DE112015004794T5

DE112015004794T5 - Laserlichtquellenvorrichtung

Info

Publication number: DE112015004794T5
Application number: DE112015004794.8T
Authority: DE
Inventors: Kazutaka Ikeda; Daisuke Morita; Motoaki Tamaya
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2017-07-13
Also published as: WO2016063814A1; CN107148705A; JP6320557B2; US20180226772A1; JPWO2016063814A1; US10277011B2

Abstract

Es wird eine Laserlichtquellenvorrichtung angegeben, welche einen Temperaturanstieg bei einem Halbleiter-Laserarray reduziert, elektrolytische Korrosion verhindert sowie eine verbesserte Langzeit-Zuverlässigkeit besitzt. Die Laserlichtquellenvorrichtung weist ein Halbleiter-Laserarray (1) auf, das eine Mehrzahl von Halbleiter-Laserelementen besitzt, die in einem Array angeordnet sind, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: Eine Wärmesenke (3); ein Untermontage-Substrat (2), das an der einen Endkante der Wärmesenke (3) angeordnet ist, und das einen Energiezuführungspfad aufweist, an welchem das Halbleiter-Laserarray (1) angebracht ist; eine Isolierplatte (6), die in einem Bereich angeordnet ist, der verschieden ist von demjenigen des Untermontage-Substrats (2) an der Wärmesenke (3); eine erste Elektrodenplatte (4), die an der Isolierplatte (6) angebracht ist; eine zweite Elektrodenplatte (5), die an der Isolierplatte (6) getrennt von der ersten Elektrodenplatte angebracht ist; Metalldrähte (7a, 7b), die eine elektrische Verbindung jeweils zwischen der ersten Elektrodenplatte (4) und dem Untermontage-Substrat (2) bzw. zwischen der zweiten Elektrodenplatte (5) und dem Halbleiter-Laserarray (1) herstellen; und einen Kühlblock (8), an dem die Wärmesenke (3) angebracht ist und der einen Kühlwasser-Strömungskanal (9) im Inneren des Kühlblocks (8) aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserlichtquellenvorrichtung, an der ein Halbleiter-Laserarray angebracht ist, an welchem eine Mehrzahl von Halbleiter-Laserelementen in einem Array angeordnet ist.
Stand der Technik
Bei einer Laserlichtquellenvorrichtung gilt Folgendes: Wenn ein Strom in ein Halbleiter-Laserarray eingespeist wird, das so ausgebildet ist, dass eine Mehrzahl von Halbleiter-Laserelementen in einem Array angeordnet sind, dann dient das Halbleiter-Laserarray als Oszillationsquelle für Laserlicht, sowie als Wärmeerzeugungsquelle, die eine große Wärme erzeugt.
In dem Halbleiter-Laserarray verändert sich die Oszillationswellenlänge in Abhängigkeit von der Temperatur, und bei einer hohen Temperatur nimmt die Laser-Ausgangsleistung ab, und dann wird die Zuverlässigkeit des Halbleiter-Laserarrays verringert. Es ist daher bevorzugt, eine Kühlstruktur vorzusehen, um eine geeignete Temperatur in dem Halbleiter-Laserarray zu halten. Ein Beispiel einer Konfiguration der Laserlichtquellenvorrichtung mit einer Kühlstruktur ist in dem Patentdokument 1 gezeigt.
In dem Patentdokument 1 ist ein Halbleiter-Laserarray, indem eine Leitpaste, wie z. B. ein Lot verwendet wird, auf einer Wärmesenke angebracht, die auch als Kühlkörper bezeichnet wird, in welchem ein Strömungskanal für Kühlwasser enthalten ist. Ein Material für die Wärmesenke muss eine ausgezeichnete thermische Leitfähigkeit haben, um Wärme von dem Halbleiter-Laserarray abzuleiten. Ferner muss das Material ausgezeichnete Isoliereigenschaften haben, um ein sehr schnelles Fortschreiten von Korrosion in der Wärmesenke zu verhindern, die durch elektrolytische Korrosion (elektrische Erosion im Strömungskanal für das Kühlwasser) verursacht wird.
Als Material, das diese beiden Eigenschaften hat, hat man Keramiken als Material für die Wärmesenke verwendet. Eine plattierte Metallschicht ist auf der gesamten oberen Fläche der Wärmesenke in einem Plattierungsprozess ausgebildet, um einen Energiezuführungspfad zu bilden. Mit einer solchen Konfiguration sind der Energiezuführungspfad und der Kühlwasser-Strömungskanal voneinander getrennt, um eine elektrolytische Korrosion zu verhindern.
Stand der Technik
Patentdokument

Patentdokument 1: JP 2009-064 932 A

Zusammenfassung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
In der Laserlichtquellenvorrichtung, wie etwa in dem Patentdokument 1, dient jedoch eine plattierte Schicht aus Nickel-Gold, die auf der gesamten Fläche der Wärmesenke (einem Kühlkörper) gebildet ist, als Energiezuführungspfad, wie oben beschrieben. In dem Fall eines Halbleiter-Laserarrays, das einen großen Strom benötigt, wie z. B. einige zehn Ampere, erzeugt die plattierte Schicht selbst Wärme, da die plattierte Schicht auf der gesamten Fläche, die als Energiezuführungspfad dient, einen großen Verdrahtungswiderstand hat. Folglich steigt die Temperatur des Halbleiter-Laserarrays, was zu einer herabgesetzten Laser-Ausgangsleistung führen kann.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um solch ein Problem zu lösen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserlichtquellenvorrichtung anzugeben, die dazu imstande ist, einen Temperaturanstieg bei einem Halbleiter-Laserarray zu verringern und elektrolytische Korrosion zu verhindern, um die Langzeit-Zuverlässigkeit zu verbessern.
Wege zum Lösen des Problems
Um die obige Aufgabe zu lösen, ist die vorliegende Erfindung wie folgt konfiguriert.
Eine Laserlichtquellenvorrichtung gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist so konfiguriert, dass sie ein Halbleiter-Laserarray mit einer Mehrzahl von Halbleiter-Laserelementen aufweist, die in dem Array angeordnet sind, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist:
eine plattenartige Wärmesenke;
ein Untermontage-Substrat, das aus einem Material mit elektrischen Isoliereigenschaften gebildet ist, das so konfiguriert ist, dass es an der einen Endkante an der Wärmesenke angeordnet ist, und das so konfiguriert ist, dass es einen Energiezuführungspfad aufweist, an welchem das Halbleiter-Laserarray angebracht ist;
eine Isolierplatte, die so konfiguriert ist, dass sie in einem Bereich angeordnet ist, der verschieden ist von demjenigen des Untermontage-Substrats an der Wärmesenke, und die aus einem Material mit Isoliereigenschaften hergestellt ist;
eine erste Elektrodenplatte, die so konfiguriert ist, dass sie an der Isolierplatte angebracht ist;
eine zweite Elektrodenplatte, die so konfiguriert ist, dass sie an der Isolierplatte getrennt von der ersten Elektrodenplatte angebracht ist und über der ersten Elektrodenplatte angeordnet ist; und
Metalldrähte, die so konfiguriert sind, dass sie eine elektrische Verbindung jeweils zwischen der ersten Elektrodenplatte und dem Untermontage-Substrat bzw. zwischen der zweiten Elektrodenplatte und dem Halbleiter-Laserarray herstellen.
Wirkungen der Erfindung
Bei der Laserlichtquellenvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Untermontage-Substrat an der einen Endkante an der Wärmesenke angeordnet, das Halbleiter-Laserarray ist an dem Untermontage-Substrat angebracht, und jede von den ersten und zweiten Elektrodenplatten ist an der Wärmesenke über die Isolierplatte angebracht. Ferner ist eine elektrische Verbindung jeweils hergestellt zwischen der ersten Elektrodenplatte und dem Untermontage-Substrat bzw. zwischen der zweiten Elektrodenplatte und dem Halbleiter-Laserarray, und zwar über die Metalldrähte. Demzufolge ist der Energiezuführungspfad, der elektrisch mit dem Halbleiter-Laserarray verbunden ist, klein im Vergleich zu dem herkömmlichen Fall, was folglich eine Überhitzung des Halbleiter-Laserarrays verhindern oder verringern kann, die durch den Verdrahtungswiderstand verursacht wird.
Ferner ist das Halbleiter-Laserarray auf dem Untermontage-Substrat mit elektrischen Isoliereigenschaften angeordnet. Jede der ersten und zweiten Elektrodenplatten ist auf der Wärmesenke angebracht bzw. mit dieser verbunden, wobei die elektrisch isolierende Isolierplatte dazwischen angeordnet ist. Folglich ist der Energiezuführungspfad konfiguriert, ohne dass der elektrische Strom durch die Wärmesenke fließt. Der Energiezuführungspfad und das Kühlwasser sind voneinander getrennt, und zwar infolge der Zwischenanordnung der Isolierplatte und des Untermontage-Substrats.
Folglich können der Energiezuführungspfad zum Halbleiter-Laserarray und der Kühlwasser-Strömungskanal voneinander getrennt werden, um eine elektrolytische Korrosion (Erosion) des Kühlwasser-Strömungskanals zu verhindern. Daher kann dies zu einer Verbesserung der Langzeit-Zuverlässigkeit der Laserlichtquellenvorrichtung führen, sowie zur Langzeit-Verwendung der Vorrichtung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Umriss einer Laserlichtquellenvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
1B ist eine schematische Querschnittsansicht der in 1A gezeigten Laserlichtquellenvorrichtung.
1C ist eine schematische Querschnittsansicht der in 1A gezeigten Laserlichtquellenvorrichtung.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Umriss einer Laserlichtquellenvorrichtung zeigt, die die in 1A gezeigte Laserlichtquellenvorrichtung bildet.
3A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Umriss einer Laserlichtquellenvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3B ist eine schematische Querschnittsansicht der in 3A gezeigten Laserlichtquellenvorrichtung.
4A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Umriss einer Laserlichtquellenvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4B ist eine schematische Querschnittsansicht der in 4A gezeigten Laserlichtquellenvorrichtung.
5 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Umriss einer Laserlichtquellenvorrichtung zeigt, die die in 4A gezeigte Laserlichtquellenvorrichtung bildet.
6A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Umriss einer Laserlichtquellenvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
6B ist eine schematische Querschnittsansicht der in 6A gezeigten Laserlichtquellenvorrichtung.
7A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Umriss einer Laserlichtquellenvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
7B ist eine schematische Querschnittsansicht der in 7A gezeigten Laserlichtquellenvorrichtung.
8A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Umriss einer Laserlichtquellenvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8B ist eine schematische Querschnittsansicht der in 8A gezeigten Laserlichtquellenvorrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
Eine Laserlichtquellenvorrichtung, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wird unten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es sei angemerkt, dass die gleichen oder ähnliche die Komponenten bildenden Bereiche in den jeweiligen Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Um eine unnötig lange Beschreibung zu vermeiden, und um das Verständnis einer Fachperson zu erleichtern, können daher eine detaillierte Beschreibung von bekannten Sachverhalten und eine wiederholte Beschreibung von im Wesentlichen der gleichen Konfiguration weggelassen werden. Es ist nicht beabsichtigt, dass der Inhalt der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen den Umfang oder die Gegenstände beschränkt, die in den Ansprüchen angegeben sind.
Erste Ausführungsform
Eine Laserlichtquellenvorrichtung 101 gemäß der vorliegenden ersten Ausführungsform, die in 1 (1A, 1B und 1C) gezeigt ist, weist Folgendes auf: einen Laserlichtquellenmodul 10, das in 2 gezeigt ist, und einen Kühlblock 8 zum Kühlen des Laserlichtquellenmoduls 10.
Das Laserlichtquellenmodul 10 gemäß der vorliegenden ersten Ausführungsform weist ein Halbleiter-Laserarray 1 auf, das gebildet wird, indem eine Mehrzahl von Halbleiter-Laserelementen in einem Array angeordnet werden, und es weist zudem Folgendes auf: ein Untermontage-Substrat 2, eine Wärmesenke 3, eine Isolierplatte 6, eine erste Elektrodenplatte 4, eine zweite Elektrodenplatte 5 und Metalldrähte 7 (7a, 7b).
Die Wärmesenke 3 ist ein plattenartiges Bauteil, das aus einem Material mit ausgezeichneter thermischer Leitfähigkeit hergestellt ist, wie z. B. einem Metallmaterial wie Kupfer (nachfolgend als Cu bezeichnet) oder dergleichen, um wirksam die Wärme abzuführen, die von dem Halbleiter-Laserarray 1 zur Zeit der Laseroszillation erzeugt wird, und um die Wärme wirksam an den Kühlblock 8 abzuführen. Ferner ist Gold (nachfolgend als Au bezeichnet) auf die gesamte Fläche der Wärmesenke 3 mittels eines Plattierungsprozesses auflaminiert.
Das Untermontage-Substrat 2 ist ein Substrat, das an der einen Endkante auf der Wärmesenke 3 angeordnet ist und so konfiguriert ist, dass es an dem Halbleiter-Laserarray 1 angebracht wird. Das Untermontage-Substrat 2 ist aus einem Material mit ausgezeichneter thermischer Leitfähigkeit und elektrischen Isoliereigenschaften hergestellt. Beispielsweise wird ein Keramikmaterial, wie z. B. Aluminiumnitrid (nachfolgend als AlN bezeichnet) oder Siliciumcarbid (nachfolgend als SiC bezeichnet) verwendet.
Ein Energiezuführungspfad ist an der oberen Fläche des Untermontage-Substrats 2 ausgebildet, nämlich an einer Montagefläche für das Halbleiter-Laserarray. Der Energiezuführungspfad wird gebildet, indem eine Metallplattierung aus Titan (nachfolgend als Ti bezeichnet), Cu, Nickel (nachfolgend als Ni bezeichnet) und Au in dieser Reihenfolge laminiert wird. Hierbei entspricht die Titaniumplattierung einer unteren Schicht in Kontakt mit dem Untermontage-Substrat 2. Das Halbleiter-Laserarray 1 hat eine Au-Elektrode auf jeder von seinen oberen und unteren Flächen.
Ein Montagebereich für das Halbleiter-Laserarray 1 ist auf der oberen Fläche der plattierten Schicht von Ti, Cu, Ni und Au gebildet und folglich laminiert, und zwar entlang einer Endfläche 2a auf der Längsseite des Untermontage-Substrats 2. Der Montagebereich wird gebildet, indem Platin (nachfolgend als Pt bezeichnet) und ein Au-Sn-basiertes Lotmaterial oder ein Sn-basiertes Lotmaterial in dieser Reihenfolge abgeschieden werden.
Hierbei entspricht die Platinschicht einer unteren Schicht in Kontakt mit der plattierten Au-Schicht. Im so gebildeten Montagebereich wird die Au-Elektrode an der unteren Fläche des Halbleiter-Laserarrays 1 mittels Lötens mit dem abgeschiedenen Lotmaterial verbunden und auf die plattierten Schichten des Untermontage-Substrat 2 aufgebracht. Dies führt zu einer elektrischen und mechanischen Verbindung zwischen dem Untermontage-Substrat 2 und dem Halbleiter-Laserarray 1.
Beim Montieren wird das Halbleiter-Laserarray 1 so positioniert, dass eine Endfläche 1a an der Längsseite, die die Seite der lichtemittierenden Fläche ist, des Halbleiter-Laserarrays 1 in der Plusrichtung auf der Z-Achse um ungefähr 0 bis ungefähr 30 μm in Bezug auf die Endfläche 2a des Untermontage-Substrats 2 vorsteht. Bei dieser Positionierung gilt Folgendes: Wenn jedes Halbleiter-Laserelement des Halbleiter-Laserarrays 1 eine Laseroszillation durchführt, ist es möglich, zu verhindern, dass Laserlicht auf das Untermontage-Substrat einfällt 2 und dadurch abgeschirmt wird.
Wie in 1A gezeigt, entspricht die Z-Achsenrichtung einer Richtung, in welcher Laserlicht von dem Halbleiter-Laserarray 1 emittiert wird, und sie ist eine Vertikalrichtung zu der Endfläche 1a auf Seiten der lichtemittierenden Fläche des Halbleiter-Laserarrays 1.
Ähnlich wie die obere Fläche des Untermontage-Substrats 2 ist dessen untere Fläche, nämlich die Fläche in Kontakt mit der Wärmesenke 3, mit Ti, Cu, Ni und Au in dieser Reihenfolge plattiert. Hier entspricht die Ti-Plattierung der unteren Schicht in Kontakt mit dem Untermontage-Substrat 2. Auf der Oberseite der plattierten Schichten ist ein Au-Su-basiertes Lotmaterial oder ein Sn-basiertes Lotmaterial abgeschieden, das das gleiche Material wie die obere Fläche ist.
Folglich ist das Untermontage-Substrat 2 an der Wärmesenke 3 mittels einer Lotverbindung angebracht, unter Verwendung des abgeschiedenen Lotmaterials. In dieser Verbindung wird das Untermontage-Substrat 2 in Bezug auf die Wärmesenke 3 positioniert, so dass die Endfläche 2a des Untermontage-Substrats 2 zu einer Endfläche 3a der Wärmesenke 3 in der Z-Achsenrichtung passt.
Die Isolierplatte 6 ist ein Plattenbauteil, das in einem Bereich angeordnet ist, der von dem Ort verschieden ist, wo das Untermontage-Substrat 2 von der Wärmesenke 3 belegt ist, und es ist aus einem Material mit elektrischen Isoliereigenschaften hergestellt, wie z. B. einem Glasmaterial oder einem PEEK-Material. Bei der vorliegenden ersten Ausführungsform ist die Isolierplatte 6 an der Wärmesenke 3 unter Verwendung eines Klebstoffmaterials oder eines Lotmaterials befestigt, und zwar hinter dem Untermontage-Substrat 2, das an der Wärmesenke 3 angebracht ist, nämlich auf der Seite der Minusrichtung der Z-Achse.
Für den Fall, dass das Lotmaterial beim Befestigen verwendet wird, gilt Folgendes: Wenn das Untermontage-Substrat bereits auf der Wärmesenke 3 angebracht worden ist, kann die Verwendung eines Lotmaterials mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als demjenigen des Lotmaterials, das auf dem Untermontage-Substrat 2 abgeschieden ist, ein Wiederschmelzen des Lotmaterials auf dem Untermontage-Substrat 2 verhindern, und es kann eine Verschiebung der Montageposition von zumindest einem von dem Halbleiter-Laserarray 1 und dem Untermontage-Substrat 2 in Bezug auf die Position an der Wärmesenke 3 verhindern.
Die erste Elektrodenplatte 4 und die zweite Elektrodenplatte 5 sind Elektrodenbauteile, die auf der Isolierplatte 6 z. B. mittels eines Klebstoffmaterials angebracht sind. Die Elektroden sind aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit hergestellt, wie z. B. Cu, und sie sind so strukturiert, dass sie einen sehr kleinen elektrischen Widerstand haben. Eine Au-Schicht ist auf der gesamten Fläche von jeder der Elektroden mittels eines Plattierungsprozesses auflaminiert. Ferner haben die erste Elektrodenplatte 4 und die zweite Elektrodenplatte 5 jeweils eine Dicke von einigen Millimeter, die ausreichend größer ist als diejenige der Au-Schicht.
Die erste Elektrodenplatte 4 ist beispielsweise eine positive Elektrode, und in der vorliegenden ersten Ausführungsform hat die erste Elektrodenplatte 4 eine L-Form auf einer Schnittfläche (der XY-Ebene) entlang der Richtung der Längsseite (der X-Achsenrichtung) des Untermontage-Substrats 2, eine L-Form auf einer Schnittfläche (der XZ-Ebene) vertikal zu der Y-Achsenrichtung und auch eine L-Form auf einer Schnittfläche (der YZ-Ebene) vertikal zu der X-Achsenrichtung.
Ein Stufenbereich 4a, der der einen Seite der L-Form entspricht, ist parallel zu der Längsseitenrichtung des Untermontage-Substrats 2 angeordnet, während er einen festen Abstand von dem Untermontage-Substrat 2 beibehält, ohne damit in Kontakt zu stehen. Obwohl die 1B und 1C zeigen, dass der L-förmige Stufenbereich 4a der ersten Elektrodenplatte 4 höher ist als der Energiezuführungspfad im Untermontage-Substrat 2, ist er vorzugsweise so hoch wie der Energiezuführungspfad.
Der L-förmige Stufenbereich 4a der ersten Elektrodenplatte 4 ist elektrisch mit dem Untermontage-Substrat 2 verbunden, und zwar unter Verwendung des Metalldrahts 7a, der aus einem Material, wie z. B. Au hergestellt ist. Eine Mehrzahl von Metalldrähten 7a ist gemäß der Anzahl von Halbleiter-Laserelementen vorgesehen, und ein Verbindungsbereich von jedem Metalldraht 7a an dem Stufenbereich 4a ist parallel zu der Ausrichtungsrichtung der Halbleiter-Laserelemente im Halbleiter-Laserarray 1 (der X-Achsenrichtung) angeordnet.
Bei der vorhergehenden ausgebildeten Verdrahtungsstruktur gilt Folgendes: Selbst wenn eine Mehrzahl von Halbleiter-Laserelementen angeordnet wird, kann ein Strom gleichförmig jedem Halbleiter-Laserelement zugeführt werden. Als Metalldraht 7a kann beispielsweise ein Au-Draht verwendet werden, oder ein Au-Band oder ein Cu-Band, das eine große Breite hat.
Die zweite Elektrodenplatte 5 ist beispielsweise eine negative Elektrode. Die zweite Elektrodenplatte 5 ist von der ersten Elektrodenplatte 4 und dem Untermontage-Substrat 2 getrennt, ohne damit in Kontakt zu stehen, und sie ist parallel zu der Anordnungs-richtung der Halbleiter-Laserelemente im Halbleiter-Laserarray 1 (der X-Achsenrichtung) angeordnet, um an der Isolierplatte 6 angebracht zu werden. Die zweite Elektrodenplatte 5 weist einen Vorsprung 5a (1B und 1C) auf, der ausgebildet wird, indem man eine ebene Fläche der zweiten Elektrodenplatte 5 in Richtung des Halbleiter-Laserarrays 1 (der Plusrichtung der Z-Achse) vorstehen lässt.
Der Vorsprung 5a der zweiten Elektrodenplatte 5 ist elektrisch mit der Elektrode auf der oberen Seite des Halbleiter-Laserarrays 1 unter Verwendung des Metalldrahts 7b verbunden. Eine Mehrzahl von Metalldrähten 7b ist gemäß der Anzahl von Halbleiter-Laserelementen vorgesehen. Der Verbindungsbereich der Metalldrähte 7b an dem Vorsprung 5a befindet sich parallel zu der Anordnungsrichtung der Halbleiter-Laserelemente im Halbleiter-Laserarray 1 (der X-Achsenrichtung).
Bei der vorhergehenden ausgebildeten Verdrahtungsstruktur gilt Folgendes: Selbst wenn eine Mehrzahl von Halbleiter-Laserelementen angeordnet wird, kann ein Strom gleichförmig jedem Halbleiter-Laserelement zugeführt werden. Ein Draht oder ein Band mit großer Breite, das aus einem Material, wie z. B. Au hergestellt ist, kann als Metalldraht 7b verwendet werden, ähnlich wie der Metalldraht 7a.
Der Vorsprung 5b der zweiten Elektrodenplatte 5 und die Metalldrähte 7b sind so konfiguriert, dass sie (in der Plusrichtung der Y-Achse) über dem L-förmigen Stufenbereich 4a der ersten Elektrodenplatte 4 und den Metalldrähten 7a angeordnet werden.
Der Kühlblock 8 ist an die untere Fläche der Wärmesenke 3 angepasst, und ein Kühlwasser-Strömungskanal 9 ist innerhalb des Kühlblocks 8 ausgebildet. Um die von dem Halbleiter-Laserarray 1 erzeugte Wärme wirksam abzuführen, wenn die Laseroszillation stattfindet, ist es bevorzugt, den Kühlwasser-Strömungskanal 9 so auszubilden, dass es dem Kühlwasser ermöglicht wird, (in der Minusrichtung der Y-Achse) unter den Verbindungsbereich des Halbleiter-Laserarrays 1 zu strömen.
Wie in 1B und 1C gezeigt, ist ferner ein Strömungskanal-Einlass 9a des Kühlwasser-Strömungskanals 9 an einer Seitenfläche des Kühlblocks 8 vorgesehen, der sich auf Seiten des Halbleiter-Laserarrays 1 befindet, und ein Strömungskanal-Auslass 9b ist an einer Seitenfläche des Kühlblocks 8 vorgesehen, der sich auf der dem Strömungskanal-Einlass 9a gegenüberliegenden Seite befindet. Der Strömungskanal-Einlass 9a und der Strömungskanal-Auslass 9b sind jedoch nicht notwendigerweise auf diese Anordnung beschränkt, solange der Kühlwasser-Strömungskanal 9 so ausgebildet ist, dass er es dem Kühlwasser ermöglicht, unter dem Verbindungsbereich des Halbleiter-Laserarrays 1 zu strömen.
Es sei angemerkt, dass der Strömungskanal-Einlass 9a und der Strömungskanal-Auslass 9b in 1A und dergleichen weggelassen sind, und dass der Strömungskanal-Einlass 9a und der Strömungskanal-Auslass 9b mit einem Kühlwasser-Zirkulationssystem 51 verbunden sind, das getrennt von dem Kühlblock 8 vorgesehen ist und dazu imstande ist, die Kühlwassertemperatur so zu steuern, dass sie konstant ist. Folglich zirkuliert das Kühlwasser zwischen dem Kühlwasser-Strömungskanal 9 innerhalb des Kühlblocks 8 und dem Kühlwasser-Zirkulationssystem 51. Dadurch wird es ermöglicht, dass die Kühlwassertemperatur im Kühlwasser-Strömungskanal 9 im Kühlblock 8 konstant gehalten wird.
Nachfolgend wird eine Abfolge von Prozessen zum Zusammenbauen der Laserlichtquellenvorrichtung 101 mit der vorstehenden Konfiguration beschrieben.
Zunächst wird das Untermontage-Substrat 2 auf der Wärmesenke 3 platziert, so dass die Endfläche 2a des Untermontage-Substrats 2 mit der Endfläche 3a der Wärmesenke bündig ist, die als eine Referenz in der Z-Achsenrichtung genommen wird. Wie oben beschrieben, wird ferner das Halbleiter-Laserarray 1 auf dem Untermontage-Substrat 2 platziert, während die Endfläche 1a des Halbleiter-Laserarrays 1 in der Plusrichtung auf der Z-Achse um ungefähr 0 bis ungefähr 30 μm vorsteht, und zwar in Bezug auf die Endfläche 2a des Untermontage-Substrats 2, die als Referenz genommen wird.
Anschließend wird das Au-Sn-basierte Lotmaterial oder das Sn-basierte Lotmaterial, das vorher auf der oberen Fläche und der unteren Fläche des Untermontage-Substrats 2 ausgebildet worden ist, auf einmal geschmolzen, um das Untermontage-Substrat 2 mit der Wärmesenke 3 zu verbinden und das Halbleiter-Laserarray 1 mit dem Untermontage-Substrat 2 zu verbinden.
Danach wird die Isolierplatte 6 mit der Wärmesenke 3 verbunden, indem ein Klebstoffmaterial oder das Lotmaterial verwendet wird, und zwar hinter dem Untermontage-Substrat 2, das auf der Wärmesenke 3 angebracht ist.
Anschließend wird die erste Elektrodenplatte 4 mit der der Isolierplatte 6 verbunden, indem das Klebstoffmaterial verwendet wird, und zwar an einer solchen Position, dass der Stufenbereich 4a, der der einen Seite der L-Form entspricht, parallel zu der Längsseitenrichtung des Untermontage-Substrats 2 ist und nicht in Kontakt mit dem Untermontage-Substrat 2 steht.
Was die Befestigung zwischen der ersten Elektrodenplatte 4 und der Isolierplatte 6 angeht, gilt Folgendes: Durch die Verwendung von Durchgangslöchern, die in der ersten Elektrodenplatte 4 und der Isolierplatte 6 vorgesehen sind, und von Schraublöchern, die in der Wärmesenke 3 vorgesehen sind (es sind keine dieser Löcher gezeigt), können die erste Elektrodenplatte 4 und die Isolierplatte 6 integral auf der Wärmesenke 3 mit der Schraubklemme über eine elektrisch isolierende Buchse befestigt werden.
Danach wird die obere Fläche der plattierten Schicht des Untermontage-Substrats 2 mit dem L-förmigen Stufenbereich 4a der ersten Elektrodenplatte 4 unter Verwendung der Metalldrähte 7a verbunden.
Anschließend wird die zweite Elektrodenplatte 5 mit der Isolierplatte 6 verbunden und daran befestigt, und zwar unter Verwendung des Klebstoffmaterials, so dass die zweite Elektrodenplatte 5 benachbart zu der ersten Elektrodenplatte 4 in der X-Achsenrichtung angeordnet wird, ohne in Kontakt mit der ersten Elektrodenplatte 4 und dem Untermontage-Substrat 2 zu stehen. Was die Befestigung der zweiten Elektrodenplatte 5 anbelangt, gilt Folgendes: Ähnlich wie bei dem Fall der ersten Elektrodenplatte 4 können die zweite Elektrodenplatte 5 und die Isolierplatte 6 integral auf der Wärmesenke 3 mit der Schraubklemme befestigt werden. Danach wird der Vorsprung 5a der zweiten Elektrodenplatte 5 mit der Elektrode auf der oberen Fläche des Halbleiter-Laserarrays 1 mit den Metalldrähten 7b verbunden.
Auf die obige Weise wird das Laserlichtquellenmodul 10 konfiguriert, das in 2 gezeigt ist.
Schließlich wird das Laserlichtquellenmodul 10 mit einer Schraubklemme an dem Kühlblock befestigt, und zwar mit einem thermisch leitenden Flächenkörper, einem phasenverändernden Material oder thermisch leitendem Fett, das zwischen den Kühlblock 8 und das Laserlichtquellenmodul 8 zwischengefügt ist. Im Kühlblock 8 sind Rohre beispielsweise vorher mit dem Strömungskanal-Einlass 9a und dem Strömungskanal-Auslass 9b des Kühlwasser-Strömungskanals 9 im Kühlblock 8 verbunden. Dadurch wird die Laserlichtquellenvorrichtung 101 gebildet.
Als nächstes wird ein Laseroszillationsbetrieb in dem Laserlichtquellenmodul 10 beschrieben.
Die Beschreibung erfolgt unter beispielhafter Annahme eines Falls, in welchem ein Halbleiter-Laserarray 1 mit einer Junction-down-(Anoden)-Verbindung angebracht ist. Wenn das Halbleiter-Laserarray 1 mit einer Junction-up-Verbindung angebracht ist, ist bloß der Energiezuführungspfad in der umgekehrten Richtung angeordnet, und die Konfiguration und die Wirkung bleiben unverändert.
Wenn das Halbleiter-Laserarray 1 mit dem Junction-down-Verbindung angebracht ist, fließt ein Strom, der von einer (nicht dargestellten) Energiequelle zugeführt wird, in folgender Reihenfolge: Energiequelle → erste Elektrodenplatte 4 → Metalldrähte 7a → Untermontage-Substrat 2 (plattierte Schicht (Ti, Cu, Ni und Au), die auf der oberen Fläche auflaminiert sind) → Halbleiter-Laserarray 1 → Metalldrähte 7b → zweite Elektrodenplatte 5 → Energiequelle, um dafür zu sorgen, dass das Halbleiter-Laserarray 1 eine Laseroszillation durchführt.
Wie oben beschrieben, ist bei der Laserlichtquellenvorrichtung 101 der vorliegenden ersten Ausführungsform das Halbleiter-Laserarray 1 auf dem Untermontage-Substrat 2 mit elektrischen Isoliereigenschaften und hoher thermischer Leitfähigkeit angebracht. Die erste Elektrodenplatte 4 und die zweite Elektrodenplatte 5 sind auf der Isolierplatte 6 mit elektrischen Isoliereigenschaften angebracht. Ferner ist der Energiezuführungspfad aus der ersten Elektrodenplatte 4, den Metalldrähten 7a, dem Untermontage-Substrat 2, dem Halbleiter-Laserarray 1, den Metalldrähten 7b und der zweiten Elektrodenplatte 5 gebildet.
Obwohl die plattierte Schicht auf der oberen Fläche des Untermontage-Substrats 2, die als ein Teil des Energiezuführungspfads dient, zu einem Bereich mit relativ hohem elektrischen Widerstand wird, kann die vorstehende Konfiguration der vorliegenden ersten Ausführungsform die Fläche verringern, bei der der Strom durch die plattierte Schicht geht, und zwar verglichen mit dem herkömmlichen Fall. Folglich wird die Wärmeerzeugung infolge des Verdrahtungswiderstands unterbunden, um eine Verringerung des Temperaturanstiegs des Halbleiter-Laserarrays 1 zu ermöglichen, der durch die Wärmeerzeugung verursacht wird.
Dies kann dazu führen, dass eine Abnahme der Laser-Ausgangsleistung des Halbleiter-Laserarrays 1 verhindert wird, und die Trennung des Energiezuführungspfads und des Kühlwasser-Strömungskanals 9 voneinander kann den Einfluss von elektrolytischer Korrosion beseitigen und die Langzeit-Zuverlässigkeit der Laserlichtquellenvorrichtung verbessern.
Infolge der Struktur, bei der der Vorsprung 5b der zweiten Elektrodenplatte 5 und die Metalldrähte 7b über dem L-förmigen Stufenbereich 4a der ersten Elektrodenplatte 4 und den Metalldrähten 7a (der Plusrichtung der Y-Achse) angeordnet sind, können der Metalldraht 7a und der Metalldraht 7b zum Zuführen von Energie zu jedem der Halbleiter-Laserelemente des Halbleiter-Laserarrays 1 mit einer gleichförmigen Länge angeordnet werden.
Es ist dadurch möglich, eine Abweichung des Stroms zu beschränken, der jedem Halbleiter-Laserelement zugeführt werden soll, und zu verhindern, dass der Wert der Wärmeerzeugung von einigen der Halbleiter-Laserelemente ansteigt, und dadurch die Langzeit-Zuverlässigkeit der Laserlichtquellenvorrichtung zu verbessern.
Bei der Laserlichtquellenvorrichtung 101 gilt Folgendes: Da der Kühlblock 8 und die Laserlichtquellenvorrichtung 10 so konfiguriert sind, dass sie voneinander trennbar sind, brauchen die Rohre für die Kühlwasserzirkulation, die an den Kühlblock 8 angepasst ist, nicht entfernt zu werden, und zwar selbst dann nicht, wenn das Laserlichtquellenmodul 10 von dem Kühlblock getrennt werden soll. Bei der Laserlichtquellenvorrichtung 101 kann daher das Laserlichtquellenmodul 10 auf einfache Weise ersetzt werden, und die Bearbeitbarkeit beim Anpassen und Ersetzen kann ebenfalls verbessert werden.
Zweite Ausführungsform
3 (3A und 3B) zeigen eine Laserlichtquellenvorrichtung 102 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Laserlichtquellenvorrichtung 102 der vorliegenden zweiten Ausführungsform unterscheidet sich im Vergleich mit der Laserlichtquellenvorrichtung 101 der ersten Ausführungsform dahingehend, dass ein indirektes Substrat 12 auf dem Untermontage-Substrat 2 angebracht wird, und dass danach das Halbleiter-Laserarray 1 auf dem indirekten Substrat 12 angebracht wird.
Die übrige Konfiguration ist die gleiche wie diejenige der Laserlichtquellenvorrichtung 101 gemäß der ersten Ausführungsform. Folglich werden nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben, und es wird hier darauf verzichtet, die übereinstimmenden Teile erneut zu beschreiben. Es sei angemerkt, dass ein Laserlichtquellenmodul, das die Laserlichtquellenvorrichtung 102 der vorliegenden zweiten Ausführungsform bildet, mit dem Bezugszeichen 10A versehen ist und als Laserlichtquellenmodul 10A bezeichnet wird.
Das indirekte Substrat 12 wird aus einem Element gebildet, das einen linearen Ausdehnungskoeffizienten nahe einem linearen Ausdehnungskoeffizienten (5,9 × 10^–6 K^–1) des Halbleiter-Laserarrays 1 hat, wie z. B. ein Material, das Kupfer-Wolfram enthält (nachfolgend als CuW bezeichnet; es hat einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von 6,0 bis 8,3 × 10^–6 K^–1). Das obige indirekte Substrat 12 ist an dem Untermontage-Substrat 2 befestigt, so dass die Endfläche 2a des Untermontage-Substrats 2 zu einer Endfläche 12a des indirekten Substrats 12 in der Z-Achsenrichtung passt.
Ferner ist die Endfläche 1a an der Längsseite des Halbleiter-Laserarrays 1 an einer Position angeordnet, in der sie in der Plusrichtung der Z-Achse um ungefähr 0 μm bis ungefähr 30 μm in Bezug auf die Endfläche 12a des indirekten Substrats 12 vorsteht, die als Referenz genommen wird. Ferner sind die Metalldrähte 7a zwischen dem indirekten Substrat 12 und der ersten Elektrodenplatte 4 verdrahtet, um dazwischen eine elektrische Verbindung herzustellen.
Die übrige Konfiguration der Laserlichtquellenvorrichtung 102 der zweiten Ausführungsform ist die gleiche wie diejenige der Laserlichtquellenvorrichtung 101 der ersten Ausführungsform.
Bei der Laserlichtquellenvorrichtung 102, die wie oben angegeben konfiguriert ist, kann ferner die folgende Wirkung erzielt werden, während die von der Laserlichtquellenvorrichtung 101 der ersten Ausführungsform erzielten Wirkungen beibehalten werden können.
Wenn das indirekte Substrat 12 zwischen das Untermontage-Substrat 2 und das Halbleiter-Laserarray 1 zwischengefügt wird, wie bei der Laserlichtquellenvorrichtung 102 der vorliegenden Ausführungsform, ist es möglich, die Belastungen auf das Halbleiter-Laserarray 1 beim Verbinden zu verringern, sowie die Belastungen darauf zu der Zeit des Betriebs der Laserlichtquellenvorrichtung 102 zu verringern. Mit einer thermischen Leitfähigkeit von CuW, die so hoch ist wie 170 W/mK, kann ferner die in dem Halbleiter-Laserarray 1 erzeugte Wärme ausreichend abgeführt werden.
Außerdem ist eine plattierte Au-Schicht auf die Fläche des indirekten Substrats 12 laminiert, und das indirekte Substrat 12 ist mit der ersten Elektrodenplatte 4 mittels der Metalldrähte 7a verbunden. Ein Strom fließt folglich durch das Innere des indirekten Substrats 12 und die plattierte Schicht auf dem Untermontage-Substrat 2. Daher kann ein Erhöhen der Dicke des indirekten Substrats 12 den elektrischen Widerstand im indirekten Substrat 12 verringern und ferner die Wärmeerzeugung im Verdrahtungswiderstand verringern.
Dritte Ausführungsform
4 (4A und 4B) zeigen eine Laserlichtquellenvorrichtung 103 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Laserlichtquellenmodul 15 zeigt, das die Laserlichtquellenvorrichtung 103 der vorliegenden Ausführungsform bildet.
Die Laserlichtquellenvorrichtung 103 gemäß der vorliegenden dritten Ausführungsform unterscheidet sich im Vergleich mit der Laserlichtquellenvorrichtung 101 der ersten Ausführungsform dahingehend, dass die Form der ersten Elektrodenplatte 4 nicht die L-Form ist, sondern eine Rechteckform, und dass die zweite Elektrodenplatte 5 auf der ersten Elektrodenplatte 4 über eine Isolierplatte 13 (nachfolgend als zweite Isolierplatte 13 bezeichnet) angeordnet ist, die aus einem Material gebildet ist, das elektrische Isoliereigenschaften hat, ohne in Kontakt mit der ersten Elektrodenplatte 4 zu sein. Die übrige Konfiguration ist die gleiche wie diejenige der Laserlichtquellenvorrichtung 101 gemäß der ersten Ausführungsform. Folglich werden nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben, und es wird hier darauf verzichtet, die übereinstimmenden Komponenten erneut zu beschreiben.
Bei der ersten Ausführungsform hat die erste Elektrodenplatte 4 eine L-Form auf der Schnittfläche (der XY-Fläche) entlang der X-Achsenrichtung, eine L-Form auf der Schnittfläche (der XZ-Fläche) vertikal zu der Y-Achsenrichtung, sowie eine L-Form auf der Schnittfläche (der YZ-Ebene). Bei der vorliegenden dritten Ausführungsform gilt jedoch Folgendes: Wie oben beschrieben, hat die erste Elektrodenplatte 4 eine Rechteckform auf jeder von der Schnittfläche (der XY-Ebene) entlang der X-Achsenrichtung und der Schnittfläche (der XZ-Ebene) vertikal zu der Y-Achsenrichtung, und sie hat eine L-Form auf der Schnittfläche (der YZ-Ebene) vertikal zu der X-Achsenrichtung, wobei die L-Form ausgebildet wird, indem der Stufenbereich 4a mit einer flachen Fläche in Richtung der Seite des Untermontage-Substrats 2 entlang der Plusrichtung der Z-Achse ausgedehnt wird.
Obwohl 4B zeigt, dass der L-förmige Stufenbereich 4a der ersten Elektrodenplatte 4 höher ist als der Energiezuführungspfad im Untermontage-Substrat 2, ist er vorzugsweise so hoch wie der Energiezuführungspfad im Untermontage-Substrat 2. In der vorliegenden dritten Ausführungsform entspricht die Isolierplatte 6, die zwischen der ersten Elektrodenplatte 4 und der Wärmesenke 3 vorgesehen ist, einer „ersten Isolierplatte.”
An dem Stufenbereich 4a der ersten Elektrodenplatte 4 ist, wie oben, die zweite Elektrodenplatte 5 parallel zu der Anordnungsrichtung (der X-Achsenrichtung) der Halbleiter-Laserelement im Halbleiter-Laserarray 1 angeordnet, ohne in Kontakt mit der ersten Elektrodenplatte 4 zu stehen, wie oben beschrieben, um mittels der zweiten Isolierplatte 13 angeordnet und befestigt zu werden.
Der strukturelle Unterschied der Laserlichtquellenvorrichtung 103 der vorliegenden dritten Ausführungsform ist wie oben beschrieben.
Beim Zusammenbauprozess der vorliegenden Laserlichtquellenvorrichtung 103 wird als nächstes nur ein Prozess beschrieben, der sich von dem Fall der ersten Ausführungsform unterscheidet.
Das Untermontage-Substrat 2 und der Stufenbereich 4a der ersten Elektrodenplatte 4 werden elektrisch miteinander unter Verwendung der Metalldrähte 7a verbunden, und danach wird die zweite Isolierplatte 13 mit dem Stufenbereich 4a der ersten Elektrodenplatte 4 mit dem Klebstoffmaterial verbunden. Anschließend wird die zweite Elektrodenplatte 5 auf der zweiten Isolierplatte 13 angeordnet, und zwar in einer Position, in der sie nicht in Kontakt mit der ersten Elektrodenplatte 4 steht, und sie wird darauf mit dem Klebstoffmaterial verbunden.
Was das Befestigen der zweiten Elektrodenplatte 5 an der zweiten Isolierplatte 13 betrifft, gilt Folgendes: Durch Verwendung von Durchgangslöchern, die in der zweiten Elektrodenplatte 5, der zweiten Isolierplatte 13, der ersten Elektrodenplatte 4 und der Isolierplatte 6 vorgesehen sind, und von Schraublöchern, die in der Wärmesenke 3 vorgesehen sind (keines dieser Löcher ist in der Zeichnung dargestellt), können die zweite Elektrodenplatte 5, die zweite Isolierplatte 13, die erste Elektrodenplatte 4 und die Isolierplatte 6 integral auf der Wärmesenke 3 mit der Schraubklemme über eine elektrisch isolierende Buchse befestigt werden.
Anschließend wird der Vorsprung 5a der zweiten Elektrodenplatte 5 mit der Elektrode auf der oberen Fläche des Halbleiter-Laserarrays 1 unter Verwendung der Metalldrähte 7b verbunden.
Das Laserlichtquellenmodul 15, das in 5 gezeigt ist, wird mittels des oben angegebenen Vorgangs gebildet.
Das Laserlichtquellenmodul 15 wird dann unter Verwendung der Schraubklemme an dem Kühlblock 8 befestigt, und zwar mit einem thermisch leitenden Flächenkörper, einem phasenverändernden Material oder einem thermisch leitendem Fett, das zwischen den Kühlblock 8 und das Laserlichtquellenmodul 15 eingefügt ist. Im Kühlblock 8 sind Rohre beispielsweise vorher mit dem Strömungskanal-Einlass 9a und dem Strömungskanal-Auslass 9b des Kühlwasser-Strömungskanals 9 im Kühlblock 8 verbunden. Dadurch wird die Laserlichtquellenvorrichtung 103 gebildet.
Es sei angemerkt, dass der Laseroszillationsbetrieb bei der Laserlichtquellenvorrichtung 103 ähnlich wie bei dem Fall der ersten Ausführungsform ist, und es wird daher hier darauf verzichtet, ihn erneut zu beschreiben.
Gemäß der Laserlichtquellenvorrichtung 103 der vorliegenden dritten Ausführungsform, wie oben beschrieben, wird ferner die folgende Wirkung zusätzlich zu der Wirkung erzielt, die durch die Laserlichtquellenvorrichtung 101 der ersten Ausführungsform erhalten wird. Das Montieren der zweiten Elektrodenplatte 5 auf der ersten Elektrodenplatte 4 ermöglicht eine Verringerung der Größe der Laserlichtquellenvorrichtung.
Ferner werden beispielsweise in der Konfiguration der ersten Ausführungsform, die in 1A gezeigt ist, das Halbleiter-Laserarray 1 und die erste Elektrodenplatte 4 so angeordnet, dass sie in der X-Achsenrichtung versetzt sind. Andererseits sind in der vorliegenden dritten Ausführungsform, wie in 4A gezeigt, das Halbleiter-Laserarray 1 und die erste Elektrodenplatte 4 in der Z-Achsenrichtung ausgerichtet angeordnet, und zwar ohne Versatz in der X-Achsenrichtung.
Da das Halbleiter-Laserarray 1 und die erste Elektrodenplatte 4 nahezu die gleiche Länge in der X-Achsenrichtung besitzen, hat ferner der Energiezuführungspfad für einen Strom, der von der ersten Elektrodenplatte 4 zu jedem Halbleiter-Laserelement des Halbleiter-Laserarrays 1 durch den Metalldraht 7a zugeführt wird, die gleiche Länge in der Längsrichtung des Halbleiter-Laserarrays 1 (der X-Achsenrichtung).
Es ist dadurch möglich, den Strom jedem Halbleiter-Laserelement des Halbleiter-Laserarrays 1 gleichmäßiger zuzuführen als in dem Fall der ersten Ausführungsform, und es zu verhindern, dass der Wert der Wärmeerzeugung von einigen der Halbleiter-Laserelemente ansteigt, und dadurch die Langzeit-Zuverlässigkeit der Laserlichtquellenvorrichtung zu verbessern.
Vierte Ausführungsform
6 (6A und 6B) zeigen eine Laserlichtquellenvorrichtung 104 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Laserlichtquellenvorrichtung 104 der vorliegenden vierten Ausführungsform unterscheidet sich im Vergleich mit der Laserlichtquellenvorrichtung 103 der dritten Ausführungsform dahingehend, dass das indirekte Substrat 12 auf dem Untermontage-Substrat 2 angebracht wird und danach das Halbleiter-Laserarray 1 auf dem indirekten Substrat 12 angebracht wird.
Die übrige Konfiguration ist die gleiche wie diejenige der Laserlichtquellenvorrichtung 103 gemäß der dritten Ausführungsform. Folglich werden nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben, und es wird hier darauf verzichtet, die übereinstimmenden Teile erneut zu beschreiben. Es sei angemerkt, dass ein Laserlichtquellenmodul, das die Laserlichtquellenvorrichtung 104 gemäß der vorliegenden vierten Ausführungsform bildet, mit dem Bezugszeichen 15A versehen ist und als Laserlichtquellenmodul 15A bezeichnet wird.
Das indirekte Substrat 12 ist das gleiche wie das indirekte Substrat 12, das bereits bei der zweiten Ausführungsform beschrieben ist. Es ist ein Bauteil mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten nahe demjenigen des Halbleiter-Laserarrays 1, und es ist beispielsweise aus einem Material gebildet, das CuW enthält. Ferner ist die Anordnungsposition des indirekten Substrats 12 ebenfalls die gleiche wie diejenige in der Konfiguration, die bereits bei der zweiten Ausführungsform beschrieben ist.
Das indirekte Substrat 12 ist an dem Untermontage-Substrat 2 befestigt, so dass die Endfläche 2a des Untermontage-Substrats 2 zu der Endfläche 12a des indirekten Substrats 12 in der Z-Achsenrichtung passt. Die Endfläche 1a des Halbleiter-Laserarrays 1 ist an einer Position angeordnet, in der sie in der Plusrichtung der Z-Achse um ungefähr 0 μm bis ungefähr 30 μm in Bezug auf die Endfläche 12a des indirekten Substrats 12 vorsteht, die als Referenz genommen wird. Ferner sind die Metalldrähte 7a zwischen dem indirekten Substrat 12 und der ersten Elektrodenplatte 4 verdrahtet, um dazwischen eine elektrische Verbindung herzustellen.
Die übrige Konfiguration der Laserlichtquellenvorrichtung 104 gemäß der vierten Ausführungsform ist die gleiche wie diejenige der Laserlichtquellenvorrichtung 103 der dritten Ausführungsform.
Bei der Laserlichtquellenvorrichtung 104, die wie obenstehend konfiguriert ist, kann ferner die folgende Wirkung erzielt werden, während die von der Laserlichtquellenvorrichtung 103 der dritten Ausführungsform erzielten Wirkungen beibehalten werden können.
Wenn das indirekte Substrat 12 zwischen das Untermontage-Substrat 2 und das Halbleiter-Laserarray 1 eingefügt wird, wie bei der Laserlichtquellenvorrichtung 104 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, ist es möglich, die Belastungen auf das Halbleiter-Laserarray 1 zur Zeit des Verbindens zu verringern, sowie die Belastungen darauf zu der Zeit des Betriebs der Laserlichtquellenvorrichtung 102 zu verringern. Mit einer thermischen Leitfähigkeit von CuW, die so hoch ist wie 170 W/mK, kann ferner die in dem Halbleiter-Laserarray 1 erzeugte Wärme ausreichend abgeführt werden.
Außerdem ist eine plattierte Au-Schicht auf die Fläche des indirekten Substrats 12 laminiert, und das indirekte Substrat 12 ist mit der ersten Elektrodenplatte 4 mittels der Metalldrähte 7a verbunden. Ein Strom fließt folglich durch das Innere des indirekten Substrats 12 und die plattierte Schicht auf dem Untermontage-Substrat 2. Ein Erhöhen der Dicke des indirekten Substrats 12 kann den elektrischen Widerstand im indirekten Substrat 12 verringern und ferner die Wärmeerzeugung im Verdrahtungswiderstand verringern.
Fünfte Ausführungsform
7 (7A und 7B) zeigen eine Laserlichtquellenvorrichtung 105 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Laserlichtquellenvorrichtung 105 gemäß der vorliegenden fünften Ausführungsform unterscheidet sich im Vergleich mit der Laserlichtquellenvorrichtung 101 der ersten Ausführungsform dahingehend, dass eine Wärmesenke 30 anstelle der Wärmesenke 3 vorgesehen ist, und dass der Kühlblock 8 entfernt worden ist. Die übrigen Strukturen sind die gleichen wie diejenigen bei der Laserlichtquellenvorrichtung 101 der ersten Ausführungsform. Folglich werden nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben, und es wird hier darauf verzichtet, die übereinstimmenden Teile erneut zu beschreiben.
Die Wärmesenke 30 besitzt den Kühlwasser-Strömungskanal 9 an ihrer Innenseite, und sie hat die Funktion des Kühlblocks 8 gemäß der ersten Ausführungsform. Wie oben beschrieben, wird demzufolge der Kühlblock 8 bei der Laserlichtquellenvorrichtung 105 der vorliegenden fünften Ausführungsform entfernt.
Um die von dem Halbleiter-Laserarray 1 erzeugte Wärme wirksam abzuführen, wenn die Laseroszillation stattfindet, ist der Kühlwasser-Strömungskanal 9 so angeordnet, dass es dem Kühlwasser ermöglicht wird, (in der Minusrichtung der Y-Achse) unter dem Verbindungsbereich des Halbleiter-Laserarrays 1 zu strömen. In 7B ist der Strömungskanal-Einlass 9a des Kühlwasser-Strömungskanals 9 an einer Seitenfläche der Wärmesenke 30 vorgesehen, die sich auf Seiten des Halbleiter-Laserarrays 1 befindet, und der Strömungskanal-Auslass 9b ist an einer Seitenfläche der Wärmesenke 30 vorgesehen, die sich auf der dem Strömungskanal-Einlass 9a auf der Z-Achse gegenüberliegenden Seite befindet.
Diese Konfiguration ist jedoch nicht einschränkend, und der Kühlwasser-Strömungskanal 9 kann auch einfach so konfiguriert sein, dass er so angeordnet ist, dass es dem Kühlwasser ermöglicht wird, (in der Minusrichtung der Y-Achse) unter dem Verbindungsbereich des Halbleiter-Laserarrays 1 zu strömen.
Ferner sind der Strömungskanal-Einlass 9a und der Strömungskanal-Auslass 9b mit dem Kühlwasser-Zirkulationssystem 51 verbunden, das getrennt von der Wärmesenke 30 vorgesehen ist und dazu imstande ist, eine Kühlwassertemperatur so zu steuern, dass sie konstant ist. Folglich zirkuliert das Kühlwasser zwischen dem Kühlwasser-Strömungskanal 9 in der Wärmesenke 30 und dem Kühlwasser-Zirkulationssystem 51. Dadurch wird es möglich, dass die Kühlwassertemperatur im Kühlwasser-Strömungskanal 9 der Wärmesenke 30 konstant gehalten wird.
Bei der Laserlichtquellenvorrichtung 105 gemäß der vorliegenden fünften Ausführungsform ist der strukturelle Unterschied von der Laserlichtquellenvorrichtung 101 der ersten Ausführungsform wie oben beschrieben.
Bei der Laserlichtquellenvorrichtung 105 gemäß der vorliegenden fünften Ausführungsform, wie oben beschrieben, wird die folgende Wirkung zusätzlich zu der Wirkung erzielt, die durch die Laserlichtquellenvorrichtung 101 erhalten wird. Durch die Wärmesenke 30, die den Kühlwasser-Strömungskanal 9 aufweist, ist es möglich, den thermischen Widerstand vom Halbleiter-Laserarray 1 zu einer Wandfläche des Kühlwasser-Strömungskanals 9 in der Wärmesenke 30 zu verringern und den Temperaturanstieg des Halbleiter-Laserarrays 1 zu unterbinden, wenn die Laseroszillation durchgeführt wird.
Sechste Ausführungsform
8 (8A und 8B) zeigen eine Laserlichtquellenvorrichtung 106 gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Laserlichtquellenvorrichtung 106 gemäß der vorliegenden sechsten Ausführungsform unterscheidet sich im Vergleich mit der Laserlichtquellenvorrichtung 103 der dritten Ausführungsform dahingehend, dass eine Wärmesenke 30 anstelle der Wärmesenke 3 vorgesehen ist, und dass der Kühlblock 8 entfernt worden ist. Die übrigen Strukturen sind die gleichen wie diejenigen der Laserlichtquellenvorrichtung 103 gemäß der ersten Ausführungsform. Folglich werden nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben, und es wird hier verzichtet, die übereinstimmenden Teile zu beschreiben.
Die Wärmesenke 30 ist die gleiche wie diejenige, die bei der fünften Ausführungsform beschrieben ist, und sie weist den Kühlwasser-Strömungskanal 9 auf ihrer Innenseite auf. Folglich wird der Kühlblock 8 auch bei der Laserlichtquellenvorrichtung 106 gemäß der vorliegenden sechsten Ausführungsform entfernt. Wie in 8B gezeigt, hat ferner der Kühlwasser-Strömungskanal 9 den Strömungskanal-Einlass 9a und den Strömungskanal-Auslass 9b an den Seitenflächen der Wärmesenke 30, die einander gegenüberliegen, und der Strömungskanal-Einlass 9a und der Strömungskanal-Auslass 9b sind so mit dem separat vorgesehenen Kühlwasser-Zirkulationssystem 51 verbunden, das getrennt von der Wärmesenke 30 vorgesehen ist und dazu imstande ist, eine Kühlwassertemperatur so zu steuern, dass sie konstant ist.
In 8B ist der Strömungskanal-Einlass 9a des Kühlwasser-Strömungskanals 9 an einer Seitenfläche der Wärmesenke 30 vorgesehen, die sich auf Seiten des Halbleiter-Laserarrays 1 befindet, und der Strömungskanal-Auslass 9b ist an einer Seitenfläche der Wärmesenke 30 vorgesehen, die sich auf der dem Strömungskanal-Einlass 9a auf der Z-Achse gegenüberliegenden Seite befindet. Diese Konfiguration ist jedoch nicht einschränkend, und der Kühlwasser-Strömungskanal 9 kann auch einfach so konfiguriert sein, dass er so angeordnet ist, dass es dem Kühlwasser ermöglicht wird, (in der Minusrichtung der Y-Achse) unter dem Verbindungsbereich des Halbleiter-Laserarrays 1 zu strömen.
Der strukturelle Unterschied der Laserlichtquellenvorrichtung 106 der vorliegenden sechsten Ausführungsform ist wie oben beschrieben.
Auch bei der Laserlichtquellenvorrichtung 106 der vorliegenden sechsten Ausführungsform, wie oben beschrieben, ist es ähnlich wie bei dem Fall der Laserlichtquellenvorrichtung 105 der fünften Ausführungsform möglich, die Wirkung zum Verringern des thermischen Widerstands von dem Halbleiter-Laserarray 1 zu der Wandfläche des Kühlwasser-Strömungskanals 9 in der Wärmesenke 30 beizubehalten und den Temperaturanstieg des Halbleiter-Laserarrays 1 zur Zeit der Laseroszillation zu unterbinden.
Auf der Basis von jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen kann eine Konfiguration eingesetzt werden, die gebildet wird, indem einige der Ausführungsformen kombiniert werden, oder es können in den verschiedenen Ausführungsformen gezeigte Bestandteile kombiniert werden.
Es sei angemerkt, dass ein geeignetes Kombinieren von frei gewählten Ausführungsformen der obigen Vielfalt von Ausführungsformen die von den jeweiligen Ausführungsformen erzielten Wirkungen erreichen kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung vollständig in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben ist, wird eine Vielfalt von Veränderungen und Modifikationen für Fachleute ersichtlich sein.
Solche Veränderungen und Modifikationen sind als im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten aufzufassen, der von den beigefügten Ansprüchen definiert wird, es sei denn, sie weichen davon ab.
Ferner wird die japanische Patentanmeldung Nr. 2014-215668 , eingereicht am 22. Oktober 2014, hier durch Bezugnahme in der Gesamtheit der Offenbarungen von Beschreibung, Zeichnungen, Ansprüchen und Zusammenfassung aufgenommen.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiter-Laserarray
2: Untermontage-Substrat
3: Wärmesenke
4: erste Elektrodenplatte
5: zweite Elektrodenplatte
6: Isolierplatte
7a, 7b: Metalldraht
8: Kühlblock
9: Kühlwasser-Strömungskanal
12: indirektes Substrat
13: zweite Isolierplatte
30: Wärmesenke
101 bis 106: Laserlichtquellenvorrichtung

Claims

Laserlichtquellenvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie ein Halbleiter-Laserarray mit einer Mehrzahl von Halbleiter-Laserelementen aufweist, die in einem Array angeordnet sind, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: – eine plattenartige Wärmesenke; – ein Untermontage-Substrat, das aus einem Material mit elektrischen Isoliereigenschaften gebildet ist, das so konfiguriert ist, dass es an der einen Endkante an der Wärmesenke angeordnet ist, und das so konfiguriert ist, dass es einen Energiezuführungspfad aufweist, an welchem das Halbleiter-Laserarray angebracht ist; – eine Isolierplatte, die so konfiguriert ist, dass sie in einem Bereich angeordnet ist, der verschieden ist von demjenigen des Untermontage-Substrats an der Wärmesenke, und die aus einem Material mit Isoliereigenschaften hergestellt ist; – eine erste Elektrodenplatte, die so konfiguriert ist, dass sie an der Isolierplatte angebracht ist; eine zweite Elektrodenplatte, die so konfiguriert ist, dass sie an der Isolierplatte getrennt von der ersten Elektrodenplatte angebracht ist und über der ersten Elektrodenplatte angeordnet ist; und Metalldrähte, die so konfiguriert sind, dass sie eine elektrische Verbindung jeweils zwischen der ersten Elektrodenplatte und dem Untermontage-Substrat bzw. zwischen der zweiten Elektrodenplatte und dem Halbleiter-Laserarray herstellen.
Laserlichtquellenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Metalldrähte, die die Verbindung zwischen der zweiten Elektrodenplatte und dem Halbleiter-Laserarray herstellen, und die zweite Elektrodenplatte so konfiguriert sind, dass sie über den Metalldrähten, die die Verbindung zwischen der ersten Elektrodenplatte und dem Untermontage-Substrat herstellen, und der ersten Elektrodenplatte angeordnet sind.
Laserlichtquellenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Elektrodenplatte so konfiguriert ist, dass sie eine L-förmige Struktur hat.
Laserlichtquellenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Elektrodenplatte so konfiguriert ist, dass sie an der ersten Elektrodenplatte über eine zweite Isolierplatte mit elektrischen Isoliereigenschaften angebracht ist.
Laserlichtquellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Elektrodenplatte so konfiguriert ist, dass sie einen Vorsprung besitzt, der in Richtung des Halbleiter-Laserarrays vorsteht.
Laserlichtquellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wärmesenke so konfiguriert ist, dass sie im Inneren einen Kühlwasser-Strömungskanal aufweist.
Laserlichtquellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die ferner Folgendes aufweist: ein indirektes Substrat, das so konfiguriert ist, dass es zwischen dem Halbleiter-Laserarray und dem Untermontage-Substrat angeordnet ist und einen linearen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der äquivalent ist zu dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiter-Laserarrays.
Laserlichtquellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Material für das Untermontage-Substrat Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrid ist.