JP2009158644A - レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】中間体の機械的強度が高く、且つレーザ素子から冷却体に効率良く熱を逃がすことができるレーザモジュールを提供する。
【解決手段】本発明のレーザモジュール１０は、共振器長方向の一方端の端面１４に複数の発光点を有するレーザアレイ１１と、レーザアレイ１１を搭載する中間体１２と、中間体１２を搭載する冷却体１３とを備えるもので、中間体１２の厚み寸法は、中間体１２にくさび形状部１７を設けることにより、共振器長方向の一方端側に比較して他方端側が大きい構成となっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光源として用いられるレーザモジュールに関する。

高出力の半導体レーザは、高出力、高密度、波長が非常に鋭いピークを持つ事、小型といった特徴から、高効率な固体レーザの励起用光源などの産業用途として使用されている。また、更なる高出力、高集積化を実現するために、レーザダイオード等の半導体レーザ素子を１つのチップにアレイ状に並べた形態のレーザアレイも一般化している。しかし、レーザアレイは、例えば１０ｍｍ×１〜２ｍｍのチップサイズに対して出力と同程度の数十Ｗの熱を発生する。このため、レーザアレイは、当該レーザアレイを冷却体の上に実装したレーザモジュールの形態で用いられている。

一般に、半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）に代表される化合物半導体基板を用いて作製される。これに対して、冷却体には、高い熱伝導性を有するＣｕ（銅）などの金属材料を用いて作製される。このため、冷却体にダイレクトにレーザアレイを実装した構造では、半導体レーザ素子と冷却体の熱膨張係数差が大きくなるため、実装時にレーザアレイに強い応力が加わることになる。

そこで従来においては、レーザモジュールの構造として、図９に示すように、レーザアレイ５１を中間体５２を介して冷却体５３に実装した構造が公知となっている（例えば、特許文献１を参照）。中間体５２は、応力緩和を目的として設けられたもので、平板状に形成されている。

特開２００６−３３９５１１号公報（第１図）

上記従来のモジュール構造においては、レーザアレイ５１から冷却体５３への排熱効率を考えると、中間体５２の厚み寸法が小さいほど有利である。ただし、中間体５２を薄く加工するのは非常に難しく、仮に加工できたとして、レーザモジュールの製造工程で取り扱いにくいものとなる。また、中間体５２が薄くなると、それに伴って中間体５２の機械的強度（剛性など）が弱まるため、例えば中間体５２にレーザアレイ５１をはんだ材料で接合する場合に、両者の熱膨張係数差によって反りが発生しやすくなる。また、その後の工程で、レーザアレイ付きの中間体５２を冷却体５３にはんだ材料で接合する場合に、その前の工程で生じた反りを解消しようと冷却体５３に対してレーザアレイ５１や中間体５２を押し付けたときに、レーザアレイ５１や中間体５２に割れなどの破損が生じる恐れがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、中間体の機械的強度が高く、且つレーザ素子から冷却体に効率良く熱を逃がす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。

本発明に係るレーザモジュールは、
共振器長方向の一方端に発光点を有するレーザ素子と、
前記レーザ素子を搭載する中間体と、前記中間体を搭載する冷却体とを備え、
前記中間体の厚み寸法は、前記共振器長方向の一方端側に比較して他方端側が大きい
ことを特徴としている。

本発明に係るレーザモジュールにおいては、中間体の厚み寸法として、レーザ素子の発光点に近い共振器長方向の一方端側の厚みを他方端側の厚みよりも薄くすることにより、共振器長方向の一方端側（発光点に近い側）では中間体の熱抵抗が低くなる。また、共振器長方向の他方端側で中間体が厚肉になることにより、中間体全体の機械的強度が高まる。

本発明によれば、レーザ素子を中間体を介して冷却体に実装してなるレーザモジュールにおいて、中間体に要求される機械的強度を確保したうえで、レーザ素子から冷却体に効率良く熱を逃がすことができる。

以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明の技術的範囲は以下に記述する実施の形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。

図１は本発明の実施形態に係るレーザモジュールの構成を示す平面図であり、図２は当該レーザモジュールの構成を示す側面図である。レーザモジュール１０は、大きくは、レーザアレイ１１と、中間体１２と、冷却体１３とを備えた構成となっている。一般に中間体１２はサブマウントと呼ばれ、冷却体１３はヒートシンクと呼ばれている。

本明細書においては、レーザモジュール１０の構成上、レーザアレイ１１の長手方向に平行な方向をＸ軸方向、レーザアレイ１１の短手方向に平行な方向をＹ軸方向、レーザアレイ１１の厚み方向に平行な方向をＺ軸方向と定義する。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は、互いに直交する３軸方向となる。ここで定義したＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の直交３軸方向は、レーザモジュール１０全体にわたって各部の構造や位置関係を特定するために随時用いる。また、Ｘ軸方向は、その向きによってＸ方向と−Ｘ方向に区分する。同様に、Ｙ軸方向はＹ方向と−Ｙ方向に区分し、Ｚ軸方向はＺ方向と−Ｚ方向に区分する。

レーザアレイ１１は、例えばＧａＡｓなどの化合物半導体材料を用いて構成されるもので、全体に棒状のチップ形状に形成される。レーザアレイ１１は、一次元に並ぶ複数の複数の半導体レーザ素子（不図示）を一体に有するものである。複数の半導体レーザ素子は、レーザアレイ１１の長手方向となるＸ軸方向に一定の間隔で並んでいる。このため、半導体レーザ素子の配列方向（並び方向）には、複数の半導体レーザ素子と同じ間隔で複数の発光点（レーザ光の出射部）が並んだ構造となる。

各々の発光点は、Ｙ軸方向の一方の端面（以下、「前端面」と記す）１４に横一列に並んで配列される。このため、レーザアレイ１１を駆動した場合は、Ｘ軸方向に沿って前端面１４に並ぶ各々の発光点からＹ方向に向けてレーザ光Ｌｂが出射されることになる。レーザアレイ１１を構成する各々の半導体レーザ素子は、素子内部にレーザ共振器を有するもので、その共振器長方向はＹ軸方向に一致している。

中間体１２は、レーザアレイ１１と冷却体１３の間に応力緩和を目的として設けられたものである。中間体１２は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＣｕＷ（銅タングステン）、ダイヤモンドなどの材料を用いて構成されるもので、その断面（Ｘ軸方向の端面）が直角三角形をなす三角柱状に形成されている。中間体１２のＸ方向の寸法は、レーザアレイ１１の長手寸法よりも大となっており、中間体１２のＹ軸方向の寸法は、レーザアレイ１１の短手寸法よりも大となっている。

中間体１２は、レーザアレイ１１が搭載される素子搭載面１５と、Ｘ軸方向から見て素子搭載面１５と鋭角をなす傾斜面１６とを有し、これらの素子搭載面１５と傾斜面１６とによってくさび形状部１７が形成されている。素子搭載面１５は中間体１２の第１面に相当し、傾斜面１６は中間体１２の第２面に相当するものである。くさび形状部１７の先端（Ｙ方向端）はＶ字形に尖った状態で形成されている。

Ｘ軸方向においては、レーザアレイ１１、中間体１２及び冷却体１３の各中心が同じ位置に配置されている。また、Ｙ軸方向においては、レーザアレイ１１が中間体１２のＹ方向端に寄せて配置されるとともに、中間体１２が冷却体１３のＹ方向端に寄せて配置されている。

レーザアレイ１１は、Ｙ軸方向において、くさび形状部１７の先端に上記の前端面１４を位置合わせした状態で、中間体１２の素子搭載面１５に搭載されている。このため、レーザアレイ１１を構成する各々の半導体レーザ素子の発光点は、くさび形状部１７の先端の直上に位置している。また、各半導体レーザ素子の発光点（前端面１４）の直下は、中間体１２の厚み寸法が実質的に零に近い状態になっている。これに対して、レーザアレイ１１の後端面２０の直下は中間体１２の厚み寸法が２００〜３００μｍに設定されている。また、中間体１２の−Ｙ方向端の厚み寸法は最大で１ｍｍ程度に設定されている。

冷却体１３は、熱的には高い熱伝導性を有し、電気的には高い導電性を有するものである。冷却体１３は、例えば銅などの金属材料を用いて構成されるもので、上記中間体１２と同様に、断面が直角三角形をなす三角柱状に形成されている。冷却体１３は、中間体１２よりも外形寸法（体積）が大きく形成されている。

冷却体１３の熱伝導性は、レーザアレイ１１で発生する熱を冷却体１３側に効率良く逃がして、レーザアレイ１１を所定の温度以下に維持するために必要となる特性である。冷却体１３の導電性は、例えば冷却体１３を通してレーザアレイ１１に電流を供給する場合に、電気抵抗を低く抑えるために必要となる特性である。

冷却体１３は、実装基準面１８と、Ｘ軸方向から見て実装基準面１８と鋭角をなす傾斜面１９とを有している。実装基準面１８は冷却体１３の第３面に相当し、傾斜面１９は冷却体１３の第４面に相当するものである。実装基準面１８は、冷却体１３を含むレーザモジュール１０を図示しないベース部材に実装する場合に、モジュール取り付けの基準となる平面である。

ここで、中間体１２において、素子搭載面１５と傾斜面１６とのなす角度を９０°未満のθ１とし、冷却体１３において、実装基準面１８と傾斜面１９とのなす角度を９０°未満のθ２とすると、これらの角度の関係はθ１＝θ２に設定されている。つまり、中間体１２と冷却体１３は外形が相似する関係になっている。

レーザアレイ１１を中間体１２を介して冷却体１３に実装するにあたって、レーザアレイ１１と中間体１２の接合材料、及び中間体１２と冷却体１３の接合材料としては、例えばはんだ材料、好ましくは鉛を含まないはんだ（鉛フリーはんだ）材料が用いられる。その場合、レーザアレイ１１は、第１のはんだ材料を用いて中間体１２に接合され、中間体１２は、第１のはんだ材料よりも融点が低い第２のはんだ材料を用いて冷却体１３に接合される。第１のはんだ材料としては、例えばＡｕＳｎ系のはんだ材料を用いることができ、第２のはんだ材料としては、例えばＩｎ（インジウム）を主成分とする低融点のはんだ材料を用いることができる。

実際にレーザモジュール１０を製造する場合は、レーザアレイ１１の下面と中間体１２の素子搭載面１５を上述のように位置合わせして対面させるとともに、それらの間に薄板状をなす第１のはんだ材料を介在させた状態で、室温（常温）から第１の接合温度（例えば、２５０℃）に加熱することにより、第１のはんだ材料を溶融させてレーザアレイ１１を中間体１２に接合する。その際、第１のはんだ材料は、加熱後の温度降下によって硬化する。

その後、レーザアレイ１１を搭載済みの中間体１２の傾斜面１６と冷却体１３の傾斜面１９を対面させるとともに、それらの間に薄板状をなす第２のはんだ材料を介在させた状態で、室温から第１の接合温度よりも低い第２の接合温度（例えば、１５０〜１７０℃程度）に加熱することにより、第１のはんだ材料を硬化させたまま第２のはんだ材料を溶融させて中間体１２を冷却体１３に接合する。その際、第２のはんだ材料は、加熱後の温度降下によって硬化する。

中間体１２を冷却体１３に接合する場合は、中間体１２の傾斜面１６と冷却体１３の傾斜面１９にそれぞれ加工上の面荒さに伴う微細な凹凸があっても、この凹凸による両者の相対位置のずれを第２のはんだ材料の厚みで吸収することができる。また、第２のはんだ材料を間に挟んで中間体１２の傾斜面１６と冷却体１３の傾斜面１９を接合する際には、レーザアレイ１１の前端面１４側が高位で後端面２０側が低位となるように冷却体１３の傾斜面１９が傾斜するため、余分なはんだ材料が重力の作用で後方（−Ｙ方向側）に排出されやすくなる。このため、中間体１２を冷却体１３にはんだ接合する場合に、レーザアレイ１１の前端面１４側へのはんだ材料の漏出を抑制することができる。

上記構成からなるレーザモジュール１０においては、Ｙ軸方向で中間体１２を厚み寸法を比較した場合に、レーザアレイ１１の前端面１４に近いＹ方向端側の厚み寸法よりも、レーザアレイ１１の後端面２０に近い−Ｙ方向端側の厚み寸法の方が大きくなっている。

これに対して、レーザアレイ１１を駆動した場合は、レーザ光の出射とともにレーザアレイ１１が多量の熱を発生する。この熱は特に各々の半導体レーザ素子の発光点で集中的に発生する。このため、レーザアレイ１１で発生した熱は、発光点の直下に伝播しやすく、後端面２０側にはそれほど拡散しない。このことから、レーザアレイ１１の共振器長方向（Ｙ軸方向）においては、後端面２０側に比較して前端面１４側の方が排熱の寄与率が格段に高くなる。

したがって、上述したように複数の発光点が並ぶレーザアレイ１１の前端面１４に近いＹ方向端側で中間体１２の厚み寸法を相対的に小さく（薄く）することにより、そこでの熱抵抗が低くなるため、レーザアレイ１１で発生した熱を高い排熱効率をもって冷却体１３に逃がすことができる。特に、中間体１２のくさび形状部１７の先端をＶ字形に形成し、レーザアレイ１１と中間体１２の位置関係として、くさび形状部１７の先端の直上に発光点を位置させた場合は、発光点直下における中間体１２の厚み寸法“Ｔ”が実質的に零に近い値（０＜Ｔ＜１０μｍ）となる。このため、より高い排熱効率をもってレーザアレイ１１から冷却体１３に熱を逃がすことができる。

また、中間体１２の厚み寸法は、Ｙ方向端から−Ｙ方向端に向かって徐々に大きくなっており、それにつれて中間体１２が厚肉になっているため、中間体を一様な厚みで薄い板状に形成する場合に比較して、中間体１２全体の機械的強度を高めることができる。その結果、レーザアレイ１１を中間体１２を介して冷却体１３に実装してなるレーザモジュール１０において、レーザアレイ１１から冷却体１３への高い排熱効率と中間体１２の機械的強度の確保を両立させることができる。また、中間体１２の−Ｙ方向端の厚み寸法は十分に大きな寸法（数百μｍ以上）となるため、レーザモジュール１０の製造工程で中間体１２の取り扱い（例えば、ハンドリングなど）が容易になる。

さらに、中間体１２の素子搭載面１５と冷却体１３の実装基準面１８が平行になるように、中間体１２の傾斜面１６と冷却体１３の傾斜面１９を対面させて、冷却体１３に中間体１２を搭載しているため、冷却体１３の実装基準面１８と平行な向きで中間体１２にレーザアレイ１１を搭載することができる。したがって、レーザモジュール１０を図示しないベース部材に実装する場合に、当該ベース部材上で冷却体１３の実装基準面１８を基準にレーザアレイ１１を水平な向きで取り付けることができる。

また、図３に示すように、仮に実装基準面１８と傾斜面１９が平行な四角柱状の冷却体１３に中間体１２を搭載した場合は、中間体１２のくさび形状部１７の傾斜角度θ１にしたがって、レーザアレイ１１の前端面１４と冷却体１３のＹ方向端の端面とのなす角度が１８０°未満の角度（具体的には、１８０°−θ１）となる。このため、レーザアレイ１１を駆動した場合に、各々の半導体レーザ素子の発光点から出射したレーザ光Ｌｂが冷却体１３の角にぶつかって“ケラレ”が発生し、半導体レーザ素子の特性劣化や破損などを引き起こす恐れがあるが、上記図２に示すような形態で中間体１２を冷却体１３に搭載すれば、レーザ光Ｌｂが冷却体１３の角に当たることが皆無となるため、そうした不具合を避けることができる。

図４は本発明の実施形態に係るレーザモジュールの第１変形例を説明する要部拡大側面図である。この第１変形例においては、素子搭載面１５と傾斜面１６によって中間体１２に形成されたくさび形状部１７の先端に切り欠き部２１が形成されている。切り欠き部２１は、素子搭載面１５から傾斜面１６に向かって垂直に切り欠かれている。切り欠き部２１は素子搭載面１５と垂直な平面で形成されており、この切り欠き部（切り欠き面）２１と同一平面をなすようにレーザアレイ１１の前端面１４が配置されている。切り欠き部２１のＺ軸方向の寸法は、例えば１０〜１００μｍ、好ましくは１０〜５０μｍ、さらに好ましくは１０〜３０μｍの範囲に設定される。

このように中間体１２の構成として、くさび形状部１７の先端に切り欠き部２１を設けることにより、くさび形状部１７の先端が物理的な接触などで欠損することを有効に防止することができる。このため、レーザモジュール１０の製造工程で中間体１２の取り扱いがますます容易になる。また、レーザアレイ１１の発光点の直下には少なくとも上記数値例で示した程度の厚み寸法で中間体１２の一部が存在するため、その部分で応力緩和効果が得られる。

図５は本発明の実施形態に係るレーザモジュールの第２変形例を説明する側面図である。この第２変形例においては、中間体１２の傾斜面１６の一部に凹面部１６Ａが設けられ、これに対応して冷却体１３の傾斜面１９の一部に凸面部１９Ａが設けられている。凹面部１６Ａと凸面部１９Ａは、側面方向から見て互いに同じ曲率で円弧状に形成されている。また、凹面部１６Ａと凸面部１９Ａは、互いに対面する状態ではんだ材料により接合されている。

このように中間体１２の傾斜面１６と冷却体１３の傾斜面１９に、それぞれ凹面部１６Ａと凸面部１９Ａを形成して対面させることにより、はんだ材料を用いて中間体１２と冷却体１３を接合する際に、冷却体１３の傾斜面１９に沿う方向で凹面部１６Ａと凸面部１９Ａを摺り合わせることにより、中間体１２と冷却体１３の相対位置を自己整合的に合わせることができる。

なお、ここでは中間体１２の傾斜面１６に凹面部１６Ａを設け、冷却体１３の傾斜面１９に凸面部１９Ａを設けているが、これに限らず、中間体１２の傾斜面１６に凸面部を設け、これに対応して冷却体１３の傾斜面１９に凹面部を設けるようにしてもよい。

図６は本発明の実施形態に係るレーザモジュールの第３変形例を説明する側面図である。この第３変形例においては、中間体１２のくさび形状部１７の先端に上記第１変形例と同様に切り欠き部２１が設けられている。また、中間体１２のＹ軸方向の寸法と、冷却体１３のＹ軸方向の寸法が、互いに同じ寸法に設定されている。そして、Ｙ軸方向においては、中間体１２のＹ方向端の端面となる切り欠き部２１と冷却体１３のＹ方向端の端面が同一平面をなして配置されるとともに、中間体１２の−Ｙ方向端の端面と冷却体１３の−Ｙ方向端の端面が同一平面をなして配置されている。

図７は本発明の実施形態に係るレーザモジュールの第４変形例を説明する側面図である。この第４変形例においては、中間体１２は、断面（Ｘ軸方向の端面）が台形をなす四角柱状に形成されている。中間体１２には、上記同様に素子搭載面１５と傾斜面１６によってＶ字形のくさび形状部１７が形成されている。この中間体１２は、その母材となる四角柱状の部材２２を角度θ１で斜めに切断することにより得られる。このため、中間体１２の加工が容易なものとなる。

図８は本発明の実施形態に係るレーザモジュールの第５変形例を説明する側面図である。この第５変形例においては、中間体１２の厚肉側に複数（図例では３つ）のビア２３が形成されている。各々のビア２３は、中間体１２に埋め込まれた状態で金属製の柱状に形成されている。これらのビア２３はＸ軸方向に所定の間隔で並んでいる。各々のビア２３は、Ｚ軸方向と平行な向きで柱状に形成されている。各々のビア２３のＺ軸方向の一端は素子搭載面１５に露出した状態に配置され、同他端は傾斜面１６に露出した状態に配置されている。

このように中間体１２の厚肉側に導通路となるビア２３を設けることにより、例えば中間体１２をＡｌＮなどのセラミック系材料で構成し、且つ中間体１２の表面を金属薄膜によってメタライズした場合に、レーザアレイ１１が搭載される素子搭載面１５のメタライズ層と、冷却体１３に接合される傾斜面１６のメタライズ層とが、ビア２３によって電気的に接続された状態となるため、レーザアレイ１１と冷却体１３の間に介在する中間体１２の実効的な電気抵抗を大幅に下げることができる。このため、メタライズだけで電圧上昇を回避できない状況にあっても、ビア２３の存在による低抵抗化によって電圧上昇を回避することができる。

なお、本発明の実施形態においては、複数の半導体レーザ素子を一体に有するレーザアレイ１１を用いてレーザモジュール１０を構成したが、本発明はこれに限らず、単一の半導体レーザ素子を構成するレーザチップを中間体を介して冷却体に実装する場合にも適用可能である。

本発明の実施形態に係るレーザモジュールの構成を示す平面図である。 本発明の実施形態に係るレーザモジュールの構成を示す側面図である。 冷却体の構造を変更した場合に起こり得る不具合を説明する図である。 本発明の実施形態に係るレーザモジュールの第１変形例を説明する要部拡大側面図である。 本発明の実施形態に係るレーザモジュールの第２変形例を説明する側面図である。 本発明の実施形態に係るレーザモジュールの第３変形例を説明する側面図である。 本発明の実施形態に係るレーザモジュールの第４変形例を説明する側面図である。 本発明の実施形態に係るレーザモジュールの第５変形例を説明する側面図である。 従来のレーザモジュールの構成を示す正面図である。

符号の説明

１０…レーザモジュール、１１…レーザアレイ、１２…中間体、１３…冷却体、１５…素子搭載面、１６…傾斜面、１７…くさび形状部、１８…実装基準面、１９…傾斜面、２１…切り欠き部、２３…ビア

Claims (7)

1. 共振器長方向の一方端に発光点を有するレーザ素子と、
   前記レーザ素子を搭載する中間体と、
   前記中間体を搭載する冷却体とを備え、
   前記中間体の厚み寸法は、前記共振器長方向の一方端側に比較して他方端側が大きい
   ことを特徴とするレーザモジュール。
2. 前記中間体は、前記レーザ素子が搭載される第１面と、前記第１面に対して９０°未満の所定角度で傾斜した第２面とを有し、
   前記冷却体は、第３面と、前記第３面に対して前記所定角度と同じ角度で傾斜した第４面とを有し、
   前記中間体の第１面と前記冷却体の第３面が平行になるように、前記中間体の第２面と前記冷却体の第４面を対面させた状態で、前記冷却体に前記中間体を搭載してなる
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザモジュール。
3. 前記中間体は、前記第１面と前記第２面によって形成されるくさび形状部を有するとともに、前記くさび形状部の先端の直上に前記発光点が位置する状態で前記中間体を搭載してなる
   ことを特徴とする請求項２記載のレーザモジュール。
4. 前記中間体のくさび形状部の先端をＶ字形に形成してなる
   ことを特徴とする請求項３記載のレーザモジュール。
5. 前記中間体のくさび形状部の先端に切り欠き部を形成してなる
   ことを特徴とする請求項３記載のレーザモジュール。
6. 前記中間体の第２面及び前記冷却体の第４面のうち、一方の面は凹面部を有し、他方の面は凸面部を有する
   ことを特徴とする請求項２記載のレーザモジュール。
7. 前記中間体の厚肉側に、前記第１面及び前記第２面に両端部を露出させた状態で導通路を形成してなる
   ことを特徴とする請求項２記載のレーザモジュール。

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