DE102005036534A1 - Optisches Halbleitermodul - Google Patents

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Abstract

Ein optisches Halbleitermodul enthält: einen oder eine Mehrzahl von Halbleiterchips (3A-3G), die jeweils eine oder eine Mehrzahl von Laserdioden (4A-4G) enthalten; eine Montagebasis bzw. einen Kühlkörper (2), auf dem der eine oder die Mehrzahl von Halbleiterchips angebracht sind; und einen Bonddraht (7), der dem bzw. den Halbleiterchips einen Betriebsstrom zuführt. Material, Durchmesser und Form des Bonddrahtes sind so gewählt, dass der Bonddraht durchbrennt, wenn ein vorgegebener über dem Betriebsstrom der Laserdiode liegender Überstrom angelegt wird. DOLLAR A Dadurch wird es sehr einfach, ein Gesamtsystem zu entwerfen unter Verwendung eines Hochleistungs-LD-Felds, das durch eine Kurzschlussstörung in einer LD in dem Feld nicht gestoppt wird. Wenn ein Überstrom der LD zugeführt wird, die die Kurzschlussstörung bewirkt hat, ist es außerdem möglich, eine Beschädigung des Halbleiterchips zu vermeiden, die diese LD enthält.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Halbleitermodul.
  • Als Verfahren zum Erzielen einer hohen optischen Leistung mit einem optischen Halbleitermodul wurden in bekannter Weise eine Mehrzahl von Laserdioden (im Folgenden als LD bezeichnet) auf einer Montagebasis ausgerichtet, eine Mehrzahl von einzelnen LD in einem Halbleiterchip integriert oder eine bekannte LD-Leiste aus einer Mehrzahl von LD aufgebaut (s. z.B. Abs. 0030 und 1 der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2002/232061).
  • Ein bekanntes Hochleistungs-LD-Feld ist im Allgemeinen so aufgebaut, dass die jeweiligen einzelnen LD elektrisch parallel geschaltet sind. Da es bei der LD-Leiste, die besonders häufig verwendet wird, unvermeidbar ist, dass ein Substrat ein gemeinsamer Anschluss für die jeweiligen LD ist, sind alle LD parallel geschaltet. Wenn eine einzelne LD eine Kurzschlussstörung bewirkt, konzentriert sich ein dem gesamten Feld zugeführter Strom auf die gestörte LD, und den anderen LD wird kein Strom zugeführt. Das führt zu einem Problem, dass die Oszillation des gesamten Feldes beendet wird, auch wenn die anderen LD in der Lage sind, gut zu arbeiten.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die obigen Probleme zu lösen und ein LD-Feld bereitzustellen, bei dem auch in dem Fall, in dem eine einzelne LD eine Kurzschlussstörung bewirkt, eine Funktion erzielt werden kann, dass die Oszillation der anderen LD in demselben Feld fortgesetzt werden kann, ohne dass gesondert eine Sicherung außerhalb der LD verwendet wird, und bei dem in dem Fall einer Konstantstromsteuerung ein Verlust einer optischen Leistung durch die LD bei der Kurzschlussstörung kompensiert werden kann, indem automatisch ein Strom, der durch die gestörte LD floss, bis der Kurzschluss auftrat, anteilweise den anderen LD zugeführt wird und der in den anderen LD fließende Strom erhöht wird.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Halbleitermodul gemäß Anspruch 1 mit:
    • • einem oder einer Mehrzahl von Halbleiterchips, die jeweils eine oder eine Mehrzahl von Laserdioden enthalten,
    • • einer Montagebasis bzw. einem Kühlkörper, auf dem der eine oder die Mehrzahl von Halbleiterchips angebracht sind, und
    • • einem Bonddraht, der dem Halbleiterchip einen Betriebsstrom zuführt;
    wobei Material, Durchmesser und Form des Bonddrahts so gewählt sind, dass der Bonddraht durchbrennt, wenn ein vorgegebener über dem Betriebsstrom der Laserdiode liegender Überstrom angelegt wird.
  • Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Von den Figuren zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht, die einen Übersichtsaufbau einer ersten Ausführungsform zeigt;
  • 2 ein Schaltbild des LD-Felds der ersten Ausführungsform;
  • 3 eine perspektivische Ansicht, die einen Übersichtsaufbau einer zweiten Ausführungsform zeigt;
  • 4 ein Schaltbild des LD-Felds der zweiten Ausführungsform;
  • 5 eine perspektivische Ansicht, die einen Übersichtsaufbau einer dritten Ausführungsform zeigt;
  • 6 ein Schaltbild des LD-Felds der dritten Ausführungsform;
  • 7 eine perspektivische Ansicht, die einen Übersichtsaufbau einer vierten Ausführungsform zeigt; und
  • 8 ein Schaltbild des LD-Felds der vierten Ausführungsform.
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Gleiche Referenzzeichen bezeichnen durch die Zeichnungen hindurch gleiche Komponenten, und redundante Beschreibungen unterbleiben.
  • Im Folgenden wird mit Bezug auf 1 und 2 eine erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Übersichtsaufbau der ersten Ausführungsform zeigt.
  • Wie in dieser Figur dargestellt, ist ein LD-Feld 1 der ersten Ausführungsform so aufgebaut, dass eine Mehrzahl von einzelnen LD 3A bis 3G auf einer Montagebasis 2 aus leitendem CuW angebracht sind. Eine Metallplatte 6, die ein leitender Abschnitt wird, ist über einer Isolierplatte 5 an einer von den jeweiligen einzelnen LD getrennten Stelle angebracht, und die jeweiligen LD 3A bis 3G und die Metallplatte 6 sind über einen Bonddraht 7 verbunden. Eine Ansteuerschaltung 8 für das LD-Feld 1 ist zwischen der Metallplatte 6 und der Montagebasis 2 angeschlossen.
  • Die jeweiligen LD 3A bis 3G sind so angebracht, dass die jeweiligen Seiten der (nicht dargestellten) pn-Übergänge auf der Seite der Montagebasis 2 liegen.
  • Der Bonddraht 7 ist beispielsweise gebildet durch Bündeln von sieben Adern aus einem Goldmaterial (Au) mit einem Durchmesser von 25 μm. Material, Durchmesser und Anzahl der Adern des Bonddrahts 7 sind so ausgewählt, dass der Bonddraht 7 durchbrennt und die LD elektrisch freigibt, wenn ein Überstrom von 5A bis 6A mit Bezug auf den normalen Betriebsstrom von 1A (500% bis 600 mit Bezug auf den Betriebsstrom) hindurchfließt, der den jeweiligen LD von der Ansteuerschaltung 8 über die Metallplatte 6 zugeführt wird. Wenn ein Bonddraht aus Au verwendet wird, bedeutet dies, dass der Durchmesser und die Anzahl der Adern so ausgewählt werden können, dass eine Stromdichte in dem Draht 1,46·105 A/cm2 bis 1,75·105 A/cm2 wird, wenn der LD ein Überstrom von 5A bis 6A zugeführt wird.
  • Wenn der Aderdurchmesser beispielsweise 20 m beträgt, kann der Bonddraht durch das Bündeln von 11 Adern aufgebaut sein. Wenn der Aderdurchmesser 30 μm beträgt, kann der Bonddraht durch Bündeln von 5 Adern aufgebaut sein.
  • Weiterhin wurde die Beschreibung für die LD gegeben, deren normaler Betriebsstrom 1A beträgt. Im Fall einer LD, deren normaler Betriebsstrom 0,8A beträgt, können das Material, der Durchmesser und die Anzahl der Adern des Bonddrahtes so ausgewählt werden, dass der Bonddraht 7 durchbrennt und die LD elektrisch freigibt, wenn ein Überstrom von 4A bis 4,8A (500% bis 600% mit Bezug auf den Betriebsstrom) zugeführt wird.
  • Dabei wurde die Beschreibung für eine bevorzugte Ausführungsform gegeben. Die untere Grenze für den Aderdurchmesser und die Anzahl von Adern des Bonddrahts kann jedoch ein Wert sein, der durch Multiplizieren eines Wertes, bei dem der Bonddraht bei dem normalen Betriebsstrom der LD nicht durchbrennt, mit einem Sicherheitskoeffizienten gewonnen wird. Die obere Grenze des Aderdurchmessers und der Anzahl von Adern des Bonddrahtes kann ein Wert sein, bei dem der Bonddraht durchbrennt entweder bei einem Wert, der kleiner ist als ein Stromwert, bei dem die LD vollständig beschädigt wird (10qA in dieser Ausführungsform) oder bei einem Wert „Anzahl der auf dem LD-Feld angebrachten LD" * "normaler Betriebsstrom der LD".
  • Weiter stellen 4A bis 4G Lichtabstrahlbereiche der jeweiligen LD dar.
  • 2 zeigt ein Schaltbild des LD-Felds 1. Von den LD sind jedoch nur 3A bis 3E dargestellt. Wenn eine einzelne LD, beispielsweise 3A, eine Kurzschlussstörung erzeugt, während das LD-Feld 1 angesteuert wird, wird eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen beiden Enden der LD 3A sehr klein. Entsprechend fließt ein höherer Strom, beispielsweise ein Überstrom von 5A bis 6A mit Bezug auf den Betriebsstrom von 1A, durch die LD 3A. Auf Grund dieses Überstroms brennt der Bonddraht 7 durch. Daher wird die LD 3A, die die Kurzschlussstörung bewirkt hat, automatisch von der Schaltung getrennt.
  • Wenn das LD-Feld 1 mit einem Konstantstrom angesteuert wurde, wird der Strom, der in der gestörten LD 3A floss, anteilweise den anderen LD 3B bis 3E zugeführt. Somit kann die Oszillation als ganzes Feld fortgeführt werden. Weiterhin wird die Oszillation der gestörten LD 3A beendet, und eine optische Leistung von der LD 3A wird 0. Die optischen Leistungen der anderen LD 3B bis 3E werden jedoch durch den Strom, der anteilweise den anderen LD 3B bis 3E zugeführt wird, ein wenig angehoben, was den Verlust an optischer Leistung durch das Beenden der Oszillation der gestörten LD 3A kompensiert. Diese Funktion, dass die optische Leistung bei der Konstantstromansteuerung automatisch kompensiert wird, ist in den weiter unten beschriebenen anderen Ausführungsformen ähnlich.
  • Als Nächstes wird mit Bezug auf 3 und 4 eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Übersichtsaufbau der zweiten Ausführungsform zeigt. In dieser Figur werden dieselben Bezugszeichen wie in 1 für Komponenten verwendet, die identisch mit denen in 1 sind oder ihnen entsprechen, und ihre Beschreibung unterbleibt.
  • In 3 sind 31A bis 31D Halbleiterchips, die eine Mehrzahl einzelner LD enthalten. Die jeweiligen Halbleiterchips 31A bis 31D sind so angebracht, dass die jeweiligen Seiten der (nicht dargestellten) pn-Übergänge der jeweiligen LD auf der Seite der leitenden Montagebasis 2 liegen. 41A bis 41H stellen Lichtabstrahlbereiche der Mehrzahl von LD dar, die in den jeweiligen Halbleiterchips enthalten sind.
  • 4 zeigt ein Schaltbild des LD-Felds 1 von 3. Von den Halbleiterchips sind jedoch nur 31A bis 31C dargestellt. Weiterhin stellen 51A bis 51C Substratabschnitte der jeweiligen Halbleiterchips 31A bis 31C dar. Da die Mehrzahl der einzelnen in demselben Halbleiterchip enthaltenen LD ein gemeinsames Substrat aufweist, ist das Schaltbild wie in 4 dargestellt.
  • Wenn eine LD aus der Mehrzahl der in einem Halbleiterchip, z.B. 31A, enthaltenen LD eine Kurzschlussstörung verursacht, brennt der mit dem Halbleiterchip 31A verbundene Bonddraht durch. Somit wird der Halbleiterchip 31A von der Schaltung getrennt und die Stromzufuhr zu dem Halbleiterchip 31A wird automatisch beendet. Die anderen Halbleiterchips 31B und 31C können jedoch ihre Oszillation fortsetzen.
  • Verglichen mit der ersten Ausführungsform ist die Anzahl der mit dem Halbleiterchip von der Schaltung getrennten LD größer, wenn die Kurzschlussstörung in einem Halbleiterchip verursacht wird. Diese Ausführungsform hat jedoch die Wirkung, dass die Anzahl der bei der Herstellung des LD-Felds 1 aufzubringenden Halbleiterchips verringert werden kann.
  • Als Nächstes wird mit Bezug auf 5 und 6 eine dritte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. 5 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Übersichtsaufbau der dritten Ausführungsform zeigt. In dieser Figur werden dieselben Bezugszeichen wie in 1 für Komponenten verwendet, die identisch mit denen in 1 sind oder ihnen entsprechen, und ihre Beschreibung unterbleibt.
  • In 5 bezeichnet das Bezugszeichen 32 eine LD-Leiste, die durch integrales Ausformen einer Mehrzahl von LD aus einem Wafer gewonnen wird. Die LD-Leiste ist so angebracht, dass die den Seiten der (nicht dargestellten) pn-Übergänge der jeweiligen LD entgegengesetzten Seiten auf der Seite der leitenden Montagebasis 2 als gemeinsamer Elektrode liegen. Wie in der Figur dargestellt, sind die Elektroden 32A bis 32K der jeweiligen LD auf einer Deckfläche der LD-Leiste 32 als unabhängige Elektroden angeordnet, und die jeweiligen Elektroden 32A bis 32K und die Metallplatte 6 sind über den Bonddraht 7 miteinander verbunden. 42A bis 42K stellen Lichtabstrahlbereiche der jeweiligen LD 32A bis 32K dar.
  • 6 zeigt ein Schaltbild des LD-Felds 1 von 5. Das Bezugszeichen 36 bezeichnet einen Substratabschnitt der LD-Leiste 32, der die gemeinsame Elektrode für die Mehrzahl von LD wird.
  • Wenn eine LD in der LD-Leiste 32 eine Kurzschlussstörung verursacht, konzentriert sich in diesem Fall ein Strom auf die LD in der Kurzschlussstörung. Jedoch nur der Bonddraht 7 für diese eine LD brennt durch, und nur diese LD wird von der Schaltung getrennt. Somit können die anderen LD in der LD-Leiste 32 ihre Oszillation fortsetzen.
  • In dieser Ausführungsform ist es vorteilhaft, dass die Anzahl der LD-Leisten, die chipgebondet werden muss, lediglich 1 beträgt.
  • Als Nächstes wird mit Bezug auf 7 und 8 eine vierte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. 7 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Übersichtsaufbau der vierten Ausführungsform zeigt. Während 5 der dritten Ausführungsform das LD-Feld 1, das die LD-Leiste 32 enthält, von der Seite einer vorderen Endfläche aus gesehen zeigt, zeigt 7 das LD-Feld von der Seite einer hinteren Endfläche aus gesehen.
  • In 7 ist die LD-Leiste 32 auf einer Montagebasis 20 angebracht, die aus isolierendem AlN besteht. Die Metallplatte 6, die ein Leitabschnitt wird, ist an einer Stelle getrennt von der LD-Leiste 32 angebracht. Die LD-Leiste 32 ist so angebracht, dass die Seiten der (nicht dargestellten) pn-Übergänge der jeweiligen LD mit der Montagebasis 20 in Kontakt sind. Eine Mehrzahl von Metallisierungen 33A bis 33K, deren Enden jeweils mit den Elektroden auf den Seiten der pn-Übergänge der jeweili gen LD, d.h. den Elektroden auf der Seite des Lichtabstrahlpunkts, verbunden sind und die strukturiert sind, sind auf der Montagebasis 20 so angebracht, dass sie sich zu der Seite der Metallplatte 6 hin erstrecken. Die jeweiligen Metallisierungen und die Metallplatte 6 sind durch den Bonddraht 7 miteinander verbunden, der ähnlich wie in der ersten Ausführungsform ausgebildet ist.
  • 34 stellt eine hintere Endfläche der LD-Leiste 32 dar. 35A bis 35K stellen Lichtabstrahlbereiche der Mehrzahl von LD in der LD-Leiste 32 dar. Weiter ist 8 eine Ansteuerschaltung des LD-Felds 1.
  • 8 zeigt ein Schaltbild des LD-Felds 1 von 7. 36 ist ein Substratabschnitt der LD-Leiste 32, der eine gemeinsame Elektrode für die Mehrzahl von LD wird.
  • Wenn eine LD in der LD-Leiste 32 eine Kurzschlussstörung verursacht, brennt der Bonddraht 7 durch und trennt die gestörte LD von der Schaltung. Somit können ähnliche Funktionen und Wirkungen wie jeweils bei den vorigen Ausführungsformen erzielt werden.
  • Weiterhin ist die LD-Leiste 32 in dieser Ausführungsform so auf der Montagebasis 20 angebracht, dass die Seiten der pn-Übergänge der jeweiligen LD mit der Montagebasis 20 in Kontakt sind. Daher gibt es Vorteile, dass gute Wärmeableiteigenschaften erzielt werden können. Die Anzahl von LD-Leisten, die chipgebondet werden, ist lediglich 1. Weiterhin wird auch in dieser Ausführungsform nur eine LD in der Kurzschlussstörung automatisch von der Schaltung getrennt, und die Oszillation des gesamten LD-Felds kann fortgesetzt werden.
  • In den vorigen Ausführungsformen wurden jeweils Fälle beschrieben, in denen CuW bzw. AlN als Bestandteil für die Montagebasis beschrieben wurden. Materialien sind jedoch nicht darauf eingeschränkt, und ähnliche Effekte können durch Verwenden eines Materials wie beispielsweise SiC und Si erwartet werden.
  • Weiterhin kann anstelle der Montagebasis ein Kühlkörper verwendet werden, und die LD und dgl. können auf den Kühlkörperchip gebondet sein.
  • Auch wenn der Fall der Verwendung von Au als Material für den Bonddraht beschrieben wurde, sind die Materialien nicht darauf eingeschränkt. Ähnliche Effekte können erwartet werden durch Verwendung anderer Materialien wie beispielsweise einer Goldlegierung, Aluminium (Al), einer Aluminiumlegierung, Kupfer (Cu) oder einer Kupferlegierung. Bei der Verwendung von Al beispielsweise wären der geeignete Aderdurchmesser und die geeignete Anzahl von Adern des Bonddrahts, der durchbrennt, wenn der LD ein Überstrom von 5A bis 6A mit Bezug auf den Betriebsstrom von 1A (500% bis 600% mit Bezug auf den Betriebsstrom) zugeführt wird, ein Durchmesser von 25 μm und 10 Teile, ein Durchmesser von 20 μm und 16 Teile bzw. ein Durchmesser von 30 μm und 7 Teile.
  • Die Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben wurden, können wie folgt zusammengefasst werden: Es wird sehr einfach, ein Gesamtsystem zu entwerfen unter Verwendung eines Hochleistungs-LD-Felds, das durch eine Kurzschlussstörung in einer LD in dem Feld nicht gestoppt wird. Wenn ein Überstrom der LD zugeführt wird, die die Kurzschlussstörung bewirkt hat, ist es möglich, eine Beschädigung des Halbleiterchips zu vermeiden, die diese LD enthält.

Claims (8)

  1. Optisches Halbleitermodul mit: einem oder einer Mehrzahl von Halbleiterchips (32; 31A-31D; 3A-3G), die jeweils eine oder eine Mehrzahl von Laserdioden (35A-35K; 42A-42K; 41A-41H; 4A-4G) enthalten, einer Montagebasis bzw. einem Kühlkörper (2; 20), auf dem der eine oder die Mehrzahl von Halbleiterchips angebracht sind, und einem Bonddraht (7), der dem bzw, den Halbleiterchips einen Betriebsstrom zuführt; wobei Material, Durchmesser und Form des Bonddrahts so gewählt sind, dass der Bonddraht durchbrennt, wenn ein vorgegebener über dem Betriebsstrom der Laserdiode liegender Überstrom angelegt wird.
  2. Optisches Halbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem der Halbleiterchip (32; 31A-31D; 3A-3G) so angebracht ist, dass eine Seite des pn-Übergangs der Laserdiode mit der Montagebasis bzw. dem Kühlkörper (2; 20) in Kontakt ist.
  3. Optisches Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Montagebasis bzw. der Kühlkörper (2) leitend ist und der Bonddraht (7) mit einer Substratseite (51A-51C; 36) des Halbleiterchips (32; 31A-31D; 3A-3G) verbunden ist.
  4. Optisches Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Montagebasis bzw. der Kühlkörper (20) isolierende Eigenschaften aufweist, jeweils Elektroden (32A-32K) auf den Seiten der pn-Übergänge der Laserdioden (35A-35K) für die jeweiligen Laserdioden unabhängig voneinander ausgebildet sind, eine Mehrzahl von Metallisierungen (33A-33K), die jeweils mit den Elektroden verbunden und für jede Laserdiode ausgebil det sind, auf der isolierenden Montagebasis bzw. dem isolierenden Kühlkörper bereitgestellt sind und der Bondraht (7) mit den Metallisierungen verbunden ist.
  5. Optisches Halbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem in dem Halbleiterchip (32) jeweils Elektroden (32A-32K) auf den Seiten der pn-Übergänge der Laserdioden (42A-42K) für die jeweiligen Laserdioden unabhängig voneinander ausgebildet sind, der Halbleiterchip so angebracht ist, dass eine der Seite der pn-Übergänge entgegengesetzte Seite mit der Montagebasis bzw. dem Kühlkörper (2) in Kontakt ist und der Bondraht (7) mit der Elektrode des Halbleiterchips verbunden ist.
  6. Optisches Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit: einem Leitabschnitt (6), der auf der Montagebasis bzw. dem Kühlkörper (2; 20) angebracht ist und der elektrisch von dem Halbleiterchip (32; 31A-31D; 3A-3G) getrennt ist, wobei der Bondraht (7) mit dem Leitabschnitt verbunden ist.
  7. Optisches Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Halbleiterchip eine einzelne Laserdiode (3A-3G) ist.
  8. Optisches Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Halbleiterchip eine Laserdiodenleiste (32) ist.
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