JP2004134642A

JP2004134642A - レーザモジュール

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Publication number: JP2004134642A
Application number: JP2002298933A
Authority: JP
Inventors: Hideo Yamanaka; 山中　英生; Kazuhiko Nagano; 永野　和彦
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2004-04-30

Abstract

【課題】金属部品と他の部品とが有機接着剤により接着されたレーザモジュールにおいて、高温環境下での光量低下を抑制し、高い信頼性を得る。
【解決手段】ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７と、マルチモード光ファイバ３０と、半導体レーザから出射される複数のレーザビームを平行光化するコリメータレンズ１１〜１７と、平行光化されたレーザビームをマルチモード光ファイバ３０に合波する集光レンズ２０とからなるレーザモジュールにおいて、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７が配列固定された、表面にＮｉ／Ａｕメッキ層が施されたＣｕＴｅヒートブロック１０に、コリメータレンズ１１〜１７を保持するガラスからなるコリメータレンズホルダ４４を、シランカップリング剤を含有する有機接着剤により固定する。ＣｕＴｅヒートブロック１０のＡｕメッキ層中のＰｂ含有率（ａｔｍ％）を２８０ｐｐｍ以下とする。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属部材とその他の部材がシランカップリング剤を含有する有機系接着剤により接着されたレーザモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
紫外域のレーザビームを発生させる装置として、密閉容器内に複数の半導体レーザ素子と、１本のマルチモード光ファイバと、複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザビームをマルチモード光ファイバに結合する集光光学系とを備えてなる高出力化が可能な合波レーザ光源、および複数の前記合波レーザ光源からなる露光光源が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記のようなレーザモジュールにおいて、光学部品と金属部品とを接着する場合、その接着強度を向上させるために、例えば、シランカップリング剤を数〜数十％含有する有機系接着剤が用いられる場合がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
シランカップリング剤は、シランカップリング剤に含まれるアルコシキ基が加水分解されてできたシラノ−ル基（Ｓｉ−ＯＨ）と金属部品表面のＭ−ＯＨ（Ｍは金属原子を示す）との間の脱水縮合反応により形成されたメタロキサン結合（Ｓｉ−ＯＭ）により化学的に強固に結合されていると考えられている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２０２４４２号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２００１−１７７１６６号公報
【０００７】
【非特許文献１】
Ｂ．Ａｒｋｌｅｓ　“Ｃｈｅｍｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”１９７７年１２月　第７６５巻
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、金属部品と光学部品との接着にシランカップリング剤を用いたレーザモジュールを高温環境試験すると、その接着部において、接着強度が低下するという問題がある。これは、高温環境下では、金属部品中の酸化性不純物が前記メタロキサン結合部へ拡散して結合の一部を破壊することにより、接合状態が変化するためと推定されている。
【０００９】
レーザモジュールに最も多く使用されている金属部品の材料としては、ＣｕあるいはＴｅを添加したＣｕＴｅ（Ｔｅを最大０．７％含有する）等の銅を主成分とする部品にＡｕメッキ（厚さ１μｍ程度）、Ｎｉメッキ（厚さ５μｍ）あるいはＡｕとＮｉの２層メッキしたものが用いられている。メッキ層には微量の不純物としてＴａ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ａｓ等の存在が確認されている。特に、接着強度低下に影響する不純物はＩＶ族、Ｖ族であり、部材に含まれる不純物量の増加に伴って接着強度の変化は大きくなり、光学特性の変化に影響することが確認されている。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みて、金属部品の接着にシランカップリング剤を含有する有機接着剤が用いられたレーザモジュールにおいて、高温下においても光量低下量の小さい信頼性の高いレーザモジュールを提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザモジュールは、シランカップリング剤を含有する有機接着剤により接着される複数の被着体の少なくとも１つとして表面に一層以上のメッキ層が形成された金属部品を備えたレーザモジュールにおいて、メッキ層の有機接着剤に接する層中のＰｂ原子の含有率（ａｔｍ％）が、２８０ｐｐｍ以下であることを特徴とするものである。
【００１２】
金属部品は、銅を主成分とするものであり、有機接着剤に接する層は、ＡｕあるいはＮｉであることが望ましい。
【００１３】
なお、前記「銅を主成分とするもの」とは、銅１００％からなるもの、あるいは、Ｃｕに加工性向上等のある目的のために意図的に他の原子が１％以下程度添加されたものを示す。
【００１４】
【発明の効果】
本発明のレーザモジュールによれば、シランカップリング剤を含有する有機接着剤により接着される複数の被着体の少なくとも１つとして表面に一層以上のメッキ層が形成された金属部品を備えたレーザモジュールにおいて、メッキ層の有機接着剤に接する層中のＰｂ原子の含有率（ａｔｍ％）が、２８０ｐｐｍ以下であることにより、Ｐｂ原子によるメタロキサン結合（Ｓｉ−ＯＭ）の切断を抑制することができるので、接着強度の低下を防止することができる。すなわち、部材間の接着強度低下によって生じる光量変化を小さくすることができ、高い信頼性を得ることができる。
【００１５】
また、上記効果により高温環境下でのエージング試験において、歩留りを向上させることができるので、製造コストの削減をも実現することができる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
【００１７】
本発明の実施例によるレーザモジュールについて説明する。そのレーザモジュールの概略平面図および概略側面図を図１に示す。
【００１８】
本実施例によるレーザモジュールは、図１に示すように、ＣｕＴｅ（０．３〜０．７ａｔｍ％含有）からなるヒートブロック１０上に配列固定された一例として７個のチップ状態の横マルチモードＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６およびＬＤ７と、各ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６およびＬＤ７に対してそれぞれ設けられたコリメータレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６および１７と、１つの集光レンズ２０と、１本のマルチモード光ファイバ３０とから構成されている。
【００１９】
ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、発振波長が例えば全て共通の４０５ｎｍであり、最大出力も全て共通の１００ｍＷである。これらのＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６およびＬＤ７から発散光状態で出射したレーザビームＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６およびＢ７は、それぞれコリメータレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６および１７によって平行光化される。
【００２０】
平行光とされたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバ３０のコアの入射端面上で収束する。本例ではコリメータレンズ１１〜１７および集光レンズ２０によって集光光学系が構成され、それとマルチモード光ファイバ３０とによって合波光学系が構成されている。すなわち、集光レンズ２０によって上述のように集光されたレーザビームＢ１〜Ｂ７がこのマルチモード光ファイバ３０のコアに入射してそこを伝搬し、１本のレーザビームＢに合波されてマルチモード光ファイバ３０から出射する。なおマルチモード光ファイバ３０としては、ステップインデックス型のもの、グレーデッドインデックス型のもの、およびそれらの複合型のものが全て適用可能である。
【００２１】
レーザモジュールを構成する光学要素は、上方が開口した箱状のパッケージ４０内に収容され、このパッケージ４０の上記開口がパッケージ蓋４１によって閉じられることにより、該パッケージ４０およびパッケージ蓋４１が形成する閉空間内に密閉保持される。
【００２２】
パッケージ４０の底面にはベース板４２が固定され、このベース板４２の上面に前記ヒートブロック１０が取り付けられ、そしてこのヒートブロック１０にコリメータレンズ１１〜１７を保持するガラス（ＢＫ７）からなるコリメータレンズホルダ４４が固定されている。さらにベース板４２の上面には、集光レンズ２０を保持する集光レンズホルダ４５と、マルチモード光ファイバ３０の入射端部を保持するファイバホルダ４６が固定されている。またＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に駆動電流を供給する配線類４７は、パッケージ４０の横壁面に形成された開口を通してパッケージ外に引き出されている。
【００２３】
なお、図においては、図の煩雑化を避けるために、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７のうち１つのＧａＮ系半導体レーザＬＤ７にのみ番号を付し、同様にコリメータレンズ１１〜１７のうち１つのコリメータレンズ１７にのみ番号を付してある。
【００２４】
なお、ＣｕＴｅヒートシンク１０には、表面全体にＮｉメッキ層（厚さ５μｍ程度）およびＡｕメッキ層（厚さ１μｍ程度）がこの順に施されており、Ａｕメッキ層には不純物としてＰｂが含まれていることが確認されている。
【００２５】
ＣｕＴｅヒートシンク１０とコリメータレンズホルダ４４との接着（図中符号９の部分）には厚さ６００ｎｍ以下のカップリング剤を含有する有機接着剤を用いた。
【００２６】
この有機接着剤には、特開２００１−１７７１６６号公報に記載の、エポキシ基を有する脂環式エポキシ化合物、オキセタニル基を有する化号物、触媒量のオニウム塩光反応開始剤および１〜２重量部のシランカップリング剤を含有する接着剤を用いた。
【００２７】
また、シランカップリング剤としては、上記公報記載のように、１分子中にエポキシ基およびトリメトキシシリル基を有するエポキシシラン類が好ましい。このようなシランカップリング剤は、信越化学工業（株）からＫＢＭ３０３、ＫＢＭ４０３、ＫＢＥ４０２等の商品名で入手できる。シランカップリング剤の好ましい使用範囲は、脂環式エポキシ化合物およびオキセタン化合物の合計１００重量部に対して、０．５ないし５重量部とすれば良く、１ないし３重量部が好ましい。
【００２８】
上記レーザモジュールにおいて、高温環境試験を行い、光量低下量について評価した。この試験における光量低下量とＣｕＴｅヒートシンク１０のＡｕメッキ層に含まれるＰｂ濃度（ａｔｍ％）との関係を図２に示す。なお、ここでいう結合効率とは、半導体レーザ素子の出力に対するファイバ出力の比率を示す。また、光量低下量（％）は結合効率の変化量から求めたものであり、次式で示される。光量低下量（％）＝｛１−（保存後の結合効率／保存前の結合効率）｝×１００
この試験は、Ａｕメッキ層中のＰｂ濃度が異なる５つのＣｕＴｅヒートシンク（Ｐｂ濃度が、５０ｐｐｍ、１６０ｐｐｍ、２７０ｐｐｍ、３００ｐｐｍあるいは４００ｐｐｍの場合）を用意し、そのヒートシンクを上記レーザモジュール中に用いた５つのレーザモジュールについて、９０℃環境下で、２００時間保存し、その前後で結合効率を測定することにより実施した。図２に示す光量低下量（％）は、各７素子あるＬＤ１〜ＬＤ７のうち、最も光量低下量が大きいものについてプロットしたものである。
【００２９】
レーザモジュールの安定性および信頼性を確保する上では、光量低下量は、２％以下に留めることが望ましく、そのためには、図２に示すように、Ｐｂ濃度を約２８０ｐｐｍ以下とすることが好ましいことが分かる。
【００３０】
光量変化は、ファイバに入力するビームがファイバ中心から周辺方向に移動することを意味しており、ヒートシンク１０とコリメータレンズホルダ４４に用いられている接着の結合状態が変化することによるものであると考えられる。具体的には接着剤の結合力が弱まりヒートシンク１０とコリメータレンズホルダ４４の自重によりホルダが傾ぐことにより、ファイバ入力部中央にあった集光ビームが熱処理中に５μｍ以上重力方向（ベース板４２方向）に動くことによる。
【００３１】
なお、本実施例においては、ヒートシンク１０とコリメータレンズホルダ４４との接着部分９について述べたが、レーザモジュール中の、例えば、ベース板４２にメッキが施された銅部材を用いた場合、ベース板４２とガラス（ＢＫ７）からなる集光レンズホルダ４５との接着部分についても、ベース板４２から接着部分へのＰｂの拡散によりホルダの接着状態に変化が生じ、光量の低下が生ずることが考えられる。従って、ベース板４２のＰｂ濃度も同様に２８０ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
【００３２】
コリメータレンズホルダ４４および集光レンズホルダ４５において、部材およびその接着には高い精度が要求される。このため、接着部の小さな接着強度変化は光量に大きく影響する。このような光学部材と金属部品との高精度な接着箇所に限らず、レーザモジュールにおける、メッキ層を有する銅部材と他の部材との接着にシランカップリング剤を含有する有機接着剤を用いた場合においても、有機接着剤と接するメッキ層のＰｂ濃度を２８０ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
【００３３】
また、本実施例においては、加工性向上のためにＴｅが０．３〜０．７ａｔｍ％程度添加されたＣｕＴｅからなるヒートシンクを用いた場合について記載したが、Ｔｅを含まないＣｕ１００％からなるヒートシンク、Ｗ（タングステン）が１％程度添加されたヒートシンク、ＴｅおよびＷ以外の原子が１％以下程度添加されたヒートシンクに関しても、Ａｕメッキ層中のＰｂ濃度を２８０ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
【００３４】
また、メッキ層として、ＮｉおよびＡｕをこの順に施したものについて述べたが、メッキ層としてＮｉだけ（厚さ５μｍ程度）、あるいはＡｕだけ（１μｍ程度）のものについても、同様に、メッキ層に含まれるＰｂ濃度（ａｔｍ％）を２８０ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
【００３５】
また、本実施例においては、ＩＶ族のＰｂ原子について光量低下量の濃度依存性を調べたが、酸化力がＰｂとほぼ同等であるＶ族のＡｓについても同様に、２８０ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるレーザモジュールを示す概略平面図
【図２】Ａｕメッキ層中のＰｂ濃度とレーザモジュールの光量低下量との関係を示すグラフ
【符号の説明】
ＬＤ１〜ＬＤ７　　ＧａＮ系半導体レーザ素子
Ｂ１〜Ｂ７　　レーザビーム
１０　　ＣｕＴｅヒートブロック
１１〜１７　　コリメータレンズ
２０　　集光レンズ
３０　　マルチモード光ファイバ
４０　　パッケージ
４１　　パッケージ蓋
４２　　ベース板
４４　　コリメータレンズホルダ
４５　　集光レンズホルダ
４６　　ファイバホルダ
４７　　配線類

Claims

シランカップリング剤を含有する有機接着剤により接着される複数の被着体の少なくとも１つとして表面に一層以上のメッキ層が形成された金属部品を備えたレーザモジュールにおいて、
前記メッキ層の前記有機接着剤に接する層中のＰｂ原子の含有率（ａｔｍ％）が、２８０ｐｐｍ以下であることを特徴とするレーザモジュール。
前記金属部品が銅を主成分とするものであり、
前記有機接着剤に接する層が、ＡｕあるいはＮｉであることを特徴とする請求項１記載のレーザモジュール。