JP2017098549A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 放熱特性が高く、気密性能の高い、高信頼性の発光装置を提供する。【解決手段】 主面から上方に突出した載置部を有する基体と、前記載置部を囲むように前記基体の前記主面に接合された環状の端子保持部材と、前記端子保持部材の上面に接合され、前記基体及び前記端子保持部材と共に封止空間を構成するキャップと、前記載置部の側面に設けられた半導体レーザ素子と、前記端子保持部材を貫通したリード端子と、を備える発光装置。【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置に関する。

特許文献１には、ブロック部と、ブロック部が上面上に設けられたアイレット部とを含むステムと、ブロック部に搭載された半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子を覆うようにアイレット部の上面上に固定されたキャップと、アイレット部に保持されたリードと、を備える半導体レーザ装置が記載されている。アイレット部の下面は、半導体レーザ素子からの熱を放熱するための放熱器と熱接触している。また、リードは、アイレット部の下面に固定されていてもよいし、側面に固定されていてもよい旨も記載されている。

特開２０１１−１８８００号公報

特許文献１では、ステムにリードを固定しているため、リード固定部である貫通孔によって半導体レーザ素子の発熱を放熱器に運搬する経路が制限される。また、気密性を高めるためには、ステムの材料として、リード及びリード固定用の封止材と熱膨張係数が近いものを選択する必要がある。ステムの材料としてリード等と熱膨張係数が大きく離れた材料を用いると、半導体レーザ装置を駆動した際の温度変化により、ステムとリード等との界面に隙間が生じて半導体レーザ装置の気密性が低下しやすい。

本願は、以下の発明を含む。
主面から上方に突出した載置部を有する基体と、
前記載置部を囲むように前記基体の前記主面に接合された環状の端子保持部材と、
前記端子保持部材の上面に接合され、前記基体及び前記端子保持部材と共に封止空間を構成するキャップと、
前記載置部の側面に設けられた半導体レーザ素子と、
前記端子保持部材を貫通したリード端子と、
を備える発光装置。

放熱特性が高く、気密性能の高い、高信頼性の発光装置を提供することができる。

実施形態１に係る発光装置の模式的な斜視図である。 実施形態１に係る発光装置の模式的な上面図である。 実施形態１に係る発光装置の模式的な側面図である。 図２のＡ−Ａ線における模式的な断面図である。 実施形態１に係る発光装置のキャップ接合前の状態を示す模式的な斜視図である。 実施形態１に係る発光装置のキャップ接合前の状態を示す模式的な側面図である。 放熱プレート及び通電部材の模式的な斜視図である。 複数の発光装置を実装する場合の一例を示す模式的な斜視図である。 実施形態２に係る発光装置の模式的な上面図である。 実施形態２に係る発光装置の模式的な側面図である。 他の実施形態に係る発光装置の模式的な斜視図である。 他の実施形態に係る発光装置の模式的な上面図である。 他の実施形態に係る発光装置のキャップ接合前の状態を示す模式的な斜視図である。 他の実施形態に係る発光措置のキャップ接合前の状態を示す模式的な上面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための方法を例示するものであって、本発明を以下の実施形態に特定するものではない。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。

＜実施形態１＞
図１は、実施形態１に係る発光装置１００の模式的な斜視図である。図２は、発光装置１００の模式的な上面図であり、図３は、発光装置１００のリード端子１３Ａ、１３Ｂが突出した側からみた模式的な側面図である。図４は、図２のＡ−Ａ線における模式的な断面図である。図５は、発光装置１００のキャップ１２接合前の状態を示す模式的な斜視図であり、図６は、同様の状態を示す模式的な側面図である。

図１〜図６に示すように、発光装置１００は、基体１０と、端子保持部材１１と、キャップ１２と、リード端子１３Ａ、１３Ｂと、半導体レーザ素子１４と、を有する。基体１０は、主面から上方に突出した載置部１０ａを有する。環状の端子保持部材１１は、載置部１０ａを囲むように基体１０の主面に接合されている。キャップ１２は、端子保持部材１１の上面に接合され、基体１０及び端子保持部材１１と共に封止空間１７を構成する。半導体レーザ素子１４は、載置部１０ａの側面に設けられている。リード端子１３Ａ、１３Ｂは、端子保持部材１１を貫通している。

発光装置１００は、基体１０に接合された端子保持部材１１によってリード端子１３Ａ、１３Ｂが保持されている。詳細には、端子保持部材１１の側面にリード端子１３Ａ、１３Ｂの外径よりも大きな貫通孔が設けられ、貫通孔を通るようにリード端子１３Ａ、１３Ｂが配置され、貫通孔とリード端子との間には絶縁材１５が設けられている。端子保持部材１１は典型的には導電材料である金属からなるので、端子保持部材１１とリード端子１３Ａ、１３Ｂとの間を絶縁材１５で埋めることにより、リード端子１３Ａ、１３Ｂの短絡を防ぐとともに、十分な気密性を確保している。

このように、発光装置１００では、基体１０とは別に、リード端子１３Ａ、１３Ｂを側方から突出させるための端子保持部材１１を設けている。これにより、基体１０の下面の全体を放熱器等に接続することができるため、基体１０の下面からより効率的に放熱することができる。また、基体１０に貫通孔を設ける場合であれば半導体レーザ素子１４からの熱は放熱器等に到達するために貫通孔を迂回する必要があるが、基体１０にはこのような貫通孔がないため、効率良く放熱することが可能である。さらに、キャップ１２を基体１０ではなく端子保持部材１１に接合することから、基体１０の材料として熱伝導の高いものを採用することができ、放熱性を向上させることができる。これは以下の理由による。

まず、キャップ１２の接合は半導体レーザ素子１４を実装した後に行うため、低温で行うことができる接合方法として典型的には抵抗溶接が用いられている。このため、キャップ１２の材料は抵抗溶接に適したものが選択されている。そして、抵抗溶接では接合面積が小さく、線膨張係数が離れた部材同士の接合では剥離により気密性が低下する虞があるため、キャップ１２を接合する部材は線膨張係数がキャップ１２と近いことが適している。もしキャップ１２を基体１０に接合するのであれば、基体１０の材料はキャップ１２と線膨張係数が近いものから選択することとなるが、これでは放熱性の良好なものを用いることが困難である。そこで、発光装置１００では、キャップ１２を端子保持部材１１に接合する。これにより、キャップ１２と線膨張係数が近い材料を用いるのは端子保持部材１１であればよく、基体１０には線膨張係数に関わらず熱伝導性の高い材料を用いることができる。なお、基体１０と端子保持部材１１の接合は半導体レーザ素子１４の実装前に行うことができるため、金属接着剤により接合する等、接合面積の大きな接合方法を採用することができる。このため、端子保持部材１１と基体１０の線膨張係数差が比較的大きくても、気密性が低下するほどには剥離しにくい。したがって、基体１０の材料として線膨張係数に関わらず熱伝導性の高いものを選択することができる。また、リード端子１３Ａ、１３Ｂを保持する部材はリード端子１３Ａ、１３Ｂや絶縁材１５と線膨張係数を近づける必要があるが、発光装置１００ではこの部材も端子保持部材１１である。したがって、この点からも、基体１０の材料として線膨張係数に関わらず熱伝導性の高いものを選択することができる。

基体１０は、熱伝導率の高い材料からなることが望ましい。これにより半導体レーザ素子の発熱を効率良く排熱することができる。基体１０の好ましい材料としては、具体的には、銅又は銅合金が挙げられる。表面には金めっきが施されていてもよい。半導体レーザ素子１４で発生した熱は、載置部１０ａを経由して、基体１０の載置部１０ａ側とは反対側の主面（下面）から外部へと放熱される。放熱のために、基体１０の下面は、ヒートシンク付きの放熱プレート等の放熱器に取り付けることが好ましい。放熱器と基体１０の下面とはグリス等によって接続することができる。図２に示すように、基体１０の上面視における外縁は、略円形状とすることができる。基体１０の外縁には窪みを設けてもよい。窪みの上面視形状は、例えば略三角形状や略四角形状である。このような窪みは、例えば基体１０の向きを揃えるためのガイドとして用いられる。

また、半導体レーザ素子１４が設けられる載置部１０ａの側面は、基体１０の下面に対して略垂直であることが望ましい。これにより、半導体レーザ素子１４が出射するレーザ光の光軸を、基体１０の下面に対して略垂直とすることができる。また、載置部１０ａは、基体１０の土台部と別体でもよいが、一体とすることが好ましい。載置部１０ａと土台部との間に隙間があると熱の運搬効率が落ちてしまうが、一体であればこれを回避することができる。例えば、銅合金の板をプレス成型することで、載置部１０ａを備える基体１０を形成する。半導体レーザ素子１４が設けられる側面は、平坦面であることが好ましい。なお、載置部と土台部を別材料で構成する場合、載置部１０ａは熱伝導率の高い材料からなることが望ましい。載置部１０ａの好ましい材料としては、具体的には、銅又は銅合金が挙げられる。その表面に金めっきを施してもよい。

基体１０とリード端子１３Ａ、１３Ｂとの熱膨張係数差よりも、端子保持部材１１とリード端子１３Ａ、１３Ｂとの熱膨張係数差の方が小さいことが好ましい。端子保持部材１１の材料として、具体的には、鉄を含む合金が挙げられる。表面に金めっきが施されていてもよい。また、基体１０を熱伝導性の良い材料で構成した場合、キャップ１２との線膨張係数が離れることが考えられる。このため、端子保持部材は、キャップ１２（保持部１２ｂ）と基体１０の中間の線膨張係数であると尚良い。端子保持部材１１は、例えば銀ロウ等の金属接着剤により基体１０と接合される。典型的には、基体１０と端子保持部材１１との接合部の幅は、端子保持部材１１とキャップ１２との接合部の幅よりも大きい。端子保持部材１１を基体１０と十分に接合して気密性を確保するために、上面視において端子保持部材１１の外縁は基体１０の外縁よりも内側にあることが好ましい。また、端子保持部材１１の上面にはキャップ１２を接合するため、端子保持部材１１の厚みは、キャップ１２の厚みよりも大きいことが好ましい。例えば厚み０．２５ｍｍとする。

図２に示すように、上面視において、端子保持部材１１の外縁は、基体１０の外縁に近接した近接部１１ａと、基体１０の外縁からの距離が近接部１１ａよりも大きい離間部１１ｂと、を含むことが好ましい。離間部１１ｂからはリード端子１３Ａ、１３Ｂが突出している。このように配置することで、リード端子１３Ａ、１３Ｂを基体１０の上方に収めることができるので、複数の発光装置１００を近接して配置しやすい。上面視において、離間部１１ｂは直線状であることが好ましい。このようにほぼ平坦な面に対して略垂直に貫通した貫通孔を設けることで、円柱状の貫通孔が形成される。そして、円柱状の絶縁材１５を用いてリード端子１３Ａ、１３Ｂを組み付けることにより、リード端子１３Ａ、１３Ｂを強固に固定することができる。リード端子１３Ａ、１３Ｂを通す貫通孔のサイズは例えばφ１．２ｍｍである。

近接部１１ａの上面視形状は、基体１０の上面視形状の一部とほぼ同じであることが好ましい。例えば図２に示すように、基体１０の外縁が略円形状であれば、近接部１１ａは、基体１０の外縁よりも小さい半径の同心円の円弧で構成されている。なお、基体１０の外縁に窪みが設けられている場合は、窪みを無視した形状を基体１０の外縁の形状として考えてよい。また、上面視における離間部１１ｂの長さは、近接部１１ａの円弧の半径よりも長い程度とすることができる。

端子保持部材１１は、例えば、あらかじめリード端子１３Ａ、１３Ｂを絶縁材１５にて固定させた状態で、銀ロウが塗布されている基体１０に乗せ、加熱することによって接合する。通常、この後に半導体レーザ素子１４等を実装する。このため、端子保持部材１１の上端は、載置部１０ａの側方に実装される半導体レーザ素子１４等の部材よりも低い位置にあることが好ましい。

発光装置１００は、少なくとも２本のリード端子１３Ａ、１３Ｂを有する。例えば、リード端子１３Ａがアノード側の端子であり、リード端子１３Ｂがカソード側の端子である。リード端子１３Ａ、１３Ｂは、通電性の良い材料から構成される。具体的には、鉄とニッケルとコバールからなる合金や、鉄とニッケルからなる合金等が挙げられる。表面に金めっきが施されていてもよい。リード端子１３Ａ、１３Ｂの形状は、例えば円柱状や円柱を屈曲させた形状である。リード端子１３Ａ、１３Ｂの延伸方向に垂直な断面の直径は、例えば０．６ｍｍである。

図４に示すように、リード端子１３Ａ、１３Ｂは、第１部分１３Ｂａと第２部分１３Ｂｂを含むように屈曲していることが好ましい。第１部分１３Ｂａは、基体１０と端子保持部材１１とキャップ１２によって構成される封止空間１７の内側において、載置部１０ａの側面に沿った方向に延伸し、半導体レーザ素子１４と電気的に接続するためのワイヤ１６が接合された部分である。第２部分１３Ｂｂは、基体１０の主面に沿った方向に延伸して端子保持部材１１を貫通し、封止空間１７の外側に配置された部分である。このような第１部分１３Ｂａを有することにより、半導体レーザ素子１４等のワイヤボンディング面とリード端子１３Ａ、１３Ｂのワイヤボンディング面を同じ向きとすることができる。したがって、量産性に優れた発光装置１００を得ることができる。

なお、載置部１０ａの側面に沿った方向に延伸する第１部分１３Ｂａは、典型的には載置部１０ａの側面に対して略平行になるように配置されている。また、基体１０の主面に沿った方向に延伸する第２部分１３Ｂｂは、典型的には基体１０の主面に対して略平行になるように配置されている。すなわち、リード端子１３Ａ、１３Ｂは、典型的にはＬ字形状である。

また、上面視において、リード端子１３Ａ、１３Ｂの封止空間１７の外側に配置された一端は、基体１０の外縁よりも内側に配置されていることが好ましい。すなわち、リード端子１３Ａ、１３Ｂは基体１０の上方に完全に収まっていることが好ましい。これにより、発光装置１００の外縁を基体１０の外縁と一致させることができるので、複数の発光装置１００を近接させて配置することができる。基体１０が半導体レーザ素子１４と電気的に繋がっていなければ、複数の発光装置１００を基体１０が接触する程度に近づけて配置してもよい。

端子保持部材１１の貫通孔内には絶縁材１５が充填されており、これによってリード端子１３Ａ、１３Ｂが固定される。絶縁材１５は例えばガラス材料からなる。気密封止するためには、絶縁材１５は、端子保持部材１１及びリード端子１３Ａ、１３Ｂと熱膨張係数が近い材料が好ましく、例えばホウケイ酸ガラスが挙げられる。絶縁材１５を端子保持部材１１に圧接することにより、気密性を確保することができる。

キャップ１２は端子保持部材１１の上面に接合されるため、上面視において、キャップ１２の外縁は端子保持部材１１の外縁とほぼ同じがそれよりも内側に配置することが好ましい。キャップ１２は、窓部１２ａと保持部１２ｂを有する。窓部１２ａは保持部１２ｂの貫通孔内に配置された透光性の部材である。半導体レーザ素子１４からの光は窓部１２ａから取り出される。例えば、窓部１２ａは、φ２．３ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのガラス製の部品であり、低融点ガラスにより保持部１２ｂに接合されている。窓部１２ａの上面視形状は例えば円形状である。上面視において、窓部１２ａは典型的には基体１０の中心部に配置される。保持部１２ｂと端子保持部材１１は、例えば溶接によって接合する。保持部１２ｂは、例えばステンレス（ＳＵＳ）からなる。

半導体レーザ素子１４は、例えば窒化物半導体レーザ素子である。発振波長は紫外〜緑色が挙げられる。半導体レーザ素子１４は、サブマウント１８を介して載置部１０ａに取り付けられていてよい。サブマウント１８は、典型的には、電気絶縁性が高く、熱伝導率の高い部品である。例えば、窒化アルミニウムや炭化ケイ素が挙げられる。例えば、絶縁性の炭化ケイ素基板の表面と裏面の両方に金属層を設け、表面の金属層に半導体レーザ素子１４を固着させ、裏面の金属層によって載置部１０ａと固着させる。

複数の発光装置１００を実装する場合の一例を、図７及び図８に示す。図７及び図８に示すように、放熱プレート２０の複数の凹部２０ａにそれぞれ発光装置１００の基体１０を直接又はグリスやハンダ等を介して固定する。凹部２０ａの形状及び大きさは基体１０とほぼ同じである。貫通孔２０ｂは固定用であり、例えばネジを挿入して放熱プレート２０を放熱器等に固定する。なお、凹部２０ａに替えて貫通孔でもよい。この場合は、発光装置１００の基体１０を放熱器等に直接またはグリス等を介して熱的に接続すればよい。

基体１０とリード端子１３Ａ、１３Ｂの間に通電部材３０を配置することにより、複数の発光装置１００に電力を供給することができる。通電部材３０の表面には配線３１ａ〜３１ｊが設けられており、それぞれハンダ等によってリード端子１３Ａ、１３Ｂと電気的に接続される。配線３１ａ〜３１ｊは、複数の発光装置１００が直列接続されるように通電部材３０の内部に設けられた内部配線で繋がっている。すなわち、配線３１ｂと配線３１ｃが接続され、配線３１ｄと配線３１ｅが接続され、配線３１ｆと配線３１ｇが接続され、配線３１ｈと配線３１ｉが接続される。通電部材３０は、例えば配線３１ａをアノード側、配線３１ｊをカソード側として、さらに外部の配線と接続すればよい。

このように直列接続した複数の発光装置１００を数列並べて配置し、発光装置１００の発光部（窓部１２ａ）をマトリクス状に配置してもよい。発光装置１００のリード端子１３Ａ、１３Ｂは基体１０の上方に収まっているので、リード端子１３Ａ、１３Ｂの突出側に別の発光装置１００を隣接して配置することができる。

＜実施形態２＞
図９は、実施形態２に係る発光装置２００の模式的な上面図であり、図１０は、発光装置２００の模式的な側面図である。図９及び図１０に示すように、実施形態２に係る発光装置２００は、端子保持部材２１１が上面視において円環状である点で実施形態１に係る発光装置１００と異なる。この場合、キャップ２１２は円筒状のものを用いることができる。円筒状のキャップ２１２は、従来の基体を貫通してリード端子を設ける発光装置と同様のものを用いてよい。

図９に示すように、上面視において、リード端子２１３Ａ、２１３Ｂが端子保持部材２１１を貫通する方向は、発光装置２００の中心部から放射線状に伸びる方向であることが好ましい。これにより、上面視においてリード端子２１３Ａ、２１３Ｂの基体２１０からの突出量を抑制することができるため、複数の発光装置２００を近接して配置することができる。特に、複数の発光装置２００を縦横に並べて配置するマトリクス状の配置の際に好ましい。また、端子保持部材２１１に設ける貫通孔を円柱状に近い形状とすることができるため、円柱状の絶縁材２１５を用いてリード端子２１３Ａ、２１３Ｂを固定することができる。円柱状の絶縁材２１５は、線材から切り出すことで作製できるため、安価に作製することができる。絶縁材２１５は、上面視において端子保持部材２１１から突出していてもよい。

＜他の実施形態＞
他の実施形態を、図１１〜１４を用いて説明する。実施形態１の発光装置とは、半導体レーザ素子が載置部の上面に設けられる点、載置部の上面にはさらに半導体レーザ素子からの出射光を載置部の上面と平行な方向から垂直な方向に変える光反射部材（光反射ミラー）が設けられている点で異なり、その他の点で実施の形態１と同じである。

他の実施の形態の発光装置３００は、主面から上方に突出した載置部３１０ａを有する基体３１０と、載置部３１０ａを囲むように基体３１０の主面に接合された環状の端子保持部材３１１と、端子保持部材３１１の上面に接合され、基体３１０及び端子保持部材３１１と共に封止空間を構成するキャップ３１２と、載置部３１０ａの上面に設けられた半導体レーザ素子３１４と光反射部材３１９と、端子保持部材を貫通したリード端子３１３Ａ、３１３Ｂと、を備える。

図１１は他の実施の形態に係る発光装置の模式的な斜視図、図１２は他の実施の形態に係る発光装置の模式的な上面図、図１３は他の実施形態に係る発光装置のキャップ接合前の状態を示す模式的な斜視図であり、図１４は他の実施形態に係る発光装置のキャップ接合前の状態を示す模式的な上面図である。図１３と図１４は、他の実施の形態に係る発光装置の封止空間の構造を説明するための図である。

ここでキャップ３１２は、窓部３１２ａと保持部３１２ｂを有する。窓部３１２ａは保持部３１２ｂの貫通孔内に配置された透光性の部材である。半導体レーザ素子３１４からの光は、載置部の上面と平行な方向に進み、光反射部材３１９によって、基板の主面に垂直な方向に進み、窓部１２ａから取り出される。また半導体レーザ素子３１４はリード端子３１２ａ、３１２ｂと、ワイヤによって電気的に接続される。

載置部３１０ａは環状の端子保持部材の内側の大きさとほぼ同じ大きさで基板の主面から上方に突出しているが、突出していなくてもよい。この場合は、載置部は基板の主面上にある載置領域であって、載置領域に半導体レーザ素子３１４と光反射部材３１９とを備えることとなる。

１００、２００、３００ 発光装置
１０、２１０、３１０ 基体
１０ａ、３１０ａ 載置部
１１、２１１、３１１ 端子保持部材
１１ａ 近接部、 １１ｂ 離間部
１２、２１２、３１２ キャップ
１２ａ、３１２ａ 窓部、 １２ｂ、３１２ｂ 保持部
１３Ａ、１３Ｂ、２１３Ａ、２１３Ｂ、３１３Ａ、３１３Ｂ リード端子
１３Ｂａ 第１部分、 １３Ｂｂ 第２部分
１４、３１４ 半導体レーザ素子
１５、２１５ 絶縁材
１６ ワイヤ
１７ 封止空間
１８ サブマウント
２０ 放熱プレート
２０ａ 凹部、 ２０ｂ 貫通孔
３０ 通電部材
３１ａ〜３１ｊ 配線
３１９ 光反射部材

Claims (5)

1. 主面から上方に突出した載置部を有する基体と、
   前記載置部を囲むように前記基体の前記主面に接合された環状の端子保持部材と、
   前記端子保持部材の上面に接合され、前記基体及び前記端子保持部材と共に封止空間を構成するキャップと、
   前記載置部の側面に設けられた半導体レーザ素子と、
   前記端子保持部材を貫通したリード端子と、
   を備える発光装置。
2. 上面視において、前記リード端子の前記封止空間の外側に配置された一端は、前記基体の外縁よりも内側に配置されている請求項１記載の発光装置。
3. 上面視において、前記端子保持部材の外縁は、前記基体の外縁に近接した近接部と、前記基体の外縁からの距離が前記近接部よりも大きい離間部と、を含み、
   前記離間部から前記リード端子が突出している請求項１又は２に記載の発光装置。
4. 上面視において、前記離間部は直線状である請求項３に記載の発光装置。
5. 前記リード端子は、屈曲しており、
   前記封止空間の内側において前記載置部の前記側面に沿った方向に延伸し、前記半導体レーザ素子と電気的に接続するためのワイヤが接合された第１部分と、
   前記基体の前記主面に沿った方向に延伸して前記端子保持部材を貫通し、前記封止空間の外側に配置された第２部分と、を含む請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発光装置。

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