JP2007027375A - Laser module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ステム上の放熱ブロック上に半導体レーザ素子が実装されてなるレーザモジュールに関するものである。 The present invention relates to a laser module in which a semiconductor laser element is mounted on a heat dissipation block on a stem.
従来、ステム上に配置された放熱ブロックに半導体レーザ素子を実装し、キャップを被せ気密封止してなるキャン型封止レーザモジュールが実用化されている。キャン型レーザモジュールに代表される、半導体レーザ素子が実装されてなるレーザモジュールにおいては、一般的に、半導体レーザ素子の一方の電極面が放熱ブロックに半田で固定され、半導体レーザの駆動時に生じる発熱を一方の電極面から放熱する実装構造が採用されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a can-type sealed laser module in which a semiconductor laser element is mounted on a heat dissipation block disposed on a stem and a cap is put on and hermetically sealed is put into practical use. In a laser module in which a semiconductor laser element is mounted, represented by a can-type laser module, in general, one electrode surface of the semiconductor laser element is fixed to a heat dissipation block with solder, and heat generated when the semiconductor laser is driven A mounting structure that dissipates heat from one electrode surface is employed.
近年、次第に出力の大きな半導体レーザ素子が提供されるようになってきており、中には非常に発熱量の大きいものも開発されてきている。半導体レーザの発熱量が大きくなってくると、半導体レーザ駆動時に発熱を十分に放熱させることができない場合、発熱により半導体レーザの劣化が促進されてしまい、レーザモジュールとして長期信頼性が得られなくなる。半導体レーザ素子の一方の電極面からのみ放熱する放熱構造では十分な放熱が得られない虞があり放熱構造の改善が求められている。 In recent years, semiconductor laser devices having a large output have been provided gradually, and some of them having a very large calorific value have been developed. When the amount of heat generated by the semiconductor laser increases, if the heat generated cannot be sufficiently dissipated when the semiconductor laser is driven, deterioration of the semiconductor laser is promoted by the heat generation, and long-term reliability as a laser module cannot be obtained. A heat dissipation structure that radiates heat only from one electrode surface of the semiconductor laser element may not provide sufficient heat dissipation, and improvement of the heat dissipation structure is required.
その放熱を改善する方法としては、たとえば、非特許文献1に開示されているようにヒートシンクに溝を設け、その溝に半導体レーザを挿入し、半導体レーザの両面と溝との間を半田で埋め込むことにより、半導体レーザの両面から放熱させる構成が考えられている。
しかしながら、非特許文献1の装置は、溝が形成されるヒートシンクと該溝に装填される半導体レーザが共に剛体であり、かつ熱膨張係数に差があるために温度上昇に伴うヒートシンクおよび半導体レーザの膨張等の影響により半導体レーザに熱歪が入り、活性層に応力がかかることにより半導体レーザの通電寿命が著しく短くなる虞がある。 However, in the apparatus of Non-Patent Document 1, since the heat sink in which the groove is formed and the semiconductor laser loaded in the groove are both rigid bodies and there is a difference in thermal expansion coefficient, The semiconductor laser may be thermally strained by the influence of expansion and the like, and stress may be applied to the active layer, which may significantly shorten the energization life of the semiconductor laser.
本発明は、上記事情に鑑み、半導体レーザの通電寿命を短命化することなく半導体レーザの発熱を効率的に放熱することができる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。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a laser module that can efficiently dissipate heat generated by a semiconductor laser without shortening the energization life of the semiconductor laser.
本発明のレーザモジュールは、ステム上に配設された第1の放熱ブロック上に半導体レーザ素子が一方の電極層面を該放熱ブロックに接触するように実装されてなるレーザモジュールにおいて、
前記ステム上に、該ステムと電気的に絶縁した第2の放熱ブロックを配設し、
前記半導体レーザ素子の他方の電極層面と、前記第2の放熱ブロックとを熱的に接続する、可撓性の熱伝導部材を備えたことを特徴とするものである。
The laser module of the present invention is a laser module in which a semiconductor laser element is mounted on a first heat dissipation block disposed on a stem so that one electrode layer surface is in contact with the heat dissipation block.
A second heat dissipating block electrically insulated from the stem is disposed on the stem;
A flexible heat conducting member is provided for thermally connecting the other electrode layer surface of the semiconductor laser element and the second heat radiation block.
前記熱伝導部材は、シートもしくはフィルム状であることが望ましい。ここで、シート、もしくはフィルム状とは、均一な薄さの部材のみならず、ワイヤー状の熱伝導部材を網目状に編んでシート状にしたものなどであってもよい。 The heat conducting member is preferably in the form of a sheet or film. Here, the sheet or film shape may be not only a member having a uniform thickness, but also a wire-like heat conducting member knitted into a mesh shape and formed into a sheet shape.
前記熱伝導部材は、前記他方の電極層面となるべく広い範囲で接触していることが望ましく、たとえば、前記他方の電極層面の半分以上、特には全面と接触していることが望ましい。熱伝導部材は、可撓性を有し、半導体レーザの基板の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する、半導体レーザからの発熱を第2の放熱ブロックへ伝導できるものであればいかなる素材から構成されるものであってもよい。 The heat conducting member is preferably in contact with the other electrode layer surface in as wide a range as possible. For example, it is preferably in contact with at least half of the other electrode layer surface, particularly with the entire surface. The heat conducting member is flexible and has any thermal conductivity higher than that of the substrate of the semiconductor laser, and any material that can conduct heat generated from the semiconductor laser to the second heat radiating block. It may be configured.
また、熱伝導部材が導線として利用可能な導電性を有するものであることが望ましい。熱伝導部材としては、たとえば、グラファイトの薄膜を用いることができる。また、熱伝導部材を半導体レーザ素子への駆動電流注入端子を兼ねるものとすることが望ましい。 Further, it is desirable that the heat conducting member has conductivity that can be used as a conducting wire. As the heat conducting member, for example, a graphite thin film can be used. It is desirable that the heat conducting member also serves as a drive current injection terminal for the semiconductor laser element.
前記半導体レーザ素子としては、たとえば、GaN系半導体レーザを用いることができる。 As the semiconductor laser element, for example, a GaN semiconductor laser can be used.
本発明のレーザモジュールによれば、半導体レーザ素子の一方の電極層面は第1の放熱ブロックに接触固定され、他方の電極層と第2の放熱ブロックとを熱的に接続する可撓性の熱伝導部材を備えており、半導体レーザ素子の両電極層から放熱できる構成であるため、一方の電極層が放熱ブロックに半田付けされてその一方の電極層のみから放熱していた従来の場合と比較して、放熱効率を向上させることができる。また、半導体レーザ素子の一方の電極層は剛体である放熱ブロックに接触固定されているが、他方の電極層は可撓性の部材と接触しているため、温度上昇に伴い放熱ブロックや半導体レーザ素子が熱膨張した場合にも半導体レーザ素子は応力(熱歪)を受けないので、半導体レーザ素子としての寿命を短命化する虞がない。すなわち本発明のレーザモジュールによれば、半導体レーザ素子を熱歪による劣化を生じさせることなく、放熱効率を向上させることができる。 According to the laser module of the present invention, one electrode layer surface of the semiconductor laser element is fixed in contact with the first heat dissipation block, and the flexible heat that thermally connects the other electrode layer and the second heat dissipation block. Compared to the conventional case where one electrode layer is soldered to the heat dissipation block and heat is radiated from only one of the electrode layers because it has a conductive member and can radiate heat from both electrode layers of the semiconductor laser element. Thus, the heat dissipation efficiency can be improved. In addition, one electrode layer of the semiconductor laser element is fixed in contact with a rigid heat dissipation block, but the other electrode layer is in contact with a flexible member. Even when the element is thermally expanded, the semiconductor laser element is not subjected to stress (thermal strain), so there is no possibility of shortening the life of the semiconductor laser element. That is, according to the laser module of the present invention, the heat radiation efficiency can be improved without causing the semiconductor laser element to deteriorate due to thermal strain.
熱伝導部材が、シートもしくはフィルム状であれば、半導体レーザ素子の電極層との接触面積を十分に大きくすることができ、放熱を効果的に行うことができる。 If the heat conducting member is in the form of a sheet or film, the contact area with the electrode layer of the semiconductor laser element can be made sufficiently large, and heat can be effectively radiated.
さらに、熱伝導部材が、半導体レーザ素子の他方の電極層面の全面と接触していれば放熱がより効率的になされる。 Furthermore, if the heat conducting member is in contact with the entire surface of the other electrode layer surface of the semiconductor laser element, heat radiation is more efficiently performed.
熱伝導部材が導線として利用可能な導電性を有するものであれば、半導体レーザ素子への駆動電流注入端子としても用いることができ、ワイヤボンディングが不要となり簡易な構成とすることができる。 If the heat conducting member has conductivity that can be used as a conducting wire, it can also be used as a drive current injection terminal to the semiconductor laser element, and wire bonding is not required, and a simple configuration can be achieved.
熱伝導部材が、グラファイトの薄膜であれば、熱伝導率も高く、かつ電気伝導率も高いため、放熱効率を向上させると共に、駆動電流注入端子としても用いることができる。 If the heat conductive member is a graphite thin film, the heat conductivity is high and the electric conductivity is high, so that the heat dissipation efficiency can be improved and it can be used as a drive current injection terminal.
半導体レーザ素子がGaN系半導体レーザであるとき、特に発熱量が大きいために本発明を適用した場合の効果が大きい。 When the semiconductor laser element is a GaN-based semiconductor laser, since the amount of heat generation is particularly large, the effect of applying the present invention is great.
以下、本発明の実施の形態について説明する。図1は、発明の第1の実施形態によるキャン型封止レーザモジュールの概略構成図を示すものであり、図2は図1に示すレーザモジュールの半導体レーザ素子実装部の上面図である。 Embodiments of the present invention will be described below. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a can-type sealed laser module according to a first embodiment of the invention, and FIG. 2 is a top view of a semiconductor laser element mounting portion of the laser module shown in FIG.
図1および図2に示すようにこのレーザモジュールは、3本の配線ピン11、12および13が下部に突出するステム1上に、ヒートシンク4aおよびサブマウント4bからなる第1の放熱ブロック4と、ステム1に対して電気的に絶縁し配線ピン11と電気的に接続された第2の放熱ブロック8とが固設され、サブマウント4b上に半導体レーザ素子6がその一方の電極層68の面がサブマウント4bと接触するように実装されており、さらに半導体レーザ素子6の他方の電極層69と第2の放熱ブロック8とを熱的に接続する可撓性の熱伝導部材20を備えている。また、ステム1上には半導体レーザ素子6の出力をモニタするモニタ用フォトダイオード10が配置されており、ステム1上に配置された各要素は、無反射コーティングが施されたガラス窓3を備えたキャップ2により覆われ気密封止されている。このキャップ2は内部の脱気処理がなされ、不活性ガスが充填された状態でステム1に抵抗溶接などにより固定されている。なお、図1においては、キャップ2内の各要素の構成を解りやすくするため、円筒形のキャップ2の手前半分については記載していない。
As shown in FIGS. 1 and 2, the laser module includes a first
配線ピン12はステム1と電気的に接続されており、ヒートシンク4aおよびサブマウント4bを経て半導体レーザ素子6の一方の電極層68に電気的に接続されている。配線ピン13はステム1と電気的に絶縁した状態でステム1上面に突出しており、ワイヤ17によりフォトダイオード10と接続されている。配線ピン11は、ステム1と電気的に絶縁した状態でステム1上の第2の放熱ブロック8に接続されている。第2の放熱ブロック8の下部が配線ピン状に加工されて放熱ブロック8と配線ピン11とが一体的に1つの部材で構成されていてもよい。配線ピン11および13とステム1との絶縁はステム1に設けられた貫通穴と配線ピン11および13との間を低融点ガラスなどの絶縁材料14、15で埋め込む方法により達成することができる。
The
半導体レーザ素子6は、図2に示すように、n型GaN基板61上に順次エピタキシャル成長されたn型AlGaNクラッド層62、多重量子井戸層(MQW層)63、p型AlGaNクラッド層64およびp型GaNキャップ層66を備え、p型GaNキャップ層66およびp型AlGaNクラッド層64の一部にリッジ部が設けられたリッジ型半導体レーザである。リッジ部の両脇にはSiO2からなる絶縁部65が形成されており、絶縁部65およびリッジ部を覆うようにp側電極層69が形成され、基板61の裏面にはn側電極層68が形成されている。この半導体レーザ素子6はn側電極層68が第1の放熱ブロック4の一部であるサブマウント4bに接触するようにロウ材31により半田付けされており、p側電極層69の上面には熱伝導部材20がp側電極層69の全面に亘って接触するように配置されてロウ材32により半田付けされている。
As shown in FIG. 2, the
熱伝導部材20としては、グラファイトからなるシート状の部材が用いられ、シート状の熱伝導部材20の一端は、半導体レーザ素子6の電極層69の全面に半田付けされており、他端が第2の放熱ブロック8にロウ材33により半田付けされている。グラファイトの熱伝導率は、600−800W/m・Kであり、放熱ブロックとして用いられることが多いCu(銅)の熱伝導率の約4倍である。なお、グラファイトからなるシート状の熱伝導部材(以下、グラファイトシートという)20を電極層69および第2のヒートシンクに半田付けするために、グラファイトシート20の表面にはAu(金)、Au/Cr(クロム)あるいはAu/Ti(チタン)がスパッタ蒸着されている。また、グラファイトは導線として利用可能な導電性を有するものであるため、この熱伝導部材20は半導体レーザ素子6への給電のための端子(駆動電流注入用端子)を兼ねている。一般には、半導体レーザ素子6の電極層69への給電のためには配線ピンと電極層とをAu等のワイヤで接続するが、ここではグラファイトシート20を給電のための端子として用いることができるためワイヤボンディングが不要である。
As the
本実施形態のレーザモジュールにおいては、半導体レーザ素子6の一方の電極層68が第1の放熱ブロック4に接触固定され、他方の電極層69には第2の放熱ブロック8に接続された可撓性の熱伝導部材20が固定されており、両電極層68および69から放熱できる構成であるため効率的に放熱を行うことができる。特に、ここで実装されているGaN系半導体レーザのように発熱量の大きい半導体レーザの場合、効率的な放熱ができることによる半導体レーザ素子の短命化を抑制する効果が大きい。また、半導体レーザ素子6の一方の電極層68は剛体である放熱ブロック4に接合されているが、他方の電極層69は可撓性の部材20に接合されているため、発熱時においても熱歪などの応力を受けず、半導体レーザ素子の寿命を短命化する虞がない。
In the laser module of this embodiment, one
なお、ステム1をFe(鉄)系素材で構成し、第1の放熱ブロック4および第2の放熱ブロック8をCu(銅)から構成することによりレーザモジュールを安価に構成することができる。
In addition, a laser module can be comprised at low cost by comprising the stem 1 with a Fe (iron) -based material and the first
本実施の形態によるレーザモジュールは、半導体レーザ素子6の前方出射光であるレーザ光7が無反射コーティングされた窓ガラス3から出射するものであり、半導体レーザ素子6の後方出射光がモニタフォトダイオード10によって発光量が感知されて、レーザ光7の出力が一定となるように電流が自動的に制御される。
In the laser module according to the present embodiment, laser light 7 which is forward emission light of the
可撓性の熱伝導部材20は上述のグラファイトシートに限るものではなく、半導体レーザ素子6の電極層69と第2の放熱ブロック8とを熱的に接続し、半導体レーザ素子6の熱を第2の放熱ブロック8に伝導して放熱させることができるものであればよく、具体的には半導体レーザ素子6の基板61(上記実施形態ではGaN)と比較して熱伝導率が高いものであればよい。また、上記実施形態では熱伝導部材20が半導体レーザの電極層の全面と接触しているが、熱伝導部材は必ずしも電極層の全面と接触している必要はなく、電極層の面積の半分程度以上であれば十分に放熱効果を得ることができる。
The flexible
図3は本発明の第2の実施形態のレーザモジュールの概略構成を示す図である。以下においては、第1の実施形態のレーザモジュールと同一の要素には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。 FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a laser module according to the second embodiment of the present invention. In the following, the same elements as those of the laser module of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
本レーザモジュールは、熱伝導部材21が導線として使用可能な程度の導電性を有していない材料からなる点で第1の実施形態のレーザモジュールと異なる。熱伝導率が高く導電性が低い材料としては例えばダイアモンドが挙げられ、熱伝導部材21としてはダイアモンドシート、または気相合成したダイアモンド薄膜、可撓性の支持シート状にダイアモンドを蒸着させたもの等を用いることができる。この場合、熱伝導部材21が十分な導電性を有していないため、これを駆動電流注入用端子として用いることができない。そこで、半導体レーザ素子6の電極層69と第2の放熱ブロック8とを接続するAuワイヤ16を備え、半導体レーザ素子6の電極層69への駆動電流注入はAuワイヤ16により行う構成をとっている。半導体レーザ素子6の電極層69の一部にはワイヤボンディングのスペースを要し、それ以外の領域に熱伝導部材21が半田付けされている。
This laser module is different from the laser module of the first embodiment in that the
図4は本発明の第3の実施形態のレーザモジュールの概略構成を示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of a laser module according to the third embodiment of the present invention.
本レーザモジュールは、第2の放熱ブロック18が配線ピン11’と接続せずステム1に配線ピン11’とは独立して配置されている点で第1の実施形態と異なる。第2の放熱ブロック18は、ステム1上に絶縁シート19を介して固設されている。
This laser module is different from the first embodiment in that the second
ここで用いられる熱伝導部材22は、半導体レーザ6の電極層69と第2の放熱ブロック18とを熱的に接続し、半導体レーザ素子の発熱を放熱できるものであればよく、導電性の有無は問わない。本実施形態の熱伝導部材22は放熱にのみ利用されるものであり、熱伝導部材22を駆動電流注入用の端子としては利用しない。そのため、半導体レーザ素子6への給電のために、配線ピン11’と電極層69とを接続するワイヤ16を備えている。なお、配線ピン11’は低融点ガラスなどの絶縁材14によりステム1と電気的に絶縁された状態でステム1を貫通してステム1上に突出されており、その突出部にワイヤ16が接続されている。
The
このように第2もしくは第3の実施形態のレーザモジュールにおいても、半導体レーザ素子6の一方の電極層68が第1の放熱ブロック4に、他方の電極層69が可撓性の熱伝導部材21もしくは22に接続され、両電極層68および69から放熱される構成であるため、効率的に放熱を行うことができると共に、一方の電極層68は剛体である放熱ブロック4に接合されているが、他方の電極層69は可撓性の部材21もしくは22に接合されているため、発熱時においても半導体レーザ素子6に熱歪などの応力がかからず、半導体レーザ素子の寿命を短命化する虞がない。
As described above, also in the laser module of the second or third embodiment, one
1 ステム
2 キャップ
3 窓ガラス
4 第1の放熱ブロック
4a ヒートシンク
4b サブマウント
6 半導体レーザ素子
7 レーザ光
8 第2の放熱ブロック
10 モニタ用フォトダイオード
11、12、13 配線ピン
20、21、22 熱伝導部材
31、32 半田材
68 n側電極層(一方の電極層)
69 p側電極層(他方の電極層)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
10 Photodiode for monitor
11, 12, 13 Wiring pin
20, 21, 22 Thermal conductive member
31, 32 Solder material
68 n-side electrode layer (one electrode layer)
69 p-side electrode layer (the other electrode layer)
Claims (7)
前記ステム上に、該ステムと電気的に絶縁した第2の放熱ブロックを配設し、
前記半導体レーザ素子の他方の電極層面と、前記第2の放熱ブロックとを熱的に接続する、可撓性の熱伝導部材を備えたことを特徴とするレーザモジュール。 In a laser module in which a semiconductor laser element is mounted on a first heat dissipation block disposed on a stem so that one electrode layer surface is in contact with the heat dissipation block,
A second heat dissipating block electrically insulated from the stem is disposed on the stem;
A laser module comprising a flexible heat conducting member for thermally connecting the other electrode layer surface of the semiconductor laser element and the second heat dissipation block.
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JP2008258489A (en) * | 2007-04-06 | 2008-10-23 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor laser device |
JP2019192915A (en) * | 2018-04-28 | 2019-10-31 | エスゼット ディージェイアイ テクノロジー カンパニー リミテッドSz Dji Technology Co.,Ltd | Semiconductor apparatus |
CN114552370A (en) * | 2022-02-21 | 2022-05-27 | 桂林市啄木鸟医疗器械有限公司 | Semiconductor laser and method for manufacturing semiconductor laser |
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