JP2016058407A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】追加部材の削減及び組立作業性の向上を図りながら放熱性が高い半導体レーザ装置を実現できるようにする。【解決手段】半導体レーザ装置は、フレーム１１１と、リード端子１１４と半導体レーザ素子１１５とを備えている。リードフレーム１１１は、平坦部１１２と、平坦部１１２と一体であり平坦部１１２の両側端部に相対して設けられ、平坦部１１２の主面よりも突出した２つの側凸部１１３とを有する。リード端子１１４は、平坦部１１２の２つの側凸部１１３と異なる側端部に固定されている。半導体レーザ素子１１５は、平坦部１１２の主面上にレーザ光の出射方向をリード端子１１４と反対側に向けて搭載されている。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体レーザ装置及びレーザユニットに関し、特に、モーションセンサ用発光源などの高出力が求められ、高発熱を伴う半導体レーザ装置及びレーザユニットに関する。

モーションセンサは、家庭用ゲーム機の入力デバイスを始めとして、テレビのリモコン、各種操作用の入力デバイス、及び車載の空間位置認識用装置等への展開が進んでいる。モーションセンサをより高精度化し、遠距離からの操作を可能にするために、モーションセンサの発光源に用いる半導体レーザ装置の高出力化が進められている。半導体レーザ装置を高出力化するためには、発熱によるレーザ素子の発光効率低下及び発光特性の劣化を抑えることが重要である。このため、レーザ素子から発生する熱を効率よく排熱する高放熱構造が求められている。

半導体レーザ装置のパッケージ形状は、放熱性を重視したＴＯ−ＣＡＮタイプが主流であるが、より広い適用範囲と汎用性を実現するために、製造コストを低減できるリードフレームタイプの適用が検討されている（例えば、特許文献１及び２を参照。）。

特開２００７−２７３７６号公報 特開平１０−８３５６４号公報

しかしながら、先行技術文献に記載された手法には、以下のような問題がある。例えば、特許文献１では、半導体レーザ装置の位置決め及び放熱面のホルダへの圧着を半導体レーザ装置と押さえ部材とを同時にホルダに挿入することにより行っている。しかし、半導体レーザ装置の平面サイズは、数ｍｍ角程である。このため、それに準じたサイズである押さえ部材と半導体レーザ装置とを同時にホルダに挿入する作業は作業性が悪く、組立工数が増大する。また、追加部品である押さえ部材が必要であり、部品コストが発生する。

特許文献２では、押さえ部材などの追加部品が必要無く、特許文献１と比べ作業性もよい。しかし、半導体レーザ装置の側面フィン部とホルダのスリット内面とは線接触又は点接触であり、半導体レーザ装置とホルダとの接触面積が小さい。このため、半導体レーザ装置からの熱をホルダ側に十分に伝えることができず、放熱効率が悪い。

本発明の課題は、追加部材の削減及び組立作業性の向上を図りながら放熱性が高い半導体レーザ装置を実現することである。

本開示に係る半導体レーザ装置は、平坦部と、平坦部と一体であり平坦部の相対する２辺にそれぞれ設けられた２つの側凸部とを有するフレームと、平坦部の２つの側凸部が設けられていない辺の一方に固定されたリード端子と、平坦部の主面上にレーザ光の出射方向をリード端子と反対側に向けて搭載された半導体レーザ素子とを備えている。

本発明に係る半導体レーザ装置は、追加部材の削減及び組立作業性の向上を図りながら放熱性が高い半導体レーザ装置を実現できる。

（ａ）〜（ｃ）は一実施形態に係る半導体レーザ装置を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は出射端側から見た正面図である。 一実施形態に係る半導体レーザ装置を示す斜視図である。 （ａ）及び（ｂ）は一実施形態に係る半導体レーザ装置を収容するホルダを示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は第１の端面側から見た正面図である。 ホルダの変形例を示す断面図である。 半導体レーザ装置の第１変形例を示す斜視図である。 半導体レーザ装置の第２変形例を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は半導体レーザ装置の第３変形例を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は出射端側から見た正面図である。 半導体レーザ装置の第３変形例を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は第３変形例の半導体レーザ装置を収容するホルダを示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は第２の端面側から見た正面図、（ｃ）は平面図である。

例示の半導体レーザ装置は、平坦部と、平坦部と一体であり平坦部の両側端部に相対して設けられ、平坦部の主面よりも上方に突出した２つの側凸部とを有するフレームと、平坦部の２つの側凸部とは異なる側端部に固定されたリード端子と、平坦部の主面上にレーザ光の出射方向をリード端子と反対側に向けて搭載された半導体レーザ素子とを備える。

例示の半導体レーザ装置において、２つの側凸部は、平坦部に対して起立するフレームの一部であり、２つの側凸部の高さは、リード端子側へ向かって次第に高くなっていてもよい。

例示の半導体レーザ装置において、２つの側凸部は、フレームのレーザ光の出射方向側に突出した部分が、リード端子側に折り返された形状であり、２つの側凸部の高さは、リード端子側へ向かって次第に高くなっていてもよい。

例示の半導体レーザ装置において、２つの側凸部は、フレームの平坦部とスリットにより分離され且つレーザ光の出射方向側の端部において平坦部と接続された部分が、リード端子側に向かって高さが次第に高くなるように折り曲げられた形状であってもよい。

例示の半導体レーザ装置は、平坦部の主面と反対側の面に設けられ、フレームよりも硬度が低い金属メッキ層をさらに備えていてもよい。

例示の半導体レーザ装置において、２つの側凸部は、平坦部に対して起立するフレームの一部であり、スリットにより互いに分離された爪部と胴部とを有していてもよい。

この場合において、平坦部の主面と反対側の面に設けられ、フレームよりも硬度が低い金属メッキ層をさらに備えていてもよい。

例示の第１のレーザユニットは、例示の半導体レーザ装置と、半導体レーザ装置を収納する、開口部を有するホルダとを備え、ホルダは、内底面から内上面までの高さが第１の開口端側において第２の開口端側よりも高く、内上面の傾斜が側凸部の傾斜と一致している部分を有している。

例示の第２のレーザユニットは、例示の半導体レーザ装置と、半導体レーザ装置を収納する、開口部を有するホルダとを備え、ホルダは、第１の開口端側に設けられ、内側面が内定面側から内上面側に向かって次第に狭くなるように傾斜した第１の部分と、第２の開口端側に設けられ、内側面の傾斜が第１の部分よりも小さい第２の部分とを有している。

（一実施形態）
一実施形態に係る半導体レーザ装置の構成について、図１（ａ）〜（ｄ）及び図２を用いて説明する。図１及び図２に示すように半導体レーザ装置１１０は、平坦部１１２と、平坦部１１２の両側端部に相対して設けられた２つの側凸部１１３とを有するフレーム１１１を備えている。本実施形態において平坦部１１２は平面略方形状であり、側凸部１１３は、平坦部１１２の相対する２辺に設けられ、平坦部１１２の主面から上方に突出している。平坦部１１２の側凸部１１３が設けられていない辺の一方には、リード端子１１４が固定されている。

側凸部１１３を有するフレーム１１１は、金属板の一部を主面に対して直角方向に起立するようにプレス加工することにより形成できる。リード端子１１４は、フレーム１１１と同じ金属板をプレス加工して形成することができる。例えば、金属板をプレス加工して、フレーム１１１及びリード端子１１４が金属板の他の部分とブリッジ部により接続されている状態に形成した後、モールド樹脂１１６によりリード端子１１４と平坦部１１２とを固定し、その後ブリッジ部を切り離せばよい。このようにすれば、リード端子１１４の位置決めが容易にできるだけでなく、フレーム１１１とリード端子１１４との絶縁性の確保も容易である。

平坦部１１２の主面上には、半導体レーザ素子１１５が搭載されている。半導体レーザ素子１１５は、レーザ光の出射方向をリード端子１１４と反対側に向けて搭載されている。従って、半導体レーザ装置１１０においては、リード端子１１４と反対側に向かってレーザ光が出射される。半導体レーザ素子１１５とリード端子１１４とは、ボンディングワイヤ１１７により接続されている。

本実施形態の半導体レーザ装置１１０において、平坦部１１２の裏面（半導体レーザ素子１１５の搭載面と反対側の面）は平坦面となっている。また、リード端子１１４側における側凸部１１３の平坦部１１２の裏面からの高さｈ１が、出射端側における高さｈ２よりも高く、側凸部１１３はリード端子１１４側から出射端側へ向かって高さが次第に低くなるテーパ形状となっている。側凸部１１３のテーパ角度は、特に限定されないが、半導体レーザ装置１１０の厚さを抑える観点から１０°以下とすることが好ましい。

本実施形態の半導体レーザ装置１１０は、図３（ａ）及び（ｂ）に示すようなホルダ１２０に収容され、レーザユニット１００を構成する。レーザユニット１００は、使用する機器の筐体に取り付けられる。ホルダ１２０は開口端の平面形状が長方形状である開口部を有する角管状であり、半導体レーザ装置１１０は開口部に挿入される。開口部は、半導体レーザ装置１１０のフレーム１１１と嵌合するように形成されている。ホルダ１２０の材質は特に限定されないが、放熱性の観点からアルミニウム、亜鉛、又はマグネシウム等の金属が好ましい。

ホルダ１２０の内底面１２５は、平坦部１１２の裏面と当接する平面となっている。ホルダ１２０の内側面１２６は、半導体レーザ装置１１０の側凸部１１３と一致する形状となっている。具体的には、第１の開口端１２０ａ側における高さｈａが第２の開口端１２０ｂ側における高さｈｂよりも高くなっている。これにより、開口部の少なくとも一部は内上面１２７が傾斜したテーパ状となっており、内上面１２７の傾斜は半導体レーザ装置１１０の側凸部の傾斜と一致している。

本実施形態においては、ホルダ１２０の第１の開口端１２０ａ側には、内底面１２５から内上面１２７までの高さがｈａで一定となった第１の部分１２１が設けられており、ホルダ１２０の第２の開口端１２０ｂ側には、高さがｈａからｈｂまで次第に低くなるテーパ形状の第２の部分１２２が設けられている。第２の部分１２２におけるテーパ角度は、半導体レーザ装置１１０の側凸部１１３のテーパ角度と一致している。また、高さｈａは半導体レーザ装置１１０におけるリード端子１１４側の高さｈ１以上であり、第２の開口端１２０ｂにおける高さｈｂは半導体レーザ装置１１０における出射端側の高さｈ２以下である。

このため、第１の開口端１２０ａ側から、レーザ光の出射端側を先にして半導体レーザ装置１１０を開口部に挿入すると、ホルダ１２０の内底面１２５から内上面１２７までの高さが、側凸部１１３の高さｈ２と一致する位置において、半導体レーザ装置１１０とホルダ１２０とが嵌合して固定される。従って、半導体レーザ装置１１０のホルダ１２０における前後方向の位置決めをすることができる。例えば、第２の開口端１２０ｂにおける高さｈｂを側凸部１１３の高さｈ２とほぼ等しくすると、半導体レーザ装置１１０の出射端の位置をホルダ１２０の第２の開口端１２０ｂの位置に合わせることができる。また、ホルダ１２０の内底面１２５の横幅と半導体レーザ装置１１０の横幅との寸法差は、はめ合うことが可能となるように、０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍとなっている。このため、半導体レーザ装置１１０の横方向の位置決めもすることができる。

半導体レーザ装置１１０の側凸部１１３がホルダ１２０の開口部と嵌合する位置においては、平坦部１１２の裏面が、ホルダ１２０の内底面１２５に押し付けられる。このため、半導体レーザ装置１１０とホルダ１２０とを面接触させることができ、放熱効率も向上する。半導体レーザ装置１１０は、平坦部１１２の底面だけでなく、側凸部１１３の側面及び上面においても、ホルダ１２０と接触しており、放熱性がより向上する。

平坦部１１２の裏面に硬度が低いスズ（Ｓｎ）等の金属からなる金属メッキ層を設けてもよい。このようにすれば、半導体レーザ装置１１０をホルダ１２０に挿入する際の挿入力及び圧接力によりメッキ層が変形する。このため、平坦部１１２の裏面とホルダ１２０の内底面１２５との間に微小な空隙が生じにくく、密着性をより向上させることができる。従って、熱抵抗が低下し、より良好な放熱性が得られる。

半導体レーザ装置１１０をホルダ１２０に挿入することにより嵌合して固定することができるが、半導体レーザ装置１１０とホルダ１２０とを熱伝導性接着剤を用いて固定してもよい。これにより、半導体レーザ装置１１０とホルダ１２０とをより強固に固定することができる。また、図４に示すように、第１の部分１２１と第２の部分１２２との境界付近に、突起１２８を設けてもよい。突起１２８を設けることにより、半導体レーザ装置１１０の側凸部１１３の後端部と突起１２８とが接触し、突起１２８は抜け止めとして機能する。これにより、より確実に半導体レーザ装置１１０をホルダ１２０に固定することができる。

半導体レーザ装置１１０の側凸部１１３は、最も低い部分においても、ボンディングワイヤ１１７の最頂部よりも高い。このため、側凸部１１３は、半導体レーザ素子１１５及びボンディングワイヤ１１７に不測の外力が加わることを防止する、保護部としても機能する。

本実施形態においては、ホルダ１２０の第２の部分１２２だけをテーパ形状としたが、第１の部分１２１もテーパ形状であってもよい。この場合、第１の部分１２１の高さはｈ１よりも大きくすればよい。また、第１の部分１２１のテーパ角度は、第２の部分１２２と同じであっても、異なっていてもよい。

フレーム１１１の一部を平坦部１１２に対して起立するように折り曲げることにより形成した側凸部１１３を有している例を示したが、以下のような構成としてもよい。例えば、図５に示すようにフレーム１１１のレーザ光の出射方向側に突出した部分を、リード端子１１４側に折り返えすことにより側凸部１１３Ａを形成してもよい。側凸部１１３Ａはバネとしても機能するため、半導体レーザ装置１１０とホルダ１２０との固定をより効果的に行うことができる。

また、図６に示すようにフレーム１１１に平坦部１１２とスリットにより分離され且つ出射端側において平坦部１１２と接続された部分を、リード端子１１４側に向かって平坦部の主面からの高さが高くなるように折り曲げることにより側凸部１１３Ｂを形成してもよい。これにより半導体レーザ装置１１０の形成に必要なフレーム１１１の面積が減少し、配置ピッチ寸法を縮小できる。従って、フレーム１１１を形成するための材料の利用効率が向上しコストダウンが図れる。また、フレーム１１１の側端部を主面に対して起立するように折り曲げる場合よりも、作業工数が減少するためコストダウンが可能である。

側凸部の高さが、出射端側からリード端子側に向かって次第に高くなるテーパ形状を有する半導体レーザ装置について説明したが、出射端側からリード端子側に向かって次第に高さが低くなるテーパ形状としてもよい。

高さが変化する側凸部により、半導体レーザ装置をホルダに固定する構成について説明したが、側凸部の一部を半導体素子側に傾斜させることにより、半導体レーザ装置をホルダに固定する構成としてもよい。

例えば、図７（ａ）〜（ｃ）及び図８に示すように、半導体レーザ装置１１０Ａは、高さが一定の側凸部１１３Ｃを有している。側凸部１１３Ｃは、出射端側に設けられた爪部１１８と、爪部１１８とスリットにより分離された胴部１１９とを有している。

半導体レーザ装置１１０Ａは、図９（ａ）〜（ｃ）に示すホルダ１３０に挿入することによりレーザユニット１００Ａが得られる。ホルダ１３０の開口部は、第１の開口端１３０ａ側に設けられた第１の部分１３１が、内底面１３５側から内上面１３７側に向かって次第に狭くなるように内側面１３６Ａがテーパ状に傾斜した台形状の断面を有している。一方、第２の開口端１３０ｂ側に設けられた第２の部分１３２の内側面１３６Ｂは、内底面１３５に対して垂直となっている。また、第２の部分１３２の奥行きは半導体レーザ装置１１０の爪部１１８の幅とほぼ一致している。

このため、出射端側を先にして第１の開口端１３０ａ側から半導体レーザ装置１１０Ａをホルダ１３０に挿入すると、テーパ面である第１の部分１３１の内側面１３６Ａにより半導体レーザ装置１１０Ａの側凸部１１３Ｃは半導体レーザ素子１１５側へ変形する。これにより反発力が生じ、半導体レーザ装置１１０Ａは、ホルダ１３０の内底面側に押し付けられる。さらに、半導体レーザ装置１１０Ａを挿入し、爪部１１８が開口部の第２の部分１３２に達すると、爪部１１８はテーパ面による加圧から解放されるため、外側に広がる。これにより、爪部１１８は半導体レーザ装置１１０Ａの抜け止めとなる。従って、接着剤等を用いなくても、半導体レーザ装置１１０Ａをホルダ１３０に確実に固定することができる。

第２の部分１３２の内側面１３６Ｂが内底面１３５に対して垂直である例を示したが、第１の部分１３１と第２の部分１３２との境界部に段差ができればよく、第２の部分１３２の内側面１３６Ｂは、第１の部分１３１の内側面１３６Ａよりも傾斜が小さければよい。

半導体レーザ装置１１０と同様に、半導体レーザ装置１１０Ａの平坦部１１２の底面にも金属メッキ層を設けてもよい。

高さが一定の側凸部にスリットを設ける例を示したが、高さが変化するテーパ形状の側凸部にスリットを設け、爪部と胴部とを設ける構成としてもよい。

本実施形態の半導体レーザ装置によれば、ホルダと半導体レーザ装置との勘合により発生する接触力により密接な接触状態が実現できる。これにより、接触熱抵抗が低下して放熱性が向上する。従って、リードフレームタイプのパッケージ形状においても、より高出力な半導体レーザ素子の使用が可能となる。また、この効果は半導体レーザ装置及びそれに対応したホルダの形状のみにより実現できるため、コストの抑制及び組立作業性の容易化を達成できる。

本発明に係る半導体レーザ装置及びレーザユニットは、追加部材の削減及び組立作業性の向上を図りながら放熱性が高い半導体レーザ装置を実現でき、特にモーションセンサ用発光源等の高出力が求められ、高発熱を伴う半導体レーザ装置及びレーザユニット等として有用である。

１００ レーザユニット
１００Ａ レーザユニット
１１０ 半導体レーザ装置
１１０Ａ 半導体レーザ装置
１１１ フレーム
１１２ 平坦部
１１３ 側凸部
１１３Ａ 側凸部
１１３Ｂ 側凸部
１１３Ｃ 側凸部
１１４ リード端子
１１５ 半導体レーザ素子
１１６ モールド樹脂
１１７ ボンディングワイヤ
１１８ 爪部
１１９ 胴部
１２０ ホルダ
１２０ａ 第１の開口端
１２０ｂ 第２の開口端
１２１ 第１の部分
１２２ 第２の部分
１２５ 内底面
１２６ 内側面
１２７ 内上面
１２８ 突起
１３０ ホルダ
１３０ａ 第１の開口端
１３０ｂ 第２の開口端
１３１ 第１の部分
１３２ 第２の部分
１３５ 内底面
１３６Ａ 内側面
１３６Ｂ 内側面
１３７ 内上面

Claims (9)

1. 平坦部と、前記平坦部と一体であり前記平坦部の両側端部に相対して設けられ、前記平坦部の主面よりも上方に突出した２つの側凸部とを有するフレームと、
   前記平坦部の前記２つの側凸部とは異なる側端部に固定されたリード端子と、
   前記平坦部の主面上にレーザ光の出射方向を前記リード端子と反対側に向けて搭載された半導体レーザ素子とを備える、半導体レーザ装置。
2. 前記２つの側凸部は、前記平坦部に対して起立する前記フレームの一部であり、
   前記２つの側凸部の高さは、前記リード端子側へ向かって次第に高くなる、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記２つの側凸部は、前記フレームの前記レーザ光の出射方向側に突出した部分が、前記リード端子側に折り返された形状であり、
   前記２つの側凸部の高さは、前記リード端子側へ向かって次第に高くなる、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記２つの側凸部は、前記フレームの前記平坦部とスリットにより分離され且つ前記レーザ光の出射方向側の端部において前記平坦部と接続された部分が、前記リード端子側に向かって高さが次第に高くなるように折り曲げられた形状である、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
5. 前記平坦部の前記主面と反対側の面に設けられ、前記フレームよりも硬度が低い金属メッキ層をさらに備えている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
6. 前記２つの側凸部は、前記平坦部に対して起立する前記フレームの一部であり、スリットにより互いに分離された爪部と胴部とを有している、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
7. 前記平坦部の前記主面と反対側の面に設けられ、前記フレームよりも硬度が低い金属メッキ層をさらに備えている、請求項６に記載の半導体レーザ装置。
8. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置と、
   前記半導体レーザ装置を収納する、開口部を有するホルダとを備え、
   前記ホルダは、内底面から内上面までの高さが第１の開口端側において第２の開口端側よりも高く、前記内上面の傾斜が前記側凸部の傾斜と一致している部分を有している、レーザユニット。
9. 請求項６又は７に記載の半導体レーザ装置と、
   前記半導体レーザ装置を収納する、開口部を有するホルダとを備え、
   前記ホルダは、第１の開口端側に設けられ、内側面が内定面側から内上面側に向かって次第に狭くなるように傾斜した第１の部分と、第２の開口端側に設けられ、前記内側面の傾斜が前記第１の部分よりも小さい第２の部分とを有している、レーザユニット。

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