JP2011029387A - 光半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】複数のＬＤ（レーザダイオード素子）に供給される電力を均一化することができるレーザ半導体モジュールを得ること。
【解決手段】表面にカソード側端子を含むカソード側導電パターンが形成された大型サブマウント８と、大型サブマウント８の表面上に配設され、表面にアノード側端子を含むアノード側導電パターンが形成された小型サブマウント７と、大型サブマウント８の表面にアレイ状に配設した複数のＬＤ５と、アノード側導電パターンと各ＬＤ５とを接続する複数のボンディング線１０と、を備え、カソード側端子およびアノード側端子は、列設する複数のＬＤ５と平行となるよう列設方向に延在して形成されており、複数のボンディング線１０は、それぞれ同長に形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の光ダイオード素子をアレイ状に列設した光半導体モジュールに関するものである。

従来、光半導体モジュールにおいて、大きな光出力を得るべく、光ダイオード素子（例えば、レーザダイオード素子：ＬＤ）を複数並べて構成したＬＤバーを、サブマウント上に配設して構成された光半導体モジュールが知られている。このように、構成された光半導体モジュールとしては、例えば、特許文献１に示すものがある。

特許文献１に示す半導体レーザ素子（光半導体モジュール）は、２つのレーザ発光部（ＬＤ）を有するレーザダイオード（ＬＤバー）と、ＬＤバーのカソード側に当接する導電性のサブマウントと、各ＬＤのアノード側に一端が接続された２つの導線（ボンディング線）と、各ボンディング線の他端に接続された２つのピンと、サブマウントと導通して固定すると共にピンと絶縁して固定するステムと、ＬＤバーを気密封止するキャップと、を備えている。そして、ピンおよびステムに電力を供給することで、光半導体モジュールを発光させている。

特開２００１−２１５４２５号公報

ところで、上記従来の光半導体モジュールの構成では、ステムに高電圧が加わるため、好ましくない。このため、好適な光半導体モジュールの構成として、サブマウントを絶縁材料とし、ステムをＧＮＤ電位とすると共に、ＬＤバーに電力を供給すべく、サブマウントの表面に導電性パターンを形成する光半導体モジュールがある。この光半導体モジュールでは、サブマウントの表面に形成された導電性パターンとＬＤバーとをボンディング線により接続している。

しかしながら、このような光半導体モジュールにおいて、ＬＤバーのＬＤの個数が、例えば、３つ以上となった場合、サブマウントの形状や導電性パターンの形状等によって、各ボンディング線の長さがそれぞれ異なってしまう。各ボンディング線の長さがそれぞれ異なってしまうと、各ボンディング線に生ずる抵抗が異なってしまい、各ＬＤに供給される電力が不均一となってしまうため、各ＬＤに発生する発熱量にバラツキが生じてしまう。また、各ＬＤの出力光の波長は熱によって変化してしまうことから、各ＬＤの発熱量がバラつくことで、各ＬＤの出力光の波長はバラつき、また、各ＬＤの発熱量が異なることで、低温のＬＤに対し高温のＬＤのほうが、寿命が短くなってしまうことから、各ＬＤの寿命にもバラツキが生じていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数の光ダイオード素子に供給される電力のバラツキを抑制し、各光ダイオード素子に発生する発熱量や出力光の波長のバラツキを低減することができる光半導体モジュールを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、絶縁性基板で構成され、その表面に第１端子を含む第１導電パターンが形成された第１サブマウントと、第１サブマウントの表面上に配設されると共に絶縁性基板で構成され、その表面に第２端子を含む第２導電パターンが形成された第２サブマウントと、第１サブマウントの表面に形成された第１導電パターンに一方の電極を接触させてアレイ状に並べて列設させた複数の光ダイオード素子と、第２サブマウントの表面に形成された第２導電パターンと、各光ダイオード素子の他方の電極とを接続する複数のボンディング線と、を備え、第１端子および第２端子は、列設する複数の光ダイオード素子と平行となるように、複数の光ダイオード素子の列設方向に延在して形成されており、複数のボンディング線は、それぞれ同長に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、複数のボンディング線をそれぞれ同長に形成できるため、各光ダイオード素子に供給される電力を均一化することができ、これにより、各光ダイオード素子に発生する発熱量や出力光の波長のバラツキを低減することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかるレーザ半導体モジュールの構造を模式的に表した概略構成図である。 図２は、レーザ半導体モジュールの各サブマウント周りを表した外観斜視図である。 図３は、大型サブマウントおよび小型サブマウントを示す外観斜視図である。 図４は、レーザ半導体モジュールの組立工程の途中を説明する説明図である。 図５は、レーザ半導体モジュールの組立工程の途中を説明する説明図である。 図６は、レーザ半導体モジュールの組立工程の途中を説明する説明図である。 図７は、実施の形態２にかかるレーザ半導体モジュールの各サブマウント周りを表した概略構成図である。 図８は、大型サブマウントを示す概略構成図である。

以下に、本発明にかかる光半導体モジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる光半導体モジュールの実施の形態１の構造を示す概略構成図であり、図２は、光半導体モジュールの各サブマウント周りの構造を示す外観斜視図である。

図１および図２に示すように、実施の形態１にかかる光半導体モジュールは、いわゆる、レーザーアレイを光源とするレーザ半導体モジュール１であり、マルチビームを照射可能に構成されている。レーザ半導体モジュール１は、複数のレーザーダイオード（光ダイオード素子：ＬＤ）５を有するＬＤバー６と、ＬＤバー６に対し所定間隔を空けて対向するように配設された小型サブマウント（第２サブマウント）７と、ＬＤバー６および小型サブマウント７を一方の面（表面）に配設した大型サブマウント（第１サブマウント）８と、大型サブマウント８の他方の面（裏面）に配設されたヒートシンク９と、を備えており、複数のＬＤ５と小型サブマウント７とは、複数のボンディング線１０により接続されている。

また、レーザ半導体モジュール１は、小型サブマウント７にリボン１２を介して接続された２つのアノード側ピン１３ａと、大型サブマウント８にリボン１２を介して接続された２つのカソード側ピン１３ｂと、ヒートシンク９および各ピン１３ａ，１３ｂを固定するステム１４と、を備え、ステム１４上に配設されるキャップ１５により、これらを気密に封止している。

ＬＤバー６は、複数のＬＤ５をアレイ状に並べて列設したものであり、具体的に、例えば、波長が６４５ナノメータで発振するＬＤを１０個並べたものである。そして、ＬＤバー６は、各ＬＤ５のカソード側の面（裏面）を大型サブマウント８へ当接させて配設される。

小型サブマウント７は、例えば、窒化アルミニウム等を材料とした絶縁性基板で構成されており、複数のＬＤ５の列設方向に直交する直交方向に延在する長方体形状に形成されている。このとき、小型サブマウント７は、ＬＤバー６に対し、直交方向に所定間隔を空けて配設されている。そして、小型サブマウント７は、その列設方向における幅が、大型サブマウント８の幅と同じ長さに形成されている。また、図３に示すように、ボンディング線１０の他端が接続された小型サブマウント７の表面には、アノード側導電パターン（第２導電パターン）２０が金メッキにより形成されており、アノード側導電パターン２０は、アノード側ピン１３ａからリボン１２を介して供給される電力を受けるアノード側端子（第２端子）２５と、アノード側端子２５とボンディング線１０とを導通させる複数のアノード側配線（第２配線）２６と、を有している。

小型サブマウント７の表面上に形成されたアノード側端子２５は、複数のＬＤ５の列設方向に延在して形成されており、ＬＤバー６と平行となるように形成されている。また、複数のアノード側配線２６は、アノード側端子２５から各ボンディング線１０に至る直交方向の長さが同長に形成されると共に、列設方向に所定間隔を空けてそれぞれ平行に形成されている。

大型サブマウント８は、例えば、窒化アルミニウム等を材料とした絶縁性基板で構成されており、複数のＬＤ５の列設方向に直交する直交方向に延在する長方体形状に形成されている。そして、大型サブマウント８は、その表面にＬＤバー６と小型サブマウント７とが配置されており、ＬＤバー６は、大型サブマウント８の直交方向の一端部（図示下側の端部：図１参照）に配置され、小型サブマウント７は、大型サブマウント８の直交方向の中央部に配置されている。また、上記したように、大型サブマウント８は、その列設方向の幅が、小型サブマウント７の列設方向の幅と同じ長さに形成されている。このとき、大型サブマウント８に配置されたＬＤバー６は、そのカソード側が大型サブマウント８に導通する一方、大型サブマウント８に配置された小型サブマウント７は、絶縁状態となっている。

図３に示すように、ＬＤバー６のカソード側が接続された大型サブマウント８の表面には、カソード側導電パターン（第１導電パターン）３０が金メッキにより形成されており、カソード側導電パターン３０は、カソード側ピン１３ｂからリボン１２を介して供給される電力を受けるカソード側端子（第１端子）３５と、カソード側端子３５とＬＤバー６とを導通させる複数のカソード側配線（第１配線）３６と、を有している。

大型サブマウント８の表面上に形成されたカソード側端子３５は、複数のＬＤ５の列設方向に延在して形成されており、ＬＤバー６と平行となるように形成されている。また、複数のカソード側配線３６は、カソード側端子３５からＬＤバー６に至る直交方向の長さが同長に形成されると共に、列設方向に所定間隔を空けてそれぞれ平行に形成されている。

図１および図２に示すように、複数のボンディング線１０は、いわゆる金ワイヤであり、その一端をＬＤバー６の各ＬＤ５のアノード側に接続すると共に、その他端を小型サブマウント７の各アノード側配線２６に連なるようにアノード側導電パターン２０に接続している。そして、複数のボンディング線１０は、それぞれ同長に形成されており、互いに平行となるように配設されている。

よって、カソード側において、カソード側端子３５から各ＬＤ５のカソード側に至る複数のカソード側電流経路は、複数のカソード側配線３６で構成されている。一方、アノード側において、アノード側端子２５から各ＬＤ５のアノード側に至る複数のアノード側電流経路は、複数のアノード側配線２６および複数のボンディング線１０で構成されている。このとき、複数のカソード側配線３６はそれぞれ同長に形成されているため、複数のカソード側電流経路はそれぞれ同長となる。また、複数のアノード側配線２６はそれぞれ同長に形成され、複数のボンディング線１０はそれぞれ同長に形成されているため、複数のアノード側電流経路もそれぞれ同長となる。

ヒートシンク９は、銅製であり、その一端部（図示下側の端部：図１参照）の一方の面（表面）に大型サブマウント８が配設され、その他端部（図示上側の端部：図１参照）がステム１４に固定されている。

２つのアノード側ピン１３ａおよび２つのカソード側ピン１３ｂは、２つのアノード側ピン１３ａが内側に配設され、２つのカソード側ピン１３ｂが外側に配設されており、２つのアノード側ピン１３ａの間に大型サブマウント８が配設されている。そして、内側に配設された各アノード側ピン１３ａの一端部（図示下側の端部：図１参照）は、リボン１２を介してアノード側端子２５に接続され、また、外側に配設された各カソード側ピン１３ｂの一端部（図示下側の端部：図１参照）は、リボン１２を介してカソード側端子３５に接続されている。

ステム１４は、ヒートシンク９の他端部を固定すると共に、２つのアノード側ピン１３ａおよび２つのカソード側ピン１３ｂを貫通させて固定している。そして、ステム１４は、貫通する２つのアノード側ピン１３ａおよび２つのカソード側ピン１３ｂに対し、絶縁状態で固定している。これにより、ステム１４は、その一方の面側に、ヒートシンク９、大型サブマウント８、小型サブマウント７、ＬＤバー６および各ピン１３ａ，１３ｂの一端部等が設けられ、その他方の面側に、各ピン１３ａ，１３ｂの他端部が突出する。

キャップ１５は、ステム１４の一方の面側に配設されたヒートシンク９、大型サブマウント８、小型サブマウント７、ＬＤバー６および各ピン１３ａ，１３ｂの一端部等を覆うように配設されており、キャップ１５およびステム１４は、これらにより画成された空間が気密となるように封止している。

従って、２つのアノード側ピン１３ａに電力を供給すると共に、２つのカソード側ピン１３ｂに電力を供給すると、アノード側において、各アノード側ピン１３ａからリボン１２を介してアノード側端子２５に電力が入力される。アノード側端子２５に入力された電力は、複数のアノード側配線２６を通過して複数のボンディング線１０に入力された後、複数のボンディング線１０に入力された電力は、ＬＤバー６の各ＬＤ５のアノード側に入力される。一方、カソード側において、各カソード側ピン１３ｂからリボン１２を介して、カソード側端子３５に電力が入力されると、カソード側端子３５に入力された電力は、複数のカソード側配線３６を通過して、ＬＤバー６の各ＬＤ５のカソード側に入力される。これにより、ＬＤバー６の各ＬＤ５には、アノード側およびカソード側から電力が入力され、ＬＤバー６の各ＬＤ５からレーザビームが照射される。

次に、図３ないし図６を参照して、レーザ半導体モジュール１を組み立てる一連の行程について説明する。先ず、大型サブマウント８にＬＤバー６と図３に示す小型サブマウント７を載置し、大型サブマウント８上に予め形成されたＡｕ−Ｓｎ合金からなるはんだを溶融して、大型サブマウント８にＬＤバー６と小型サブマウント７を固定する（図４参照）。この後、大型サブマウント８をヒートシンク９に載置し、Ａｕ−Ｓｎ合金からなるはんだを溶融して、大型サブマウント８をヒートシンク９に固定する（図５参照）。そして、ＬＤバー６と小型サブマウント７とをボンディング線１０でワイヤボンディングする（図６参照）。続いて、ヒートシンク９をステム１４に取り付けると共に各ピン１３ａ，１３ｂをステム１４に取り付け、各アノード側ピン１３ａと小型サブマウント７との間にリボン１２を掛け渡して、リボン１２の両端部を各アノード側ピン１３ａと小型サブマウント７とにそれぞれはんだ付けする。同様に、各カソード側ピン１３ｂと大型サブマウント８との間にリボン１２を掛け渡して、リボン１２の両端部を各カソード側ピン１３ｂと大型サブマウント８とにそれぞれはんだ付けする。最後に、キャップ１５によりＬＤバー６周りを覆った状態で、キャップ１５とステム１４とを溶接する（図１参照）。

以上の構成によれば、複数のボンディング線１０をそれぞれ同長とすることができるため、各ボンディング線１０の抵抗を同一とすることができる。これにより、各ＬＤ５に供給される電力を均一化することができ、各ＬＤ５に発生する発熱量のバラツキを低減することができる。よって、各ＬＤ５の発熱によって変化するレーザ光の波長や、各ＬＤ５の寿命のバラツキを抑制することが可能となる。

また、複数のカソード側配線３６をそれぞれ同長に形成すると共に、複数のアノード側配線２６をそれぞれ同長に形成することで、複数のカソード側電流経路をそれぞれ同長に形成することができ、また、複数のアノード側電流経路をそれぞれ同長に形成することができる。このため、各カソード側電流経路における抵抗を同一とすることができ、また、各アノード側電流経路における抵抗を同一とすることができる。これにより、各ＬＤ５に供給される電力をさらに均一化することができ、各ＬＤ５に発生する発熱量のバラツキをより低減することができる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２にかかるレーザ半導体モジュール５０について説明する。なお、重複した記載を避けるべく、異なる部分についてのみ説明する。図７は、実施の形態２にかかるレーザ半導体モジュールの各サブマウント周りにおける概略構成図であり、図８は、大型サブマウントを模式的に表した平面図である。実施の形態２にかかるレーザ半導体モジュール５０は、その大型サブマウント５１および小型サブマウント５２が、実施の形態１にかかるレーザ半導体モジュール１の大型サブマウント８および小型サブマウント７と異なる構成となっている。

以下、具体的に説明するに、図８に示すように、レーザ半導体モジュール５０の大型サブマウント５１は、平面視Ｔ字状に形成されている。つまり、大型サブマウント５１は、複数のＬＤ５の列設方向に直交する直交方向に延在する長方体形状に形成された大型サブマウント本体５１ａと、大型サブマウント本体５１ａの一端部（図示上端部）から列設方向の両側に延在する一対の大型サブマウント拡張部５１ｂと、で構成されている。そして、小型サブマウント５２は、大型サブマウント拡張部５１ｂ上に配設され、ＬＤバー６は、大型サブマウント本体５１ａの他端部（図示下端部）上に配設されている。

大型サブマウント５１の表面には、カソード側導電パターン５５が形成されている。また、カソード側導電パターン５５は、２つのカソード側ピン１３ｂからリボン１２を介して供給される電力をそれぞれ受ける２つのカソード側端子５７と、各カソード側端子５７とＬＤバー６とを導通させる複数のカソード側配線５８と、を有している。

２つのカソード側端子５７は、各大型サブマウント拡張部５１ｂの列設方向の両外側端部にそれぞれ形成されている。そして、各カソード側端子５７は、直交方向に延在して形成されている。また、複数のカソード側配線５８は、各カソード側端子５７からＬＤバー６に至るまで形成されている。

図７に示すように、小型サブマウント５２は、複数のＬＤ５の列設方向に延在する長方体形状に形成されている。このとき、小型サブマウント５２は、その列設方向における幅が、大型サブマウント５１の幅よりも短く構成されており、大型サブマウント５１（具体的には、一対の大型サブマウント拡張部５１ｂ）の列設方向の中央に配設されている。このため、小型サブマウント５２が配設された大型サブマウント５１の列設方向の両端部、つまり、各大型サブマウント拡張部５１ｂの列設方向の両外側端部は、その表面が露出した状態となっている。これにより、各大型サブマウント拡張部５１ｂに形成された各カソード側端子５７は露出する。また、小型サブマウント５２は、その直交方向における幅が、大型サブマウント５１の幅と同じ長さに形成されている。

小型サブマウント５２の表面には、アノード側導電パターン６０が形成されている。また、アノード側導電パターン６０は、アノード側ピン１３ａからリボン１２を介して供給される電力を受けるアノード側端子６５と、アノード側端子６５とボンディング線１０とを導通させる複数のアノード側配線６６と、を有している。

アノード側端子６５は、複数のＬＤ５の列設方向に延在して形成されており、ＬＤバー６と平行となるように形成されている。また、複数のアノード側配線６６は、アノード側端子６５から各ボンディング線１０に至る直交方向の長さが同長に形成されると共に、列設方向に所定間隔を空けてそれぞれ平行に形成されている。

複数のボンディング線１０は、その一端をＬＤバー６の各ＬＤ５のアノード側に接続すると共に、その他端を小型サブマウント５２の各アノード側配線６６に連なるようにアノード側導電パターン６０に接続している。そして、複数のボンディング線１０は、それぞれ同長に形成されており、互いに平行となるように配設されている。

つまり、カソード側において、カソード側端子５７から各ＬＤ５のカソード側に至る複数のカソード側電流経路は、複数のカソード側配線５８で構成されている。一方、アノード側において、アノード側端子６５から各ＬＤ５のアノード側に至る複数のアノード側電流経路は、複数のアノード側配線６６および複数のボンディング線１０で構成されている。このとき、複数のアノード側配線６６はそれぞれ同長に形成され、複数のボンディング線１０はそれぞれ同長に形成されているため、複数のアノード側電流経路はそれぞれ同長となる。

以上の構成によれば、少なくとも複数のボンディング線１０をそれぞれ同長とすることができるため、各ボンディング線１０の抵抗を同一とすることができる。これにより、各ＬＤ５に供給される電力を均一化することができ、各ＬＤ５に発生する発熱量のバラツキを低減することができる。よって、各ＬＤ５の発熱によって変化するレーザ光の波長や、各ＬＤ５の寿命のバラツキを抑制することが可能となる。

なお、上記した実施の形態１および２において、大型サブマウント８，５１には、カソード側端子３５，５７とカソード側配線３６，５８とからなるカソード側導電パターン３０，５５を形成したが、ＬＤバー６のカソード側の電位面が同電位であれば、カソード側導電パターン、特に、ＬＤバー６のカソード側に接触するカソード側導電パターンは、ベタ（つまり、面状）の導電パターンであってもよい。

以上のように、本発明にかかる光半導体モジュールは、ＬＤバーからマルチビームを照射可能なものに有用であり、特に、ＬＤバーの複数のＬＤにおける発熱のバラツキを抑制する場合に適している。

１ レーザ半導体モジュール
５ ＬＤ
６ ＬＤバー
７ 小型サブマウント
８ 大型サブマウント
９ ヒートシンク
１０ ボンディング線
１２ リボン
１３ａ アノード側ピン
１３ｂ カソード側ピン
１４ ステム
１５ キャップ
２０ アノード側導電パターン
２５ アノード側端子
２６ アノード側配線
３０ カソード側導電パターン
３５ カソード側端子
３６ カソード側配線
５０ レーザ半導体モジュール（実施の形態２）
５１ 大型サブマウント（実施の形態２）
５２ 小型サブマウント（実施の形態２）
５１ａ 大型サブマウント本体
５１ｂ 大型サブマウント拡張部
５５ カソード側導電パターン（実施の形態２）
５７ カソード側端子（実施の形態２）
５８ カソード側配線（実施の形態２）
６０ アノード側導電パターン（実施の形態２）
６５ アノード側端子（実施の形態２）
６６ アノード側配線（実施の形態２）

Claims (3)

1. 絶縁性基板で構成され、その表面に第１端子を含む第１導電パターンが形成された第１サブマウントと、
   前記第１サブマウントの表面上に配設されると共に絶縁性基板で構成され、その表面に第２端子を含む第２導電パターンが形成された第２サブマウントと、
   前記第１サブマウントの表面に形成された前記第１導電パターンに一方の電極を接触させてアレイ状に並べて列設させた複数の光ダイオード素子と、
   前記第２サブマウントの表面に形成された前記第２導電パターンと、前記各光ダイオード素子の他方の電極とを接続する複数のボンディング線と、を備え、
   前記第１端子および前記第２端子は、列設する前記複数の光ダイオード素子と平行となるように、前記複数の光ダイオード素子の列設方向に延在して形成されており、
   前記複数のボンディング線は、それぞれ同長に形成されていることを特徴とする光半導体モジュール。
2. 前記第１導電パターンには、前記第１端子から前記各光ダイオード素子の一方の電極へ至る複数の第１配線が設けられると共に、前記第２導電パターンには、記第２端子から前記各ボンディング線へ至る複数の第２配線が設けられており、
   前記複数の第１配線は、それぞれ同長に形成されていると共に、前記複数の第２配線は、それぞれ同長に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体モジュール。
3. 絶縁性基板で構成され、その表面に第１端子を含む第１導電パターンが形成された第１サブマウントと、
   前記第１サブマウントの表面上に配設されると共に絶縁性基板で構成され、その表面に第２端子を含む第２導電パターンが形成された第２サブマウントと、
   前記第１サブマウントの表面に形成された前記第１導電パターンに一方の電極を接触させてアレイ状に並べて列設させた複数の光ダイオード素子と、
   前記第２サブマウントの表面に形成された前記第２導電パターンと、前記各光ダイオード素子の他方の電極とを接続する複数のボンディング線と、を備え、
   前記第１端子は、列設する前記複数の光ダイオード素子の列設方向において、その両外側に一対形成されると共に、前記第２端子は、列設する前記複数の光ダイオード素子と平行となるように、前記複数の光ダイオード素子の列設方向に延在して形成されており、
   前記複数のボンディング線は、それぞれ同長に形成されていることを特徴とする光半導体モジュール。

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