JP2006226876A - 半導体レーザデバイスのバーンイン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トレイが筐体から着脱可能で、且つバーンイン中の製品付近の温度を正確に設定し温度特性を安定化することのできる半導体レーザデバイスのバーンイン装置を提供する。
【解決手段】複数の半導体レーザデバイスの温度試験を行うバーンイン装置において、試験すべき複数の半導体レーザデバイスが取り付けられている製品トレイ２と、半導体レーザデバイス１を所定の温度に設定するために製品トレイ２の下面に熱伝導弾性シート３を介して設置される温度制御手段４と、製品トレイ２の温度を測定するためのサーミスタ６と、を備え、製品トレイ２と温度制御手段４が着脱可能であり、サーミスタ６にて測定される温度に基づいてそれぞれの半導体レーザデバイス１の温度制御に対応する温度制御手段４を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体レーザデバイスを所定の温度で試験する半導体レーザデバイスのバーンイン装置に係わり、さらに詳しくは、レーザデバイスが自己発熱してもレーザデバイスの温度を正確に制御し、所定の温度にて実施できる半導体レーザデバイスのバーンイン装置に関するものである。

従来の半導体レーザデバイスのバーンイン装置では、図９に示すように、製品トレイをバーンイン装置に固定されているベースプレートから着脱する事が出来るものが有る。このような構造にすることにより、半導体レーザデバイスの製品の装着を任意の場所で行うことが可能になり、作業性が良くなる。
特開２０００−１６２２６９号公報

しかしながら、従来の構成では、温度の測定はペルチェモジュール付近で行う為、製品付近での温度が設定温度と異なり、製品の温度が想定以上に高くなるという課題を有していた。

また、製品トレイを着脱可能であるが、ペルチェモジュールとトレイの間を完全に密着させる事が出来ない為、温度の不安定さや制御の遅れを発生するという課題も有していた。

また、文献に示す方法では、一つの製品をテストする方法であり、作業性を向上させる為に複数の製品を同時に着脱する事はできない。

本発明は、従来の課題を解決するもので、バーンイン装置とトレイが着脱可能で、且つバーンイン中の製品付近の温度を正確に設定し温度特性を安定化させた半導体レーザデバイスのバーンイン装置を提供することを目的とする。

従来の課題を解決するために、本発明の半導体レーザデバイスのバーンイン装置は、複数の半導体レーザデバイスの温度試験を行うバーンイン装置において、試験すべき複数の半導体レーザデバイスが取り付けられている製品トレイと、前記半導体レーザデバイスを所定の温度に設定するために前記製品トレイの下面に熱伝導弾性シートを介して設置される温度制御手段と、前記温度制御手段と対応して前記製品トレイの温度を測定するための温度センサと、を備え前記製品トレイが前記温度制御手段から着脱可能であり、前記温度センサにて測定される温度に基づいて前記それぞれの半導体レーザデバイスの温度制御に対応する温度制御手段を制御することを特徴としたものである。

本発明の半導体レーザデバイスのバーンイン装置によれば、製品トレイが筐体から着脱可能で、且つバーンイン中の製品付近の温度を正確に設定し温度特性を安定化させた半導体レーザデバイスのバーンイン装置を提供する事ができる。

以下に、本発明の半導体レーザデバイスのバーンイン装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

図１は、半導体レーザデバイスである製品１のバーンイン装置への製品取付け部を説明するための図、図２は、図１において半導体レーザデバイスを複数個取り付ける製品トレイ２の詳細とペルチェモジュール４を模式的に説明するための図、図３は、本発明の半導体レーザデバイスのバーンイン装置の外観図、図４は、本発明の実施例における、製品トレイ２とペルチェモジュール４の接合状態を説明するための図、図５は、本発明の実施例における、測定・設定データとの関係を説明するための図、図６は、本発明の実施例における、製品トレイ２をペルチェモジュール４に取り付け測定・設定データを説明するための全体のブロックの上面図と側面図として模式的に示す図、図７は、本発明の実施例における、製品トレイ２をペルチェモジュール４から取り外した状態を示す図、図８は、本発明の実施例における、製品トレイ２を取り付けた状態を示す図である。図９は従来の半導体レーザデバイスのバーンイン装置の製品取付け部を説明するための図、図１０は従来の半導体レーザデバイスのバーンイン装置の、トレイとペルチェ素子の関係を表す図である。

図１において、ベースプレート５には、ペルチェモジュール４の温度調整するための水冷ブロック８を介してペルチェモジュール４が取り付けられている。製品トレイ２の下面には熱伝導弾性シート３が貼り付けられていて、上面には製品１を複数取り付ける機構（図示せず）を有している。製品１から発生する熱を十分に製品トレイ２に逃がす為、製品１を製品トレイ２に取り付ける際には製品１を取付け用の爪等（図示せず）で押さえ付けて、製品トレイ２に密着させる必要が有る。バーンイン装置を稼動させる際には、熱伝導弾性シート３とペルチェモジュール４を密着させ、製品トレイ２とベースプレート５をネジ等で圧接して固定する。ネジ等で圧接することにより熱伝導シート３は圧縮され確実に熱を伝えるようになる。

製品トレイ２は、発熱する製品１の熱を最初に受ける部分であり、熱伝導率の高い銅等の材質を用いることが望ましい。また、複数のペルチェモジュール４による温度制御のバランスを良くし、製品トレイ２の熱容量を小さくし制御の反応速度を上げる為に、製品トレイ２には溝を切ることが望ましい。ここで使用されている熱伝導弾性シート３は、シリコン系で熱伝導率１０Ｗ／ｍＫ以上、硬度はショアＡで４０未満が望ましい。この熱伝導弾性シート３は、製品トレイ２とペルチェモジュール４の間に存在すればよいので、ペルチェモジュール４側に取付けられていても構わない。

ペルチェモジュール４は冷却効果のある電子部品の一種であり、直流電流を流すことによって、片面が冷却され反対面が加熱される。また、電流の向きを変えることによって加熱・冷却の面を切り替えることも可能である。ペルチェモジュール４は一般的に広い面積のものが無く複数個を並列に並べて使用することとなる。しかし、全てのモジュールが同一の厚みでは無い為、図１０に示すように製品トレイ２を直接ペルチェモジュール４に接触させると隙間を発生し熱伝導の障害となる。この製品トレイ２とペルチェモジュール４の間に熱伝導弾性シート３を挟み込むことにより製品トレイ２とペルチェモジュール４との密着性が高められ、図４に示すように熱伝導が確保される。そして、製品トレイ２は温度特性を保持した状態で着脱可能となる。

このように、製品トレイ２がペルチェモジュール４から着脱可能となっている理由は、製品１をトレイ２へ取付ける作業を、筐体９の外で行えるようにする為である。製品１は一般的に数メートルの光ファイバ１７が付属しており、この作業を筐体９の中で直接行うと製品１の取付け、取外しの際に障害を与える可能性が高い。

バーンインは完成品のテストであり、この工程で不良が発生すると生産に対して大きな影響を与える。この為、図７に示すように製品トレイ２をペルチェモジュール４から分離し、図３に示すように筐体９の外へ取り出す事によって、作業に支障の無い安全な場所で製品１を製品トレイ２へ取付け・取外しを行えるようにしている。この後、図８に示すように、製品トレイ２を筐体９側に設置されたペルチェモジュール４に取り付ける、
図２において、ペルチェモジュール４は水冷ブロック８に取付けられている。

ペルチェモジュール４は、冷却側で吸収する総熱量が総供給電力に相当する熱量と合算され放熱側に放出される。ペルチェモジュール４は冷却側と放熱側の温度差を作る作用を持つ為、放熱側の冷却が不十分であると冷却側の温度も上昇する。この為、放熱側に取り付けられる冷却機構である水冷ブロック８は重要であり、発生する熱を筐体外へ逃がす為の機能を持ち、ベースプレート５に固定されている。

水冷ブロック８は、ブロック内に冷却液の流れる流路が作れており、その両端に筐体９の外部に設置されたチラーで一定温度に保たれた冷却液が、流入する流入口および排出するための排出口を備えている。このような構造により水冷ブロック８は発熱体の熱を吸収し、冷却液に移動させる機能を有する。また、冷却効率を上げる為に、水冷ブロック８は熱伝導率の高い銅等の素材で作られていることが好ましい。

また、別の方法としてペルチェモジュール４より発生する熱量が少ない場合は、水冷ブロック８の代わりに、例えば放熱フィンと送風機による空冷などで筐体外への放熱を行っても良い。放熱フィンは放熱のために使われる金属製の板であり、発熱体から発生する熱を周囲の冷たい流動体（気体または液体）に移す機能をもっており、材料としては、一般的にアルミニウムと銅が広く使われている。放熱フィンは製品トレイ２に取り付けられ、ベースプレート５の下面に開けた穴より露出するする構造が望ましい。また、送風機により放熱フィンに風を吹きつけることにより、効率的に熱を空気へ移動させる事ができる。

製品トレイ２の製品１の取り付けられる面の温度を一定に保つため、ペルチェモジュール４に流す電流の向きや大きさを制御するペルチェモジュール制御回路１４の参照する温度センサとして、サーミスタ６がバーンイン装置には取り付けられている。

サーミスタ６は、ペルチェモジュール４の温度を制御するためペルチェモジュール４の近辺に設置しても構わないが、製品トレイ２内部の温度勾配により製品１の下面温度が設定温度と差を発生する場合が有る。この場合は、図５に示すようにペルチェモジュール４の位置に対応する製品トレイ２の内部にサーミスタ６を埋め込む事により、より製品に近い部分の温度を制御可能になる。

また、ペルチェモジュール制御回路１４が温度を読み取ることが可能であれば、サーミスタ６は例えば熱電対のような別の種類の温度センサでも構わない。

以上の様な構成にする事により、製品１の温度が変化した場合には、同時にサーミスタ６により測定される温度が変化し、設定した温度になるようペルチェモジュール制御回路１４がペルチェモジュール４に流れる電流を制御する。製品トレイ２とペルチェモジュール４の間には熱伝導弾性シート３を介している為、空気層が無く熱抵抗が低くなっており熱的に高能率にて結合しているので、反応良くペルチェモジュール４による温度制御が働き、サーミスタ６の温度、つまり製品トレイ２の温度は一定に保たれる。上記ペルチェモジュール４とサーミスタ６は、製品トレイ２の大きさと、製品１の数量・発熱量により数は変えることが望ましい。

以上のように、製品トレイ２とペルチェモジュール４の熱結合が効果的に結合しているので、製品トレイ２はサーミスタ６により設定されるべき温度に保持され、製品１の温度が一定に保持される為、温度試験であるバーンインテストを行うことができる。

バーンイン装置の稼動時に、製品１は動作状態に置かれるだけでなく、図５に示すように各種データを測定する。

図５において、レーザ出力測定信号は製品１に接続された光ファイバ１７から出力されるレーザ光の強度を測定した信号、トレイ温度測定信号は製品トレイに埋め込まれたサーミスタ６により測定される製品トレイの温度の信号、電圧測定信号は製品１の電源供給端子の両端に発生する電圧の信号、製品温度測定信号は製品１に直接取り付けられた温度センサ７により測定される製品の温度の信号である。

製品１は製品トレイ２に固定されるが製品１の近辺、例えば製品１を押さえる機構等に温度センサ７を取付けることにより、稼動中の製品自体の温度を測定できるようになる。この温度は、製品１の異常発熱等を発見する上で重要である。

また、光ファイバ１７から出力されるレーザ光は、パワーメータ１５によりレーザ出力の測定を行っても良いし、ビームダンプ等でレーザ光を熱に変換し放熱しても良い。

本実施例においては、製品１の数は５個、ペルチェモジュール４とサーミスタ６の数は３個として説明する。また、温度センサ７は製品１と同数の５個とする。また、熱伝導度弾性シート３は、製品トレイ２の下面に取付けているものとする。

以上のように構成された半導体レーザデバイスのバーンイン装置について、以下その動作、作用を説明する。また、この場合の測定データや設定値を示すブロック図を図６に示す。

バーンイン装置を稼動させる前準備として、図３に示すように製品トレイ２を筐体９の外に取り出し、任意の場所で製品トレイ２に製品１を取り付ける。製品トレイ２には製品１への図示されていない電源供給端子や、製品１に付属する光ファイバ１７の固定部品が備えられており、製品１の取付け時に使用する。

その後、製品トレイ２を筐体内のベースプレート５に取付ける。この際、製品トレイ２は熱伝導弾性シート３と密着し、製品１から製品トレイ２、熱伝導弾性シート３、ペルチェモジュール４まで熱伝導性が十分に確保される。

バーンイン装置を動作させる場合、製品付近の温度を一定に保つ為にペルチェモジュール制御回路１４によりペルチェモジュール４を稼動させ、製品１に電流を流し稼動状態にする。ペルチェモジュール４の制御は、製品付近に設置したサーミスタ６により測定された温度を利用する。温度制御方式は特に指定しないが、ＰＩＤ制御が好ましい。製品１は稼動状態において、大量の熱を発生し出力を不安定にする為、温度を一定に保ち制御することは重要である。

ＰＩＤ制御は、目標値と現在値の差である誤差信号に対して、比例した出力を出す比例動作と、誤差信号の積分に比例した出力を出す積分動作と、誤差信号の微分に比例した出力を出す微分動作の和により制御量を求め制御するフィードバック制御の一種であり、自動制御方式の中で一般的に良く使われている。

サーミスタ６は製品トレイ２の製品１の直下に設置されており、製品１の温度が変化すると素早く反応し、ペルチェ素子制御回路１４はペルチェモジュール４を冷却・加熱し製品１の下面温度を常に所定の温度に保つ。また、製品トレイ２の形状とペルチェモジュール４の配置により、一つの製品１の温度に異常が発生した場合でも、近傍のペルチェモジュール４の温度を制御する事により対応が可能である。

上記の様に稼動させたバーンイン装置の制御動作について、例を用いて説明する。

光ファイバ１７からの出力が５Ｗの製品１をバーンイン装置に投入した場合、レーザ電源回路１３から製品に供給される電流は、約８Ａとなる。

また、サーミスタ６の抵抗値を測定し、その値を温度に換算し、これを元に製品トレイ２の温度が４５℃になるように、ペルチェモジュール制御回路１４によりペルチェモジュール４に流れる電流を制御する。

この条件の場合、製品１自身から発生する熱の為、温度センサ７の信号を読み取った温度測定回路１１の出力は５０℃前後となる。また、製品１の電源供給端子の両端に発生する電圧を電圧測定回路１２で測定すると１．９Ｖ程度となる。

この状態で、５０時間製品１を稼動状態にし、特性の安定化を図る。また、動作状況を常時測定する事により、初期不良の製品を発見する事が出来る。例えば、レーザ光をレーザパワー測定ヘッド１６で測定することにより、製品の出力異常がわかる。この時、製品１で発生している電圧降下や熱を測定し、その変化を解析することにより、出力異常の原因を解明する事が可能である。

図６において、レーザ出力測定信号は製品１に接続された光ファイバ１７から出力されるレーザ光の強度を測定した信号でパワーメータ１５に入力される。トレイ温度測定信号は製品トレイに埋め込まれたサーミスタ６により測定される製品トレイの温度の信号でペルチェモジュール制御回路１４に入力されペルチェモジュール４の温度制御に用いられる。
電圧測定信号は製品１の電源供給端子の両端に発生する電圧の信号で、電圧測定回路１２に入力される。製品温度測定信号は製品１に直接取り付けられた温度センサ７により測定される製品の温度の信号で温度測定回路１１に入力される。パワーメータ１５から出力される出力値、ペルチェモジュール制御回１４路から出力されるトレイ温度、電圧測定回路１２から出力される電圧値、温度測定回路１１から出力される製品温度は、制御コンピュータ１０により記録される。

また、レーザ出力を直接測定せずに、製品１の温度・電圧降下のみで製品の異常を把握する事も可能である。例えば、電圧降下に異常が無く製品温度が上昇した場合、レーザダイオードから照射されるレーザが光ファイバ１７に入射しなくなった可能性が高い。逆に、温度の上昇が見られない場合は、レーザダイオードが不良になったと考えられる。

このような異常が発見され、予め指定した値から外れた場合、装置を停止し同一トレイ上の他の製品へ影響を与えないようにすることもできる。また、製品の温度異常が発生した部分のペルチェモジュール４の温度設定を調整することにより、他の製品へ影響を与えないようにテストを継続させることも可能である。

このようにして、所定時間経過した製品は、特性の安定化が図られており、更に初期不良の製品を除去することが出来る。

本発明にかかる半導体レーザデバイスのバーンイン装置は、トレイが筐体から着脱可能で、且つバーンイン中の製品付近の温度を正確に設定し温度特性を安定化させる機能を有し、半導体レーザデバイスを所定の温度で試験する半導体レーザデバイスのバーンイン装置に係わり、さらに詳しくは、レーザデバイスが自己発熱してもレーザデバイスの温度を正確に制御し、所定の温度にて実施できる半導体レーザデバイスのバーンイン装置等として有用である。

本発明の実施例における半導体レーザデバイスのバーンイン装置の製品取付け部を説明するための図 本発明の実施例における製品トレイとペルチェモジュールを模式的に示す図 本発明の実施例における半導体レーザデバイスのバーンイン装置の外観図 本発明の実施例におけるトレイとペルチェモジュールの接合状態を説明するための図 本発明の実施例における測定・設定データとの関係を説明するめの図 本発明の実施例における製品トレイをペルチェモジュールに取り付け各種測定・設定状態を説明するための図 本発明の実施例における製品トレイをペルチェモジュールから取り外した状態を示す図 本発明の実施例における製品トレイをペルチェモジュールに取り付けた状態を示す図 従来の半導体レーザデバイスのバーンイン装置の製品取付け部を説明するための図 従来の半導体レーザデバイスのバーンイン装置のトレイとペルチェモジュールの接合状態を説明するための図

符号の説明

１ 製品
２ 製品トレイ
３ 熱伝導弾性シート
４ ペルチェモジュール
５ ベースプレート
６ サーミスタ
７ 温度センサ
８ 水冷ブロック
９ 筐体
１０ コンピュータ
１１ 温度測定回路
１２ 電圧測定回路
１３ レーザ電源回路
１４ ペルチェモジュール制御回路
１５ パワーメータ
１６ レーザパワー測定ヘッド
１７ 光ファイバ

Claims (6)

1. 複数の半導体レーザデバイスの温度試験を行うバーンイン装置において、
   試験すべき複数の半導体レーザデバイスが取り付けられている製品トレイと、
   前記半導体レーザデバイスを所定の温度に設定するために前記製品トレイの下面に熱伝導弾性シートを介して設置される温度制御手段と、
   前記温度制御手段と対応して前記製品トレイの温度を測定するための温度センサと、
   を備え
   前記製品トレイが前記温度制御手段から着脱可能であり、
   前記温度センサにて測定される温度に基づいて前記それぞれの半導体レーザデバイスの温度制御に対応する温度制御手段を制御することを特徴とするバーンイン装置。
2. 前記温度制御手段は、複数のペルチェモジュールを使用し、前記温度制御手段の前記熱伝導弾性シートと逆側に設置される放熱手段とを備え、前記温度センサにて測定される前記製品トレイの温度に応じて前記複数のペルチェモジュールの中の所定のペルチェモジュールを制御することを特徴とする請求項１に記載のバーンイン装置。
3. 前記温度センサは、前記製品トレイ内に組み込まれていることを特徴とする請求項１に記載のバーンイン装置。
4. 前記製品トレイに取り付けられるそれぞれの製品に、当該製品自身の温度を測定するために前記製品に密着して設置される第２の温度センサを有することを特徴とする請求項１に記載のバーンイン装置。
5. 前記ペルチェモジュールの冷却側に水冷ブロックを設けて、前記ペルチェモジュールを冷却することを特徴とする請求項２に記載のバーンイン装置。
6. 前記ペルチェモジュールの冷却側を送風機により冷却することを特徴とする請求項２に記載のバーンイン装置。
   
   

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