半导体激光元件变得不亮。因此，在散热性稳定的本实施方式的半导体激光装置中使用多模的半导体激光元件10时，能够显著地得到其效果。
另外，半导体激光装置的寿命由半导体激光元件的温度决定。本发明诸发明者研究后发现，在实际上驱动半导体激光装置的状态下，若半导体激光元件的温度上升10℃，则其寿命减半。即，若能够将半导体激光元件的上升温度抑制几℃，则其寿命大幅提高。尤其是在光输出为几W以上的高输出的半导体激光元件中，其发热量也必然性增大，因此装置间不太存在个体差且能够期待优良的散热性的本发明非常有前途。
(载置体30)
载置体30也被称为热沉(ヒ一トシンク)，用于载置半导体激光元件10。另外，由半导体激光元件10产生的热首先向载置体30放散，因此载置体30大多使用铜等散热性优良的金属材料。如图1所示，载置体30的一部分从基体40向上方突出，在该突出的部分的规定的区域固定半导体激光元件10。如图1等所示，在半导体激光装置100中，在载置体30的侧面载置有半导体激光元件10。另外，载置体30的另一部分嵌入到在基体40上形成的凹部40a中，由此将两者连接。
在半导体激光装置100中，在半导体激光元件10与载置体30之间夹设有夹设体20(所谓辅助固定件(サブマウント))。例如，通过使夹设体20的热传导率比载置体30的热传导率高，由此能够使由半导体激光元件10产生的热有效地向载置体30逸散。另外，若构成夹设体20的材料使用氮化铝、碳化硅、硅、金刚石等绝缘体，则能够使半导体激光元件10和载置体30绝缘。在此，使用绝缘体作为夹设体20，来使半导体激光元件10和载置体30绝缘。另外，在夹设体20的上表面形成导电层(未图示)，经由导电层来使半导体激光元件和外部通电。
(基体40)
基体40也被称为母体(ステム)或垫圈(アイレツト)，用于连接载置体30。通常，基体40使用比载置体30散热性差的铁等金属材料。这是基于如下等理由：在基体40上之后需要通过焊接等来连接用于气密密封的盖(未图示)，当热传导率过于高时，热发生扩散，而无法焊接。
图2是半导体激光装置100中使用的基体40的剖面图。基于图2，对基体40的详细情况进行说明。在基体40的上方形成有凹部40a，在位于凹部40a的下方的底部的一部分上形成有沿上下方向贯通的贯通部40b。在此，凹部40a的底部中的除了贯通部40b之外的部分的剩余部分41的厚度以成为基体40的最大厚度的一半以下的方式构成(在此所说的“厚度”是指图2的上下方向的厚度)。在图2中，将基体40中的剩余部分41以外的区域表示为本部42。本部42比剩余部分41厚，剩余部分41比本部42薄。另外，本部42与剩余部分41的最下表面一致。即，在基体40中，剩余部分41从本部42延伸，由此形成凹部41a及贯通部40b。
为了在基体40上形成凹部40a及贯通部40b，例如可以使用冲压(プレス)加工。以下，对冲压加工的顺序的一例进行说明。首先，在原材料上形成贯通孔。接着，使用具有凸形状的模具，使俯视下包括形成贯通孔的区域且比形成贯通孔的区域大的区域凹陷。此时，以最终使贯通孔不完全封闭的方式对原材料进行冲压。由此，能够形成具有凹部40a及贯通部40b的基体40。即，与模具的凸部对应的部分成为凹部40a，未将贯通孔完全封闭而剩余的部分成为贯通部40b。通过以最终使贯通孔不封闭的方式进行冲压，能够利用原材料的延展性(延性)而将剩余部分41形成得更薄且更稳定。另外，为了使贯通部40b的大小均匀，可以通过穿孔机(パンチ)等将比冲压后残留的贯通孔大一圈(一回り大きな)的区域除去来形成为贯通部40b。
在半导体激光装置100中，使贯通部40b的形状为圆形(图3)，但不言而喻，贯通部40b的形状不局限于圆形。例如，也可以如作为另一实施方式的图5所示的半导体激光装置200那样，将贯通部40b的形状形成为实质上沿着凹部40a的底部的周缘的形状。由此，能够使连接构件中产生的空孔更加均匀地逸散。
如图3等所示，从上方观察时，贯通部40b可以以其外缘从凹部40a的底部的周缘离开的方式形成。换言之，能够使剩余部分41从凹部40a的底部的整个周围延伸。由此，能够期待更均匀的散热。
剩余部分41的厚度可以为基体40的最大厚度的5％以上且30％以下，优选为5％以上且25％以下，更优选为10％以上且20％以下。当剩余部分41过于薄时，因构成基体40的材料的热膨胀系数和构成载置体30的材料的热膨胀系数的差，而使得剩余部分41可能向上方或下方折弯，因此在散热性的观点上不优选。这是由于当剩余部分41向上方或下方折弯时，基体与外部散热部的接触面积减小。相反，剩余部分41过于厚，散热性优良的载置体30从基体40的最下表面离开，因此作为整体也容易损害散热性。
从上方观察时，贯通部40b的面积可以为凹部40a的底部的面积的5％以上且50％以下，优选为10％以上且40％以下，更优选为10％以上且30％以下。通过使贯通部40b相对于底部占有的比例为一定以上，从而能够使连接构件上可能产生的空孔有效地逸散，因此能够得到更稳定的散热性。另外，通过使贯通部40b相对于底部占有的比例为一定以下，能够某种程度地残留成为向外部散热部的主要的散热路径的剩余部分41，因此能够使散热性提高。
(引线端子)
如图4等所示，半导体激光装置100具备第一引线端子50-1及第二引线端子50-2，以使半导体激光元件10通电。在此，在基体40的与凹部40a不同的区域上设有沿上下方向延伸的第一引线端子50-1及第二引线端子50-2。各引线端子经由绝缘体固定于基体40。第一引线端子50-1通过第一金属线60-1与半导体激光元件10的上表面侧电连接。另外，第二引线端子50-2通过第二金属线60-2与半导体激光元件10的下表面侧电连接。
<实施例>
使用由氮化物半导体构成的振荡波长为445nm的半导体激光元件10、由氮化铝构成的夹设体20、含有铜作为主成分的载置体30、含有铁作为主成分的基体40来制作半导体激光装置。载置体30通过银焊料(连接构件)与基体40连接。
半导体激光元件10在下表面侧(接近夹设体20的一侧)具有p电极，在上表面侧(远离夹设体20的一侧)具有n电极。如图4等所示，通过经由第一金属线60-1来将半导体激光元件10的n电极和第一引线端子50-1电连接。另外，通过经由在夹设体20的表面形成的导电层(未图示)及第二金属线60-2来将半导体激光元件10的p电极和第二引线端子50-2电连接。
在基体40上通过冲压加工而形成凹部40a和贯通部40b。如图3等所示，俯视下的凹部40a的底部的形状为半圆形，贯通部40b的形状为圆形。基体40的最大厚度(在本实施例中为本部42的厚度)约为1.5mm，剩余部分41的厚度约为0.3mm。另外，凹部40a的底部的面积(与载置体30的最下表面的面积相当)约为13mm2，其中，贯通部40b的面积约为2.5mm2。
根据以上那样制作的半导体激光装置的条件，发热量为10W，模拟半导体激光元件的上升温度时，上升温度为62.25℃。另外，在实际的使用时，由于存在向贯通部40b填充润滑脂来提高散热性的情况，因此假想该情况来模拟半导体激光元件的上升温度时，上升温度为62.07℃。即，在具有本实施例的结构的半导体激光装置中，认为与比较例相比具有稳定的散热性，能够得到即使与比较例的最佳的方式相比也毫不逊色的使用上充分的散热性。
<比较例>
假想除了载置体30的最下表面与基体40的最下表面一致这一点以外与实施例实质上相同结构的半导体激光装置，并模拟半导体激光元件的上升温度时，上升温度为60.49℃。但是，在载置体30的最下表面从基体40的最下表面浮起30μm的情况下，半导体激光元件的上升温度为71.2℃。并且，即使考虑实际使用而向贯通部40b填充润滑脂的情况下，半导体激光元件的上升温度也最多降到67.7℃。

Claims (10)

1.一种半导体激光装置，其具备半导体激光元件、载置所述半导体激光元件的载置体、基体、以及引线端子，所述半导体激光装置的特征在于，
所述基体具有形成贯通孔的贯通部，
所述引线端子在与所述贯通部不同的区域沿基体的上下延伸，
所述载置体嵌入所述贯通孔中，所述载置体的一部分从所述基体向上方突出，所述载置体的最下表面比所述基体的最下表面靠上方且从所述基体的最下表面离开。
2.根据权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，
所述载置体的最下表面以所述基体的最大厚度的一半以下从所述基体的最下表面离开。
3.根据权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，
所述载置体的最下表面的一部分被连接构件连接。
4.根据权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，
所述载置体经由连接构件而与所述基体连接。
5.根据权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，
所述基体具有与所述载置体嵌合的凹部，
所述贯通部将所述凹部的底部的一部分贯通，
所述载置体的最下表面通过隔着所述底部中的除了所述贯通部之外的剩余部分而从所述基体的最下表面离开。
6.根据权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，
所述半导体激光元件在所述载置体的突出的区域中经由辅助固定件载置于所述载置体的侧面。
7.根据权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，
所述载置体与所述基体通过焊料而连接。
8.根据权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，
所述半导体激光元件由氮化物半导体构成。
9.根据权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，
所述贯通部是圆形。
10.根据权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，
所述半导体激光元件与所述引线端子电连接。
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