JP2005135933A - Method of manufacturing semiconductor laser - Google Patents
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Description
本発明は、複数の素子を並設してなる、所謂レーザダイオードバーに放熱用のヒートシンクを接合することにより半導体レーザの組み立てを行う半導体レーザの製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor laser in which a semiconductor laser is assembled by bonding a heat sink for heat dissipation to a so-called laser diode bar formed by arranging a plurality of elements.
半導体レーザの発光領域は、現在、青紫色の短波長領域まで拡大されており、光通信、高密度光記録あるいはディスプレイへの応用が期待されている。このように発光領域が拡大する一方で、動作電流の低減化、低ノイズ化、低コスト化、さらに高出力、高速動作、且つ高温動作時の信頼性などの問題があり、既に半導体レーザが使用されている応用機器においても改善していかなければならない課題が多く残されている。特に、発熱に関連する問題については、半導体レーザの多方面に渡る利用を制限している。この発熱に関する問題は、半導体レーザの単位面積あたりの大きな発生熱と関連しており、熱循環によって接合温度の上昇および応力の発生などの現象が引き起こされる。接合部分の動作温度が上昇するに従って、発光出力、発光効率および半導体レーザの寿命などが低下し、さらに、半導体レーザから生じる光の波長を長波長化させるという問題がある。 The light emitting region of the semiconductor laser is currently expanded to a blue-violet short wavelength region, and is expected to be applied to optical communication, high density optical recording, or a display. While the light emitting area is expanded in this way, there are problems such as reduction in operating current, low noise, low cost, high output, high speed operation, and reliability during high temperature operation. There are still many issues that need to be improved in applied equipment. In particular, for problems related to heat generation, the use of semiconductor lasers in many fields is limited. This problem related to heat generation is related to a large amount of heat generated per unit area of the semiconductor laser, and heat circulation causes phenomena such as an increase in junction temperature and generation of stress. As the operating temperature of the junction increases, the light emission output, the light emission efficiency, the lifetime of the semiconductor laser, and the like decrease, and there is a problem that the wavelength of light generated from the semiconductor laser is lengthened.
この半導体レーザから生じた光の波長は、半導体レーザの接合温度の関数であることから、特定の出力が望まれる場合、接合温度を一定に維持することが必要である。例えば、Nd:YAGロッドまたはスラブをポンプするために使用されるAlGaAsレーザダイオードの接合温度における3.5℃から4.0℃の差毎に対して、波長は1nmシフトする。従って、接合温度を適切な温度に制御することが必要である。 Since the wavelength of light generated from this semiconductor laser is a function of the junction temperature of the semiconductor laser, it is necessary to keep the junction temperature constant when a specific output is desired. For example, for every 3.5 ° to 4.0 ° C. difference in the junction temperature of an AlGaAs laser diode used to pump an Nd: YAG rod or slab, the wavelength is shifted by 1 nm. Therefore, it is necessary to control the bonding temperature to an appropriate temperature.
これらの問題を引き起こす半導体レーザの発熱を制御する方法として、例えば、半導体レーザをシリコン(Si)などの基台にサブマウントして、さらにヒートシンクに接合する方法が用いられている。また、半導体レーザのn型およびp型の両電極にヒートシンクをそれぞれ接合して、発生する熱を放出させる方法もある。一般に、半導体レーザの構成要素の一つであるレーザダイオードバーは、その形成プロセスに起因する固有の湾曲形状を有している。この湾曲した半導体レーザと2つのヒートシンクとを密着させて接合する方法として、2つのヒートシンクの間にスペーサを挟持させ、これにより生じた隙間にレーザダイオードバーを配置して、予めヒートシンクにコーティングしてある半田を融解させて接合する方法が提案されている(例えば、特許文献1)。
しかしながら、レーザダイオードバーのn型およびp型の両電極にヒートシンクを同時に半田で接合する場合、従来の方法ではレーザダイオードバーを固定することなくレーザダイオードバーの自立に頼って接合しているため、傾斜したり位置ずれなどが起こるなどの問題があった。また、レーザダイオードバーが湾曲しているため、レーザダイオードバーとヒートシンクとを接合する際には、半田密着性を向上させるために半田量を多くしなければならないという問題があった。このようなことから、放熱の効率低下を引き起こし、ヒートシンクの放熱効果が最大限に発揮できないという問題が生じ、それが半導体レーザの特性劣化を引き起こす原因ともなっていた。 However, when the heat sink is jointed to both the n-type and p-type electrodes of the laser diode bar by soldering simultaneously, the conventional method uses the laser diode bar to be relied on without relying on the laser diode bar to be joined. There were problems such as tilting and misalignment. Further, since the laser diode bar is curved, there is a problem that when the laser diode bar and the heat sink are joined, the amount of solder must be increased in order to improve solder adhesion. As a result, the efficiency of heat dissipation is reduced, and there is a problem that the heat dissipation effect of the heat sink cannot be maximized, which causes deterioration of the characteristics of the semiconductor laser.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、位置ずれを生ずることなくレーザダイオードバーに2つのヒートシンクを接合することができ、且つ、良好な密着性を得ることができると共に半田量の低減化を図ることができ、さらにはヒートシンクの放熱効果を最大限に発揮し、特性劣化を防止することのできる半導体レーザの製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and its purpose is to be able to bond two heat sinks to a laser diode bar without causing positional deviation and to obtain good adhesion. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor laser that can reduce the amount of solder and that can maximize the heat dissipation effect of a heat sink and prevent characteristic deterioration.
本発明による半導体レーザの製造方法は、複数の素子を並設してなるレーザダイオードバーを一対のヒートシンク間に挟持させて半導体レーザの組み立てを行うに際し、レーザダイオードバーを保持する工程と、レーザダイオードバーとヒートシンクとの相対的な位置合わせを行う工程と、レーザダイオードバーとヒートシンクとを同時に加熱し圧着することにより互いに接合させる工程と、レーザダイオードバーを所定の形状に加工する工程とを含むものである。 A method of manufacturing a semiconductor laser according to the present invention includes a step of holding a laser diode bar when assembling a semiconductor laser by sandwiching a laser diode bar formed by arranging a plurality of elements between a pair of heat sinks, and a laser diode. A step of performing relative alignment between the bar and the heat sink, a step of simultaneously bonding the laser diode bar and the heat sink by heating and pressing, and a step of processing the laser diode bar into a predetermined shape. .
本発明による半導体レーザの製造方法では、レーザダイオードバーが固定治具等により保持されたのち、レーザダイオードバーとヒートシンクとの相対的な位置合わせが行われる。そののち、レーザダイオードバーとヒートシンクとが同時に加熱、圧着されて互いに接合され、次いで、レーザダイオードバーが所定の形状に加工される。 In the semiconductor laser manufacturing method according to the present invention, after the laser diode bar is held by a fixing jig or the like, the laser diode bar and the heat sink are relatively aligned. After that, the laser diode bar and the heat sink are simultaneously heated and pressed and joined together, and then the laser diode bar is processed into a predetermined shape.
本発明の半導体レーザの製造方法によれば、レーザダイオードバーを一対のヒートシンク間に挟持させて半導体レーザの組み立てを行うに際し、固定治具などによりレーザダイオードバーを保持したのち、レーザダイオードバーとヒートシンクとの相対的な位置合わせを行い、そののち、レーザダイオードバーとヒートシンクとを同時に加熱し圧着するようにしたので、互いに位置ずれすることなく、レーザダイオードバーの湾曲形状を矯正し、かつ、レーザダイオードバーと一対のヒートシンクとの間の2つの接合面を平行にすることができ、互いの密着性が向上し、接合材(半田量)を少なくすることができる。また、2つのヒートシンクを同じ温度で加熱し接合させることができるので、作業工程が簡略化される。 According to the semiconductor laser manufacturing method of the present invention, when assembling a semiconductor laser by sandwiching the laser diode bar between a pair of heat sinks, the laser diode bar and the heat sink are held by holding the laser diode bar with a fixing jig or the like. After that, the laser diode bar and the heat sink were heated and pressure-bonded at the same time, so that the curved shape of the laser diode bar was corrected and the laser was not misaligned. The two joint surfaces between the diode bar and the pair of heat sinks can be made parallel to improve mutual adhesion and to reduce the joining material (solder amount). Further, since the two heat sinks can be heated and bonded at the same temperature, the work process is simplified.
特に、レーザダイオードバーの幅をヒートシンクの幅よりも長くすると共に、そのレーザダイオードバーのはみ出し部分を利用してレーザダイオードバーを固定し、さらに、後続の半導体レーザの加工工程において、ヒートシンクの幅に合わせてレーザダイオードバーのはみ出し部分を切除することにより、常に接合面積を最大にすることができ、よって従来の半導体レーザよりも熱放出性に優れた半導体レーザを得ることができる。 In particular, the width of the laser diode bar is made longer than the width of the heat sink, the laser diode bar is fixed using the protruding portion of the laser diode bar, and the width of the heat sink is increased in the subsequent semiconductor laser processing step. At the same time, by cutting off the protruding portion of the laser diode bar, the junction area can always be maximized, so that a semiconductor laser having better heat emission than the conventional semiconductor laser can be obtained.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1乃至図3は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体レーザの製造方法を表している。本実施の形態の半導体レーザ10は、レーザダイオードバー11の両面に、第1ヒートシンク12および第2ヒートシンク13が一体化されるもので、レーザダイオードバー11と、第1ヒートシンク12および第2ヒートシンク13とはそれぞれ半田層14を介して接合される。
(First embodiment)
1 to 3 show a semiconductor laser manufacturing method according to the first embodiment of the present invention. In the
レーザダイオードバー11は、GaAs(ガリウム砒素)などからなる基板上にMOCVD法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition ;有機金属気相成長)などの方法により複数の素子を並設したものであり、基板側から順にn型半導体層,活性層(発光層),p型半導体層およびp型コンタクト層を積層したのち、真空蒸着法などでp型コンタクト層上にp型電極、基板の裏面にn型電極を形成したものである。このレーザダイオードバー11は、例えば、厚さ100μmおよび奥行き500μm〜900μm程度の矩形形状を有し、第1ヒートシンク12および第2ヒートシンク13で挟持される部分の長さは10mmである。但し、このレーザダイオードバー11は、組み立て前においては第1ヒートシンク12および第2ヒートシンク13から左右にそれぞれ1mm〜2mmの長さだけはみ出す程度の長さを有している。
The
第1ヒートシンク12には図3に示したようにn側電極端子15が素子の個数と同数の金(Au)ワイヤ16で接続され、同様に第2ヒートシンク13にはp側電極端子17が接続されている。
As shown in FIG. 3, the n-
第1ヒートシンク12および第2ヒートシンク13は、例えば銅(Cu)などの電気的および熱的な伝導性を有する材料から形成される。熱伝導性は、レーザダイオードバー11から発せられる大量の強熱を放出させ、レーザダイオードバー11を適当な温度に維持するために必要な特性であり、また、電気伝導性は、電流をレーザダイオードバー11に効率良く伝導させるために必要な特性である。
The
このような構成を有する半導体レーザ10は、レーザダイオードバー11を固定治具18を用いて保持し固定したのち、レーザダイオードバー11と第1ヒートシンク12および第2ヒートシンク13それぞれとの相対的な位置合わせを行い、その状態で、レーザダイオードバー11と第1ヒートシンク12および第2ヒートシンク13とを同時に加熱しながら圧着し、その後、レーザダイオードバー11を所定の形状に加工することによって組み立てられる。以下、図1ないし図3を参照してより具体的に説明する。
In the
まず、図1に示したように、レーザダイオードバー11を固定治具18により保持し固定する。この固定治具18は、例えば万力のような保持機構を有するものであればよいが、本来、第1ヒートシンク12および第2ヒートシンク13を通じて伝導されるべき熱がこの治具自身を介して伝導されるのを防止し、後続の加熱工程における加熱効率を上げるために、ヒートシンクよりも熱伝導率の小さな材質(例えば,タングステンカーバイド:WC)により形成されていることが望ましい。なお、より加熱効率を上げるためには、固定治具18に発熱機構を付加するようにしてもよい。一方、第1ヒートシンク12および第2ヒートシンク13は、吸着ピン(図示せず)などで保持する。続いて、このように固定治具18により保持されたレーザダイオードバー11を位置合わせの基準として、レーザダイオードバー11の上下において第1ヒートシンク12および第2ヒートシンク13の位置合わせを行う。
First, as shown in FIG. 1, the
位置合わせがなされた後、図2に示したように、半田層14が融解する温度例えば230℃以上250℃以下程度で加熱すると共に、レーザダイオードバー11に対して第1ヒートシンク12および第2ヒートシンク13を加圧板(図示せず)等により同時に圧着し接合させる。このとき上述のように固定治具18の熱伝導率が小さいので、加えた熱は固定治具18から放出されることなく、効果的に半田層14に加えられる。
After the alignment, as shown in FIG. 2, the
第1ヒートシンク12および第2ヒートシンク13の接合が完了すると、固定治具18が保持していたレーザダイオードバー11のはみ出し部分をヒートシンク幅に合わせて切除する。このときレーザダイオードバー11の厚みが薄い場合はけがきを入れずにそのまま切除することができるが、厚い場合にはけがきを入れて切除すればよい。
When the joining of the
最後に、図3に示したように、このように組み立てたヒートシンク付きレーザダイオード19を、実装基板上に配置し、さらに第1ヒートシンク12とn側電極端子15とを、レーザダイオードバー11に含まれる素子の個数と同数の金(Au)ワイヤ16でワイヤボンディングにより接続し、これと同様に、p側電極端子17と第2ヒートシンク13とを接続させる。
Finally, as shown in FIG. 3, the
このように本実施の形態では、レーザダイオードバー11を固定治具18により固定したのち、この固定されたレーザダイオードバー11と第1ヒートシンク12および第2ヒートシンク13とを同時に加熱すると共に圧着して接合させるようにしたので、位置ずれすることがなく、また、レーザダイオードバー11が湾曲していてもその形状が直線状に矯正され、レーザダイオードバー11と第1ヒートシンク12および第2ヒートシンク13との2つの接合面が平行になる。これにより、半田層14によるレーザダイオードバー11と第1ヒートシンク12および第2ヒートシンク13との密着性が向上し、且つ、半田の量を少なくすることができる。
As described above, in the present embodiment, after fixing the
更に、第1ヒートシンク12および第2ヒートシンク13を同時に接合させるようにしたので、融解温度が同じ半田層14によって接合させることができ、よって作業工程の簡略化も図ることができる。加えて、レーザダイオードバー11の加工工程において、ヒートシンクの幅に合わせてレーザダイオードバー11のはみ出し部分を切除するようにしたので、常に接合面積を最大に形成することができ、密着性が向上する。また、厚みが100μm程度の薄いレーザダイオードバーであれば、けがきを入れずに切除することも可能である。以上により、熱放出性に優れた半導体レーザを得ることができる。
Furthermore, since the
(第2の実施の形態)
図4は本発明の第2の実施の形態に係る半導体レーザの製造方法を表す断面図である。なお、基本的な構成については、第1の実施の形態と同様であるので同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。上記実施の形態では、レーザダイオードバー11に対して第1ヒートシンク12および第2ヒートシンク13を接合させる際に、固定治具18により固定されたレーザダイオードバー11を位置合わせの基準としたが、本実施の形態では、基板20上の所定の位置に第1ヒートシンク12を予め設置しておき、この第1ヒートシンク12を位置合わせの基準とするものである。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention. Since the basic configuration is the same as that of the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. In the above embodiment, when the
すなわち、まず、固定治具18に保持されたレーザダイオードバー11を、固定治具18と共にX−Y軸方向に移動させることにより、第1ヒートシンク12の接合面に対して位置合わせする。次いで、吸着ピンなどで保持された第2ヒートシンク13を第1ヒートシンク12と重なるように位置合わせする。位置合わせの後は、第1の実施の形態と同様に、同時に加熱し圧着することによりレーザダイオードバー11に対して第1ヒートシンク12および第2ヒートシンク13を接合させる。
That is, first, the
但し、本実施の形態では、予め第1ヒートシンク12の裏面12Aが基板20に接合されているため、加熱温度はここに使われている半田層等の融解温度よりも低くする必要がある。接合工程以降の工程は第1の実施の形態と同様である。
However, in this embodiment, since the
このように本実施の形態では、基板20上に予め第1ヒートシンク12を固定しておき、これを位置合わせの基準とすることによりレーザダイオードバー11と第1ヒートシンク12および第2ヒートシンク13とを接合させるようにしたので、この接合の際、第2ヒートシンク13側から加重をかけると基板20側からの反作用により加重と同一の大きさの抗力がレーザダイオードバー11に加わる。従って、レーザダイオードバー11の湾曲状態が矯正され、第1の実施の形態と同様に接合面同士を互いに平行にすることができる。その他の作用効果は第1の実施の形態と同様であるので、その説明は省略する。
As described above, in the present embodiment, the
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、ヒートシンク材は必ずしも銅(Cu)である必要はなく、熱伝導率の高い鉄(Fe)などを用いてもよい。 While the present invention has been described with reference to the embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, the heat sink material does not necessarily need to be copper (Cu), and iron (Fe) having high thermal conductivity may be used.
10…半導体レーザ、11…レーザダイオードバー、12…第1ヒートシンク、12A…裏面、13…第2ヒートシンク、14…半田層、15…n側電極端子、16…金(Au)ワイヤ、17…p側電極端子、18…固定治具、19…ヒートシンク付レーザダイオード、20…基板
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記レーザダイオードバーを保持する工程と、
前記レーザダイオードバーと前記ヒートシンクとの相対的な位置合わせを行う工程と、 前記レーザダイオードバーと前記ヒートシンクとを同時に加熱し圧着することにより互いに接合させる工程と、
前記レーザダイオードバーを所定の形状に加工する工程と
を含むことを特徴とする半導体レーザの製造方法。 A semiconductor laser manufacturing method for assembling a semiconductor laser by sandwiching a laser diode bar formed by arranging a plurality of elements between a pair of heat sinks,
Holding the laser diode bar;
Performing a relative alignment between the laser diode bar and the heat sink, and heating and press-bonding the laser diode bar and the heat sink simultaneously to bond each other;
And a step of processing the laser diode bar into a predetermined shape.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザの製造方法。 2. The method of manufacturing a semiconductor laser according to claim 1, wherein the width of the laser diode bar is made longer than the width of the heat sink, and the laser diode bar is fixed using a protruding portion of the laser diode bar. .
ことを特徴とする請求項2記載の半導体レーザの製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor laser according to claim 2, wherein the laser diode bar is fixed by holding the protruding portion with a fixing jig.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザの製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor laser according to claim 1, wherein the fixing jig is made of a material having a thermal conductivity smaller than that of the heat sink.
ことを特徴とする請求項3記載の半導体レーザの製造方法。 4. The semiconductor laser according to claim 3, wherein when the relative alignment between the laser diode bar and the heat sink is performed, the laser diode bar fixed by the fixing jig is used as a reference for alignment. 5. Production method.
ことを特徴とする請求項3記載の半導体レーザの製造方法。 4. The method of manufacturing a semiconductor laser according to claim 3, wherein, when the relative alignment between the laser diode bar and the heat sink is performed, one of the heat sinks is used as a reference for alignment. 5.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザの製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor laser according to claim 1, wherein when the laser diode bar and the heat sink are joined, the curved shape of the laser diode bar is straightened.
ことを特徴とする請求項2記載の半導体レーザの製造方法。 3. The semiconductor laser according to claim 2, wherein when the laser diode bar is processed into a predetermined shape, a protruding portion of the laser diode bar sandwiched between the heat sinks is cut out in accordance with a heat sink width. Production method.
ことを特徴とする請求項2記載の半導体レーザの製造方法。
3. When the laser diode bar is processed into a predetermined shape, the protruding portion of the laser diode bar sandwiched between the heat sinks is cut out by scribing according to the heat sink width. Semiconductor laser manufacturing method.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007096326A (en) * | 2005-09-29 | 2007-04-12 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Laser diode device, laser system having at least one laser diode device, and optically pumped laser |
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2003
- 2003-10-28 JP JP2003366819A patent/JP2005135933A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2007096326A (en) * | 2005-09-29 | 2007-04-12 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Laser diode device, laser system having at least one laser diode device, and optically pumped laser |
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