JP2010177518A - Stem for semiconductor laser device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レーザ装置用ステムに関し、より特定的には、光ディスクプレーヤや光ディスクレコーダに用いられる半導体レーザ装置における、半導体レーザ素子を搭載するステムの構造的な改良に関する。 The present invention relates to a stem for a semiconductor laser device, and more particularly to a structural improvement of a stem in which a semiconductor laser element is mounted in a semiconductor laser device used in an optical disc player or an optical disc recorder.
近年、CD、DVD、及びブルーレイディスク等の光ディスクの読み取りや書き込みを行う、光ディスクプレーヤや、光ディスクレコーダの普及が目覚しい。
光ディスクプレーヤや光ディスクレコーダは、光ディスクに記録された情報を読み取るため、あるいは光ディスクに情報を記録するために、レーザ光を放射する装置として半導体レーザ装置を利用しているものが多い。
半導体レーザ装置は、レーザ光の発生源である半導体レーザ素子を備え、この半導体レーザ素子の発熱が大きい為に、半導体レーザ素子が搭載される半導体レーザ装置用ステムには高い放熱性能が求められる。
In recent years, the spread of optical disc players and optical disc recorders that read and write optical discs such as CDs, DVDs, and Blu-ray discs has been remarkable.
Many optical disc players and optical disc recorders use a semiconductor laser device as a device that emits laser light in order to read information recorded on the optical disc or record information on the optical disc.
The semiconductor laser device includes a semiconductor laser element that is a generation source of laser light. Since the semiconductor laser element generates a large amount of heat, the semiconductor laser device stem on which the semiconductor laser element is mounted is required to have high heat dissipation performance.
従来の半導体レーザ装置用ステムとしては、金属製シェル上面の略中央に当該シェルよりも高い熱伝導率を有する金属からなり、当該シェル内に埋め込まれて立設されたレーザダイオード設置台と、当該シェル底面側に備えられたアースリード線とを有するレーザダイオード用ハーメチック端子(半導体レーザ装置用ステムに相当)が開示されている(特許文献1を参照)。 As a conventional stem for a semiconductor laser device, a laser diode mounting base that is made of a metal having a higher thermal conductivity than that of the shell at a substantial center of the upper surface of the metal shell, A hermetic terminal for a laser diode (corresponding to a stem for a semiconductor laser device) having an earth lead wire provided on the bottom side of the shell is disclosed (see Patent Document 1).
図9は、従来の半導体レーザ装置用ステム100の一例を示す斜視図である。図10は、半導体レーザ装置用ステム100を図9中のX1−X2線に沿って切断し矢印Yの方向から見た断面図である。
図9、図10において、半導体レーザ装置用ステム100は、鉄又は鉄を主成分とする鉄合金からなる円板状の金属ベース101(特許文献1の金属製シェルに相当)に、同じく鉄又は鉄合金からなる第1絶縁リード102と第2絶縁リード103とが貫通し、それぞれ第1絶縁ガラス104と第2絶縁ガラス105とによって金属ベース101との隙間が充填されて両者間を絶縁しつつ封着されている。また金属ベース101には、銅又は銅を主成分とする銅合金からなるヒートシンク106(特許文献1のレーザダイオード設置台に相当)が埋め込まれ、鉄又は鉄合金からなるアースリード107とともに、ろう材108を介して固着されている。また、ヒートシンク106には、半導体レーザ素子109が固着されている。
FIG. 9 is a perspective view showing an example of a
9 and 10, a
上記従来の半導体レーザ装置用ステム100によれば、熱導伝導率が高いヒートシンク106の下部を金属ベース101に埋め込んでいるので、ヒートシンク106の上部(金属ベース101から突出した部分)を大きくすることなく、ヒートシンク106の体積を増やして全体の熱容量を増大させることができる。したがって半導体レーザ装置用ステム100の外形を大きくすることなく全体の熱容量を増大させることが可能である。
搭載する半導体レーザ素子の高出力化等による発熱量の増加に伴い、放熱性能を向上させる必要が生じたような場合には、ヒートシンクの形状を変更したり体積を増加させて熱容量を増やす等の放熱性を向上させるための対策が必要である。しかしながら、上記従来の技術の構成では、ヒートシンクを金属ベースに埋め込んでいるので、ヒートシンクの体積を増やすには、基本的に埋め込んでいる部分の体積を増やす必要があり、ヒートシンクの設計を変更するだけでなく、金属ベースの設計も同時に変更しなければならない。 If it is necessary to improve the heat dissipation performance as the amount of heat generated increases due to higher output of the semiconductor laser device to be mounted, the heat capacity can be increased by changing the shape of the heat sink or increasing the volume. Measures are required to improve heat dissipation. However, since the heat sink is embedded in the metal base in the configuration of the above-described conventional technology, in order to increase the volume of the heat sink, it is basically necessary to increase the volume of the embedded portion, and only the heat sink design is changed. In addition, the metal-based design must be changed at the same time.
このように、上記金属ベースには汎用性がほとんどないため、例えばヒートシンクの熱容量が異なる複数の製品のラインナップを揃えるような場合に、金属ベースを共通部品とすることができず、総部品点数を抑えることができない。
なお、金属ベースの設計を変更せずに、ヒートシンクの設計を変更するだけでヒートシンクの体積を増やすことも不可能ではないと思われるが、実際のところヒートシンクの形状及び体積は、この金属ベースに埋め込まれている部分によって大きく制約され、また形状が複雑になる等の問題も生じ得るため、甚だ現実的ではない。
As described above, since the metal base has almost no versatility, the metal base cannot be used as a common component when, for example, a lineup of a plurality of products having different heat capacities is used. It cannot be suppressed.
Although it seems that it is not impossible to increase the volume of the heat sink by simply changing the heat sink design without changing the metal base design, the shape and volume of the heat sink actually depends on this metal base. Since it is greatly restricted by the embedded portion and may have problems such as a complicated shape, it is not practical.
それ故に、本発明の目的は、高い放熱性と高い汎用性とを有する半導体レーザ装置用ステムを提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a stem for a semiconductor laser device having high heat dissipation and high versatility.
本発明は、半導体レーザ素子が搭載される半導体レーザ装置用ステムに向けられている。そして上記課題を解決するために、本発明の半導体レーザ装置用ステムは、金属ベース、絶縁リード、及びヒートシンクで構成される。
金属ベースは少なくとも第1主面と第2主面とを有する。絶縁リードは、第1主面と第2主面とを貫通するように設けられる。ヒートシンクは、半導体レーザ素子を固着させる設置面を有し、かつ、当該半導体レーザ素子から発生する熱の放射を促進させる。
ここで、金属ベースとヒートシンクとが、金属ベースにおける第1主面及び第2主面以外の外周面の一部と、ヒートシンクにおける外表面の一部とにおいて接合されている。
The present invention is directed to a semiconductor laser device stem on which a semiconductor laser element is mounted. In order to solve the above problems, the stem for a semiconductor laser device according to the present invention includes a metal base, an insulating lead, and a heat sink.
The metal base has at least a first main surface and a second main surface. The insulating lead is provided so as to penetrate the first main surface and the second main surface. The heat sink has an installation surface to which the semiconductor laser element is fixed, and promotes radiation of heat generated from the semiconductor laser element.
Here, the metal base and the heat sink are joined at a part of the outer peripheral surface other than the first main surface and the second main surface of the metal base and a part of the outer surface of the heat sink.
好ましくは、金属ベースにおける上記外周面の一部、及び、ヒートシンクにおける上記外表面の一部に、接合材を介さずに、互いに直接接触して位置決めに供する部分を含むとよい。
好ましくは、金属ベースにおける上記外周面の一部、及び、ヒートシンクにおける上記外表面の一部に、互いに契合する形状の段差が形成されているとよい。
Preferably, a part of the outer peripheral surface of the metal base and a part of the outer surface of the heat sink include a portion that is in direct contact with each other without using a bonding material.
Preferably, a step having a shape engaging with each other may be formed on a part of the outer peripheral surface of the metal base and a part of the outer surface of the heat sink.
以上のように、本発明においては、ヒートシンクの体積や形状が、従来のように金属ベースに埋め込まれている部分において制約されることがないので、ヒートシンクの体積や形状を、金属ベースの設計を変更せずに、半導体レーザ素子の出力や使用条件等に応じて適宜変更することが容易であり、また高い放熱性が要求されるような場合でも容易に対応できる。よって、高い放熱性と高い汎用性とを有する半導体レーザ装置用ステムを提供することができる。 As described above, in the present invention, since the volume and shape of the heat sink are not restricted in the portion embedded in the metal base as in the past, the volume and shape of the heat sink can be designed with the metal base. Without being changed, it is easy to change appropriately according to the output of the semiconductor laser element, the use conditions, etc., and even when high heat dissipation is required, it can be easily dealt with. Therefore, a semiconductor laser device stem having high heat dissipation and high versatility can be provided.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体レーザ装置用ステム10の斜視図である。図2は、半導体レーザ装置用ステム10を図1中の矢印Xの方向から見た正面図である。図3は、半導体レーザ装置用ステム10を図1中の矢印Yの方向から見た右側面図である。図4は、半導体レーザ装置用ステム10を図1中の矢印Zの方向から見た上面図である。図5は、半導体レーザ装置用ステム10を図1中の矢印Z‘の方向から見た下面図である。図6は、半導体レーザ装置用ステム10を図1中のX1−X2線に沿って切断し矢印Yの方向から見た断面図である。図7は、半導体レーザ装置用ステム10を図1中のY1−Y2線に沿って切断し矢印Xの方向から見た断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view of a
半導体レーザ装置用ステム10は、半導体レーザ素子を搭載して半導体レーザ装置を構成するためのステムであって、図1〜図7において、金属ベース11、第1絶縁リード12、第2絶縁リード13、第1絶縁ガラス14、第2絶縁ガラス15、ヒートシンク16、アースリード17、及びろう材18を備える。なお、各図には、半導体レーザ素子を固着する位置を明確にするために、半導体レーザ素子19を記載している。また、半導体レーザ素子19は、ヒートシンク16に固着された後で、第1絶縁リード12、及び第2絶縁リード13と結線され(図示せず)、その上方がレーザ放射用の窓を有する蓋等で覆われ、レーザ光の経路や焦点を調整する機能を有する光ピックアップ装置に組み込まれる。
A semiconductor
図8は、図6に準ずる断面において、金属ベース11と、ヒートシンク16とを分離させた状態を示す断面図である。
金属ベース11は、板状の鉄又は鉄を主成分とする合金製であり、図1中上側の第1主面から図1中下側の第2主面にかけて直径が1.0〜3.0mm程度の2つの貫通孔11a、11bが形成され、また第1主面と第2主面との間に位置する、第1主面及び第2主面以外の外周面の一部、及びその周辺に、接合部11c、11d、11eが設けられている。金属ベースの形状は一般的に円盤形状が多いが、ここでは、ヒートシンク16と接合した際に扱いやすい形状となるように、直径8〜12mm、板厚1.0〜2.0mm程度の半円形より少し大きめの弓形の平板形状にしている。また、この弓形の弦にあたる部分に段差を付けて、この段差の部分を、第1主面に近い側から順に接合部11c、11d、11eとしている。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a state in which the
The
第1絶縁リード12、及び第2絶縁リード13は、直径が0.5〜1.0mm程度の棒状の鉄又は鉄を主成分とする合金であり、貫通孔11a、11bのそれぞれを貫通する。
第1絶縁ガラス14、及び第2絶縁ガラス15は、二酸化珪素や酸化アルミからなるソーダバリウムや硼珪酸ガラスからなり、それぞれ第1絶縁リード12と金属ベース11との隙間、及び第2絶縁リード13と金属ベース11との隙間を充填して封着し、両者間を絶縁する。
The first
The first
ヒートシンク16は、一般的に熱伝導率が高いとされる金属である銅、銀、タングステン、モリブデン、及びアルミニウムや、これらを主成分とする合金製であり、半導体レーザ素子19を設置するための平滑な設置面16aを有し、当該設置面16aの下側に隣接して順に接合部16b、16c、16dが設けられており、半導体レーザ素子19を固着し、かつ、半導体レーザ素子19から発生する熱の放射を促進させる。ヒートシンク16の形状は、少なくとも半導体レーザ素子を設置するための平滑な面と、金属ベースと契合する形状の接合部分とを有していれば如何なる形状でもよい。ここでは、高い放熱性を備えつつ、かつ最終的な製品になったときに出来るだけ嵩張らずコンパクトになるようにするために、例えば、ヒートシンク16を直径7.5〜11.5mm、高さ3.0〜6.0mm程度の、底面が半円形より少し小さめの弓形の柱形状にしている。また、この弓形の弦にあたる外表面の部分の上部を設置面16aとし、下部に段差を付けて、この段差の部分を、設置面16aに近い側から順に接合部16b、16c、16dとしている。そして上記した弓形の平板形状の金属ベース11と、底面が弓形の柱形状のヒートシンク16とを、お互いの弓形における弦にあたる部分同士を接合させることにより、最終的な製品になったときの形状が略円柱形状となるようにしている。またヒートシンク16におけるアースリード17側の底部16eの面積を広くとって、外部に直接露出する面積を大きくし、放熱性を高めている。また例えば、ヒートシンク16の表面に凹凸を形成して表面積を増やすことにより、さらに放熱性を高めることもできる。
The
なお、ここでは金属ベース11よりもヒートシンク16の方が熱伝導率が高い材料を用いている。金属ベース11とヒートシンク16の材料の熱伝導率が異なる場合には、ヒートシンク16の熱伝導率を高くした方が放熱性能に関しては有利であるが、まったく同じ材料や、熱伝導率が同程度の材料を用いても構わないし、熱伝導率以外の理由により結果的に金属ベース11の熱伝導率の方が高くなるようなことがあるかもしれない。
Here, the
例えばヒートシンク16に銅を用いた場合には、金属ベース11に銅を用いると絶縁リードの封着に強度不足等の難があるので、金属ベース11の材料をヒートシンク16と同じ材料にすることはできず、扱い易さやコスト面から考えると、今のところ、金属ベース11は鉄又は鉄を主成分とする合金製とするのが望ましい。したがって、ヒートシンク16に一般的に熱伝導率が高いとされる銅などの金属を用いると、必然的に金属ベース11よりもヒートシンク16の方が熱伝導率が高い材料を用いることになる。
For example, when copper is used for the
アースリード17は、第1絶縁リード12及び第2絶縁リード13と同様に、直径が0.5〜1.0mm程度の棒状の鉄又は鉄を主成分とする合金であり、ヒートシンク16の底部16eにろう付け等により固着されている。
ろう材18は、金属ベース11における接合部11eと、ヒートシンク16における接合部16dとをろう付けにより固着することによって、金属ベース11とヒートシンク16とを接合する接合材である。
Similarly to the first insulating
The
ここで、金属ベース11とヒートシンク16とを接合するろう材18や、ヒートシンク16とアースリード17とを固着する際に用いるろう材(図示せず)には、ニッケル・リン(共晶点:約900〜950℃)や、共晶ろう(銅・銀、共晶点:約800℃)等が適している。
Here, the
また、金属ベース11における接合部11c、11d,11eと、ヒートシンク16における接合部16b、16c、16dとは、図8等に示すように、互いに契合する形状の段差を形成しており、より詳細には、接合部11c、11dがなす形状と、接合部16b、16cがなす形状とを隙間なく合わせたときに、接合部11eと接合部16dとの間に、ろう材18を溜めるための隙間が空くようにしている。
なお、金属ベース11とヒートシンク16とを、ろう付けではなく、例えばカシメ付け等の他の方法により接合してもよい。
Further, the
The
以上のような構造にすることで、第1の実施形態に係る半導体レーザ装置用ステムは、接合部11c、11dがなす形状と、接合部16b、16cがなす形状とを、ろう材18等の接合材を介さずに隙間なく合わせ、互いに直接接触させて位置決めに供させるとともに、接合部11eと接合部16dとを、ろう材18を介して固着することによって、ろう材18の厚さのばらつきによる誤差を実質的に無くしている。
With the structure as described above, the stem for the semiconductor laser device according to the first embodiment has the shape formed by the
また、第1の実施形態に係る半導体レーザ装置用ステムは、ヒートシンク16の底部16eの面積を広くとることができるので、外部に直接露出する面積が増え、ヒートシンク16の放熱性を高めることができる。さらに、光ピックアップに組み込む際に、この底面16eを熱導電性のよい部材に接触させることによって、さらにヒートシンク16の放熱性を高めることができ、また、この底面16eを基準に光ピックアップに組み込めば、金属ベース11とヒートシンク16との位置ずれによる誤差を実質的に無くすことができる。
Further, the stem for the semiconductor laser device according to the first embodiment can increase the area of the
また、第1の実施形態に係る半導体レーザ装置用ステムは、ヒートシンク16の体積や形状が、従来のように金属ベースに埋め込まれている部分において制約されることがないので、ヒートシンク16の体積や形状を、金属ベースの設計を変更せずに、半導体レーザ素子の出力や使用条件等に応じて適宜変更することが比較的容易であり、高い放熱性が要求されるような場合にも容易に対応できる。また例えば、光ディスクプレーヤや光ディスクレコーダ等の装置側における半導体レーザ装置が組み込まれるスペースの形状に合致するように、ヒートシンク16の形状を適宜設計することもでき、このようにすれば、限られたスペースを有効に利用して、ヒートシンク16の体積を増やすことが容易にできる。
In the semiconductor laser device stem according to the first embodiment, the volume and shape of the
また、従来のようにヒートシンクを金属ベースに埋め込む場合に比べて、第1の実施形態に係る半導体レーザ装置用ステムは、金属ベースとヒートシンクとの接合部分の加工が容易なので精度が出し易いと考えられ、よって組み立て精度においても優れていると思われる。 In addition, compared with the conventional case where the heat sink is embedded in the metal base, the semiconductor laser device stem according to the first embodiment is considered to be more accurate because the joint portion between the metal base and the heat sink is easily processed. Therefore, it seems that the assembly accuracy is also excellent.
本発明の半導体レーザ装置用ステムは、ヒートシンクの形状等の設計変更が容易で高い汎用性を有することから、あらゆるタイプの半導体レーザ装置等に利用可能であり、また高い放熱性を有することから、特に高出力の半導体レーザ装置に適している。 The stem for the semiconductor laser device of the present invention is easy to change the design such as the shape of the heat sink and has high versatility, so it can be used for all types of semiconductor laser devices and the like, and has high heat dissipation. It is particularly suitable for high output semiconductor laser devices.
10 半導体レーザ装置用ステム
11 金属ベース
11a、11b 貫通孔
11c、11d、11e 接合部
12 第1絶縁リード
13 第2絶縁リード
14 第1絶縁ガラス
15 第2絶縁ガラス
16 ヒートシンク
16a 設置面
16b、16c、16d 接合部
16e 底面
17 アースリード
18 ろう材
19 半導体レーザ素子
DESCRIPTION OF
Claims (3)
少なくとも第1主面と、第2主面とを有する金属ベースと、
前記第1主面と、前記第2主面とを貫通するように設けられた少なくとも1つの絶縁リードと、
前記半導体レーザ素子を固着させる設置面を有し、かつ、当該半導体レーザ素子から発生する熱の放射を促進させるヒートシンクとを備え、
前記金属ベースと前記ヒートシンクとが、当該金属ベースにおける前記第1主面、及び前記第2主面以外の外周面の一部と、当該ヒートシンクにおける外表面の一部とにおいて接合されていることを特徴とする、半導体レーザ装置用ステム。 A semiconductor laser device stem on which a semiconductor laser element is mounted,
A metal base having at least a first main surface and a second main surface;
At least one insulating lead provided so as to penetrate the first main surface and the second main surface;
A heat sink that has an installation surface for fixing the semiconductor laser element, and that promotes radiation of heat generated from the semiconductor laser element;
The metal base and the heat sink are joined at a part of the outer peripheral surface other than the first main surface and the second main surface of the metal base and a part of the outer surface of the heat sink. A stem for a semiconductor laser device.
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JP2015149363A (en) * | 2014-02-05 | 2015-08-20 | 株式会社デンソー | semiconductor module |
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2009
- 2009-01-30 JP JP2009019753A patent/JP2010177518A/en active Pending
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