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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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ERFINDUNGSGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Modul, in das eine Laserdiode
eingebaut ist, eine Laservorrichtung, in der das Modul montiert
ist, und eine Laserbearbeitungsvorrichtung.
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BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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Eine
Hochleistungslaserdiode wird zum Anregen eines Festkörperlasers
und als Lichtquelle für die
Laserstrahlbearbeitung verwendet. Die Effizienz der Umwandlung von
elektrischer Energie in optische Energie zum Stimulieren einer Laserdiode
ist so hoch wie ungefähr
50 %. Wenn ein Laserstrahl von der Laserdiode ausgegeben wird, wird
in der Laserdiode daher Wärme,
die so hoch oder höher
als die optische Energie des Laserstrahls ist, erzeugt. Beispielsweise
erzeugt die Laserdiode, welche Licht von 50 W erzeugt, Wärme mit
50 W oder höher.
Da die Temperatur der Laserdiode ansteigt, fällt die Elektrizität-zu-Licht-Umwandlungseffizienz,
und die Emissionslebensdauer wird verkürzt. Da ferner die Temperatur
die Oszillationswellenlänge
verschiebt, steht der Temperaturanstieg der Laserdiode dem Verursachen
von Lichtanregung im Wege. Dies stellt die Anforderung, dass gewisse
Mittel zum Unterdrücken des
Temperaturanstiegs, der von der erzeugten Wärme herrührt, in der Laserdiode getroffen
werden müssten.
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Ein
Modul, das die Laserdiode eingebaut hat, besteht hauptsächlich aus
drei Komponenten; einer Laserdiode, einer Wärmesenke, die die Laserdiode abkühlt, und
Elektroden, die die Laserdiode speisen. Die Wärmesenke dient häufig als
eine Elektrode der Laserdiode.
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In
der Vergangenheit ist ein Laserdiodenmodul, das einen Hochleistungslaserstrahl
erzeugen kann, als Lichtquelle für
effizientes Schweißen, Schmelzschneiden,
Bohren und Glühen
von Materialien wie Metall oder dergleichen gefordert worden. Um
diese Anforderungen zu erfüllen,
wurde das Erzielen von Hochleistungslaserdioden untersucht. Ein Laserdiodenstab,
der durch Anordnen von aktiven Regionen zum Erzeugen von seitlichen
Laserstrahlen in einem Einzelchip gebildet ist, wurde als ein Mittel
zur Erzielung von hoher Leistung entwickelt.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, die diesen Laserdiodenstab 101 zeigt.
Der Laserdiodenstab 101 hat im Allgemeinen die Größe von {10
mm (Breite)} × {1,0
bis 1,5 mm (Hohlraumlänge)} × {100 bis
150 μm (Dicke)}.
Die Ober- und Unterseiten des Laserdiodenstabs 101 sind
Elektrodenflächen 104 und
eine der Seiten des Laserdiodenstabs 101 ist eine Emissionsseite 102,
die einen Laserstrahl ausgibt. An der Emissionsseite 102 sind
Emissionsregionen 103 in einer Linie in der Richtung der
Breite angeordnet, und die Anzahl und die Breite der Emissionsregionen 103 sind
so gestaltet, dass sie durch den notwendigen Ausgang optimiert sind.
Der Strom wird über
die oberen und unteren Elektrodenflächen 104, zugeführt, was
bewirkt, dass die Emissionsbereiche 103 Licht emittieren.
Laserdiodenstäbe,
die eine Ausgangsleistung von 10 W bis 100 W haben, sind auf dem
Markt erhältlich.
Für das
Substrat zum Ausbilden eines Laserdiodenstabs wird hauptsächlich Galliumarsenid
(GaAs) verwendet.
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Im
Folgenden wird ein herkömmliches
Laserdiodenmodul beschrieben, in welchem eine Laserdiode, die ein
Hochleistungslicht erzeugt, montiert ist. 2 zeigt
ein Modul, in welchem ein Laserdiodenstab montiert ist, das in der
offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. H10-209531
offenbart ist. Das Modul ist ein laminierter Körper 201, in welchem
Laserdioden jeweils auf einer Wärmesenke in
Längsrichtung
laminiert montiert sind. Das Modul hat eine Grundstruktur, bei der
ein Laserdiodenstab 203 über eine Lötschicht an einer wassergekühlten Wärmesenke 202 montiert
ist, die auch als eine untere Elektrode dient. Die obere Elektrode
des Laserdiodenstabs 203 und eine Metallplatte 205,
die auf einer Gummifolie 204, die zur Isolierung der Wärmesenke 202 vorgesehen
ist, platziert ist, sind durch Verbindungsdrähte 206 verbunden. Über einen
Kühlmittelkanal 207 wird
der Wärmesenke 202 jeder Schicht
ein Kühlmittel
zugeführt.
Anstatt des Verbindungsdrahts kann eine Bandverbindung, eine Metallplatte
oder ein Metallfilm als ein Draht verwendet werden. Es wurde ein
Modul vorgeschlagen, bei dem ein Substrat, das ungefähr den gleichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
wie eine Laserdiode hat, zwischen der Laserdiode und einer Wärmesenke
angeordnet ist.
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3 zeigt
ein in der offengelegten Japanischen Patentveröffentlichung Nr. H9-129986
offenbartes Laserdiodenmodul. Eine Laserdiode 301 ist zwischen
Anschlussplatten 302 und 304 angeordnet, die ungefähr die gleichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
wie diejenigen der Laserdiode 301 haben und die Ober- und
Unterseiten der Laserdiode 301 sind durch Hartlotschichten 303 und 305 befestigt.
Die untere Anschlussplatte 302 ist an einer Wärmesenke 308 durch
einen elastischen Klebstoff oder eine Weichlotschicht 306 befestigt.
Ein Leiteranschluss 307 ist zur elektrischen Verbindung
an die oberen und unteren Anschlussplatten 302 und 304 angeschlossen.
Da die Leiterplatte 302 und die Laserdiode 301 ungefähr die gleichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
haben, wird die Übergangsgrenzfläche selbst
dann nicht zerstört,
wenn die Temperatur der Laserdiode auf und ab schwankt. Die offengelegte
japanische Patentveröffentlichung
Nr. H9-129986 offenbart,
dass wegen der Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Unterseite der Anschlussplatte 302 und weil die Wärmesenke 308 durch
elastischen Klebstoff oder eine Weichlotschicht 306 entspannt
ist, eine Verschlechterung der Kühlleistung
des Verbindungsteils unterdrückt
werden kann. An einer Seitenfläche
der Laserdiode 301 ist eine Spiegeloberflächenschicht 310 (Reflexionsschicht
für Laseremission)
vorgesehen. Die Wärmesenke 308 ist
mit einem Kühlelement 311 versehen, sodass
ein Kühlmittel 314 zu
einem Kühlmittelführungsteil 312 geleitet
wird. Das Kühlmittel 314 kühlt die
Laserdiode ab.
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4 zeigt
ein Laserdiodenmodul 401, das in der offengelegten japanischen
Patentveröffentlichung
Nr. H10-41580 offenbart ist. Eine erste Seite 415 der Laserdiode
ist an einer Innenseite 403 eines Wärmeabsorbers 407 durch
eine erste Lotschicht 402 befestigt. Eine zweite Seite 416 der
Laserdiode ist an einer Innenseite 405 eines Deckels 408 durch eine
zweite Lotschicht 404 befestigt. Eine Laserdiode ist zwischen
dem Wärmeabsorber 407 und
dem Deckel 408 angeordnet. Eine Unterseite 406 des
Wärmeabsorbers 407 ist
mit einem Wärmeakkumulator verbunden,
und die Laserdiode wird durch Wärmeleitung
des Wärmeabsorbers 407 abgekühlt. Der
Wärmeabsorber 407 und
der Deckel 408 sind aus plastisch verformbaren Metallen
ausgebildet. Eine Außenseite 409 des
Wärmeabsorbers 407,
eine Außenseite 410 des
Deckels 408 und eine Bodenseite 417 des Deckels 408 sind
nicht an einem kompakten Bausteinkörper befestigt. Selbst wenn
das Laserdiodenmodul 401 sich infolge der Wärmeausdehnung verwindet,
folgen die Formen des Wärmeabsorbers 407 und
des Deckels 408 der Verwindung. Demgemäß tritt keine Verformung und
keine Verschlechterung der Kühlleistung
des Übergangsteils
auf, wie dies in der Veröffentlichung
offenbart ist. Eine Entladeseite 411 der Laserdiode ist
auf einer Höhe
mit der Oberseite 413 des Wärmeabsorbers 407 und
einem oberen Ende 414 des Deckels 408. In der
oberen Außenfläche des
Wärmeabsorbers 407 ist
eine Nut 418 zum Zuführen
von Lot zum Zeitpunkt des Verbindens mehrerer Module, die Seite
an Seite gelegt sind, ausgebildet.
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5 zeigt
die Struktur eines Laserdiodenmoduls, das in der nationalen japanischen
Veröffentlichung
der übersetzten
Version Nr. H10-507318 offenbart ist. In dem Modul ist ein Laserdiodenstapel 503,
der ein abwechselnd eine Anzahl von Laserdioden und Wärmeableitbleche
geschichtet hat, zwischen einem festen Teil 501, der auch
als eine obere Elektrode dient, und einer Basis 502 montiert,
die auch als eine Wärmesenke
und eine untere Elektrode dient. Zwischen dem Laserdiodenstapel 503 und dem
festen Teil 501 ist eine Feder 504 angeordnet. Der
Laserdiodenstapel 503 ist über die Feder 504 zwischen
dem feststehenden Teil 501 und der Basis 502 angeordnet.
Die japanische nationale Veröffentlichung
der übersetzten
Version Nr. H10-507318 zeigt auch die Verwendung einer Schraube
anstatt der Feder 504. Die oberen und unteren Elektroden (der
feststehende Teil 501 und die Basis 502) sind durch
eine Isolierfolie 505 isoliert.
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Das
Modul ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Laserdiode und
der Wärmeunterdrückungsfolie
und zwischen dem Laserdiodenstapel 503 und den oberen und
unteren Elektroden kein Lot verwende wird und der elektrische Kontakt
zwischen dem Laserdiodenstapel 503 und der Basis 502 oder dem
feststehenden Teil 501 allein durch Pressen der Feder 504 in
die Richtung nach oben und unten erfolgt. Für die Wärmeunterdrückungsfolie wird Si, SiC oder
Kupfer-Wolfram verwendet, und das gewählte Material hat einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten
als ein GaAs-Substrat, welches die Laserdiode bildet. Weil die Konstruktion
gemäß dem Stand der
Technik kein Lot verwendet, ist sie leicht zusammenzubauen. Das
dargestellte Beispiel erzielt eine Laseroszillation mit einem Impuls
von 100 μs.
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Der
Stand der Technik, wie in den offengelegten japanischen Patentveröffentlichungen
Nr. H10-20953, Nr. H9-129986, Nr. H10-41580 und der nationalen japanischen
Veröffentlichung
der übersetzten
Version Nr. H10-507318 offenbart, macht keine Probleme, wenn die
mittlere Ausgangsleistung des Laserdiodenmoduls unter 10 W ist.
Im Fall einer Hochleistungs-Laserdiodenstange, deren mittlere Ausgangsleistung
20 W oder höher
ist, besteht jedoch eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass die Ausgangsleistung
graduell sinkt und die Elektroden schließlich gelöst werden. Insbesondere wenn
die EIN- und AUS-Zustände
des Oszillationslichts der Laserdiode mit einem Intervall von mehreren
Sekunden oder dergleichen wiederholt werden, steigt die Wahrscheinlichkeit,
dass eine Leistungsreduktion, ein Lösen der Verbindung und ein
Verschieben der Oszillationswellenlänge erfolgen, wodurch die Lebensdauer
verkürzt
wird. Um die Probleme zu überwinden,
sollte die Laserdiode in dem Modul über eine lange Zeitdauer stabil
abgekühlt
werden. Dies erfordert Verbesserungen gemäß den folgenden drei Punkten,
die dem Kühlen
der Laserdiode zugeordnet sind.
- (1) Zersetzung
der Lotschicht, welche die Wärmesenke
und die Laserdiode verbindet.
- (2) Auflösen
des Kontakts zwischen der Laserdiode und der oberen Elektrode.
- (3) Verwinden und Verformen der Laserdiode.
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Das
Problem 1 wird im Detail erläutert.
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Herkömmlicherweise
ist eine Laserdiode oder ein Montagebasissubstrat, auf dem eine
Laserdiode montiert ist und das ungefähr den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
wie den der Laserdiode hat, auf einer Wärmesenke unter Verwendung eines
Weichlots befestigt. Das Weichlot ist mit der Wärmesenke und der Laserdiode
oder dem Montagebasissubstrat so, wie es ist, mit dem Metall der Verbindungsgrenzfläche, beispielsweise
Gold, legiert verbunden. Die legierte Phase ist in einer unlegierten Weichlotschicht
gekörnt
und gesprenkelt. Die legierte Phase unterscheidet sich von der unlegierten
Weichlotschicht in ihrem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Wenn
die Temperatur der Laserdiode, wenn die Laserdiode auf eine vorbestimmte
Leistung gesetzt ist, als T1 gegeben ist und die Temperatur der
Lasertemperatur, wenn die Laserdiode ausgeschaltet ist, mit T2 gegeben
ist, dann schwankt die Temperatur der Laserdiode maximal zwischen
T1 und T2. Wenn die Temperatur wiederholt ansteigt und fällt, wird
die Verformung der Grenzfläche
zwischen der legierten Phase und der Weichlotphase stärker, es
würden
an der Grenzfläche
Mikrorisse auftreten. Da der Wärmewiderstand
des Teils, wo die Risse auftreten, höher wird, steigt die Temperatur
dort lokal. Da die Temperatur steigt, wird die Diffusion der Metallatome
an der Montagegrenzfläche
in dem Weichlot beschleunigt, wodurch die Wahrscheinlichkeit des
Verursachens von Lunkern infolge des Kirkendall-Effekts steigt,
d. h., hervorgebracht durch das Wachstum der legierten Körnung oder
der Metalldiffusion. Das Wachstum dieser Risse oder Lunker erhöht weiter
den Wärmewiderstand
der gesamten Lotschicht, wodurch die Temperatur der Laserdiode erhöht wird,
um die Ausgangsleistung zu senken und die Oszillationswellenlänge zu verschieben.
Zum Schluss treten an dem Übergangsteil
große
Risse auf. Da die Risse oder Lunker gewachsen sind, kann die Laserdiode
oder das Montagebasissubstrat, auf welchem die Laserdiode montiert
ist, nicht mit der Wärmesenke
durch eine Weichlotschicht verbunden werden und wird teilweise abgeschält. Das
teilweise Abschälen
erhöht die
Temperatur an dem abgeschälten
Teil, wodurch das Legieren des benachbarten Teils und die Metalldiffusion
weiter beschleunigt wird. Dies bewirkt, dass der Teil stärker abgeschält wird
und die Temperatur des Chips erhöht,
sodass das Weichlot schmelzen und heruntertropfen kann oder oxidiert
wird, um gegenüber
der Wärmesenke
isoliert zu werden. Das in der 3 gezeigte
herkömmliche
Modul hat keine Einrichtung zum Unterdrücken der Zersetzung der Weichlotschicht.
Im Fall eines Moduls, das kein Lot verwendet, wie im Stand der Technik
gemäß 5, findet
keine Verschlechterung des gelöteten
Teils statt, sodass das Problem 1 nicht auftritt, aber
lediglich Pressen ohne Löten
macht es sehr schwierig, einen niedrigen Wärmewiderstand zwischen der
Wärmesenke
und der Laserdiode zu erzielen, was benötigt wird, um kontinuierlich
Licht mit einer mittleren Leistung von 10 W oder darüber auszugeben.
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Im
Folgenden wird das Problem 2 im Detail erläutert.
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Wenn
die EIN-AUS-Zustände
der Laserdiode häufig
wiederholt werden, schwankt die Temperatur des Übergangsteils zur oberen Elektrode
der Laserdiode aus dem gleichen Grund wie bei der Beschreibung des
Problems 1 auf und ab. Die Verdrahtung der oberen Elektrode der
Laserdiode ist herkömmlicherweise
hauptsächlich
durch Bonden von Drähten
oder ein Bondierband, wie in der 2 gezeigt,
durchgeführt,
oder wird erzielt, indem die Plattenelektrode mit einem Lot oder
durch thermisches Pressen verschmolzen wird. Wenn die Bondierdrähte oder
ein Bondierband aus dem gleichen Material wie die obere Elektrode
der Laserdiode verwendet werden, sind an dem fest gewordenen Teil
infolge des Einflusses der spontanen Fusionsverfestigung zum Zeitpunkt
der Verbindung eine Matrix von Körnern
mit unterschiedlichen Kristallausrichtungen vorhanden, obwohl keine
Legierung vorhanden ist. Wenn ein Lot verwendet wird, führt das
Legieren mit dem Oberflächenmetall
zu einem legierten Korn. Da der angeschlossene Teil an einer großen Verformung
leidet und seine Temperatur auf und ab schwankt, werden in der Korngrenzfläche infolge
der Anisotropie der Wärmeausdehnung
oder des Unterschieds in der Wärmeausdehnung
Risse erzeugt, was unter Umständen
eine Verbindungslösung
verursacht. Eine Erhöhung
des elektrischen Widerstands, die aus der Verformung des verbundenen
Teils oder den vermehrten Rissen herrührt, kann an dem verbundenen Teil
Wärme erzeugen.
Wenn die Elektrode teilweise getrennt ist, wird der Strom auf den
verbleibenden verbundenen Teil konzentriert. Dies erhöht weiter
die Be lastung des verbundenen Teils, erzeugt Wärme, sodass der größte Teil
des gesamten verbundenen Teils der Elektrode irgendwann getrennt
werden kann.
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Als
nächstes
wird im Einzelnen das Problem 3 erläutert. Eine Laserdiode wird
durch Filmabscheidung auf einem GaAs-Substrat ausgebildet. Da die Filmabscheidung
nur auf einer Seite des Substrats erfolgt, hat die Laserdiode keine
Zusammensetzungssymmetrie in der Richtung der Dicken. Dies bewirkt
eine leichte Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizient
in Richtung der Dicke, sodass die Laserdiode sich verwinden kann.
Im Fall der in der 1 gezeigten Laserdiodenstange
ist es, insbesondere weil das Verhältnis der Hohlraumlänge zur
Breite groß ist, wahrscheinlich,
dass sich die Laserdiode in der Richtung der Breite verwindet, entlang
der ihre Länge
größer ist.
Selbst wenn zum Zeitpunkt des Montierens keine Verwindung der Laserdiode
vorhanden ist, steigt die Temperatur während des Laserausgangs, bildet
die Kraft, um die Verwindung größer zu machen.
Als Ergebnis treten Risse an der Übergangsgrenzfläche zwischen
der Laserdiode und der Wärmesenke
oder dem Montagebasissubstrat auf, wodurch ein thermisch abgeschalteter
Teil erzeugt wird, der die Laserdiode erhitzen würde. Dies bringt die Probleme
1 und 2 hervor. In dem Fall, bei dem die Hochleistungslaserdiode
zwischen den plastisch verformbaren Wärmeabsorber und den Deckel
geschichtet ist und von der Unterseite des Wärmeabsorbers gekühlt wird,
wie im Stand der Technik gemäß 4,
ist es extrem schwierig, die Wärme
von 20 W oder darüber
mit dem Kühlen
des wärmeleitfähigen Systems
durch den Wärmeabsorber
abzukühlen,
bei dem das Verwinden der Laserdiode zugelassen ist. Wenn die Laserdiode
sich verwindet, ändert sich
die Richtung des Lichtausgangs, wodurch Anwendungsprobleme größer werden.
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Kurz
gesagt, wenn die mittlere Ausgangsleistung des Laserdiodenmoduls
hoch wird, leidet die Struktur und der Betrieb des herkömmlichen
Laserdiodenmoduls an der Schwierigkeit, einen stabilen Ausgang über eine
lange Zeitspanne zu erzielen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Demgemäß ist es
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Laserdiodenmodul zu
schaffen, das über
eine lange Zeitdauer einen Laserstrahl stabil ausgeben kann, und
eine Laservorrichtung und eine Laserbearbeitungsvorrichtung zu schaffen,
die das Laserdiodenmodul verwenden.
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Die
Erfindung ist durch den anhängenden Patentanspruch
1 definiert.
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Ein
Laserdiodenmodul gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung hat eine Laserdiode; ein erstes
Substrat und ein zweites Substrat, die mit beiden Elektrodenoberflächen der
Laserdiode über
jeweilige erste Lotschichten verbunden sind; eine Wärmesenke,
die mit dem ersten Substrat über
eine zweite Lotschicht verbunden ist; eine Druckelektrode, die an
einer vorgegebenen Lücke
mit Bezug auf die Wärmesenke
angeordnet ist; und eine Spulenelektrode, die zwischen dem zweiten
Substrat und der Druckelektrode so vorgesehen ist, dass sie eine
Axialrichtung parallel zu dem zweiten Substrat hat, wodurch die
Druckelektrode die Spulenelektrode gegen das zweite Substrat presst.
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In
dem Laserdiodenmodul kann beispielsweise die Druckelektrode an der
Wärmesenke
an einer vorgegebenen Lücke über einen
isolierenden Abstandshalter befestigt sein, und wenn die Spulenelektrode
elastisch deformiert wird, kann die Spulenelektrode gegen das zweite
Substrat gepresst werden.
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Vorzugsweise
sollte die Spulenelektrode eine Gold-(Au)-Schicht auf eine Außenoberfläche eines
Spulendrahts aufgeschichtet haben. Ferner ist es vorzuziehen, dass
das erste Substrat und das zweite Substrat mit den gesamten Elektrodenoberflächen der
Laserdioden in ihrer Gesamtheit verbunden sein sollten.
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Für die erste
Lotschicht wird ein Hartlot verwendet, das ein Hauptelement enthält, welches
aus einer Gruppe ausgewählt
ist, die besteht aus Au, Ag, Al, Si und Ge, für die zweite Lotschicht wird
ein Weichlot verwendet, das ein Hauptelement enthält, welches
ausgewählt
ist aus der Gruppe Pb, Sn, In, Sb und Bi, und das Hartlot hat einen
höheren Schmelzpunkt
als das Weichlot.
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Vorzugsweise
sollte eine Gold-(Au)-Schicht auf einer Verbindungsfläche der
Laserdiode mit Bezug auf das erste und das zweite Substrat geschichtet
sein, und für
die erste Lotschicht sollte ein Hartlot verwendet werden, das aus
einer AuSn-Legierung besteht.
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Beispielsweise
ist auf jeder der einander gegenüberliegenden
Oberflächen
der Wärmesenke und
des ersten Substrats eine erste Metallschicht ausgebildet, und an
einer Grenzfläche
zwischen der ersten Metallschicht und der zweiten Lotschicht ist eine
Legierungsphase ausgebildet.
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Es
ist vorzuziehen, dass das Verhältnis
der Legierungsphase zu dem der zweiten Lotschicht, welche unlegiert
bleibt, so gesteuert werden sollte, dass die zweite Lotschicht nach
der Ausbildung der Legierungsphase auf einer oberen Oberfläche derselben
eine ausreichende Dicke hat, um Verformung, die durch eine Differenz
zwischen einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
des ersten Substrats und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Wärmesenke
verursacht wird, auszugleichen.
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Beispielsweise
wird auf jeder der einander gegenüberliegenden Oberflächen der
Wärmesenke und
des ersten Substrats eine Goldschicht ausgebildet und es wird ein
Weichlot aus Si für
die zweite Lotschicht verwendet. In diesem Fall wird beispielsweise zwischen
jeder der Goldschichten, die auf den einander gegenüberliegenden
Oberflächen
von Wärmesenke
und erstem Substrat ausgebildet sind, und einer In-Schicht der zweiten
Lotschicht eine Legierungsphase ausgebildet, da Gold in die In-Schicht
diffundiert. Vorzuziehen ist, dass das Verhältnis der Legierungsphase zu
dem der unlegiert bleibenden In-Schicht so gesteuert wird, dass
die In-Schicht nach der Ausbildung der Legierungsphase an einer oberen
Oberfläche
derselben eine ausreichende Dicke hat, um die Verformung auszugleichen,
die durch eine Differenz zwischen einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
des ersten Substrats und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Wärmesenke
hervorgerufen wird. Weiterhin ist die Laserdiode beispielsweise
auf einem GaAs-Substrat ausgebildet, und die ersten und zweiten
Substrate sind aus einer Kupfer-Wolfram-Legierung
gebildet.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Laserdiodenmodularray
vorgesehen, das wenigstens zwei Laserdiodenmodule wie vorstehend
beschrieben hat, die seitlich nebeneinander angeordnet sind, wobei
der Teil der Druckelektrode, der nicht oberhalb der Spulenelektrode liegt,
mit der Wärmesenke
eines benachbarten einen Laserdiodenmoduls verbunden ist.
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Eine
Laservorrichtung gemäß der Erfindung verwendet
das Laserdiodenmodul als eine Pumpquelle für einen Festkörperlaserkristall.
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Ein
Laserverarbeitungsgerät
gemäß der vorliegenden
Erfindung hat eine Laservorrichtung, in welcher das vorstehend angegebene
Laserdiodenmodul eingebaut ist; eine optische Fiber zum Leiten von
Licht, das von dem Lasergerät
emittiert wird; eine Linse zum Bündeln
des von der optischen Fiber ausgegebenen Lichts und ein Bestrahlungssystem,
welches eine gebündelten
Laserstrahl auf eine vorbestimmte Position abstrahlt.
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Die
Erfindung überwindet
die Probleme 1 bis 3 des Stands der Technik wie folgt.
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(1) Zerstörung der
Lotschicht, welche die Wärmesenke
und die Laserdiode verbindet
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Infolge
der Körner,
die durch Legieren des Metalls an der Grenzfläche und des Weichlots zum Zeitpunkt
des Verbindens gebildet werden, werden Risse oder Lunker während der
späteren
Emission einer Laserdiode erzeugt. Das Ausbilden von Rissen oder
Lunkern wird jedoch beschränkt,
um die Plastizität
zum Ausgleichen der Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen der Wärmesenke und
der Laserdiode zu halten, was die Rolle des Weichlots ist, wodurch
verhindert wird, dass der Wärmewiderstand
der Weichlotschicht hoch wird.
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(2) Zerstörung des
Kontakts zwischen Laserdiode und oberer Elektrode
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Die
Verformung der Schichtanordnung von Laserdiode und Elektrodengrenzfläche wird
durch die Verwendung einer Spulenelektrode vom Kontakttyp als oberer
Elektrode ausgeglichen.
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(3) Verwinden und Verformen
der Laserdiode
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Verwinden
und Verformung der Laserdiode werden unterdrückt, indem die oberen und unteren Seiten
der Laserdiode zwischen zwei Substraten angeordnet sind, die ungefähr die gleichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
wie den der Laserdiode haben.
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Da
die Wirkungen, welche mittels der Überwindung der Probleme 1,
2 und 3 hervorgerufen werden, eine Beziehung zueinander haben, werden
diese Wirkungen im Folgenden zugeordnet zueinander erörtert.
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Um
das Zersetzen der Lotschicht zu unterdrücken, welche die Wärmesenke
und die Laserdiode verbindet, wie dies beim Problem 1 angeführt wird,
und um die Funktion der Schicht, welche die Wärmeausdehnungsdifferenz ausgleicht,
aufrechtzuerhalten, ist der erste Weg, das Legierungsverhältnis des
Metalls an der Übergangsoberfläche und
dem Weichlot zum Zeitpunkt der Montage zu unterdrücken. Die
Funktion der Spannungsausgleichsschicht kann aufrechterhalten werden,
indem bewirkt wird, dass ein unlegierter Weichlotteil über eine
lange Zeitspanne nach dem Montieren verbleibt. Das Legierungsverhältnis kann
zulassen, dass die Laserdiode durch die Dicke der Weichlotschicht
auf der Wärmesenke
vor der Montage gesteuert wird. Durch Festlegen der Art des Metalls
an der oberen Oberfläche,
die zu kontaktieren ist, die Montagetemperatur und die Montagebedingung
der Fusionszeit und durch Verwenden der Dicke der Weichlotschicht
vor dem Montieren als Parameter, kann die notwendige Dicke des Weichlots
definiert werden, indem die Dicke der Weichlotschicht und die Wahrscheinlichkeit
des Ausfalls des Moduls überprüft wird,
wie dies in der 6 gezeigt ist.
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Der
zweite Weg ist es, das Wachstum der legierten Körner, welche in der Weichlotschicht
erzeugt werden, und die Neuproduktion von Körnern zu unterdrücken und
das Auftreten von Rissen oder Lunkern während der Lichtausgabe der
Laserdiode zu unterdrücken.
Um den Weg zu erzielen, ist es notwendig, das Auftreten von Mikrorissen
und Lunkern in der Weichlotschicht zu unterdrücken oder das Wachsen von Mikrorissen
oder Lunkern, falls diese aufgetreten sind, zu unterdrücken. Der
Wärmewiderstand
der Lotschicht kann durch Drücken
der Montageoberfläche
der Laserdiode gegen die Wärmesenke aufrechterhalten
werden. Wenn Mikrorisse und Lunker erzeugt werden, tritt das Weichlot
in den Raum ein, um ein Ansteigen des Wärmewiderstands zu unterdrücken, sodass
das Wachsen von Körnern,
Rissen und Lunkern beschränkt
wird, woraus resultiert, dass die stabile Übergangsgrenzfläche aufrechterhalten
wird. Da die Druckkraft über
die gesamte Montageoberfläche
gleichförmig
gemacht ist, kann die Unterdrückung
der Verschlechterung über
die Oberfläche
gleichförmig
gemacht werden.
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Um
das Problem 1 wie vorstehend erörtert
zu überwinden,
ist es wichtig, die Verschlechterung der Weichlotschicht durch Drücken der
Laserdiode gegen die Wärmesenke
mit gleichmäßiger Kraft
zu überwinden.
Wenn die Laserdiode direkt gegen die Wärmesenke über das Weichlot gedrückt wird,
würde die
Laserdiode jedoch brechen. Ferner ist es schwierig, die gesamte
Oberfläche
der Laserdiode gleichförmig
zu drücken.
Die Laserdiode kann jedoch geschützt
werden, wenn Montagebasissubstrate an den Ober- und Unterseiten
der Laserdiode vorgesehen sind, die der Presskraft besser als die
Laserdiode widerstehen können.
Die gewählten
Montagebasissubstrate sollten jedoch den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
wie die Laserdiode haben.
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Die
Größe der verwendeten
Montagebasissubstrate sollte ungefähr gleich oder größer als
die Größe der Laserdiode
sein, und die gesamten Oberflächen
der oberen und unteren Elektroden der Laserdiode werden mit den
Montagebasissubstraten unter Verwendung eines Hartlots zu einer
Sandwichstruktur verbunden. Die Sandwichverbindung sollte so erfolgen,
dass das Licht, welches aus der Laserdiode emittiert wird, nicht
die Montagebasissubstrate erfasst. Vom Standpunkt des Vorsehens
einer guten Symmetrie zum Zeitpunkt der Wärmeausdehnung ist es wünschenswert,
dass die oberen und unte ren Montagebasissubstrate die gleiche Größe haben. Die
Montagebasissubstrate sollten eine ausreichende Dicke haben, damit
sie durch die Kraft nicht verformt werden, mit der eine Temperaturänderung
ein Verwinden der Laserdiode verursachen würde. Bei der Struktur werden
selbst wenn die Laserdiode Licht emittiert und thermisch ausgedehnt
wird, die Montagebasissubstrate entsprechend wärmeausgedehnt, bewirken kaum
eine Verformung an der Übergangsgrenzfläche, sodass
die Verwindung der Laserdiode beschränkt wird. Dies überwindet
das Problem 3. Da die von der Laserdiode erzeugte Wärme in die
oberen und unteren Montagebasissubstrate gestreut wird, wird die
Temperaturgleichförmigkeit
besser, und die Oszillationswellenlänge hat eine gute Stabilität. Die Sandwichbaugruppe
hat eine solche Struktur, dass sie selbst dann nicht verformt wird,
wenn von außen
eine Kraft ausgeübt
wird.
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Die
Sandwichbaugruppe wird auf der Wärmesenke
durch ein Weichlot montiert. Danach wird eine Spule, die durch Wickeln
eines Metalldrahts zu einer Spiralform verwendet, um die gesamte
Kühlkörperseitenfläche der
Sandwichbaugruppe gegen die Oberfläche des Kühlkörpers mit gleichförmiger Kraft vertikal
zu drücken.
Da die Länge
der Spulenelektrode ungefähr
gleich der Länge
der Sandwichbaugruppe in der Längsrichtung
bemessen ist und die Sandwichbaugruppe gegen den Kühlkörper vertikal
entlang nahezu der Mittellinie der Längsrichtung der Sandwichbaugruppe
gedrückt
wird, wird ein gleichförmiges
Drücken
der Sandwichbaugruppe gegen die Montagefläche möglich.
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Die
Verwendung der Spule als der oberen Elektrode kann das Problem 2
oder die Zerstörung des
Kontakts zwischen der Laserdiode und der oberen Elektrode aus dem
folgenden Grund überwinden. Die
Spulenelektrode hat die adäquate
Elastizität
in radialer Richtung. Wenn die Legierung in der Weichlotschicht
fortscheitet, kann, wenn die mittlere Dichte des Weichlotteils sich ändert und
die Weichlotschicht etwas dünner
macht, die Spulenelektrode, falls sie eine ausreichende Elastizität für die mögliche Dickenänderung
hat, das Drücken
der Sandwichbaugruppe gegen den Kühlkörper aufrecht halten. Selbst wenn
die Sandwichbaugruppe oder der Weichlotteil infolge von Wärmeausdehnung
oder dergleichen dicker wird, ändert
sich der Wicklungsdurchmesser der Spule so, dass keine Druckkraft
größer als
notwendig beaufschlagt wird. Die Grenze der Druckkraft liegt innerhalb
der Plastizitätsgrenze
der Spulenelektrode (die Kraft, welche nicht die verformte Form
wieder herstellt). Durch die Verwendung von Montagebasissubstraten,
die die Plastizitätsgrenze
der Spule ertragen können,
wird die Sandwichbaugruppe durch die Druckkraft der Spule nicht
verformt.
-
Die
Elastizität
der Spule kann durch Ändern des
Materials, des Durchmessers des Drahts und des Wicklungsdurchmessers
oder dergleichen eingestellt werden. Um die Kontaktfläche der
Spule, welche benötigt
wird, damit ein notwendiger Strom für die Emission der Laserdiode
fließt,
zu halten, wird die Dicke des Metalldrahts, der für die Spule
verwendet wird, so gesteuert, dass die Kontaktfläche zwischen der Sandwichbaugruppe
und der Druckelektrode sichergestellt ist. Die Spule, die Montagebasissubstrate,
die Spulenkontakte und die Spulendruckelektrode stehen lediglich
in Kontakt miteinander, sind jedoch nicht miteinander verschmolzen.
Selbst wenn die Laserdiode ein- und ausgeschaltet wird, wird ein
Ansteigen oder Senken der Temperatur den Übergangsteil, welcher aus der
Speicherung der Verformungsbelastung herrührt, weder verschlechtert noch
gelöst.
Die Spulendruckelektrode wird aus einem Metall, wie beispielsweise
Kupfer, und mit einer starren Konstruktion hergestellt.
-
In
dem Fall, dass das Laserdiodenmodul eine Spulenelektrode verwendet,
besteht, selbst wenn die Laserdiode anormal Wärme infolge eines Problems
an der Laserdiode oder eines Problems an der Lotschicht erzeugt,
was zu einem Ausfall der Laserdiode und einem Schmelzen des Weichlots
führt, keine
Möglichkeit,
dass der Strom nicht fließt.
Der Grund für
das Phänomen
wird im Folgenden gegeben, da er sehr effektiv ist, wenn die Erfindung
bei einem im Array angeordneten Modul verwendet wird, welches Laserdiodenmodule
hat, die seitlich nebeneinander angeordnet sind. Wenn normalerweise
ein einzelnes Laserdiodenmodul in einem Modularray ein Problem hat
und ein Teil der elektrischen Schaltung offen wird, stoppt die Oszillation
aller Laserdioden in dem Modularray. Wenn die Spulenelektrode verwendet
wird, wird die Laserdiode jedoch immer gegen die Wärmesenke
oder die untere Elektrode über
das zugehörige
Montagebasissubstrat gepresst, sodass der elektrische Schaltkreis
nicht offen wird. Als Ergebnis emittieren die anderen Module weiterhin
Licht, selbst wenn ein Modul ein Problem hat. Daher stoppt der Betrieb
einer Laservorrichtung und einer Laserbearbeitungsvorrichtung, die
die Laserdiodenmodulmatrix gemäß der Erfindung
verwenden, nicht abrupt infolge der Unterbrechung der Modulelektrode
und solche Vorrichtungen erzielen eine hohe Zuverlässigkeit.
Da die Spulenelektrode weder mit der Sandwichbaugruppe noch der
Druckelektrode verschmolzen ist, ist es einfach, ein einzelnes ausgefallenes
Modul auszutauschen, sodass die Laservorrichtung und die Laserbearbeitungsvorrichtung eine
gute Wartungsfreundlichkeit haben. Da die Druckelektrode der Spule
dazu dient, ein benachbartes Modul elektrisch anzuschließen, wird
ein Abstandsstück
zur Isolierung zwischen den Elektroden unnötig. Dies führt zu einer Verringerung der
Kosten der Teile und der Montagekosten.
-
Das "Hartlot" der vorliegenden
Erfindung ist als ein Lot definiert, welches ein Hauptelement enthält, das
ausgewählt
ist aus einer Gruppe, die bestellt aus Au, Ag, Al, Si und Ge, und
das "Weichlot" ist als ein Lot
definiert, welches ein Hauptelement enthält, das aus einer Gruppe ausgewählt ist,
die besteht aus Pb, Sn, In, Sb und Bi. In der vorliegenden Erfindung sollte
der Schmelzpunkt des verwendeten Hartlots höher als der Schmelzpunkt des
Weichlots sein.
-
Der
erste Effekt des Laserdiodenmoduls liegt darin, dass eine zeitabhängige Änderung
des Wärmewiderstands
an dem Übergangsoberflächenbereich
des Hochleistungslaserdiodenstabs unterdrückt werden kann. Selbst wenn
die Erfindung an einem Feld angewandt wird, bei dem die EIN-AUS-Zustände der
Laserdiode häufig
geändert
werden und die Temperatur der Laserdiode intensiv ansteigt und abfällt, kann
insbesondere eine Änderung
des Wärmewiderstands
an der Übergangsgrenzfläche über eine lange
Zeitspanne unterdrückt
werden. Dies kann eine stabile Laseremission sicherstellen. Ferner
kann eine hohe Elektrizitäts-zu-Licht-Umwandlungseffizienz über eine
lange Zeitspanne aufrecht erhalten werden. Dies kann die Lebensdauer
der Laserdiode verlängern.
-
Der
zweite Effekt ist so, dass die Spulenelektrode weder mit der Laserdiode
noch mit dem Montagebasissubstrat noch mit der Druckelektrode verschmolzen
ist, sodass das Laserdiodenmodul leicht und mit geringen Kosten
zusammengebaut werden kann.
-
Der
dritte Effekt bezieht sich auf ein Modulfeld, das seitlich Module
angeordnet hat, und so ausgebildet ist, dass die Spulendruckelektrode
auch als elektrische Verbindung zu einem benachbarten Modul dient
und nur mit der Spulenelektrode und dem benachbarten Kühlkörper verbunden
ist, sodass für das
Zusammenbauen des Moduls kein Isoliermaterial benötigt wird,
was die Anzahl der Bauelemente signifikant verringert und somit
ein kostengünstiges und
Laserdiodenmodulfeld mit hoher Leistung realisiert.
-
Der
vierte Effekt besteht darin, dass in dem Fall, bei dem die Module
miteinander in Reihe verbunden sind, selbst wenn die Laserdiode
in einem Modul in dem Feld ausfällt,
die elektrische Schaltung nicht unterbrochen wird, sodass eine Laservorrichtung
oder eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die dieses Modul eingebaut
hat, frei von einem Ausfall infolge offenen Stromkreises ist. Dies
kann eine Laservorrichtung und eine Laserbearbeitungsvorrichtung schaffen,
die über
eine lange Zeitdauer eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit und geringe Betriebskosten
hat.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, die einen herkömmlichen Laserdiodenstab zeigt;
-
2 ist
eine perspektivische Ansicht, die ein herkömmliches vertikal gestapeltes
Laserdiodenmodul zeigt, bei dem die Bondierdrähte als eine obere Elektrode
verwendet werden;
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3 ist
eine Vorderansicht eines herkömmlichen
Laserdiodenmoduls, bei dem eine Laserdiode mit zwei Anschlussplatten
verbunden ist, wobei ein erstes Lot mit einem Kühlelement mit einem zweiten Lot
verbunden ist;
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4 ist
eine Draufsicht auf ein herkömmliches
Laserdiodenmodul, das zwischen einem plastisch verformbaren Wärmeabsorber
und einem Deckel angeordnet ist;
-
5 ist
eine Draufsicht auf ein herkömmliches
Laserdiodenmodul, bei dem ein Stapel aus Laserdioden und Wärmeunterdrückungsfolien,
die ohne Verwendung eines Lots alternierend gestapelt sind, indem
sie gegen die Basis mittels einer Feder gedrückt werden, die an einem Befestigungsteil
befestigt ist;
-
6 ist
eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke einer
Indiumschicht und der Wahrscheinlichkeit des Ausfalls bei einem
Betriebstest, der bei einem Modul unter Verwendung von Indium für das zweite
Lot durchgeführt
worden ist;
-
7 ist
eine Vorderansicht eines Laserdiodenmoduls gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
-
8 ist
eine perspektivische Ansicht einer Spulenelektrode, die bei dem
Laserdiodenmodul verwendet wird;
-
9 ist
eine erläuternde
Darstellung, die den Änderungsbereich
der Spulenelektrode, welche bei dem Lasermodul zu verwenden ist,
zeigt;
-
10 ist
eine grafische Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zum
Ausbilden einer Sandwichbaugruppe bestehend aus einer Laserdiode,
die zwischen zwei Montagebasissubstrate mittels einer ersten Lotschicht
in dem Laserdiodenmodul ausgebildet ist;
-
11 ist
eine Darstellung zur Erläuterung eines
Verfahrens zum Montieren der in der 10 gezeigten
Sandwichbaugruppe an einem Kühlkörper unter
Verwendung einer zweiten Lotschicht;
-
12 ist
eine Ansicht im Schnitt, die einen Zustand des Montagebasissubstrats
zeigt, bevor es an dem Kühlkörper mittels
der zweiten Lotschicht montiert ist und einen montierten Zustand
des Montagebasissubstrats zeigt;
-
13 ist
eine perspektivische Ansicht eines Laserdiodenmoduls gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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14 ist
eine perspektivische Ansicht einer Brückendruckelektrode in einer
extrahierten Form, die in dem Laserdiodenmodul verwendet wird;
-
15 ist
eine Ansicht im Schnitt entlang der Schnittlinie A-A' in 13;
-
16 ist
eine Darstellung des Zustands eines Laserdiodenmoduls, das eine
obere Elektrode durch das herkömmliche
Verfahren unter Verwendung von Bondierdrähten nach dem Durchführen der Evaluation
ausgebildet hat, gesehen von der Seite des Moduls her, welches Licht
emittiert;
-
17 ist
eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Strom und
dem optischen Ausgang, wenn der Strom in dem Laserdiodenmodul gemäß der Erfindung
und dem herkömmlichen
Laserdiodenmodul, das Bondierdrähte
verwendet, fließen
kann;
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18 ist
eine grafische Darstellung der zeitabhängigen Änderung in den Ausgängen des
Laserdiodenmoduls gemäß der Erfindung
und des herkömmlichen
Laserdiodenmoduls, das Bondierdrähte verwendet;
-
19 ist
eine Ansicht im Schnitt eines Weichlotbereichs unter einem getrennten
Teil des in der 16 gezeigten herkömmlichen
Moduls;
-
20 ist
eine perspektivische Ansicht eines gereihten Laserdiodenmoduls mit
fünf Laserdiodenmodulen
gemäß der zweiten
Ausführungsform der
Erfindung;
-
21 ist
eine grafische Darstellung, die eine zeitabhängige Änderung im Ausgang des gereihten
Laserdiodenmoduls gemäß der Erfindung zeigt,
wenn eine Laserdiode in der Reihe absichtlich zum Ausfall gebracht
ist;
-
22 ist
eine beispielhafte Darstellung einer Laservorrichtung, bei der das
Laserdiodenmodul gemäß der Erfindung
als eine Pumplichtquelle verwendet wird; und
-
23 ist
eine beispielhafte Darstellung einer Laserschweißvorrichtung, die einen Laserstrahlausgang
von der Laservorrichtung, die das Laserdiodenmodul gemäß der Erfindung
hat, als Pumplichtquelle verwendet.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
In
Folgenden werden anhand der begleitenden Zeichnungen bevorzugte
Ausführungsformen der
Erfindung beschrieben. 7 ist eine beispielhafte Darstellung,
die ein Laserdiodenmodul gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung zeigt. Die oberen und unteren Elektroden einer Laserdiode 601 sind
mit den Montagebasissubstraten 602 mittels Hartloten 603 verbunden.
Diese Sandwichbaugruppe 604 ist mit einem Kühlkörper mittels
eines Weichlots 606 verbunden. Das Verhältnis von Metall an der Verbindungsgrenzfläche zur
Legierungsphase mit einem Weichlot ist so eingestellt, dass eine
Wärmeausdehnungsdifferenz
zwischen der Sandwichbaugruppe 604 und dem Kühlkörper 605 nach
der Verbindung durch Steuern der Dicke der Weichlotschicht 606 vor der
Verbindung ausgeglichen werden kann. Eine Spulenelektrode 607,
die durch festes Wickeln eines Metalldrahts hergestellt ist, wird
als die obere Elektrode verwendet. Die Position der Spule ist in
einem V-förmigen
Teil einer Druckelektrode 608 festgelegt. Die Spulenelektrode 607 und
die Sandwichbaugruppe 604 werden zwischen dem Kühlkörper 605 und der
Druckelektrode 608 gehalten. Die Isolation zwischen dem
Kühlkörper 605 und
der Druckelektrode 608 erfolgt durch ein isolierendes Abstandsstück 609.
Die Kraft der Druckelektrode 608, welche auf die Spulenelektrode 607 drückt, ist
durch die Dicke des isolierenden Abstandsstücks 609 so eingestellt,
dass sie in einem Bereich liegt, bei dem die Spulenelektrode 607 nicht
plastisch verformt wird. Der Kühlkörper 605 und
die Druckelektrode 608 sind durch eine isolierte Stellschraube 610 gesichert.
Ein Anschlussdraht 611 für das Fließen von Strom ist mit dem Kühlkörper 605 und
der Druckelektrode 608 verbunden.
-
8 zeigt
eine zylindrische Wicklung eines Metalldrahts als ein Beispiel der
Spulenelektrode 607. Es ist wünschenswert, dass die Oberfläche des Spulendrahts
mit einer Goldschicht beschichtet sein sollte. Wie in der 9 gezeigt,
liegt ein bewegbarer Bereich 804 zwischen dem Spulendurchmesser 802 der
Spulenelektrode 607 und einem Durchmesser 803,
bei dem die Spulenelektrode 607 verformt ist und ihre plastische
Verformung in dem Bereich beginnt, bei dem die Spulenelektrode 607 elastisch
verformt werden kann. Wenn die Spulenelektrode 607 innerhalb
des bewegbaren Bereichs 804 gedrückt wird, bei dem die Spulenelektrode 607 die
Elastizität in
radialer Richtung der Spule zeigt, kann das Freigeben des Drucks
zulassen, dass die Spulenelektrode 607 in ihren Ursprungdurchmesser 802 zurückkehrt. Das
Modul in 7 wird gedrückt, um durch die Druckelektrode 608 von
oben so verformt zu werden, dass eine Änderung im Durchmesser der
Spule innerhalb des bewegbaren Bereichs 804 liegt. Die
Spulenelektrode 607 hat eine Länge, die annähernd gleich
der Längsgröße der Laserdiode
ist.
-
Im
Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des Laserdiodenmoduls
gemäß der ersten
Ausführungsform,
wie in 7 gezeigt, beschrieben. Zunächst wird eine Metallschicht
aus beispielsweise Gold auf den oberen und untere Elektroden der
Laserdiode abgeschieden. Das Montagebasissubstrat 602 besteht
aus einem Material, beispielsweise Kupfer-Wolfram, das ungefähr den gleichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
wie den Wärmeausdehnungskoeffizienten
einer Laserdiode hat, die unter Verwendung eines GaAs-Substrats
hergestellt ist (5,6 bis 6,2 ppm/K) und wird auf eine Fläche gleich oder
größer als
die Fläche
der oberen oder unteren Elektrode der Laserdiode bearbeitet. Eine
Metallschicht aus beispielsweise Gold wird ebenfalls auf der oberen
Oberfläche
des Montagebasissubstrats 602 abgeschieden. Das Hartlot 603,
das beispielsweise aus Gold-Zinn
besteht, zum Montieren der Laserdiode 601 ist auf einer
Seite des Montagebasissubstrats 602 abgeschieden.
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Wie
in der 10 gezeigt, sind die oberen und
unteren Seiten der Laserdiode 601 von diesen Seiten der
Montagebasissubstrate 602, an denen die Hartlote 603 abgeschieden
worden sind, umschlossen und werden auf den Schmelzpunkt des Hartlots 603 erwärmt, wodurch
die Sandwichbaugruppe 604 aus Laserdiode zwischen den Montagebasissubstraten 602 angeordnet,
erhalten wird.
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Als
nächstes
wird die Sandwichbaugruppe 604, wie in der 11 gezeigt,
mit dem Kühlkörper 605 verbunden.
Als Kühlkörper 605 kann
eine wassergekühlte
Bauart verwendet werden, die hauptsächlich beispielsweise aus Kupfer
besteht und im Inneren einen Wasserdurchlass ausgebildet hat. An der
oberen Oberseite des Kühlkörpers 605 ist
beispielsweise eine Goldschicht abgeschieden. Wie in der 11 gezeigt,
ist auf der Seite des Kühlkörpers 605,
wo die Sandwichbaugruppe 604 zu montieren ist, beispielsweise
eine In-Schicht als Weichlot 606 abgeschieden. Dann wird
der Kühlkörper 605 erwärmt, um
die In-Schicht zu schmelzen, um die Sandwichbaugruppe 604 mit
dem Kühlkörper 605 zusammenzufügen.
-
12 ist
eine vergrößerte Ansicht
der Grenzfläche
der In-Lotschicht vor und nach der Verbindung. Die Sandwichbaugruppe 604,
die wie in der 10 gezeigt, zwei Montagebasissubstrate 602 und
den Laserdiodenstab aufweist, wird auf dem Weichlot 606,
welches auf einem Metall 1402 an der oberen Oberfläche des
Kühlkörpers 605 abgeschieden
ist, so montiert, dass ein Metall-auf-Montagebasissubstrat 1405,
das an der unteren Verbindungsoberfläche der Sandwichbaugruppe 604 vorgesehen ist,
zwischen dem Montagebasissubstrat und dem Weichlot 606 gehalten
ist. Wenn die Temperatur des Weichlots 606 auf den Schmelzpunkt
steigt, diffundieren zunächst
die Oberflächenmetalle 1402 und 1405 in
das Weichlot 606, um Legierungen zu bilden, bilden Legierungsbereiche 1406.
Dann wird das Weichlot 606 geschmolzen und die Temperatur
wird aufrecht erhalten. Demgemäß verteilt
sich das Legierungskorn in der gesamten Lotschicht und nachdem die
Lotschicht fest geworden ist, ist auf der gesamten Lotschicht eine
Region 1407 ausgebildet, in welcher das legierte Korn verteilt
ist.
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Als
nächstes
wird, wie in der 7 gezeigt, die Spulenelektrode 607 auf
der Oberseite der Sandwichbaugruppe 604 platziert und es
wird das isolierende Abstandsstück 609 auf
dem Kühlkörper 605 platziert.
Die Spulenelektrode 607 wird durch die Druckelektrode 608,
die auf ihrer Oberfläche,
die beispielsweise aus Kupfer besteht, Gold abgeschieden hat, gedrückt und
die Druckelektrode 608 wird an den Kühlkörper 605 über das
Abstandsstück
mit der isolierten Einstellschraube 610 befestigt, wodurch
das Modul gemäß der Ausführungsform
fertiggestellt wird.
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Nun
wird die zweite Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.
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13 ist
eine perspektivische Ansicht, die ein gereihtes Laserdiodenmodul
zeigt, das Laserdiodenmodule seitlich angeordnet hat, gemäß der zweiten
Ausführungsform
der Erfindung. 14 ist eine perspektivische
Ansicht, die eine Brückendruckelektrode 901 aus
der 13 in einer herausgezogenen Form zeigt. 15 ist
eine Ansicht im Schnitt, die das gereihte Laserdiodenmodul gemäß 13 entlang
der Schnittlinie A-A' zeigt.
Die Brückendruckelektrode 901 zum
Drücken
einer Sandwichbaugruppe 906 einer Laserdiode 905,
die zwischen Montagebasissubstraten 904 mit einer oberen
Spulenelekt rode 903 fixiert angeordnet ist, ist nur an
einem Kühlkörper 902 eines
benachbarten Moduls angeschlossen und ist durch eine Stellschraube 907 gesichert.
Die am weitesten rechts liegende Brückendruckelektrode 901 in
der 13 ist an einer Befestigungsstütze 908 befestigt
und ist mit einem Anschlussdraht 909 verbunden. Jedes Modul
erfordert kein Material zur Isolierung zwischen den oberen und unteren
Elektroden. Durch Einstellen der Höhe 1002 des Kühlkörperkontaktteils
der Brückendruckelektrode 901 kann
die Druckkraft der Spulenelektrode eingestellt werden. Eine weitere
Brückendruckelektrode 901,
die einen Kühlkörper kontaktiert,
steht mit der Spulenelektrode 903 in Kontakt und der Kühlkörper 902 und
die Brückendruckelektrode 901,
die den Kühlkörper 902 kontaktiert,
ist an dem Kühlkörper 902 mit
der Einstellschraube 907 gesichert. Der Strom, welcher
von dem Kühlkörper 902 zugeführt wird,
fließt
in die Laserdiode 905 in der Sandwichbaugruppe 905 zwischen
dem Weichlot 606 (siehe 12). Der
obere Teil der Spulenelektrode 903 in der Brückendruckelektrode 901 ist
mit dem anschließenden
Kühlkörper 902 verbunden.
-
Das
in der 13 gezeigt aufgereihte Modul wird,
wie die in den 10 und 16 gezeigt,
auf dem Kühlkörper montiert,
nachdem die Sandwichbaugruppe der Laserdiode hergestellt ist. Dann
wird, nachdem eine Spulenfeder auf der Sandwichbaugruppe platziert
wird, die Spulenfeder durch die starre Brückendruckelektrode 901 gedrückt, die
ihrerseits durch die Stellschraube 907 befestigt ist, wodurch
das gereihte Modul hergestellt wird. Die Einstellschraube 907 zum
Sichern der Brückendruckelektrode 901 muss
nicht isoliert werden und kann an dem Kühlkörper 902 mittels einer
gewöhnlichen Schraube
befestigt werden.
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Das
Montagebasissubstrat kann aus einem anderen Material als Kupfer-Wolfram
bestehen, wie beispielsweise Kupfermolybdän, Molybdän und so weiter, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient
mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
des GaAs-Substrats innerhalb einer Grenze von ± 20 % übereinstimmt (5,6 bis 6,2 ppm/K)
und das einen niedrigen elektrischen Widerstand und eine hohe Wärmeleitfähigkeit
hat.
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Neben
der Gold-Zinn-Legierung kann ein Lot, das hauptsächlich aus Au, Ag, Al, Si oder
Ge besteht, als Hartlot verwendet werden. Neben In kann ein Lot,
das hauptsächlich
aus Pb, Sn, In, Sb oder Bi besteht, als Weichlot verwendet werden.
Es ist wesentlich, dass das Hartlot einen höheren Schmelzpunkt als das
Weichlot haben sollte. Die Lotschicht zeigt einen Bereich zwischen
zwei Grenzflächen
mit beiden Materialien, die durch das Lot zu verbinden sind, an
und hat einen Bereich, wo das Lot mit dem Korn der Legierungsphase,
die durch die Diffusion des Oberflächenmetalls erzeugt wird, gemischt
ist. Wenn die Sandwichbaugruppe auf dem Kühlkörper unter Verwendung von In
als Lotschicht montiert wird, ändert
sich die Lotschicht wie folgt. Zunächst wird vor dem Montieren
die Lotschicht als eine Schicht allein aus In ausgebildet. In einer
Anfangsstufe der Montage werden in der Nähe der Verbindungsgrenzfläche eine
Schicht, in der Legierungskörner
(Kristallkörner) durch
Reaktion von In mit dem Gold in der Phase, in welcher In nicht mit
Gold in dem Oberflächenmetall reagiert,
verteilt, ausgebildet, wodurch eine Dreischichtstruktur mit der
Schicht aus In allein in der Mitte ausgebildet wird. Nachdem eine
vorbestimmte Zeit abgelaufen ist, wird die Lotschicht eine Schicht,
in der legierte Kristallkörner
in der gesamten In-Phase verteilt sind.
-
Neben
der wassergekühlten
Bauart mit einem Wasserdurchgang darin ausgebildet, steht als Kühlkörper ein
Kühlkörper, der
eine Peltier-Vorrichtung verwendet, eine Wärmerohrbauart, ein wärmeleitfähiger Typ
und so weiter zur Verfügung.
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Ein
Element, das hauptsächlich
aus Kupfer besteht und eng gewickelt ist, ist für das Element der Spulenelektrode
geeignet. Das Element muss nur in radialer Richtung eine Elastizität haben,
die gleich oder größer als
das Maximalmaß der Änderung
der Summe aus wenigstens einer Änderung
in der Dicke ist, die von der Zersetzung der Weichlotschicht und einer Änderung
der Dicke, die von der Wärmeausdehnung
usw. der Sandwichbaugruppe herrührt. Wenn
der Kontakt, der für
das Fließenlassen
eines vorbestimmten Stroms sichergestellt ist, muss die Spule nicht
eng gewickelt sein. Obwohl es wünschenswert
ist, dass die obere Oberfläche
des Spulendrahts mit einer Goldschicht beschichtet sein sollte,
kann die Goldschicht durch eine Schicht aus einem Metall, welches
in Luft nicht leicht korrodiert, ersetzt werden.
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Die
Druckelektrode 608 hat eine V-förmige Nut als einen Teil zum
Drücken
der Spulenelektrode 607. Neben der V-förmigen Nut kann der Druckteil verschiedene
Formen einnehmen, wie beispielsweise eine halbkreisförmige Nut
oder eine trapezförmige Nut.
Obwohl in der vorstehenden Beschreibung ein Laserdiodenstab als
Hauptanwendung des Moduls erläutert
worden ist, ist das Modul für
eine Laserdiode mit einem einzigen Lichtemissionsbereich wirksam.
-
Neben
korrosionsbeständigem
Gold kann auch eine Metallschicht aus einem korrosionsbeständigen Material,
wie beispielsweise Nickel, für
die oberen Oberflächen
der Montagebasissubstrate, des Kühlkörpers, der
Spulenelektrode und der Druckelektrode verwendet werden. Nickel,
falls verwendet, bildet schlecht eine Legierung mit einem Lot und
zeigt daher normalerweise ein Problem bei der Haftung. Wenn die
Grenzfläche
durch die Spulenelektrode gedrückt
wird, kann jedoch die physikalische Haftung selbst dann aufrecht
erhalten werden, wenn die chemische Haftung schwach ist, sodass
der Wärmewiderstand
an der Grenzfläche
aufrecht erhalten werden kann.
-
Beispiel 1
-
Um
die Effekte der Erfindung zu zeigen, werden die Charakteristika
von Beispielen, die in den Umfang der Erfindung fallen, und die
Charakteristika von Vergleichsbeispielen, die außerhalb des Umfangs der Erfindung
liegen, erörtert.
Es wurde ein Laserdiodenreihenstab mit einer Breite von 10 mm, einer
Hohlraumlänge
von 1,2 mm und einer Dicke von 100 μm und der eine Ausgangsleistung
von 50 W bereitstellen konnte, und Montagebasissubstrate aus CuW
mit einer Breite von 10 mm, einer Länge von 1,2 mm und einer Dicke
von 0,15 mm hergestellt. Auf den obersten Oberflächen der oberen und unteren
Elektroden der Laserdiode wurde eine Goldschicht mit einer Dicke
von 1 μm
ausgebildet. Gold wurde auf die obersten Oberflächen der beiden Montagebasissubstrate
mit einer Dicke von 1 μm
plattiert und auf den anderen Seiten wurde ein Gold-Zinn-Lot mit
einer Dicke von 2 μm
abgeschieden. Danach wurde der Laserdiodenstab zwischen den zwei
Montagebasissubstraten angeordnet, wobei die Seiten mit dem Gold-Zinn- Weichlot den oberen
und unteren Seiten des Laserdiodenstabs so zugewandt sind, dass
die Lichtemissionsseiten des Laserdiodenstabs mit den Montagebasissubstraten übereinstimmen,
die Temperatur wurde auf die Schmelzpunkttemperatur des Gold-Zinn-Lots
erhöht,
um die Laserdiode mit den Montagebasissubstraten zu verbinden, es
wurde eine Sandwichbaugruppe erhalten, bei der die Laserdiode zwischen
den Montagebasissubstraten angeordnet war. Die verwendete Wärmesenke
war eine der wassergekühlten
Bauart mit einem Basismaterial aus Kupfer, mit einem in ihr ausgebildeten
Wasserdurchlass und mit einer Länge
von 25 mm, einer seitlichen Größe von 12
mm und einer Dicke von 2,0 mm. Auf der obersten Oberfläche der
Wärmesenke war
eine Goldschicht mit 1 μm
Dicke ausgebildet. Auf Regionen von 10 × 1,2 mm mit der gleichen Fläche wie
die Fläche
des Montagebasissubstrats wurde in Abständen von 1 μm von 1 μm bis 10 μm dampfabgeschiedene Schichten
aus Weichlot hergestellt. Nachdem die Sandwichbaugruppe auf den
dampfabgeschiedenen Flächen
platziert war, wurde die Temperatur der Wärmesenke auf die Temperatur
erhöht,
bei der In schmilzt, wurde auf dieser Temperatur für eine vorbestimmte
Zeit gehalten und wurde dann abgekühlt, um die Sandwichbaugruppe
mit der Wärmesenke
zu verbinden. Dann wurde auf dem oberen Teil der auf der Wärmesenke
montierten Sandwichbaugruppe eine Spulenelektrode platziert, die
durch Goldplattieren der Oberfläche
einer Spule mit einer Länge
von 10 mm durch festes Winden eines Kupferdrahts mit einem Außendurchmesser
von 1,5 mm und einer Dicke von 0,2 mm hergestellt worden war, und
wurde von oben mit einer Druckelektrode aus Kupfer und mit Gold
plattierter Oberfläche,
gepresst und wurde an der Wärmesenke
mittels einer Keramikschraube über
ein isolierendes Abstandsstück aus
Aluminiumnitrid befestigt. Da der veränderbare Bereich der Spulenelektrode,
in welchem der Durchmesser nicht plastisch verformt würde, 30 μm betrug, wurde
die Dicke des Abstandsstücks
so eingestellt, dass der Durchmesser der Spule ungefähr 20 μm zusammengedrückt wurde.
Bei dem auf diese Weise hergestellten Laserdiodenmodul wurde ein
Lebensdauertest durchgeführt.
Die Dicke der In-Lotschicht und die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen des
Moduls wurde unter Testbedingungen überprüft, bei denen das Modul für 3000 Stunden
betrieben wurde, wobei fortlaufend Licht mit 50 W am Modul emittiert
wurde, das in Intervallen von 0,5 Sekunden eingeschaltet und ausgeschaltet
wurde.
-
Die
Ergebnisse des Tests sind in der 6 gezeigt. 6 ist
eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke der
In-Schicht, die an der Horizontalachse aufgetragen ist, und der
Ausfallwahrscheinlichkeit, die an der Vertikalachse aufgetragen
ist. Ein "Ausfall" zeigt einen Fall
an, bei dem die Ausgangsleistung um 20 % oder höher mit Bezug auf die Anfangsausgangsleistung
abfällt,
oder einen Fall, bei dem wenigstens ein Teil der Elektrode abgetrennt
ist. Wenn auf den oberen Oberflächen
der Wärmesenke
Gold mit 1 μm
Dicke abgeschieden war und das Montagebasissubstrat In kontaktieren
würde,
konnte die Ausfallwahrscheinlichkeit auf 0,1 % oder darunter reduziert
werden, was ein Ziel für
die Kommerzialisierung wäre,
indem die Sandwichbaugruppe mit einer In-Lotschicht, die mit einer
Dicke von 5 μm
oder darüber
abgeschieden wird, ausgebildet wird. Die Ergebnisse zeigen, dass
bei der Struktur und den Montagebedingungen des vorstehend beschriebenen
Moduls die Dicke der In-Schicht, die für die In-Lotschicht benötigt wird,
um die Verformung auszugleichen, welche durch den Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen den Montagebasissubstraten aus Kupfer-Wolfram und der Wärmesenke
aus Kupfer verursacht wird, 5 μm oder
größer ist.
-
Die
Ausgangscharakteristika des Moduls des ersten Substrats (Beispiel
1) und des herkömmlichen
Moduls (Vergleichsbeispiel) wurden miteinander verglichen. Bei dem
verwendeten herkömmlichen Modul
war ein Laserdiodenstab auf Montagebasissubstraten aus Kupfer-Wolfram
mit einem Hartlot befestigt, war auf der Wärmesenke mit einem Weichlot befestigt
und die obere Elektrode war unter Verwendung von gewöhnlichen
Bondierdrähten
gebildet.
-
17 zeigt
die Ergebnisse des Vergleichs der Änderungen in den Ausgangsleistungen
der beiden untersuchten Module bei durch die Module fließendem Strom.
In der 17 zeigt die Horizontalachse
den Strom (A) und die Vertikalachse zeigt den Ausgang (W). Das Modul,
welches die Spulenelektrode verwendete, zeigte eine Ausgangsverbesserung
von ungefähr
10 %. Dies ist deshalb der Fall, weil der Laserdiodenstab von oben
mit der Spulenelektrode gedrückt
wird, der Wärmewiderstand
der Weichlotschicht wird niedriger als in dem Fall, bei dem die
Bondierdrahtelektrode verwendet wird.
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18 zeigt
die Ergebnisse der Messung des Ausgangsänderungen für 10.000 Stunden, wenn die
Ausgänge
der zwei Module wiederholt in Intervallen von 1 Sekunde mit einem
Strom von ungefähr
60 A, der durch die Module floss, eingeschaltet und ausgeschaltet
wurden. In der 18 zeigt die Horizontalachse
die Zeit (Stunden) und die Vertikalachse zeigt den Ausgang (W).
Das Modul gemäß dem Beispiel
der Erfindung zeigt ein Ausgangsabfallverhältnis von 10 % nach dem Ablauf
von 10.000 Stunden, während
das herkömmliche
Modul einen graduellen Ausgangsabfall zeigte und nach dem Ablauf
von 1.000 Stunden mehrere Drähte
gelöst
hatte, was zu einem abrupten Ausgangsabfall führte, sodass die Evaluierung
danach unterbrochen war.
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Die
Untersuchung des ausgefallenen herkömmlichen Moduls zeigte, dass,
wie in der 16 gezeigt, der Endteil eines
Laserdiodenstabs 1801 verwunden war, sodass in den Bondierdrähten 1807 eine
Abtrennung auftrat und die darunter liegende Montagegrenzfläche mit
einer Hartlotschicht 1803 getrennt war. Es wurde eine Weichlotschicht 1806 an der
Grenzfläche
zwischen einer Wärmesenke 1804 unterhalb
des getrennten Teils 1802 und einem Montagebasissubstrat 1805 beobachtet.
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Das
Ergebnis der Untersuchung ist in der in der 19 gezeigten
Ansicht im Schnitt gezeigt. Es ist zu ersehen, dass Risse 1902,
Lunker 1903 und Abtrennung 1904 in einer In-Lotschicht 1901 erzeugt worden
sind. Die Körner 1905 aus
einer Gold-In-Legierung waren stärker
gewachsen als diejenigen unmittelbar nach der Montage. Im Gegensatz
hierzu waren in der In-Lotschicht des Moduls gemäß dem Modul der vorliegenden
Erfindung keine großen
Risse und Lunker selbst nach einem Ablauf von 10.000 Stunden und
es trat nur eine leichte Statusänderung in
Gold-Indium auf.
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Beispiel 2
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Es
wurden Elemente ähnlich
wie bei dem Beispiel 1 verwendet, wobei auf der obersten Oberfläche allein
der Wärmesenke
eine Nickelschicht von 1 μm
Dicke abgeschieden war, und es wurde der Lebensdauertest des Laserdiodenmoduls
durchgeführt, wobei
die Dicke der In-Schicht von 1 μm
bis 10 μm, wie
beim Beispiel 1 geändert
wurde. Bei der Durchführung
des gleichen Experiments wie in der 6 dargestellt,
wurde die Ausfallwahrscheinlichkeit 0,1 % oder darunter, wenn die
Dicke der In-Schicht 30 μm
oder größer betrug.
Dies ist deshalb der Fall, weil Nickel, wenn verwendet, eine langsame
Legierungsbildung mit In zeigt, somit verglichen mit der Verwendung
von Gold die Zuverlässigkeit
mit einer dünneren In-Lotschicht
bereitstellt. Durch Durchführen
des gleichen Experiments wie in der 12 dargestellt,
wurde ein Ausgang von 50 W erzielt, wenn in dem Modul ein Strom
von 64 A floss und der Wärmewiderstand des
Verbindungsteils war größer als
im Fall, bei dem Gold verwendet wurde. Es gibt jedoch ein Ausgangsabfallverhältnis von
ungefähr
10 % nach einem Ablauf von 10.000 Stunden, wie im Fall bei der Goldschicht,
was offensichtlich kein praktisches Problem darstellt.
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Beispiel 3
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20 ist
eine perspektivische Darstellung eines aufgereihten Laserdiodenmoduls
gemäß dem Beispiel
3 der Erfindung. Das aufgereihte Laserdiodenmodul hat fünf Laserdiodenmodule,
die im Beispiel 1 hergestellt worden sind, welche seitlich nebeneinander
angeordnet sind. Die verwendete Sandwichbaugruppe 2002,
gebildet aus einem auf einer Wärmesenke 2001 montierten
Laserdiodenstab und Montagebasissubstraten, und mit einer Spulenelektrode 2003 war
die gleiche wie beim Beispiel 1 und die Sandwichbaugruppe 2002 war
auf der Wärmesenke 2001 mit
dem gleichen Weichlot montiert. Es wurde ein Halter 2004 aus
einem Isolator gebildet, um Wasser zu den fünf Wärmesenken 2001 fließen zu lassen und
die einzelnen Wärmesenken
wurden an vorbestimmten Positionen des Halters 2004 befestigt. Dann
wurden einzelne Brückendruckelektroden 2005,
wie in der 20 gezeigt, ausgelegt. Die verwendeten
vier Brückendruckelektroden
hatten die gleiche Form und das linke Ende war eine Brückendruckelektrode 2006 zum
Verbinden der Wärmesenke
mit einem Elektrodenanschluss 2007, während ein rechtes Ende eine
Brückendruckelektrode
war, die den Elektrodenanschluss 2007 an der Rückseite der
Wärmesenke
so überbrücken konnte,
dass die Wärmesenke
nicht kontaktiert wurde. Jeder Wärmesenke
wurde von dem Kühlmitteleinlass,
der in einer Seite des Halters 2004 ausgebildet war, Wasser
zugeführt.
Das gesamte aufgereihte Modul war mit einer Druckplatte 2009 aus
einem Isoliermaterial abgedeckt, um die Freilegung der Elektroden
zu verhindern und die Spulenelektrode gleichförmig zu drücken, und war an dem Halter 2004 mit
einer Einstellschraube 2010 befestigt, die durch ein Schraubloch, das
in der Elektrode ausgebildet war, hindurch gesteckt war. Die Ergebnisse
eines Langzeitbetriebsversuchs, der bei dem aufgereihten Modul mit
dem Gesamtausgang von 250 W oder einem Ausgang von 50 W pro Modul,
wie beim Beispiel 1, durchgeführt
wurden, zeigten, dass das Beispiel 3 eine Ausgangsänderung
innerhalb von 10 % über
10.000 Stunden hatte.
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21 zeigt
die Ergebnisse der Durchführung
eines Versuchs zum absichtlichen Erhitzen eines einzigen Laserdiodenmoduls,
damit das Laserdiodenmodul nach dem Ablauf von 500 Stunden seit dem
Betriebsstart mit 250 W ausfällt.
Eine Laserdiode zeigte einen Temperaturanstieg der aktiven Schicht
und die Ausbildung eines Stromleckagepfads und stoppte die Emission
von Licht, aber die Elektrode wurde nicht kurzgeschlossen und der
Strom floss weiterhin. Da der Strom in den anderen Laserdiodenmodulen
in der Aufreihung weiter floss, wurde daher die Oszillation fortgesetzt
und es wurde ein Ausgang von ungefähr 200 W erzielt. Nachdem ein
anderes Laserdiodenmodul nach 2.00 Stunden nach dem Beginn des Versuchs
absichtlich zum Ausfallen gebracht wurde, führte dies dazu, dass der Ausgang
auf ungefähr
140 W abfiel. Es wurde jedoch bestätigt, dass die anderen drei
Module bis 4.000 Stunden stabile Ausgänge bereitstellten, wie dies
in der 21 gezeigt ist. Danach wurden
die zwei ausgefallenen Laserdiodenmodule wieder dazu gebracht, Licht
zu emittieren, nachdem die Sandwichbaugruppe, welche auf der Wärmesenke
jedes Moduls montiert war, ausgetauscht worden war, was dazu führte, dass
die Laserausgänge
wieder 240 W betrugen. Da das Modul nicht mit anderen Elementen
als der Wärmesenke
und der Sandwichbaugruppe verlötet
war, konnte es leicht mit einer Austauschzeit von 10 Minuten ausgetauscht
werden.
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Beispiel 4
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22 ist
eine perspektivische Ansicht einer Laservorrichtung gemäß dem Beispiel
4 der Erfindung. Die Laservorrichtung verwendet zwei Sätze von
5-modulreihigen Laser diodenmodulen 2201 mit einem Ausgang
von 250 W, die beim Beispiel 3 hergestellt waren. Die Wellenlänge des
Lichts, welches von dem aufgereihten Laserdiodenmodul 2201 erzeugt
wurde, war auf 808 nm, der Neodymabsorptionswellenlänge, mit
der Temperatur des in der Wärmesenke
fließenden
Wassers eingestellt. Ein Nd:YAG-Laserstab 2202 mit einem
Durchmesser von 5 mm und einer Länge
von 10 cm und mit 1 % Neodym dotiert, wurde mit dem Ausgangslaserstrahl
vom Modul 2201 von den beiden Seiten des Laserstabs 2202 her,
erregt. Das Modul 2201 war in die Nähe des Laserstabs 2202 so
gelegt, dass das gesamte erregte Licht auf den Laserstab 2202 gestrahlt
würde. Das
Licht von 808 nm wurde von Nd in dem Nd: YAG-Laserstab 2202 absorbiert,
Licht mit einer Wellenlänge
von 1064 nm wurde zwischen einem Ausgangsspiegel 2003 und
einem rückwärtigen Spiegel 2004 oszilliert,
somit wurde Ausgangslicht von 2205 mit 300 W an dem Laserstab 2202 erzielt.
Es wurde ein Langzeitbetriebstest durchgeführt, wobei der YAG-Laserausgang
in Intervallen von 0,5 Sekunden des Laserdiodenmoduls 2201 ein-
und ausgeschaltet wurde. Der YAG-Laserausgang wurde über 10.000 Stunden
fortgesetzt und der Ausgang betrug nach 10.000 Stunden 270 W, mit
einem Ausgangsabfallverhältnis
von 10 % oder darunter. Weil der Ausgangsabfall dieser Höhe durch
Erhöhen
des Werts des Stroms, der in der Laserdiode fließt, wieder hergestellt werden
kann, bewirkt der Abfall kein Problem in den Spezifikationen der
Vorrichtung. Der gleiche Betriebstest wurde an einer Laservorrichtung
durchgeführt,
die mit zwei Sätzen
des herkömmlichen 5-Modul-Arrays
mit 250 W, das Bondierdrähte
oder eine Plattenelektrode für
die obere Elektrode verwendete, erregt, was dazu führte, dass
das Laserdiodenmodul in 500 Stunden oder so ausfiel und aufhörte zu oszillieren.
Die Ursache war eine Unterbrechung, die in einem Laserdiodenstab
in dem 5-Modul-Array auftrat.
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Beispiel 5
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23 ist
eine grafische Darstellung einer Laservorrichtung 2301 gemäß dem Beispiel
5 der Erfindung. Die Laservorrichtung 2301 ist identisch
mit der beim Beispiel 4 hergestellten und hat das gereihte Laserdiodenmodul 2201,
den Nd:YAG-Laserstab 2202, den Ausgangsspiegel 2203 und
den rückwärtigen Spiegel 2204.
Ein Laserstrahl 2302, der von der Laservorrichtung 2301 erzeugt
worden war, wurde an eine optische Fiber 2303 gekoppelt,
deren Endteil an eine Objektivlinse 2304 angeschlossen
war. Bei einem Paar Eisenplatten 2305 mit einer Dicke von
1 mm, die aneinander anlagen, fokussierte die Objektivlinse 2304 den
Laserstrahl 2302 auf eine Schweißlinie 2306, die durch
die aneinander anliegenden Flächen
definiert war und wurde entlang der Schweißlinie 2306 entlang
geführt,
wobei der Laserstrahl 2302 eine Schweißung der zwei Eisenplatten 2305 durchführte. Um
mehrere Orte effizient zu schweißen, ist es wichtig, den Laserstrahlausgang
ein- und auszuschalten. Das Laserdiodenmodul gemäß dem Beispiel 5 kann, selbst
wenn es wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, über eine lange Zeitspanne stabil
arbeiten und wenn ein einzelner Laserdiodenstab ein Problem hat,
arbeitet das Laserdiodenmodul ohne Unterbrechung. Daher kann eine
Laserbearbeitungsvorrichtung, die mit dem Modul dieses Beispiels
ausgerüstet
ist, über
eine lange Zeitdauer eine stabile Schweißung durchführen. Da das herkömmliche Hochleistungs-Laserdiodenmodul
nicht über
eine lange Zeitspanne stabil arbeiten könnte, wenn es wiederholt ein-
und ausgeschaltet wird, würde
eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die mit einer Laservorrichtung
ausgerüstet
ist, die das herkömmliche Modul
verwendet, das Licht, welches von der Laservorrichtung erzeugt wird,
unter Verwendung einer physikalischen Blende ein- und ausschalten.
Da die Leistung des Laserstrahls höher wird, würden jedoch Probleme bezüglich der
Wärmebeständigkeit
der Blende, des Einflusses des reflektierten Lichts und der Blendengeschwindigkeit
auftreten und Maßnahmen
gegen diese Probleme würden
beträchtliche Kosten
verursachen. Daher erreichte die herkömmliche Weise zum Ein- und
Ausschalten eines Laserstrahls mit einer Blende ihre Anwendungsgrenzen.