JP2008147592A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザ素子から発生した熱を効率よく放熱する、小型化、高出力化、多素子化に対応した半導体レーザ装置の提供。
【解決手段】半導体レーザ素子１０と、半導体レーザ素子１０を保持するヒートシンク１２と、該ヒートシンク１２を支持するステム１４と、該ステム１４後方に設けられ半導体レーザ素子１０を駆動するレーザ駆動基板１００と、該レーザ駆動基板１００のさらに後方に配置され半導体レーザ素子１０から発生する熱を放散する放熱部材２００とを備えた半導体レーザ装置であって、前記ヒートシンク１２は、ステム１４を貫通しており、レーザ駆動基板１００に設けた貫通孔を介して放熱部材２００と接合されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関する。

半導体レーザ装置は、各種の用途に利用されているが、特に、小型の半導体レーザ装置は、光通信やレーザプリンタ等に大量に用いられている。半導体レーザ装置の心臓部である発光部近辺は、図４に示すように、例えばＧａＡｓからなる半導体基板の主面に互いに電気的に分離された複数の半導体レーザ部がアレイ状に形成された半導体レーザ素子１０が、半導体基板の主面側をサブマウント１１の半導体レーザ素子搭載領域に向けて設置される。サブマウント１１の半導体レーザ素子搭載領域には、複数の半導体レーザ素子１０のそれぞれの素子の電極に対応してパターン電極が配置され、個別に電圧が印加されるようになっている。このため、サブマウント１１上の複数の半導体レーザ素子１０は、それぞれ独立してレーザ光を出射できる。図４の例においては、４個の半導体レーザ素子を搭載しているが、最近の半導体レーザ装置においては十数個の半導体レーザ素子を搭載している場合もある。

電圧の印加には、各半導体レーザ素子に共通のコモン電極と個々の半導体レーザ素子用の電極を設けている。図４に従えば、ヒートシンク１２に設置したサブマウント１１上に４個の半導体レーザ素子１０がアレイ状に搭載されており、個々の電極については、サブマウント１１上の半導体レーザ素子搭載領域にボンディングパッドを介して、ボンディングワイヤ３１，３２，３３，３４がレーザ光を遮断しないように接続されている。そして、ボンディングワイヤ３１，３２，３３，３４の他端は、ステム１４を貫通して設けられステム１４とは電気的に分離された端子１８、１９、２０，２１にそれぞれ接続することにより半導体レーザ素子への通電を可能にしている。半導体レーザ素子のコモン電極側は、ボンディングワイヤ３５により導電性のヒートシンク１２に接続されている。そして、ヒートシンク１２は、金属製のステム１４に接続されており、ステム１４にロウ付けされた端子１７と電気的に接続されている。このようにして、各半導体レーザ素子１０は、独立してレーザ光を出射する仕組みになっている。

通常は、半導体レーザは、レーザの光出力をモニタするために、ホトディテクタ１３が、半導体レーザ素子１０の前方へのレーザ出射面とは反対側に搭載されている。ホトディテクタ１３本体は、ヒートシンク１２と半田でボンディングされており、半導体レーザ素子１０のコモン電極と接続されている。ホトディテクタ１３の他方の電極は、ボンディング面とは逆の面に電極パッドが設けられ、ボンディングワイヤ３０と接続され、ワイヤの一方は、ステム１４と電気的に絶縁された端子１６と接合している。また、図３では省略したが、半導体レーザ素子１０は、ステム１４に設置した封止用のキャップ１５で被覆されパッケ−ジ内に気密封止されている（図１参照）。

最近の半導体レーザ装置は、小型化が進んでおり、また、一つの半導体レーザ装置で複数の半導体レーザ素子を備え、且つそれぞれの半導体レーザ素子は高出力が求められている。このような小型化、多素子化、高出力化は、いずれの面からも半導体レーザ素子部分の高発熱化の原因になる。半導体レーザ素子は、高温になれば出力異常を起こすだけでなく、寿命も低下し易い。このような半導体レーザ装置の高発熱化に対処するため、いくつかの対策がとられている。例えば、ヒートシンクは、半導体レーザ素子の熱を逃がし易くするため、熱伝導性の良い銅、銀、銅タングステン合金等の材料で形成されており、通常は、金属製のステムと密着させ半導体レーザ装置外部への放熱効果をよくしている。

半導体レーザ素子の高出力化に伴う放熱方法に関して、色々な提案がなされている。例えば、特許文献１には、ヒートシンクをステムに設けた貫通孔に挿入し、ステム後方に露出させ、放熱器を直接ヒートシンクに接続して放熱する半導体レーザ装置が提案されている。

特許文献２，３には、ヒートシンクをステムに設けた貫通孔に挿入し、直接ヒートシンクの露出面から放熱する半導体レーザ装置が提案されている。

特許文献４には、ヒートシンクをステムに設けた貫通孔に挿入し、直接ヒートシンクの露出面から放熱すると同時にステムや端子部からも放熱する半導体レーザ装置が提案されている。

特許文献５には、ヒートシンクをステムに設けた貫通孔から貫通させ、ステム後方に露出したヒートシンクの放熱板部を折り曲げてステムと平行になるように形成した半導体レーザ装置が提案されている。

特許文献６には、ヒートシンク中に良伝熱性のワイヤを挿入し、ワイヤをステム外部まで引き出して、このワイヤを熱の通路としてワイヤにより放熱する半導体レーザ装置が提案されている。
特開昭５８−１６４２８５号公報 特開平４−２４９７８号公報 特開平６−３０２９１２号公報 実開平７−２７１７７号公報 実開昭６３−１７２１４３号公報 特開平５−２９１６９３号公報

半導体レーザ素子の発熱を抑えることは、高出力化及び寿命の向上に有効であり、如何に放熱性の良い仕組みを用いているかで、半導体レーザ装置の性能が左右される。上述した特許文献１に記載の半導体レーザ装置の放熱方法においては、ヒートシンクから直接放熱器に熱伝導させて放熱するとしているが、具体的な放熱器の形状や構造、接続方法については開示されていない。また、特許文献２〜４に記載の半導体レーザ装置については、半導体レーザ素子のある程度の発熱は抑制できるが、放熱板がないため、最近の高出力、小型の半導体レーザ装置には対応できない場合がある。また、端子を放熱用に利用すると、端子を介してレーザ駆動回路に熱が伝わり、レーザ駆動回路の誤動作や故障の原因になりやすい。特許文献５に記載の半導体レーザ装置の場合は、放熱板部をステムと平行な側に折り曲げて設置しているので、半導体レーザ装置の小型化、特に側面方向の形状に制限がある。さらに、この半導体レーザ装置は、複数の端子が突出しているステムのすぐ後方に放熱板部を配置するため製造上の難しさがある。また、特許文献５に記載の半導体レーザ装置の場合は、半導体レーザ素子のある程度の発熱は抑制できるが、最近の高出力、小型の半導体レーザ装置には対応できない場合がある。

半導体レーザ素子の発熱をヒートシンクを介して有効に放熱するためには、上述のようにヒートシンクに直接放熱器を接続することが好ましい。しかし、通常ステムの後方（本願においては、ステムの後方とは、ステムの半導体レーザ素子の配置されている側と反対側を指す。）には、複数の端子が飛び出しており、またレーザ駆動基板も配置せねばならない。特に、レーザ駆動基板状のレーザ駆動回路には熱が伝わらないようにすることが好ましい。このため、放熱器の形状や構造、配置、取付方法などは非常に重要な問題である。

さらに、プリンタに用いている半導体レーザ装置等では、応答速度の高速化が求められており、高速変調が重要な課題である。その為には、レーザ駆動回路を搭載したレーザ駆動基板と半導体レーザ素子とをできるだけ近接することが必要となっている。このため、最近の半導体レーザ装置では、ステムのすぐ後方にレーザ駆動回路を搭載したレーザ駆動基板が配置することが好ましい。このため、放熱器の構造や配置は、小型化の要求との兼ね合いも考慮して、半導体レーザ装置全体の構造の中で決定されなければならない。

本発明においては、上述の問題点を踏まえて、半導体レーザ素子から発生した熱を効率よく放熱する、小型化、高出力化、多素子化、高速応答化に対応した半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、下記の手段により、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成した。

本発明は、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子を保持するヒートシンクと、該ヒートシンクを支持するステムと、該ステム後方に設けられ半導体レーザ素子を駆動するレーザ駆動基板と、該レーザ駆動基板のさらに後方に配置され半導体レーザ素子から発生する熱を放散する放熱部材とを備えた半導体レーザ装置であって、前記ヒートシンクは、ステムを貫通しており、レーザ駆動基板に設けた貫通孔を介して放熱部材と接合されていることを特徴とする半導体レーザ装置である。

本発明は、前記ヒートシンクは、伝熱部材を介して放熱部材と接合されていることを特徴とする前記半導体レーザ装置である。

本発明は、前記レーザ駆動基板に設けられた貫通孔の断面積は、ヒートシンクがステムを貫通する際の断面積以下であることを特徴とする前記半導体レーザ装置である。

本発明は、前記レーザ駆動基板は、ヒートシンク、放熱部材又は伝熱部材からレーザ駆動基板に備えられたレーザ駆動回路への伝熱を防ぐ断熱構造を備えていることを特徴とする前記半導体レーザ装置である。

本発明は、前記レーザ駆動基板に設けられた貫通孔の周囲に、複数の小孔を設けたことを特徴とする前記半導体レーザ装置である。

本発明は、ヒートシンクは、複数の半導体レーザ素子を備えていることを特徴とする前記半導体レーザ装置である。

本発明によれば、半導体レーザ素子から発生した熱を効率よく放熱する、小型化、高出力化、多素子化、高速応答化に対応した半導体レーザ装置を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施形態により説明する。
［実施形態１］
本発明の第一の実施形態である半導体レ−ザ装置について、図１、図３、図４を用いて説明する。図１は本発明の第一の実施形態である半導体レ−ザ装置の断面図である。図３はこの半導体レ−ザ装置に用いられているレ−ザ駆動基板の平面図である。図１に示す半導体レ−ザ装置は、複数の半導体レーザ素子１０がアレイ状に電気絶縁材のサブマウント１１を介してヒートシンク１２上に配置されている。ヒートシンク１２は、ステム１４を貫通してステム１４後方に突き出し、貫通部は半田付け等によりステム１４と接合されている。なお、半導体レーザ素子１０は、ステム１４及びキャップ１５により密閉されている。

ステム１４のすぐ後方には、レーザ駆動基板１００が配置され、レーザ駆動基板１００のヒートシンク１２を臨む部分には、貫通孔１０２が設けられている。そして、この貫通孔１０２を介してヒートシンク１２と放熱部材２００とが直接面接触している。なお、ヒートシンク１２と放熱部材２００とは、ネジ２１０によって接合され熱伝導をよくしている。貫通孔１０２は、ヒートシンク１２より大きい断面積をしていると、ヒートシンク１２から放熱部材２００への伝熱は問題ないが、貫通孔１０２が大きすぎるとレーザ駆動基板１００の強度が落ちたり、変形したりし易くなるので、レーザ駆動基板に設けられた貫通孔１０２の断面積は、ヒートシンク１２がステム１４を貫通する際の断面積以下であることが望ましい。なお、ヒートシンク１２と放熱部材２００との接合部は、ステム１４付近からレーザ駆動基板後方までのどの位置でもよい。通常は、製作の都合上、図１に示すように、貫通孔１０２の部分とすることが好ましい。なお、この実施形態においては、レーザ駆動基板１００は、ヒートシンク１２と放熱部材２００とによって挟まれて固定されている。このようにすれば、半導体レーザ装置の製作が容易になる。

図１には、ホトディテクタ１３用の端子１６とコモン電極用の端子１７とが示されているが、レーザ駆動基板１００には、これらの端子用のスルーホール１０３，１０４も設けられている。さらに、図３、図４に示すように、半導体レーザ素子１０用の端子１８，１９，２０，２１用のスルーホール１０５，１０６，１０７，１０８も設けられている。それぞれの端子は、レーザ駆動基板１００上のレーザ駆動ＩＣ１１５，１１６，１１７，１１８などに接続されている。この実施形態では、半導体レーザ素子１０が４個の例を示しているが、半導体レーザ素子を十数個備えた半導体レーザ装置では、端子の数とそれに伴うレーザ駆動基板１００上の端子用のスルーホールの数も十数個となる。その場合に、貫通孔１０１の断面積を大きくしすぎると、レーザ駆動基板１００の強度がますます低下する。

一方で、ヒートシンク１２や放熱部材２００が、レーザ駆動基板１００と接触している部分からは、ヒートシンク１２の熱がレーザ駆動基板１００を介してレーザ駆動ＩＣ１１５，１１６，１１７，１１８などに伝わりやすい。そこで、図３に示すように複数の小孔である断熱孔１０９，１１０，１１１，１１２，１１３，１１４を設けて、ヒートシンク１２の熱がレーザ駆動基板１００を介して伝熱することを防ぐことが好ましい。断熱孔１０９，１１０，１１１，１１２，１１３，１１４は、図３では長孔になっているが、単純な丸孔を複数個設けてもよい。また、ヒートシンク１２及び放熱部材２００とレーザ駆動基板１００との接触部分では、レーザ駆動基板１００上の回路パターンなどの金属は、断熱効果を高めるため、除去しておくことが好ましい。

このような貫通孔１０２付近に断熱構造を備えたレーザ駆動基板１００は、レーザ駆動ＩＣ等のレーザ駆動基板１００上の回路の精度や寿命を保つ上で重要である。上記断熱構造としては、断熱材料でレーザ駆動基板１００の貫通孔１０２付近を被覆する構造、ヒートシンク１２及び／又は放熱部材２００とレーザ駆動基板１００との間に断熱スペーサを配置した構造、レーザ駆動基板１００の貫通孔１０２付近を断熱材料で形成した構造、レーザ駆動基板１００の貫通孔１０２付近を多孔質化した構造等、従来から多方面で一般的に知られているどのような断熱構造でもよい。

図４について、さらに説明する。半導体レーザ素子１０が接合されたサブマウント１１は、ヒートシンク１２と接合している。サブマウント１１は、シリコンカーバイド、窒化アルミニウム等の良熱伝導性の材料で形成されており、ヒートシンクは、銀、銅、タングステン銅などの熱伝導の良い材料で形成されている。半導体レーザ素子１０で発生した熱は、サブマウント１１、ヒートシンク１２、放熱部材２００を介して冷却される。従来は、ステム１４の外周面等を介してハウジングなどに放熱していたが、高発熱の半導体レーザ素子１０を搭載した半導体レーザ装置の場合は、効率よく放熱することができなかった。この実施形態では、レーザ駆動基板１００の後方にある放熱部材２００により放熱しているが、ヒートシンク１２と放熱部材２００とを直接面接触させており、ヒートシンク１２は勿論、放熱部材２００にもアルミニウムなどの熱伝導が良い素材を用いているので伝熱抵抗は小さく、効率よく放熱することが可能である。

なお、通常ステム１４は、鋼などの導電性の金属製で熱伝導性もある程度は良好である。このため、ステム１４とレーザ駆動基板１００とをあまり接近させすぎると、レーザ駆動回路１１５，１１６，１１７，１１８が、ステム１４からの輻射熱を受けて高温になることがあるので注意する必要がある。

また、ヒートシンク１２と放熱部材２００との接触面はネジで確実に接触するように結合することが可能であり、放熱部材２００の櫛上の面より熱は逃げ、ここに、冷却風を流すことで、更なる効率的な冷却が可能になる。放熱部材２００の材料は、安価なアルミニウムなどを用い、表面にアルマイト処理を施せば、更に好ましい。放熱部材２００の形状は、通常用いられている櫛形や突起を付けた形状など、どのようなものでもよく、半導体レーザ装置の使用目的に合わせて形状を決めればよい。

［実施形態２］
第二の実施形態を図２に示す。図２に示す実施形態おいては、図１に示す実施形態におけるヒートシンク１２と放熱部材２００とが伝熱部材１０１を介して接合されている。伝熱部材１０１は、伝熱性のよい金属部材、例えば銅箔や銀箔、アルミ箔のような伝熱性のよい金属箔で形成すればよい。このような伝熱部材１０１をレーザ駆動基板１００上に組み込んでおき、半導体レーザ装置の組み立て時にヒートシンク１２と放熱部材２００とこのレーザ駆動基板１００をネジ２１０により接合すれば容易に半導体レーザ装置を製造できる。また、伝熱部材１０１とレーザ駆動基板１００を一体化することにより、レーザ駆動基板１００の強度を向上ながらレーザ駆動基板１００伝熱抵抗を向上させ易くなる。

また、半導体レーザ装置の組み立てる際、事前に放熱部材２００をレーザ駆動基板１００上に組み込んでおき、ヒートシンク１２と放熱部材２００とこのレーザ駆動基板１００をネジ２１０により接合すれば容易に半導体レーザ装置を製造できる。また、伝熱部材１０１とレーザ駆動基板１００を一体化することにより、レーザ駆動基板１００の強度を向上ながらレーザ駆動基板１００伝熱抵抗を向上させ易くなる。

［実施形態３］
第３の実施形態を図５に示す。図５に示す実施形態おいては、図２に示す実施形態におけるヒートシンク１２と熱部材１０１との間にスペーサ２２０が配置されている。スペーサ２２０は、例えば銅、銀、アルミニウム、或いはこれらの合金などの伝熱性のよい金属で形成すればよい。このようなスペーサ２２０にねじ穴などを加工しておき、組み立て時にヒートシンク１２の背面に半田付け等により接合してからネジ２１０により各部材を結合すれば、容易に半導体レーザ装置を製造できる。また、スペーサ２２０の厚さを調節することにより、ステム１４とレーザ駆動基板１００との距離を容易に調節できる。なお、スペーサ２２０は、放熱部材２００と一体化して一つの部材とすることもできる。

本発明の半導体レーザ装置は、アレイ数が４の場合について説明しているが、アレイ数が増えても同様に構成を取ることは容易であり、むしろアレイ数が多いときに本発明の効果は大きくなる。

本発明の半導体レ−ザ装置断面図 本発明の他の例である半導体レ−ザ装置断面図 レ−ザ駆動基板の平面図 半導体レ−ザ発信器の斜視図 本発明の他の例である半導体レ−ザ装置断面図

符号の説明

１０…半導体レーザ素子
１１…サブマウント
１２…ヒートシンク
１３…ホトディテクタ
１４…ステム
１５…キャップ
１６，１７，１８，１９，２０，２１…端子
３０，３１，３２，３３，３４，３５…ボンディングワイヤ
１００…レーザ駆動基板
１０１…伝熱部材
１０２…貫通孔
１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８…端子用スルーホール
１０９，１１０，１１１，１１２，１１３，１１４…断熱孔
１１５，１１６，１１７，１１８…レーザ駆動ＩＣ
２００…放熱部材
２１０…ネジ
２２０…スペーサ

Claims (6)

1. 半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子を保持するヒートシンクと、該ヒートシンクを支持するステムと、該ステム後方に設けられ半導体レーザ素子を駆動するレーザ駆動基板と、該レーザ駆動基板のさらに後方に配置され半導体レーザ素子から発生する熱を放散する放熱部材とを備えた半導体レーザ装置であって、
   前記ヒートシンクは、ステムを貫通しており、レーザ駆動基板に設けた貫通孔を介して放熱部材と接合されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記ヒートシンクは、伝熱部材を介して放熱部材と接合されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記レーザ駆動基板に設けられた貫通孔の断面積は、ヒートシンクがステムを貫通する際の断面積以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記レーザ駆動基板は、ヒートシンク、放熱部材又は伝熱部材からレーザ駆動基板に備えられたレーザ駆動回路への伝熱を防ぐ断熱構造を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
5. 前記レーザ駆動基板に設けられた貫通孔の周囲に、複数の小孔を設けたことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。
6. ヒートシンクは、複数の半導体レーザ素子を備えていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。

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