JP2015023201A - 半導体レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザ装置のケース基本構造を変更することなく、ケースの水路を形成する領域にのみ耐水性、耐食性の高い金属を埋め込むことで、軽量で安価、且つ耐水性、耐食性が高い、アレイ型半導体レーザモジュールを提供する。【解決手段】アレイ型半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子１直下に水路４を有する水冷ヒートシンク３を配置し、水冷ヒートシンク３の下に貫通穴１６を有するステンレス台座を配置し、ステンレス台座の下に貫通穴１６を有するケース底板１７を有し、水冷ヒートシンク３の水路４、および台座７、ケース底板１７それぞれの貫通穴１６は一体となり水路４を構成する構造を特徴とする。また、ケース底板１７貫通穴近傍の材料は耐水性の高いステンレスであり、それ以外の材料が貫通穴の周りの部材よりも軽量で安価なアルミニウム合金とする。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばアレイ状レーザーダイオードチップと水冷式ヒートシンクとから構成される半導体素子モジュール関するものである。

近年、半導体レーザ装置の高出力化の進展は著しく、半導体レーザ装置は、産業用途の分野で溶接、接合および切断などの加工の用いる機器の光源として期待されている。半導体レーザ装置は、小型かつ高効率で半導体ウェハにより多数の素子を同時に生産できるので、数十Ｗ級の小型光源に適している。このような数十Ｗ級の高出力レーザの光源としては、１つのチップに隣接した複数の活性領域を形成し、このチップの端面から隣接したエミッタと呼ばれる複数の発光点を有するアレイ型半導体レーザ装置が用いられることが多い。さらに、アレイ型半導体レーザ装置から出射されるレーザ光は、数ミクロン程度に集光できるので集光性がよく、極めて微小な領域に光エネルギーを集中できるので局所的な加工に最適である。

しかしながら、アレイ型半導体レーザ装置は、数十Ｗ級の光出力で動作するために、光ディスク等に用いられる数百ｍＷ級の高出力レーザに比べて、動作電流が非常に高く活性領域での電力ロスも数十Ｗと非常に大きい。当該電力ロスは発熱として消費され、半導体レーザ素子の温度上昇を招く。当該発熱は半導体レーザ素子の信頼性劣化の要因となる。

従って、半導体レーザ素子の温度上昇を避けるために、半導体レーザ素子は、水冷式の熱伝導に優れた銅などで形成された金属製ヒートシンク上に、熱伝導の良い金属はんだにて接合し実装されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、発熱体を有するモジュールをパッケージする際、ケースの材質として放熱性が高く、且つ、加工がしやすく、安価で、耐食性が高いことからアルミニウム合金が用いられる（例えば、特許文献２参照）。

そのことから、従来のアレイ型半導体レーザ装置を有するモジュールのパッケージ化には、アルミニウム合金が用いられている。（以下、アレイ型半導体レーザ装置を有するモジュールのパッケージ化されたものをアレイ型半導体レーザモジュールと呼ぶ。）
図５は従来の半導体レーザ装置をパッケージした状態の断面図を示している。１は半導体レーザ素子を示し、２は銅板を示し、３は水冷ヒートシンクを示し、４は水路を示し、５はワイヤやリボンを示し、６は貫通穴を示し、７はＡｕメッキしたＣｕ台座を示し、８はカソード用Ｃｕブスバーを示し、９はアノード用Ｃｕブスバーを示し、１０はレンズホルダーを示し、１１はレーザ光コリメートレンズを示し、１２は光ファイバホルダーを示し、１３は光ファイバを示し、１４は貫通穴を示し、１５はポリイミドシートを示し、１８はケース蓋を示し、３１は貫通穴を示し、３２はケースを示している。

半導体レーザ素子１を、絶縁性の高いポリイミド系接着剤で接合された銅板２を有するヒートシンク３をはんだ材料によって接合する。なお、水冷ヒートシンク３はその内部にＡｕメッキした水路４を形成している。半導体レーザ素子１のｎ電極表面をワイヤやリボン５を用いて銅板２と接続させることにより、半導体レーザ装置は構成される。

当該半導体レーザ装置をヒートシンク水路４と一体となる貫通穴６を有するＡｕメッキしたＣｕ台座７にビスで取り付ける。貫通穴６の片側に水を流し、ヒートシンク３を水冷しながら、ＡｕメッキしたＣｕ台座７にビスで接続されたカソード用Ｃｕブスバー８、銅板２にビスで接続されたアノード用Ｃｕブスバー９を介して通電し、レンズホルダー１０に固定された、レーザ光コリメート用レンズ１１、光ファイバホルダー１２に固定された光ファイバ１３の位置をパワーメータ（図示なし）でレーザ出力を確認しながら調整し、レーザ出力最大の位置でレンズホルダー１０、光ファイバホルダー１２を熱硬化性の接着樹脂やスポット溶接などで固定し、前記半導体レーザ装置のレーザ光を光ファイバに結合する。

ＡｕメッキされたＣｕ台座７を絶縁性の高く、貫通穴６と一体となる貫通穴１４を有するポリイミドシート１５を介して、貫通穴１４と一体となる貫通穴３２を有するアルミダイキャストで作製されたケース３３にビスで固定する。ケース３３にアルミダイキャストで成型されたケース蓋１９をビスで接続し、パッケージが完了する。

前記アレイ型半導体レーザモジュールにおいて、水路１２に水を流し、８及び９に示す銅ブスバーを介して半導体レーザ素子１に通電することで、光ファイバ１３の先端よりレーザ光を得ることができる。

特開２００８−１４０８７７号公報 特開平８−２６４８８７号公報

しかしながら、上記で説明した従来のアレイ型半導体レーザモジュールの構成では、ケースに用いられるアルミニウム合金は耐水性が低く、装置全体の信頼性劣化の要因となる。水路となる領域に金めっきをし、耐水性を向上することもできるが、ケース全体を金めっきすることになるため、高価なケースとなるという課題を生じる。また、ケース自体を耐水性の高い金属、例えばステンレスを選択すると、ケース重量が増加してしまう課題を生じる。

本発明は、この課題を解決するものであり、信頼性が確保できる高出力アレイ型半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のアレイ型半導体レーザモジュールは、素子直下に水路を有する水冷ヒートシンクを配置し、前記水冷ヒートシンクの下に貫通穴を有するＡｕメッキしたＣｕ台座を配置し、前記ＡｕメッキしたＣｕ台座の下に貫通穴を有するケース底板を有し、且つ水冷ヒートシンクの水路、および台座、ケース底板それぞれの貫通穴は一体となり水路を構成する構造を特徴とする。また、前記ケース底板貫通穴近傍の材料は耐水性の高いステンレスであり、それ以外の材料が前記貫通穴の周りの部材よりも軽量で安価なアルミニウム合金であることを特徴とする。

この構成により、耐食性が高く軽量で安価であり、且つ上記貫通穴近傍のみ、耐水性を高くできるので、ケースの長期信頼性を有したアレイ型半導体レーザモジュールを実現できる。

以上のように、本発明は、アレイ型半導体レーザ装置のケース基本構造を変更することなく、ケースの水路を形成する領域にのみ耐水性、耐食性の高い金属を埋め込むことで、軽量で安価且つ耐水性、耐食性が高く、ケースの長期信頼性向上を実現し、且つ水冷ヒートシンクを用いていることから、アレイ型半導体レーザモジュールとしての特性や信頼性向上した高出力アレイ型半導体レーザモジュールを提供することができる。

本発明の実施の形態にかかるアレイ型半導体レーザモジュールを示す断面図 本発明の実施の形態にかかるアレイ型半導体レーザモジュール組立工程を示す断面図 本発明の実施の形態にかかるダイキャスト装置を示す断面図 本発明の実施の形態にかかるアルミダイキャストで成型されたケースの組立 工程を示す断面図 従来のアレイ型半導体レーザモジュールを示す断面図

（全体構成）
図１は本発明の実施例を示す断面図である。１は半導体レーザ素子を示し、２は銅板を示し、３は水冷ヒートシンクを示し、４は水路を示し、５はワイヤやリボンを示し、６は貫通穴を示し、７はＡｕメッキしたＣｕ台座を示し、８はカソード用Ｃｕブスバーを示し、９はアノード用Ｃｕブスバーを示し、１０はレンズホルダーを示し、１１はレーザ光コリメートレンズを示し、１２は光ファイバホルダーを示し、１３は光ファイバを示し、１４は貫通穴を示し、１５はポリイミドシートを示し、１６は貫通穴を示し、１７はケースを示し、１８はステンレスを示し、１９はケース蓋を示している。

図２（Ａ）に半導体レーザ装置の概略図を示す。（なお、図２（Ａ）に示す構造をオープンヒートシンク型半導体装置とする）厚さ１２５μｍのＧａＡｓ系アレイ型半導体レーザ素子１のｐ電極側を、絶縁性の高いポリイミド系接着剤で接着された厚さ１ｍｍ、表面をＡｕメッキした銅板２を有する、厚さ２．８ｍｍ、表面をＮｉ＋Ａｕメッキした無酸素Ｃｕからなるヒートシンク３にＡｕＳｎ合金またはＩｎ金属などの低融点はんだによって接合する。

なお、ヒートシンク３はその内部にＡｕメッキした水路４を形成している。半導体レーザ素子１のｎ電極表面をＣｕやＡｕ、Ａｌからなるワイヤやリボン５を用いて銅板２と接続させる。ヒートシンク３をカソード、銅板２をアノードとし、前記オープンヒートシンク型半導体レーザ装置にある閾値以上の電流印加をすると、矢印２０の方向にレーザ光を出力する。

図２（Ｂ）に前記半導体レーザ装置の出力光を光ファイバに結合させた際の概略図を示す。ヒートシンク３の水路と一体となる貫通穴６を有する厚さ６ｍｍのＡｕメッキしたＣｕ台座７にビスで取り付ける。

貫通穴６の片側に水を流し、水冷ヒートシンク３を冷却しながら、ＡｕメッキしたＣｕ台座７にビスで接続された厚さ１．５ｍｍのカソード用Ｃｕブスバー８、銅板２にビスで接続された厚さ１．５ｍｍのアノード用Ｃｕブスバー９を介して通電し、１０に示すレンズホルダーに固定された、ＷＤ＝５５μｍのレーザ光コリメート用レンズ１１、光ファイバホルダー１２に固定されたコア径１０５μｍ、ＮＡ＝０．１５でマルチモード伝播する光ファイバ１３の位置をパワーメータ（図示なし）でレーザ出力を確認しながら調整し、レーザ出力最大の位置でレンズホルダー１０、光ファイバホルダー１２を熱硬化性の接着樹脂やスポット溶接などで固定し、前記半導体レーザ装置のレーザ光を光ファイバに結合する。

図２（Ｃ）に前記オープンヒートシンク型半導体レーザ装置のレーザ光を光ファイバ結合したものをケースに取り付けた際の概略図を示す。ＡｕメッキしたＣｕ台座７を絶縁性の高く、貫通穴６と一体となる貫通穴１４を有する厚さ１．５ｍｍのポリイミドシート１５を介して、貫通穴１４と一体となる貫通穴１６を有する、アルミダイキャストで作製されたケース１７にビスで固定する。ケース１７をアルミダイキャストで作製する際、貫通穴１６及びその近傍は耐水性の高いステンレス１９を埋め込み、またアノード用Ｃｕブスバー８、カソード用Ｃｕブスバー９及び光ファイバ１３をケース外に通せるよう設計されている。

なお、ＡｕメッキしたＣｕ台座７の貫通穴、ポリイミドシートの貫通穴１４、ケースの貫通穴１６はヒートシンク３に構成される水路４と一体となって水路を形成するように設計されている。

図２（Ｄ）に上述の図２（Ｃ）に示すＡ−Ａ’面の断面図を示す。ケース１７は貫通穴１６とその近傍のみ１８ステンレスが埋め込まれている。

前記オープンヒートシンク型半導体レーザ装置のレーザ光を光ファイバへ結合したものをケースに取り付けた後、アルミダイキャストで作製されたケース蓋１９をビスで接続することで、図１に示すようなアレイ型半導体レーザモジュールが実現される。

図３にアルミダイキャスト装置の断面図を示す。２１はスリーブを示し、２２は溶融アルミニウムを示し、２３は油圧シリンダーを示し、２４はプラジャーを示し、２５はアルミダイキャスト金型の固定型を示し、２６はアルミダイキャスト金型の可動型を示し、２７は成型領域を示し、２８はイジェクトピンを示している。

スリーブ２１に矢印に示す方向に溶融したアルミニウム２２を流し込み、油圧シリンダー２３を用いてプラジャー２４で固定型２５と可動型２６で形成された金型に押し込む。この際、２７に示す領域が成型領域となる。この金型形状にそってアルミニウムが凝固した後、イジェクトピン２８を緩め、可動型２６を取り外すことでケースを成型する。

図４にケース１７のダイキャストによる成型工程を示す。２９はアルミダイキャスト金型を示し、３０は貫通穴を示し、３１はステンレスを示している。

図４（Ａ）に示すように、成型品がカソード用Ｃｕブスバー８、アノード用Ｃｕブスバー９及び光ファイバ１３をケース外に通せるよう設計された金型２９を作製する。

図４（Ｂ）に示すように、ケース１７の貫通穴を形成する位置と一致するように、貫通穴１８を加工したステンレス１９材を金型２９内に取り付ける。このとき、貫通穴１８には溶融アルミ２２が侵入しないよう、ステンレス３０が詰められている。

図４（Ｃ）に示すように、図４（Ｂ）の状態となった金型へおよそ１０００℃の溶融アルミを流し込み成型する。なお、ステンレスの融点は１４００℃以上であることから、ステンレス材１９が溶融することはない。

図４（Ｄ）に示すように、冷却後、金型２９を取り外し、ケース１７の作製が完了する。

（本実施の形態の優位性）
ダイキャストで成型する際、埋め込みステンレス１８を金型２９内に取り付け、溶融アルミ２２を流し込むことで、ケースの水路１６を形成したい領域のみ耐水性が高く、重量で高価なステンレスを使い、それ以外の領域は安価で軽量かつ耐食性の高いアルミで作製されたケースが得られる。

水冷ヒートシンク３を介して半導体レーザ素子１を水冷しても、信頼性の高いケースを実現する。且つ水冷ヒートシンク３を用いることで、半導体レーザ素子の特性、及び信頼性も向上し、半導体レーザモジュール全体の特性、信頼性が向上した
半導体レーザモジュールを実現する。且つケースを軽量化し、安価な高出力アレイ型半導体レーザモジュールを提供することができる。

本発明によって構成される半導体レーザモジュールのケースは、従来技術に比べケースの水路形成領域の耐水性が高いため長期信頼性を有し、且つ安価で軽量に作製することが可能となる、アレイ型半導体レーザモジュールの実現ができる。従って、レーザ加工用途の切断、溶接などの加工機への適用が可能となり、高信頼性と良好な特性を実現するための実装方法および装置として産業上有用である。

１ 半導体レーザ素子
２ 銅板
３ 水冷ヒートシンク
４ 水路
５ ワイヤやリボン
６ 貫通穴
７ ＡｕメッキしたＣｕ台座
８ カソード用Ｃｕブスバー
９ アノード用Ｃｕブスバー
１０ レンズホルダー
１１ レーザ光コリメートレンズ
１２ 光ファイバホルダー
１３ 光ファイバ
１４ 貫通穴
１５ ポリイミドシート
１６ 貫通穴
１７ ケース
１８ ステンレス
１９ ケース蓋
２０ 出力レーザ光の指向線
２１ スリーブ
２２ 溶融アルミニウム
２３ 油圧シリンダー
２４ プラジャー
２５ アルミダイキャスト金型の固定型
２６ アルミダイキャスト金型の可動型
２７ 成型領域
２８ イジェクトピン
２９ アルミダイキャスト金型
３０ 貫通穴
３１ ステンレス鋼
３２ 貫通穴
３３ ケース

Claims (6)

1. 半導体レーザ素子直下に空洞を有する高放熱板を配置し、前記高放熱板の下に内部に貫通穴を有する第２の高放熱板を配置し、前記第２の高放熱板の下に中央に複数の貫通穴を有する第３の高放熱板を配置し、前期第２の高放熱板と前記第３の高放熱板の間に絶縁フィルムを配置した半導体レーザモジュール。
2. 請求項１記載の半導体レーザモジュールであって、前記第３の高放熱板の前記貫通穴の周囲の材料が耐水性の材料であり、それ以外の材料が前記貫通穴の周りの部材よりも軽量とした半導体レーザモジュール。
3. 請求項１または２記載の半導体レーザモジュールであって、前記第３の高放熱板の前記貫通穴の周囲の耐水性の材料がステンレスであり、それ以外の材料がアルミである半導体レーザモジュール。
4. 請求項１または２記載の半導体レーザモジュールであって、前記半導体レーザ素子直下に配置した高放熱板の前記空洞と、前記高放熱板の下に配置した第２の高放熱板の貫通穴と、前記第２の高放熱板の下に配置した第３の高放熱板の貫通穴が一体に繋がった構造を特徴とする半導体レーザモジュール。
5. 請求項４記載の半導体レーザモジュールであって、前記一体型となった空洞及び貫通穴に冷媒を通す構造を特徴とする半導体レーザモジュール。
6. 請求項５記載の半導体レーザモジュールの前記一体型となった空洞及び貫通穴に通す冷媒が水である構造を特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザモジュール。

Images