DE112011103477T5

DE112011103477T5 - Halbleiterlaservorrichtung

Info

Publication number: DE112011103477T5
Application number: DE112011103477T
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Miyajima; Hirofumi Kan; Nobuto Kageyama
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2013-07-25
Also published as: US8879592B2; CN103155310B; CN103155310A; WO2012050132A1; US20130279530A1

Abstract

Ein Lasermodul (2) ist auf einem flüssiggekühlten Kühlkörper (1) montiert. Ein Molybdän-Verstärkungselement (3) ist auf der Oberfläche entgegengesetzt der Oberfläche fixiert, auf welcher das Lasermodul 2 montiert ist. Das Molybdän hat einen linearen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als derjenige des Kühlkörpers (1). Unter-Halterungen sind vorzugsweise aus einer Cu-W-Legierung hergestellt, bevorzugter Weise aus dem Molybdän des Verstärkungselements (3). In diesem Fall können die Spannungen, die auf den Kühlkörper (1) bei Expansion oder Kontraktion einwirken, einander aufheben.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterlaservorrichtung, die eine Wärmesenke (Kühlkörper) enthält.
Hintergrund
Konventionelle Halbleiterlaservorrichtungen sind beispielsweise in Patentliteratur 1, Patentliteratur 2 und Patentliteratur 3 offenbart.
In Patentliteratur 1 wird ein Halbleiterlasermodul offenbart, das einen Halbleiterlaserstab mit zwei Oberflächen, die zwischen Metallunterhalterungen gesandwicht ist, aufweist. Die Unterhalterungen können aus Mo, W, Cu, Cu-W-Legierung, Cu-Mo-Legierung, SiC oder AlN gemacht sein. Jede der Untermontierungen hat eine Dicke von 50 bis 200 μm. In dieser Halbleiterlaservorrichtung wird das Halbleiterlasermodul auf eine flüssigkeitsgekühlte Wärmesenke (Kühlkörper) montiert. Dies ermöglicht es, ein Verziehen des Halbleiterlaserstabs zu korrigieren.
In Patentliteratur 2 wird eine Halbleiterlaservorrichtung offenbart, die einen auf einen Kühlkörper montierten Halbleiterlaserstab aufweist, und ein an derselben Oberfläche wie der Oberfläche des Kühlkörpers befestigtes Verstärkungselement aufweist, auf welchem der Halbleiterlaserstab montiert ist. Das Verstärkungselement ist aus einem Material hergestellt, das einen niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Das Verstärkungselement wird aus einem Material hergestellt, das aus der aus Cu, Al, Ni, W, Mo, Fe, Cr, Co und Bi bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
In Patentliteratur 3 wird eine Halbleiterlaservorrichtung offenbart, die einen flüssiggekühlten Kühlkörper aufweist, der mit einer Polymerschicht beschichtet ist, und einem darauf montierten Halbleiterlaserstab. Diese Literaturstelle offenbart eine Struktur, die in der Lage ist, eine verbesserte Kühleffizienz bereitzustellen und Korrosion und Wasserleckung zu vermeiden.
Zitateliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2007-73549
Patentliteratur 2: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2007-73549
Patentliteratur 3: Japanisches Patent Nr. 4002234

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Wenn jedoch ein Halbleiterlasermodul mit einem flüssiggekühlten Hochqualitäts-Kühlkörper kombiniert wird, insbesondere wenn eine Mehrzahl von Halbleiterlasermodulen verwendet werden, um einen Halbleiterlaserstapel zu bilden, sollte die Verwindung des Halbleiterlasermoduls selbst mittels Untermontierungen beschränkt werden. Nichtsdestoweniger ist ein Abnutzungsphänomen bei den Lichtemissionseigenschaften beobachtet worden, bei denen die Lichtemissionspunktpositionen aus dem Halbleiterlasermodul auf einer Kurve angeordnet waren, die etwas von der geraden Entwurfslinie versetzt war, wodurch die beabsichtigte Lichtemissionsverteilung nicht erhalten werden konnte.
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf ein solches Problem gemacht worden. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiterlaservorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Abweichung bei der Lichtemissionseigenschaft zu beschränken.
Problemlösung
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben intensiv genaue Studien zur Ursache der Verschlechterung bei den Eigenschaften der Halbleiterlaservorrichtung gemacht. Ein Paar von Unterträgern, die aus Cu-W-Legierung gefertigt waren, mit einem niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten wurde verwendet und das Paar wurde eingesetzt, um den Halbleiterlaserstab zu sandwichen. Es wäre damit gegeben, dass die Lichtemissionspunktpositionen sich im Prinzip nicht änderten. Jedoch, obwohl neuere flüssigkeitsgekühlte Hochqualitäts-Kühlkörper hinsichtlich Kühleffizienz verbessert und in der Größe reduziert wurden, kann ihre reduzierte Dicke dazu führen, dass sich der Kühlkörper auch in Dickenrichtung verbiegt, wenn sich der Kühlkörper ausdehnt oder kontrahiert. In diesem Fall führt die Differenz beim linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Lasermodul, das im Prinzip von hoher Rigitität ist, und dem Hochqualitätskühlkörper zu einer zwischen dem Lasermodul und dem Kühlkörper auftretenden Spannung, was den Kühlkörper dazu veranlasst, sich in Dickenrichtung zu biegen und deformiert zu werden. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung fanden, dass die Dislokation der Lichtemissionspunktposition durch einen solchen Hochleistungskühlkörper verursacht wurde.
Um die vorstehenden Probleme zu lösen, ist eine Halbleiterlaservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sie das Nachfolgende beinhaltet: einen Halbleiterlaserstab mit einer Mehrzahl von Lichtemissionspunkten, die auf einer geraden Linie ausgerichtet sind; einen plattenförmigen, flüssiggekühlten Kühlkörper, in dem eine Flüssigkeitspassage ausgebildet ist und der eine Dicke gleich oder kleiner 3 mm aufweist; eine erste Unter-Halterung, die auf einer Oberfläche des Halbleiterlaserstabes fixiert ist, die aus einem Material hergestellt ist, das einen linearen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als derjenige des Kühlkörpers aufweist, und auf dem Kühlkörper fixiert ist; eine zweite Unter-Halterung, die auf der anderen Oberfläche des Halbleiterlaserstabs fixiert ist und aus einem Material hergestellt ist, das einen linearen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als derjenige des Kühlkörpers aufweist; und ein Molybdän-Verstärkungselement, das an einer Position auf einer Oberfläche des Kühlkörpers entgegengesetzt der Oberfläche fixiert ist, auf der die erste Unter-Halterung montiert ist, wobei die Position zur ersten Unter-Halterung gegenüberliegend ist, wobei das Molybdän-Verstärkungselement einen linearen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als derjenige des Kühlkörpers und eine Dicke von 0,1 bis 0,5 mm aufweist.
Gemäß dem Halbleiterlaser der vorliegenden Erfindung weist der flüssiggekühlte Kühlkörper eine hohe Leistungsfähigkeit auf. Wenn er jedoch, wie oben erwähnt, in der Dicke reduziert wird, tendiert der Kühlkörper dazu, sich aufgrund der Differenz beim linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kühlkörper und dem Lasermodul (Halbleiterlaserstab plus Unter-Halterungen) zu verbiegen. Jedoch ist das Molybdän-Verstärkungselement mit einem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten auf der dem Lasermodul gegenüberliegenden Seite fixiert. Dies führt zu einer Tendenz, dass sich die durch die Spannung aus der Lasermodulseite zum Biegen des Kühlkörpers verursachte Kraft und die durch die Spannung aus der Molybdän-Verstärkungselementseite zum Biegen des Kühlkörpers verursachte Kraft aufheben. Weiterhin trägt das auf dem Kühlkörper montierte Molybdän-Verstärkungselement aus einer Verbesserung in der Steifigkeit der Gesamtmontage bei. Somit ist es gemäß der Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung möglich, das Biegen des Kühlkörpers, den Versatz der Lichtemissionspunktposition und der Verschlechterung bei der Lichtemissionseigenschaft zu beschränken.
Man beachte, dass, obwohl sich das Molybdän-Verstärkungselement auf ein Verstärkungselement bezieht, das hauptsächlich aus Molybdän aufgebaut ist (80% oder mehr in Gew.-%), können dieselben Effekte selbst dann bereitgestellt werden, wenn das Verstärkungselement mit einer Spurenmenge von Verunreinigungen gemischt ist.
Um die obenstehenden Probleme zu lösen, kann Halbleiterlaservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl von in Schichten gestapelten Halbleiterlasereinheiten aufweisen. Die Halbleiterlaservorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die individuelle Halbleiterlasereinheit das Nachfolgende beinhaltet: einen plattenförmigen, flüssiggekühlten Kühlkörper, in dem eine Fluidpassage ausgebildet ist; ein Halbleiterlasermodul, das aus einem Halbleiterlaserstab gefertigt ist und auf einer Oberflächenseite des Kühlkörpers fixiert ist; und ein Molybdän-Verstärkungselement, das an einer Position auf der anderen Oberfläche des Kühlkörpers fixiert ist, wobei die Position zum Halbleiterlasermodul gegenüberliegend ist, das Molybdän-Verstärkungselement eine Dicke von 0,1 bis 0,5 mm und einen linearen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als der des Kühlkörpers aufweist. Die Halbleiterlaservorrichtung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des Molybdän-Verstärkungselements einer der Halbleiterlasereinheiten auf dem Kühlkörper derselben Halbleiterlasereinheit fixiert ist und die andere Oberfläche auf dem Halbleiterlasermodul einer anderen Halbleiterlasereinheit fixiert ist.
Gemäß dem Halbleiterlaser der vorliegenden Erfindung weist der flüssiggekühlte Kühlkörper eine hohe Leistungsfähigkeit auf. Jedoch, wie oben erwähnt, wenn er in der Dicke reduziert wird, tendiert der Kühlkörper dazu, aufgrund der Differenz beim linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kühlkörper und dem Lasermodul (dem Halbleiterlaserstab plus Unter-Halterungen) gebogen zu werden. Jedoch ist gefunden worden, dass mit dem in Schichten gestapelten Lasermodul das Molybdän-Verstärkungselement mit einem niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten auf der dem Lasermodul gegenüberliegenden Seite fixiert war, wodurch der Steifigkeit der gesamten Anordnung gestattet war, beachtlich verbessert zu werden. Insbesondere ist mit allen Halbleiterlasereinheiten in Schichten gestapelt und mit der zwischen Komponenten angeordneten thermisch-geschmolzenen Adhäsivschicht, wenn die Adhäsivschicht zwischen jeder Komponente existiert, die Starrheit der gesamten Anordnung beachtlich verbessert, wenn sie durch simultanes Anlegen von Hitze daran fixiert werden. Somit ist es gemäß der Halbleiterlaservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die Biegung des Kühlkörpers, die Verschiebung der Lichtemissionspunktposition und den Verschlechterung bei der Lichtemissionseigenschaft zu beschränken.
Man beachte, dass sich das Molybdän-Verstärkungselement auf ein Verstärkungselement bezieht, das hauptsächlich aus Molybdän (80% oder mehr in Gew.-%) aufgebaut ist, aber dieselben Effekte selbst dann bereitstellen kann, wenn es mit einer Spurenmenge von Verunreinigungen gemischt ist.
Um die vorstehenden Probleme zu lösen, kann eine Halbleiterlaservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl von in Schichten gestapelten Halbleiterlasereinheiten aufweisen. Die Halbleiterlaservorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die individuelle Lasereinheit das Nachfolgende beinhaltet: einen plattenförmigen, flüssiggekühlten Kühlkörper, in dem eine Fluidpassage ausgebildet ist; ein Halbleiterlasermodul, das aus einem Halbleiterlaserstab hergestellt ist und auf einer Oberfläche des Kühlkörpers fixiert ist; und ein Molybdän-Verstärkungselement, das auf einer Position auf der anderen Oberflächenseite des Kühlkörpers fixiert ist, wobei die Position zum Halbleiterlasermodul gegenüberliegend ist, das Molybdän-Verstärkungselement eine Dicke von 0,1 bis 0,5 mm aufweist, und einen linearen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als derjenige des Kühlkörpers aufweist. Die Halbleiterlaservorrichtung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des Molybdän-Verstärkungselementes einer der Halbleiterlasereinheiten auf den Kühlkörper derselben Halbleiterlasereinheit fixiert ist und die andere Oberfläche auf dem Halbleiterlasermodul einer anderen Halbleiterlasereinheit fixiert ist.
Gemäß dem Halbleiterlaser der vorliegenden Erfindung weist der flüssiggekühlte Kühlkörper eine hohe Leistungsfähigkeit auf. Jedoch, wie oben erwähnt, wenn er in der Dicke reduziert worden ist, tendiert der Kühlkörper dazu, sich aufgrund der Differenz beim linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kühlkörper und dem Lasermodul (Halbleiterlaserstab plus Unter-Halterungen) zu verbiegen. Jedoch ist gefunden worden, dass mit dem in Schichten gestapelten Lasermodul das Molybdän-Verstärkungselement mit einem niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten auf der Seite gegenüberliegend dem Lasermodul fixiert war, was es gestattet, dass die Steifigkeit der gesamten Anordnung beachtlich verbessert wird. Insbesondere ist, mit allen Halbleiterlasereinheiten in Schichten gestapelt, und mit der thermisch verschmolzenen Adhäsivschicht zwischen den Komponenten angeordnet, wenn die Adhäsivschicht zwischen jeder Komponente existiert, die Starrheit des Gesamtaufbaus beachtlich verbessert, wenn sie durch simultanes Anlegen von Hitze daran fixiert werden. Somit ist es gemäß der Halbleiterlaservorrichtung der vorliegenden Erfindung möglich, die Biegung des Kühlkörpers, die Verschiebung der Lichtemissionspunktposition und die Verschlechterung bei der Lichtemissionseigenschaft zu beschränken.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der Halbleiterlaservorrichtung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Verschleiß bei der Lichtemissionseigenschaft zu begrenzen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Halbleiterlaservorrichtung illustriert;
2 ist eine Seitenansicht, die eine Halbleiterlaservorrichtung bei Sicht aus der Richtung eines Pfeils II illustriert;
3 ist eine Frontansicht, die eine Halbleiterlaservorrichtung bei Sicht aus der Richtung eines Pfeils III illustriert;
4 ist eine Explosionsperspektivansicht, die eine Halbleiterlaservorrichtung illustriert;
5 ist eine Perspektivansicht, die eine Halbleiterlaservorrichtung illustriert;
6 ist eine Explosionsperspektivansicht, die einen flüssiggekühlten Kühlkörper illustriert;
7 ist eine Frontansicht, die eine Halbleiterlaservorrichtung mit einem in der Abmessung in Breitenrichtung vergrößerten Kühlkörper illustriert;
8 ist eine Frontansicht, die eine Halbleiterlaservorrichtung als Vergleichsbeispiel illustriert;
9 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Halbleiterlaservorrichtung illustriert;
10 ist eine Seitenansicht, die eine Halbleiterlaservorrichtung bei Sicht aus der Richtung eines Pfeils X illustriert;
11 ist eine Frontansicht, die eine Halbleiterlaservorrichtung bei Sicht aus der Richtung eines Pfeils XI illustriert;
12 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Halbleiterlasereinheit illustriert;
13 ist eine Seitenansicht, die eine Halbleiterlaservorrichtung bei Sicht aus der Richtung eines Pfeils XIII illustriert;
14 ist eine Frontansicht, die eine Halbleiterlasereinheit bei Sicht aus der Richtung eines Pfeils XIV illustriert;
15 ist eine Explosionsperspektivansicht, die eine Halbleiterlasereinheit illustriert;
16 ist eine Frontansicht, die eine Halbleiterlaservorrichtung mit einem in Richtung der Breitenrichtung in der Abmessung vergrößerten Kühlkörper illustriert; und
17 ist eine Frontansicht, die eine Halbleiterlasereinheit als Vergleichsbeispiel illustriert.
Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend wird eine Erläuterung einer Halbleiterlaservorrichtung gemäß einer Ausführungsform gegeben. Man beachte, dass dieselben Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet werden und nicht wiederholt erläutert werden.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Halbleiterlaservorrichtung zeigt; 2 ist eine Seitenansicht, welche eine Halbleiterlaservorrichtung bei Sicht aus der Richtung eines Pfeils II zeigt; und 3 ist eine Frontansicht, welche die Halbleiterlaservorrichtung bei Sicht aus der Richtung eines Pfeils III zeigt.
Diese Halbleiterlaservorrichtung 10 beinhaltet einen Kühlkörper 1, ein auf dem Kühlkörper 1 fixiertes Lasermodul 2 und ein auf einer Position des Kühlkörpers 1 gegenüberliegend dem Lasermodul 2 fixiertes Verstärkungselement 3 und kann auch nach Bedarf ein Beschichtungselement auf der oberen Oberfläche des Kühlkörpers 1 mit einer dazwischen angeordneten Adhäsivschicht beinhalten. Ein solches Beschichtungselement fungiert auch als ein Dichtmaterial, wenn ein Kühlmedium wie etwa Wasser in den Kühlkörper eingeführt wird. Nach Bedarf ist beispielsweise ein O-Ring um die Öffnungen 1c2 und 1c3 angeordnet.
Der Kühlkörper 1 ist ein plattenförmiger, flüssiggekühlter Kühlkörper, in dem eine Fluidpassage ausgebildet ist. Weiterhin ist der Kühlkörper 1 in der Dicke 3 mm oder weniger Z1 und ihm ist somit gestattet, sich in Dickenrichtung zu biegen, wenn er einzeln eingesetzt wird. Die detaillierte Struktur des Kühlkörpers 1 ist in der später zu beschreibenden 6 illustriert.
Das Lasermodul 2 weist einen Halbleiterlaserstab 2b auf, der zwischen einer ersten Unter-Halterung 2a und einer zweiten Unter-Halterung 2c gesandwicht ist. Die erste Unter-Halterung 2a ist auf der oberen Oberfläche des Kühlkörpers 1 mit einer Adhäsivschicht t1, die dazwischen eingefügt ist, fixiert, wie sie auch auf dem Halbleiterlaserstab 2b mit einer dazwischen eingefügten Adhäsivschicht t2 fixiert ist. Weiterhin ist der Halbleiterlaserstab 2b auf der zweiten Unter-Halterung 2c mit einer dazwischen eingefügten Adhäsivschicht t3 fixiert. Das heißt, dass die erste Unter-Halterung 2a auf einer Oberfläche des Halbleiterlaserstabs 2b fix angeklebt ist, während die zweite Unter-Halterung 2c auf der anderen Oberfläche des Halbleiterlaserstabs 2b fest angeklebt ist. Man beachte, dass jede der Unter-Halterungen 2a und 2c aus einem Material mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten (thermischer Expansionskoeffizient) hergestellt ist, der kleiner als der lineare Ausdehnungskoeffizient des Kühlkörpers 1 ist, oder die Form einer Platte (rektanguläres Parallelepiped) aufweist.
Die Unter-Halterungen 2a und 2c können aus einem Material gefertigt sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mo, W, Cu, Cu-W-Legierung, Cu-Mo-Legierung, SiC oder A1N besteht, und jede Unter-Halterung kann mit einer Dicke von 50 bis 200 μm angefertigt sein.
Das Verstärkungselement 3 ist aus einer Molybdän-(Mo)Platte gefertigt und an einer Position auf der Oberfläche des Kühlkörpers 1 gegenüberliegend zu der Oberfläche fixiert, auf der die erste Unter-Halterung montiert ist, wobei die Position zur ersten Unter-Halterung 2a gegenüberliegend ist, mit einer zwischen dem Kühlkörper 1 und dem Verstärkungselement 3 eingefügter Adhäsivschicht t5. Das Verstärkungselement 3 ist aus einem Material gefertigt, das einen linearen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als derjenige des Kühlkörpers 1 aufweist, und, anders als die Unter-Halterungen, innerhalb des Dickenbereichs von 0,1 bis 0,5 mm fällt. Man beachte, dass sich das Molybdän-Verstärkungselement 3 auf ein Verstärkungselement bezieht, das hauptsächlich aus Molybdän besteht (80% oder größer als Gew.-%), aber dieselben Effekte bereitstellen kann, selbst wenn es mit einer Spurenmenge von Verunreinigungen gemischt ist.
Hier werden die Unter-Halterungen vorzugsweise aus einer Cu-W-Legierung gefertigt, bevorzugter aus dem Molybdän des Verstärkungselements 3. Ein Grund dafür ist, dass der Effekt des Aufhebens der auf den Kühlkörper 1 einwirkenden Spannung bei Expansion oder Kontraktion erhältlich ist, während ein anderer Grund ist, dass auch die nachfolgenden Effekte erhältlich sind. Da nämlich die Cu-W-Legierung eine gute thermische Leitfähigkeit und einen Ausdehnungskoeffizienten näher an denjenigen des Halbleiterlaserstabs aufweist, ist die Cu-W-Legierung als Unter-Halterung des Halbleiterlaserstabs vorteilhaft. Weiterhin, da das Merkmal einer Elektrode auch von der Unter-Halterung erfordert wird, wird die Unter-Halterung auch deshalb aus Metall gemacht, um elektrische Leitung bereitzustellen.
In einem dreidimensionalen rechtwinkligen XYZ-Koordinatensystem, sind unter der Annahme, dass die Y-Achse die Richtung ist, in der die Lichtemissionspunkte linear ausgerichtet sind (Längsrichtung des Laserstabs), die Z-Achse die Richtung der Dicke des Halbleiterlaserstabs 2b ist und die X-Achse parallel zur Richtung ist, in der der Lichtstrahl emittiert wird, die beispielhaften Dimensionen (die bevorzugten Bereiche) jeder Komponente wie folgt:
(1) Abmessungen des Kühlkörpers 1

X-Richtungslänge X1: 30 mm (10 mm bis 30 mm)
Y-Richtungslänge Y1: (= Y3 in diesem Beispiel): 12 mm (10 mm bis 12 mm)
Z-Richtungslänge Z1: 1,1 mm (1 mm bis 3 mm)

(2) Abmessungen des Halbleiterlasermoduls 2

X-Richtungslänge X2: 2 mm (1 mm bis 5 mm)
Y-Richtungslänge Y2 (= Y3 in diesem Beispiel): 10 mm (5 mm bis 12 mm)
Z-Richtungslänge Z2: 450 μm (300 μm bis 600 μm)
Dicke Z3a der Unter-Halterung 2a: 150 μm (100 μm bis 300 μm)
X-Richtungslänge der Unter-Halterung 2a = X2
Y-Richtungslänge der Unter-Halterung 2a = Y2 (= Y3)
Dicke Z3c der Unter-Halterung 2c: 150 μm (100 μm bis 300 μm)
X-Richtungslänge der Unter-Halterung 2c = X2
Y-Richtungslänge der Unter-Halterung 2c = Y2 (= Y3)
Dicke Z3c des Halbleiterlaserstabs 2b: 140 μm (100 μm bis 150 μm)
X-Richtungslänge X2b des Halbleiterlaserstabs 2b: 2 mm (1 mm bis 5 mm)

Man beachte, dass in diesem Beispiel gilt, dass X2b < X2. Das soll einen Bereich zum Bereitstellen einer Stromversorgungsleitung auf der Unter-Halterung sicherstellen. Y-Richtungslänge Y2b des Halbleiterlaserstabs 2b = Y2 (= Y3)
(3) Abmessungen des Verstärkungselements 3k

Y-Richtungslänge X3: 2 mm (1 mm bis 5 mm)
Y-Richtungslänge Y3: 10 mm (4 mm bis 12 mm)
Z-Richtungslänge Z3: 150 μm (100 μm bis 500 μm)

Man beachte, dass alle Adhäsivschichten t1, t2, t3 und t5 aus Lotmaterial gemacht sind, wobei jede eine Dicke Zt aufweist. Die einzusetzenden Adhäsivschichten können aus SnAgCu oder AuSn hergestellt sein; jedoch können die Schichten t2 und t3 aus AuSn und die Schichten t1 und t5 aus SnAgCu gemacht sein. Eine beispielhafte Abmessung der Dicke Zt ist 10 μm, vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 3 bis 20 μm. Die Effekte des vorgenannten numerischen Bereichs können wie folgt erläutert werden. Für den numerischen Bereich von 3 bis 20 μm verteilt sich nämlich das Lot auf der gesamten Schicht, ohne daraus zu überfließen, um so eine gleichförmige Bondierung bereitzustellen.
Hier werden physikalischen Größen des flüssiggekühlten Kühlkörpers 1, der ersten Unter-Halterung 2a, des Halbleiterlaserstabs 2b, der zweiten Unter-Halterung 2c, und des Molybdän-Verstärkungselements 3 so eingestellt, dass sie im Wesentlichen die Biegung des Halbleiterlaserstabs eliminieren.
4 ist eine die Halbleiterlaservorrichtung illustrierende Explosionsperspektivansicht.
Der Kühlkörper 1 weist die Öffnung (Durchgangslöcher) 1c2 und 1c3 zum Einführen eines Kühlmediums auf, die mit einer Öffnung (Durchgangsloch) eines Beschichtungselements kommunizieren können, das auf dem Kühlkörper 1 vorgesehen sein kann. Das Beschichtungselement wird nach Bedarf vorgesehen und es wird ihm gestattet, zum Abdichten des Kühlmediums zu dienen, wie auch als einem Abstandhalter zu dienen, wenn in einer externe Vorrichtung inkorporiert.
Das Lasermodul 2 ist auf der oberen Oberfläche des Kühlkörpers 1 mit einer dazwischen eingefügten Adhäsivschicht angeordnet und das Verstärkungselement 3 ist auf der Rückoberflächenseite mit einer dazwischen eingefügten Adhäsivschicht angeordnet. Dann werden Hitze und Druck gleichzeitig an diese Komponenten in der Z-Achsenrichtung angelegt und danach werden die Komponenten auf Raumtemperatur abgekühlt, um dadurch fixiert zu werden. Die Temperatur sollte gerade ausreichen, um die Adhäsivschichten zu schmelzen. Nach Bedarf wird ein geeignetes Beschichtungselement auf der oberen Oberfläche des Kühlkörpers 1 mit einer dazwischen eingefügten Adhäsivschicht angeordnet und dann werden daran in derselben Weise Hitze und Druck angelegt, um dadurch dieselben zu fixieren.
5 ist eine perspektivische Ansicht, welche den Halbleiterlaserstab illustriert.
Der Halbleiterlaserstab 2b hat eine Mehrzahl von Lichtemissionspunkten 2b2, die längs einer geraden Linie auf der Y-Achse angebracht sind. Der Halbleiterlaserstab 2b, der aus einem Verbindungshalbleitersubstrat 2b1 gefertigt ist, wird eingesetzt, um eine aktive Schicht an der Position des Lichtemissionspunkts 2b2 und auf beiden Seiten derselben angeordneten Abdeckungsschichten aufzuweisen. Der Verbindungshalbleiter ist aus einem bekannten Material hergestellt, wie etwa GaN, AlGaAs, GaN oder AlGaN, oder einem Mischkristall mit damit Eingemischtem. In diesem Beispiel wird angenommen, dass der Halbleiterlaserstab 2b hauptsächlich aus GaAs besteht, die aktive Schicht weiterhin In enthält und die auf beiden Seiten derselben angeordneten Abdeckschichten auch A1 enthalten. Man beachte, dass, da GaAs- und CuW-Legierung nahe thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, die Spannung zwischen den Unter-Halterungen und dem Laserstab niedrig ist.
Hier wird eine Erläuterung des flüssiggekühlten Kühlkörpers 1 gegeben, der eine hohe Leistungsfähigkeit aufweist.
6 ist eine den flüssiggekühlten Kühlkörper illustrierende Explosionsperspektivansicht.
Der Kühlkörper 1 besteht aus drei metallischen (in diesem Beispiel Cu) plattenförmigen Elementen 1a1, 1b1 und 1c1, die in Schichten gestapelt und dann fixiert sind.
Das niedrigste plattenförmige Element 1a1 weist zwei Öffnungen (Durchgangslöcher) 1a2 und 1a3 und einen rückgesetzten Bereich 1a4 auf, der einen Flusskanal in Konjunktion mit der unteren Oberfläche des plattenförmigen Elements 1b1 definiert, das auf der oberen Seite desselben lokalisiert ist. Der zurückgesetzte Teil 1a4 setzt sich zur Öffnung 1a3 fort.
Das plattenförmige Element 1b1 am Zentrum weist zwei Öffnungen (Durchgangslöcher) 1b2 und 1b3 und eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 1b4 auf, die den Flusskanal bilden. Die Durchgangslöcher 1b4 sind so lokalisiert, dass sie gegenüber dem rückgesetzten Teil 1a4 gegenüberliegend sind.
Das obenauf lokalisierte plattenförmige Element 1c1 weist zwei Öffnungen (Durchgangslöcher) 1c2 und 1c3 und einen rückgesetzten Bereich 1c4 auf, der in Kombination mit der oberen Oberfläche des auf der unteren Seite desselben lokalisierten plattenförmigen Elements 1b1 den Flusskanal bildet. Der rückgesetzte Bereich 1c4 bildet die Öffnung 1c2, aber nicht die Öffnung 1c3.
Wenn es in den Kühlkörper 1 in Richtung eines Pfeils W1, der von unten aufwärts weist, eingefüllt wird, kann das Kühlmedium durch die Gruppe der Öffnungen 1a3, 1b3 und 1c3, die miteinander kommunizieren, aufwärts gehen. Auch ist es möglich, dass das Kühlmedium den Flusskanal passiert, der durch den rückgesetzten Teil 1a4, die Durchgangslöcher 1b4 und den rückgesetzten Teil 1c4 definiert ist, um die Öffnung 1c2 zu erreichen, wie durch einen Pfeil W2 gezeigt. Das in den Kühlkörper 1 über die Öffnung 1c2 längs eines Pfeils W3 eingeführte Kühlmedium kann auch abwärts die Gruppe der Öffnungen 1c2, 1b2 und 1a2, die miteinander kommunizieren, passieren. Man beachte, dass das plattenförmige Element aus einem Metall wie etwa Cu gefertigt ist und die Oberfläche aufweist, die mit einer Polymerschicht beschichtet ist, um daran gehindert zu werden, zu korrodieren.
7 ist eine Frontansicht, die eine Halbleiterlaservorrichtung mit einem in der Abmessung in Breitenrichtung vergrößerten Kühlkörper illustriert.
In der vorstehenden Beschreibung ist die Y-Richtungslänge Y1 des Kühlkörpers 1 konsistent mit der Y-Richtungslänge Y3 des Verstärkungselements 3; jedoch, wie in der Figur illustriert, kann Y1 größer als Y3 sein. Weiterhin kann die X-Richtungslänge des Kühlkörpers 1 größer sein als diejenige der vorstehenden Ausführungsform. Selbst in diesem Fall sind auch dieselben Effekte wie jene der vorgenannten Ausführungsform erhältlich.
8 ist eine Frontansicht, die eine Halbleiterlaservorrichtung als Vergleichsbeispiel illustriert.
Im Vergleichsbeispiel war die Halbleiterlaservorrichtung der in 3 gezeigten Ausführungsform in einer solchen Weise modifiziert, dass die Befestigungsposition des Verstärkungselements 3 sich von beiden Seiten der oberen Oberfläche des Kühlkörpers 1 änderte, um so die Verstärkungselemente 3Z zu bilden. Die Struktur der anderen Komponenten des Vergleichsbeispiels ist dieselbe wie diejenige, die in 3 gezeigt ist.
Der vorgenannte flüssiggekühlte Kühlkörper, wie etwa ein wassergekühlter Kühlkörper, weist eine hohe Leistungsfähigkeit auf. Wenn er jedoch in der Dicke reduziert ist, tendiert der flüssiggekühlte Kühlkörper dazu, sich aufgrund der Differenz bei dem linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kühlkörper und dem Lasermodul 2 durchzubiegen.
Im Falle des Vergleichsbeispiels, wenn der Kühlkörper 1 gekühlt wird, wird eine Kraft auf den Kühlkörper 1 ausgeübt, um denselben in Richtung eines Pfeils F1 zu kontrahieren. Da jedoch das Lasermodul 2 beim linearen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als der Kühlkörper 1 ist, wirkt Kraft auf das Lasermodul 2 ein, um dasselbe in Richtung eines Pfeils F2 zu kontrahieren. Das heißt, dass aufgrund der Differenz beim linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen ihnen, der Kühlkörper 1 dazu tendiert, in einer aufwärts konvexen Weise deformiert zu werden. Selbstverständlich wird, da die Verstärkungselemente 3Z fixiert sind, die Expansion oder Kontraktion des Kühlkörpers 1 etwas abgemildert; jedoch kann die Gesamtdeformation nicht aufgehalten werden.
Andererseits, wie bei der in 3 gezeigten Ausführungsform, wird das Molybdänverstärkungselement 3 mit einem niedrigeren linearen Ausdruckskoeffizienten auf der Seite gegenüberliegend der Seite fixiert, auf der das Lasermodul 2 montiert ist. Dies führt zu einer Tendenz, dass sich die Kraft, die auf den Kühlkörper 1 als die Spannung (die durch Pfeil F2 bezeichnete Kraft) aus der Lasermodul-2-Seite zum Verbiegen derselben einwirkt, und die Kraft, die auf den Kühlkörper 1 als die Spannung (die durch einen Pfeil F3 bezeichnete Kraft) aus der Verstärkungselement-3-Seite zum Verbiegen derselben einwirkt, aufheben. Weiterhin stellt das auf dem Kühlkörper 1 montierte Verstärkungselement 3 eine verbesserte Starrheit der Gesamtanordnung bereit. Somit wird gemäß der Halbleiterlaservorrichtung 10 dieser Ausführungsform die Biegung des Kühlkörpers 1 beschränkt und wird der Versatz der Lichtemissionspunktpositionen beschränkt, wodurch die Verschlechterung bei der Lichtemissionseigenschaft beschränkt wird.
Weiterhin ist es im Falle der oben erwähnten Struktur, da die Deformation des Kühlkörpers 1 beschränkt wird, möglich, eine Wasserleckung aus dem Kühlkörper 1 zu beschränken. Weiterhin, wenn eine Stromversorgungsleitung an den Laser an den Unter-Halterungen angebracht wird (Strom wird zwischen den, den Halbleiterlaserstab sandwichenden Unter-Halterungen angelegt, wenn der Laser aktiviert wird), ist es möglich, die Stromleitung daran zu hindern, verschoben zu werden. Weiterhin, wenn eine Linse vor der Halbleiterlaservorrichtung angeordnet ist, ist es möglich, ein Hochpräzisionsprodukt zu bekommen, weil die Lichtemissionspunktpositionen nicht disloziert werden. Wenn eine Halbleiterlaservorrichtung mit den vorstehenden, beispielhaften Abmessungen vorbereitet wurde, wurde der Biegebetrag des Kühlkörpers 1 auf 1,5 μm oder weniger bei guter Reproduzierbarkeit gebracht, was es ermöglicht, eine Halbleiterlaservorrichtung herzustellen, die in der Lage ist, einen Verschleiß bei den Lichtemissionseigenschaften zu bremsen.
9 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Halbleiterlaservorrichtung mit einer Mehrzahl von in Schichten gestapelten Halbleiterlasereinheiten 10 illustriert; 10 ist eine Seitenansicht, welche die Halbleiterlaservorrichtung illustriert, bei Sicht aus der Richtung eines Pfeils X; und 11 ist eine Frontansicht, die eine Halbleiterlaservorrichtung bei Sicht aus Richtung eines Pfeils XI illustriert.
Die Halbleiterlaservorrichtung ist das, was ein Halbleiterlaserstapel genannt wird, mit einer Mehrzahl von Halbleiterlasereinheiten 10, die in Schichten längs der Z-Achse gestapelt sind. Die Figuren zeigen ein Beispiel mit drei Halbleiterlasereinheiten 10, die in Schichten gestapelt sind; jedoch können auch zwei oder vier oder mehr Halbleiterlasereinheiten 10 in Schichten gestapelt sein.
Wie in der Detailstruktur in 12 und den nachfolgenden Figuren gezeigt, beinhaltet die individuelle Halbleiterlasereinheit 10 den Kühlkörper 1, das Haldleiterlasermodul 2, und das aus Molybdän gefertigte Verstärkungselement 3, mit einem zwischen die Halbleiterlasereinheiten 10 eingefügtem Abstandhalter 4, wobei der Abstandhalter 4 in sich einen Fluiddurchgang aufweist.
Der Kühlkörper 1 ist ein plattenförmiger, flüssiggekühlter Kühlkörper, in dem eine Fluidpassage ausgebildet ist, und weist eine Starrheit auf, um sich so in der Dicken-Richtung zu verbiegen, wenn er einzeln eingesetzt wird. Das Halbleiterlasermodul 2 beinhaltet den Halbleiterlaserstab 2b im Zentrum und ist an der oberen Oberfläche der Kühlkörper 1-(eine Oberfläche)Seite fixiert. Das Verstärkungselement 3 ist auf einer Position auf der unteren Oberflächen-(der anderen Oberflächen-)Seite des Kühlkörpers 1 fixiert, wobei die Position zum Halbleiterlasermodul 2 entgegen gesetzt ist, und weist einen linearen Ausdehnungskoeffizient kleiner als denjenigen des Kühlkörpers 1 auf. Die Dicke des individuellen Verstärkungselements 3 beträgt 0,1 bis 0,5 mm. Jede Einheit 10 wird durch Molybdän verstärkt und dadurch an einer Biegung gehindert, und die Einheiten 10 werden in den Schichten gestapelt und es wird Druck darauf angelegt. Man beachte, dass die Einheiten 10 nicht miteinander mittels Lot verbunden sind, sondern in Kontakt gebracht werden, indem Druck von oben darauf angelegt wird.
Es gibt einen Vorteil, dass der Kühlkörper 1 selbst gegenüber einer Verwindung widerstandsfähig ist, da der Ausdehnungs- oder Kontraktionsbetrag jedes Kühlkörpers 1 abhängig von der Temperatur durch das Verstärkungselement 3 mit einem niedrigeren linearen Ausdehnungskoeffizienten beschränkt wird. Die Halbleiterlasereinheit 2 wird somit beim Biegen aufgrund der Verzerrung des Kühlkörpers 1 gebremst. Selbstverständlich steht insbesondere bei einer auf eine auf einer anderen als der beiden Enden in Vertikalrichtung (zum Beispiel eine Halbleiterlasereinheit im Zentrum) lokalisierte Halbleiterlasereinheit 10 gerichtete Aufmerksamkeit das Halbleiterlasermodul 2 in Kontakt mit dem darunter befindlichen Kühlkörper 1 mit gebremster Ausdehnumg oder Kontraktion und dem darauf lokalisierten Verstärkungselement 3. Somit wird die Biegung des Halbleiterlasermoduls 2 selbst beachtlich gebremst.
Wenn die Aufmerksamkeit auf die Halbleiterlasereinheiten 10 an beiden Enden fokussiert wird, wirken die Spannung, die durch die Differenz beim thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kühlkörper 1 und dem unter demselben lokalisierten Verstärkungselement 3 verursacht wird, und die Spannung, die durch die Differenz beim thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kühlkörper 1 und dem darüber lokalisierten Lasermodul 2 verursacht wird, auf den Kühlkörper 1 der Halbleiterlasereinheiten 10 ein. Da diese Spannungen auf den Kühlkörper 1 in der gleichen Richtung mit gleicher Größe wirken, werden diese Spannungen eingesetzt, um sich insgesamt auszulöschen. Somit werden auch die Halbleiterlasermodule 2 an beiden Enden auch daran gehindert, sich, aufgrund der Biegung des Kühlkörpers 1 zu biegen.
Darüber hinaus kann bezüglich der in Schichten gestapelten Halbleiterlasereinheiten 10 eine elektrisch leitfähige Adhäsivschicht zwischen dem Verstärkungselement 3 einer Halbleiterlasereinheit 10 und der Unter-Halterung 2c unmittelbar darunter eingefügt sein; jedoch werden sie in diesem Beispiel als in Kontakt miteinander stehend angenommen. Eine solche Adhäsivschicht wird aus demselben Material gemacht wie jene der anderen Schichten wie etwa der Adhäsivschicht t1. Vom Standpunkt einer Reduktion bei der Verbiegung, die durch Kühlen verursacht wird, werden die auf den beiden Seiten der Adhäsivschicht lokalisierten Komponenten vorzugsweise gleichzeitig erhitzt, um dadurch fixiert zu werden, nachdem sie in Schichten gestapelt sind. Selbstverständlich können, nachdem jede Einheit 10 unter Verwendung jeder der Adhäsivschichten t1, t2, t3 und t5 zum Fixieren abgeschlossen ist, die Einheiten 10 miteinander durch eine dazwischen eingefügte Adhäsivschicht bondiert werden.
Der Abstandhalter 4, der zwischen dem Halbleiterlasereinheiten 10 eingefügt ist, ist aus Metall oder einem elektrischen Isolator hergestellt. Bezüglich des aus einem Metall wie etwa Cu angefertigten Abstandhalter 4 könnte ein Isolationsmaterial für die Adhäsivschicht auf dem Kühlkörper 1 verwendet werden, um so einen Kurzschluss zwischen den Halbleiterlasereinheiten 10 zu verhindern. Jedoch gibt es bezüglich des aus einem elektrischen Isolator, wie etwa Glas oder Keramik, gefertigten Abstandhalters 4 keine Beschränkung bezüglich des Materials der Adhäsivschicht. In diesem Beispiel wird der Abstandhalter 4 aus Silikonpolymer (Gummi) ohne zwischen Abstandhalter und Kühlkörper eingefügter Adhäsivschicht vorgenommen.
Im Falle des Antreibens des Halbleiterlaserstapels mag ein Antriebsstrom zwischen der oberen Elektrode oder der Unter-Halterung 2c und der unteren Elektrode oder der Unter-Halterung 2a angelegt werden. Jede der Unter-Halterungen ist miteinander über die Verstärkungselemente 3 verbunden. Somit würde im Prinzip eine zwischen der obersten Unter-Halterung 2c und der untersten Unter-Halterung 2a des Gesamtstapels angelegte Antriebsspannung verursachen, dass ein Strom allen dazwischen vorgesehenen Halbleiterlaserstäben 2b zugeführt wird, was es einer Mehrzahl von Laserstrahlen gestattet, in der X-Richtung aus den zweidimensionalen Lichtemissionspunkten jeder der Halbleiterlaserstäbe 2b emittiert zu werden.
Jeder Kühlkörper 1 hat zwei Durchgangslöcher 1c2 und 1c3, die sich in Dickenrichtung erstrecken, um so mit Durchgangslöchern 42 bzw. 43 des Abstandhalters 4 zu kommunizieren. Ein längs des Pfeils W1 eingeführtes Kühlmedium durch das unterste Durchgangsloch 1c3 (siehe 10) kann die Fluidpassage im Kühlkörper 1 und das Durchgangsloch 43 im Abstandhalter 4 in den obersten Kühlkörper 1 und das Durchgangsloch 1c3 passieren, wie durch die Pfeile W2 und W1 gezeigt. Das Kühlmedium kann auch die Fluidpassage im Kühlkörper 1 in das Durchgangsloch 1c2 passieren. Das meiste des längs dem Pfeil W3 durch das oberste Durchgangsloch 1c2 eingeführten Kühlmediums kann die Gruppe von Durchgangslöchern in Fluidkommunikation damit in das unterste Durchgangsloch 1c2 passieren.
Weiterhin werden nach Bedarf die O-Ringe R2 und R3 vorzugsweise so angeordnet, dass sie jedes der Durchgangslöcher 1c2, 1c3, 42 und 43 auf den oberen und unteren Oberflächen des Kühlkörpers 1 und auf der oberen Oberfläche des Abstandhalters 4 umgeben (siehe 10), wodurch eine verstärkte Dichtbarkeit zwischen Elementen, die damit in Kontakt stehen, bereitgestellt wird.
Als Nächstes wird eine Erläuterung der Struktur der individuellen Halbleiterlasereinheit 10 gegeben.
12 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Halbleiterlasereinheit illustriert; 13 ist eine Seitenansicht, welche die Halbleiterlasereinheit bei Sicht aus der Richtung eines Pfeils XIII illustriert und 14 ist eine Frontansicht, die eine Halbleiterlasereinheit bei Sicht aus der Richtung eines Pfeils XIV illustriert.
Die Halbleiterlasereinheit beinhaltet das Nachfolgende: den Kühlkörper 1, das auf dem Kühlkörper 1 fixierte Lasermodul 2; das auf der Position entgegengesetzt dem Lasermodul 2 auf dem Kühlkörper 1 fixierte Verstärkungselement 3 und den Abstandhalter 4, der auf der oberen Oberfläche des Kühlkörper 1 angeordnet ist und daran fixiert ist, um so nicht aufgrund von Druck von oben zu verrutschen. Der Abstandhalter 4 fungiert auch als ein Abdichtmaterial, wenn ein Kühlmedium wie etwa Wasser darin eingeführt wird und nach Bedarf wird ein O-Ring oder dergleichen um die Öffnungen 42 und 43, die im Element 4 vorgesehen sind, angeordnet.
Der Kühlkörper 1 ist ein plattenförmiger, flüssiggekühlter Kühlkörper, in dem eine Fluidpassage ausgebildet ist. Weiterhin ist der Kühlkörper 1 von einer Dicke von 3 mm oder weniger, und es ist ihm damit gestattet, sich in der Dickenrichtung zu verbiegen, wenn er einzeln verwendet wird. Die detaillierte Struktur des Kühlkörpers 1 ist in 9, die später beschrieben wird, illustriert.
Das Lasermodul 2 weist den Halbleiterlaserstab 2b gesandwicht zwischen der ersten Unter-Halterung 2a und der zweiten Unter-Halterung 2c auf. Die erste Unter-Halterung 2a ist auf der oberen Oberfläche des Kühlkörpers 1 mit einer darin zwischengefügten Adhäsivschicht t1 fixiert, und auf dem Halbleiterlaserstab 2b mit der dazwischen eingefügten Adhäsivschicht t2 fixiert. Weiterhin ist der Halbleiterlaserstab 2 auf der zweiten Unter-Halterung 2c mit der dazwischen eingefügten Adhäsivschicht t3 fixiert. Das heißt, dass die erste Unter-Halterung 2a fix auf der Oberfläche des Halbleiterlaserstabs 2b anklebt, während die zweite Unter-Halterung 2c fix an der anderen Oberfläche des Halbleiterlaserstabs 2b klebt. Man beachte, dass jede der Unter-Halterungen 2a und 2c aus einem Material hergestellt ist, das einen linearen Ausdehnungskoeffizienten (thermischen Ausdehnungskoeffizienten) aufweist, der kleiner als der lineare Ausdehnungskoeffizient des Kühlkörpers 1 ist, oder die Form einer Platte (rektanguläres Parallelepiped) aufweist.
Die Unter-Halterungen 2a und 2c können aus einem Material gefertigt sein, das aus der aus Mo, W, Cu, Cu-W-Legierung, Cu-Mo-Legierung, SiC oder AlN bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und jede Unter-Halterung in einer Dicke von 50 bis 200 μm hergestellt werden.
Das Verstärkungselement 3 ist aus einer Molybdän-(Mo-)Platte hergestellt und an einer Position auf der Oberfläche des Kühlkörper 1 entgegengesetzt zu der Oberfläche fixiert, auf der die erste Unter-Halterung montiert ist, wobei die Position zur ersten Unter-Halterung 2a entgegengesetzt ist, mit der zwischen dem Kühlkörper 1 und dem Verstärkungselement 3 eingefügten Adhäsivschicht t5. Das Verstärkungselement 3 ist aus einem Material hergestellt, das einen linearen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als derjenige des Kühlkörpers 1 aufweist, und, anders als die Unter-Halterungen, innerhalb des Bereichs von 0,1 bis 0,5 mm in der Dicke fällt. Man beachte, dass das Molybdän-Verstärkungselement 3 sich auf ein Verstärkungselement bezieht, das hauptsächlich aus Molybdän (80% oder größer als Gew.-%) zusammengesetzt ist, aber dieselben Effekte bereitstellen kann, selbst wenn es mit einer Spurenmenge an Verunreinigungen gemischt wird.
Hier werden die Unter-Halterungen vorzugsweise aus einer Cu-W-Legierung hergestellt, bevorzugter aus dem Verstärkungselement-3-Molybdän. Ein Grund dafür ist, dass der Effekt des Aufhebens von Spannungen, die dem Kühlkörper 1 auferlegt sind, wenn er expandiert oder kontrahiert, verfügbar ist, während ein anderer Grund ist, dass die folgenden Effekte ebenfalls erhältlich sind. Da nämlich die CuW-Legierung eine gute thermische Leitfähigkeit und einen Ausdehnungskoeffizienten näher an dem des Halbleiterlaserstabs aufweist, ist die Cu-W-Legierung vorteilhaft als Unter-Halterung des Halbleiterlaserstabs. Weiterhin, da das Merkmal als eine Elektrode auch für die Unter-Halterung erforderlich ist, wird die Unter-Halterung auch aus Metall gemacht, um elektrische Leitung bereitzustellen.
Man beachte, dass im dreidimensionalen, rechtwinkligen XYZ-Koordinatensystem unter der Annahme, dass die Y-Achse die Richtung ist, in der die Lichtemissionspunkte ausgerichtet sind (die Längsrichtung des Laserstabs), die Z-Achse die Richtung der Dicke des Laserstabs 2b ist, und die X-Achse parallel zur Richtung ist, in der ein Laserstrahl emittiert wird, die beispielhaften Abmessungen (bevorzugten Bereiche) jeder Komponente wie oben beschrieben sind. Man beachte, dass die X-Achsenrichtungsabmessung X4 des Abstandhalters 4 kleiner als die Abmessung X1–X2 ist; die Y-Achsenrichtungsabmessung Y4 ist mit Y3 konsistent und die Z-Achsenrichtungsabmessung Z4 wird auf größer als Z2 eingestellt.
Man beachte, dass alle Adhäsivschichten t1, t2, t3 und t5 aus Lotmaterial hergestellt sind, die alle eine Dicke Zt aufweisen. Die anzunehmenden Adhäsivschichten können aus SnAgCu oder AuSn hergestellt sein; jedoch können die Schichten t2 und t3 aus AuSn gemacht sein und können die Schichten t1 und t5 aus SnAgCu gemacht sein. Eine beispielhafte Abmessung der Dicke Zt ist 10 m. Man beachte, dass, wenn der Abstandhalter 4 aus einem elektrischen Isolator wie etwa Keramik hergestellt ist, eine Adhäsivschicht wie etwa aus Lotmaterial zwischen der Polymerschicht und dem Kühlkörper eingefügt sein kann; jedoch ist in diesem Beispiel der Abstandhalter 4 aus Silikonpolymer (Gummi) hergestellt und stellt Isolations- und Abdichtfunktionen bereit. Ein bevorzugter Bereich ist von 3 bis 20 μm. Die Effekte des vorstehenden numerischen Bereichs können wie folgt erläutert werden. Das heißt, dass für den numerischen Bereich von 3 bis 20 μm das Lot über die gesamte Schicht verteilt wird, ohne daraus zu überfließen, um so eine gleichmäßige Bondierung bereitzustellen.
Hier werden die physikalischen Größen des flüssiggekühlten Kühlkörpers 1, der ersten Unter-Halterung 2a, des Halbleiterlaserstab 2b, der zweiten Unter-Halterung 2c und des Molybdän-Verstärkungselements 3 so eingestellt, dass sie im Wesentlichen die Biegung des Halbleiterlaserstabs eliminieren.
15 ist eine Explosionsperspektivansicht, die eine Halbleiterlasereinheit illustriert.
Der Kühlkörper 1 weist die Öffnungen (Durchgangslöcher) 1c2 und 1c3 zum Einführen eines Kühlmediums auf, welche mit den Öffnungen (Durchgangslöcher) 42 und 43 des Abstandhalters 4 kommunizieren. Der nach Bedarf bereitgestellte Abstandhalter 4 dient zum Abdichten des Kühlmediums. Jedoch kann für den Halbleiterlaserstapel der Abstandhalter 4 auf der obersten Lasereinheit vorgesehen sein, so dass dies als ein Abstandhalter dienen wird, wenn der Stapel in einer externen Vorrichtung inkorporiert wird.
Das Lasermodul 2 ist auf der oberen Oberflächenseite des Kühlkörpers 1 mit einer dazwischen eingefügten Adhäsivschicht angeordnet und das Verstärkungselement 3 ist auf der Rückseitenoberfläche mit einer dazwischen eingefügten Adhäsivschicht angeordnet. Dann werden Hitze und Druck gleichzeitig an diese Komponenten in der Z-Achsenrichtung angelegt und danach werden die Komponenten auf Raumtemperatur abgekühlt, um dadurch fixiert zu werden. Nach Bedarf wird der Abstandhalter 4 auf der oberen Oberfläche des Kühlkörpers 1 mit einer dazwischen eingefügten Adhäsivschicht angeordnet und es werden Hitze und Druck in derselben Weise darauf angelegt, so dass die Komponenten fixiert werden. Bei dieser Fixierprozedur können die Komponenten aller Halbleiterlasereinheiten 10 gleichzeitig fixiert werden, nachdem sie in Schichten gestapelt worden sind. In diesem Fall, weil alle Spannungen auf jede Komponente gleichzeitig beim Fixierschritt aufgebracht werden, wird ein Vorteil einer Reduktion bei der Verbiegung jeder Komponente möglich. Das heißt, wenn eine Adhäsivschicht zwischen jeder der Komponenten 3, 1, 2a, 2b, 2c und 4 eingefügt ist, und Hitze darauf gleichzeitig angelegt wird, um dadurch dieselbe zu fixieren, wird die Starrheit der gesamten Anordnung merklich verbessert. Selbstverständlich können die Einheiten 10 individuell bondiert werden und Druck kann nur an die komplettierten Einheiten 10 mit dem dazwischen eingefügten Abstandhalter 4 angelegt werden, so dass die Einheiten 10 ohne jegliches Adhäsiv fixiert werden. Wenn gebogene Einheiten 10 in Schichten gestapelt werden, würde dies zu einer Lücke führen, die Wasserleckung oder fehlerhafte elektrische Kontinuität verursachen würde. Jedoch würden die Einheiten 10, deren Biegung abgebremst wird, den Vorteil aufweisen, dass sie leicht in Schichten gestapelt werden und gegenüber den vorgenannten Ausfällen oder dergleichen resistent sind.
Man beachte, dass die Struktur des Halbleiterlaserstabs wie in 5 gezeigt ist.
Eine perspektivische Explosionsansicht der Struktur des flüssiggekühlten Kühlkörpers ist wie in 6 gezeigt.
16 ist eine Frontansicht, die eine Halbleiterlasereinheit mit einem in Abmessung in Breitenrichtung vergrößertem Kühlkörper illustriert.
Obwohl die Y-Richtungslänge Y1 des Kühlkörpers 1 konsistent mit der Y-Richtungslänge Y3 des Verstärkungselements 3 in den vorstehenden Beschreibungen war, kann Y1 größer als Y3 sein, wie in der Figur illustriert. Weiterhin kann die X-Richtungslänge des Kühlkörpers 1 größer als diejenige der vorstehenden Ausführungsform sein. Selbst in diesem Fall sind auch dieselben Effekte wie jene der vorstehenden Ausführungsform erhältlich.
17 ist eine Frontansicht, die eine Halbleiterlasereinheit als ein Vergleichsbeispiel illustriert.
In diesem Vergleichsbeispiel wird die Halbleiterlasereinheit der in 14 gezeigten Ausführungsform so verwendet, dass die Montageposition des Verstärkungselements 3 zu den beiden Seiten der oberen Oberfläche des Kühlkörpers 1 verändert wurde und als die Verstärkungselemente 3Z verwendet wurden. Die Struktur der anderen Komponenten im Vergleichsbeispiel ist die gleiche wie die in 14 gezeigte.
Wenn der vorstehend genannte flüssiggekühlte Kühlkörper, wie etwa der wassergekühlte Kühlkörper, mit einer hohen Leistungsfähigkeit in seiner Dicke reduziert wird, tendiert der Kühlkörper dazu, sich aufgrund der Differenz beim linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kühlkörper und dem Lasermodul 2 zu verbiegen.
Im Falle des Vergleichsbeispiels, wenn der Kühlkörper 1 gekühlt wird, wird eine Kraft darauf wirken, um denselben in Richtung des Pfeils F1 zu kontrahieren; jedoch wird eine Kraft auf das Lasermodul 2 so einwirken, dass dasselbe in Richtung des Pfeils F2 kontrahiert wird, weil das Lasermodul 2 einen kleineren linearen Ausdehnungskoeffizienten als der Kühlkörper 1 aufweist. Das heißt, dass aufgrund der Differenz beim linearen Ausdehnungskoeffizienten der Kühlkörper dazu tendiert, sich in einer aufwärts gerichteten konvexen Weise zu deformieren. Selbstverständlich, da die Verstärkungselemente 3Z fixiert sind, wird die Expansion oder Kontraktion des Kühlkörpers 1 etwas abgemildert; jedoch kann die Gesamtdeformation nicht vermieden werden.
Andererseits, wie bei der in 14 gezeigten Ausführungsform, ist das Molybdän-Verstärkungselement 3 mit einem niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten an der Seite entgegengesetzt der Seite fixiert, auf der das Lasermodul 2 montiert ist. Dies führt zu einer Tendenz, dass sich die Kraft, die auf den Kühlkörper 1 als die Spannung (die durch den Pfeil F2 bezeichnete Kraft) aus der Lasermodul-2-Seite wirkt, um so denselben zu verbiegen, und die Kraft, die auf dem Kühlkörper 1 als die Spannung (die durch den Pfeil F3 bezeichnete Kraft) aus der Verstärkungselement-3-Seite wirkt, um so denselben zu biegen, aufheben. Weiterhin stellt das auf dem Kühlkörper 1 montierte Verstärkungselement 3 eine verbesserte Steifigkeit für die Gesamtanordnung bereit. Die Verwendung der Stabstruktur, die gleichzeitiges Bondieren durchführt, trägt zu einer Reduktion bei den Spannungen bei, die in beide Richtungen auf den Halbleiterlaserstab wirken würden, das heißt von den oberen und unteren Oberflächen des Laserstabs. Somit wird gemäß der Halbleiterlaservorrichtung mit den Halbleiterlasereinheiten 10 der in Schichten gestapelten Ausführungsform die Verbiegung des Kühlkörpers 1 gebremst und wird der Versatz der Lichtemissionspunktpositionen gebremst, wodurch die Verschlechterung bei der Lichtemissionseigenschaft gebremst wird.
Weiterhin ist es im Fall der oben erwähnten Struktur, da die Deformation des Kühlkörpers 1 gebremst wird, möglich, ein Wasserlecken aus dem Kühlkörper 1 zu bremsen. Weiterhin, wenn eine Stromversorgungsleitung an den Laser an den Unter-Halterungen angebracht wird (der Strom wird zwischen den, den Halbleiterlaserstab sandwichenden Untermontierungen angelegt, wenn der Laser aktiviert wird), ist es möglich, die Versorgungsleitung daran zu hindern, verschoben zu werden. Weiterhin, wenn eine Linse vor der Halbleiterlasereinheit angeordnet wird, ist es möglich, ein Hochpräzisionsprodukt zu erhalten, weil die Lichtemissionspunktpositionen nicht disloziert werden.
Bezugszeichenliste

10: Halbleiterlaservorrichtung, 1: Kühlkörper, 2: Halbleiterlasermodul, 3: Molybdän-Verstärkungselement.

Claims

Halbleiterlaservorrichtung, umfassend: einen Halbleiterlaserstab mit einer Mehrzahl von Lichtemissionspunkten, die auf einer geraden Linie ausgerichtet sind; einen plattenförmigen, flüssiggekühlten Kühlkörper, in dem eine Flüssigkeitspassage ausgebildet ist und der eine Dicke gleich oder kleiner 3 mm aufweist; eine erste Unter-Halterung, die auf einer Oberfläche des Halbleiterlaserstabes fixiert ist, die aus einem Material hergestellt ist, das einen linearen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als derjenige des Kühlkörpers aufweist, und auf dem Kühlkörper fixiert ist; eine zweite Unter-Halterung, die auf der anderen Oberfläche des Halbleiterlaserstabs fixiert ist und aus einem Material hergestellt ist, das einen linearen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als derjenige des Kühlkörpers aufweist; und ein Molybdän-Verstärkungselement, das an einer Position auf einer Oberfläche des Kühlkörpers entgegengesetzt der Oberfläche fixiert ist, auf der die erste Unter-Halterung montiert ist, wobei die Position zur ersten Unter-Halterung gegenüberliegend ist, wobei das Molybdän-Verstärkungselement einen linearen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als derjenige des Kühlkörpers und eine Dicke von 0,1 bis 0,5 mm aufweist.
Halbleiterlaservorrichtung, aufweisend eine Mehrzahl von in Schichten gestapelten Halbleiterlasereinheiten, wobei die Halbleiterlaservorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die individuelle Halbleiterlasereinheit umfasst: einen plattenförmigen, flüssiggekühlten Kühlkörper, in dem eine Fluidpassage ausgebildet ist; ein Halbleiterlasermodul, das aus einem Halbleiterlaserstab gefertigt ist und auf einer Oberflächenseite des Kühlkörpers fixiert ist; und ein Molybdän-Verstärkungselement, das an einer Position auf der anderen Oberfläche des Kühlkörpers fixiert ist, wobei die Position zum Halbleiterlasermodul gegenüberliegend ist, das Molybdän-Verstärkungselement eine Dicke von 0,1 bis 0,5 mm und einen linearen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als der des Kühlkörpers aufweist; und wobei eine Oberfläche des Molybdän-Verstärkungselements einer der Halbleiterlasereinheiten auf dem Kühlkörper derselben Halbleiterlasereinheit fixiert ist und die andere Oberfläche auf dem Halbleiterlasermodul einer anderen Halbleiterlasereinheit fixiert ist.