JP2018032650A - レーザモジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザモジュール内に接着剤によって固定されたガラス部品の接着強度のばらつきを抑制し、性能の安定した、信頼性の高いレーザモジュールおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】レーザモジュールの製造方法は、ガラス部材（即ちタブ９）にレンズ（即ち集光レンズアレイ８）が接着され、ガラス部材が、半導体レーザ素子（即ち半導体レーザアレイ５）が直接または間接的に固定された金属部材（即ちブロック３）に固定されたレーザモジュールの製造方法であって、（ａ）ガラス部材を純水で洗浄する工程と、（ｂ）工程（ａ）の後に、ガラス部材にレンズをエポキシ系の接着剤で接着する工程と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザモジュールおよびその製造方法に関する。

従来のレーザモジュールにおいては、半導体レーザ素子の近くに、半導体レーザ素子から出射される発散光をコリメート化または集光するための小型のレンズを接着により高精度に固定していた（例えば特許文献１および特許文献２を参照）。

特許文献１においては、レーザアレイから出射した複数本のレーザビームをレンズアレイに入射させるようにしたレーザアレイユニットが記載されている。特許文献１において、レンズアレイを紫外線硬化型の接着剤でレンズホルダに接着固定することにより、固定精度を高く確保するとともに、レンズホルダと固定部材との接着部の歪を小さく抑える構成が示されている。

また、特許文献２においては、光学部品と固定部材とをエポキシ基を有する接着剤で活性エネルギーにより硬化固定した後、容器にて気密封止をする前に容器と半導体レーザにプラズマを照射することにより容器内の汚染物質を除去し、良好な特性と信頼性が得られるレーザモジュールの製造方法が示されている。

特開２００６−２８４８５１号公報 特開２００５−１０９４０３号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２のように、小型の光学部品を接着剤で高精度に固定する場合、被接着物の表面状態により接着の状態が大きく影響され、接着強度がばらつくという課題があった。特にレーザモジュールの場合、接着剤のアウトガスにより特性劣化があることと、組立では高温が加わる工程があることから、アウトガス発生が少なく耐熱性に優れたエポキシ系の接着剤を選定することが多い。被接着物がガラスの場合、空気中の水分とガラス中のナトリウムが反応し、表面に水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）、炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ_３）等のアルカリ性の物質が析出し、エポキシ系接着剤の硬化阻害を起こし、接着強度が大きくばらつくという課題があった。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、レーザモジュール内に接着剤によって固定されたガラス部品の接着強度のばらつきを抑制し、性能の安定した、信頼性の高いレーザモジュールおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザモジュールの製造方法は、ガラス部材にレンズが接着され、前記ガラス部材が、半導体レーザ素子が直接または間接的に固定された金属部材に固定されたレーザモジュールの製造方法であって、（ａ）前記ガラス部材を純水で洗浄する工程と、（ｂ）前記工程（ａ）の後に、前記ガラス部材に前記レンズをエポキシ系の接着剤で接着する工程と、を備える。

本発明に係るレーザモジュールの製造方法は、ガラス部材を純水で洗浄し、その後にガラス部材とレンズをエポキシ系の接着剤で接着する。ガラス部材を純水で洗浄することにより、ガラス部材表面に析出したアルカリ性の物質を除去することが可能である。よって、エポキシ系の接着剤が硬化する際に、アルカリ性の物質により硬化が阻害されることを防止して、強度の高い接着部を得ることが可能である。よって、信頼性の高いレーザモジュールを得ることができる。

本発明の実施形態に係るレーザモジュールの分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る集光レンズアレイとタブの斜視図である。 本発明の実施形態に係るレーザモジュールの斜視図である。 本発明の実施形態に係るレーザモジュールの斜視図である。 本発明の実施形態に係るレーザモジュールの断面図である。 本発明の実施形態に係るレーザモジュールの製造工程を示す図である。 本発明の実施形態に係る開いた状態のケースの斜視図である。 本発明の実施形態に係るタブを収納した状態のケースの斜視図である。 本発明の実施形態に係る閉じた状態のケースの斜視図である。 本発明の実施形態に係るタブを収納した状態のケースの断面斜視図である。

＜構成＞
図１は、本発明の実施形態に係るレーザモジュールの分解斜視図である。図２は、集光レンズアレイ８とタブ９の斜視図である。図３は、キャップ１２の図示を省略したレーザモジュールの斜視図である。図４は、キャップ１２を接合したレーザモジュールの斜視図である。図５は、図４の線分Ａ−Ａにおけるレーザモジュールの断面図である。

図１に示すように、レーザモジュールは、板状のステム１、２対の給電用リードピン２Ａ，２Ａ，２Ｂ，２Ｂ、ブロック３、サブマウント基板４、半導体レーザアレイ５、集光レンズアレイ８、タブ９、２対の金リボン７Ａ，７Ａ，７Ｂ、７Ｂを備える。

図１から図５に示すように、板状のステム１には２対の給電用リードピン２Ａ，２Ａ，２Ｂ，２Ｂが、ガラス封止により固定されている。ブロック３はステム１上にはんだ材で接合されている。ブロック３は、熱伝導性に優れた銅であり、表面にニッケルめっきと金めっきが施されている。

サブマウント基板４には半導体レーザアレイ５がはんだ材により接合されている。ブロック３の、ステム１との接合面と垂直な面にはサブマウント基板４が接合されている。サブマウント基板４は絶縁性に優れた材料であり、サブマウント基板４には電極パターンが形成されている。電極パターンには、半導体レーザアレイ５の正負いずれか一方が接続され、他方の電極は複数のワイヤ６でサブマウント基板４の別の電極パターンに接続されている。

サブマウント基板４の各電極パターンと給電用リードピン２Ａ，２Ａ，２Ｂ，２Ｂは２対の金リボン７Ａ，７Ａ，７Ｂ、７Ｂにより超音波接合されている。

ガラス製の集光レンズアレイ８は、半導体レーザアレイ５から出射された発散光を集光する。図２に示すように、集光レンズアレイ８は、ガラス製のタブ９に接着剤１０により接着固定されている。集光レンズアレイ８の面８Ｃと、タブ９の面９Ａとが接着される。接着剤１０は、紫外線硬化性および熱硬化性のあるエポキシ系の接着剤である。

図２に示すように、集光レンズアレイ８は、レーザ光の入射面８Ａおよび出射面８Ｂには、透過率を増す反射防止膜がコーティング（ＡＲコート）されている。また、集光レンズアレイ８の面８Ｃ（タブ９との接着面）にも反射防止膜がコーティングされている。タブ９は、集光レンズアレイ８とブロック３の間の線膨張係数を有するガラスからなる。

タブ９の面９Ｂは、ブロック３の上面に接着剤１１により固定される。接着剤１１は、接着剤１０と同様、紫外線硬化性および熱硬化性のあるエポキシ系の接着剤である。

図１、４に示すように、ステム１の上面に、半導体レーザアレイ５、集光レンズアレイ８などを密閉するキャップ１２が取り付けられる。図５に示すように、キャップ１２から光軸５Ａのレーザ光が出射される。

＜製造工程＞
図６は、レーザモジュールの製造工程を示す図である。まず、半導体レーザアレイ５の正（もしくは負）の電極をサブマウント基板４上のパターンに、はんだ材により固定する（ステップＳ０１）。次に、サブマウント基板４をブロック３に、はんだ材により固定する（ステップＳ０２）。そして、半導体レーザアレイ５の負（もしくは正）の電極と、サブマウント基板４上のパターンとを、ワイヤ６により接合する（ステップＳ０３）。そして、ブロック３をステム１に、はんだ材により接合する（ステップＳ０４）。ここで、ステム１には、給電用リードピン２Ａ，２Ａ，２Ｂ，２Ｂがカラス封止により接合されている。次に、サブマウント基板４の各電極パターンと給電用リードピン２Ａ，２Ａ，２Ｂ，２Ｂとを、２対の金リボン７Ａ，７Ａ，７Ｂ、７Ｂにより超音波接合する（ステップＳ０５）。

次に、タブ９の洗浄を行う（ステップＳ０６）。タブ９の洗浄方法については後述する。そして、洗浄したタブ９を乾燥させる（ステップＳ０７）。タブ９の洗浄した面に接着剤１０を塗布する（ステップＳ０８）。ここで、接着剤１０はエポキシ系の接着剤である。そして、タブ９の面９Ａと集光レンズアレイ８の面８Ｃとを接着剤１０を介して接触させて、接着部分に紫外線を照射することにより、接着剤１０を仮硬化させる（ステップＳ０９）。さらに、１５０℃、２時間の熱処理を行うことにより接着剤１０を熱硬化させる（ステップＳ１０）。

次に、ステム１に接合されたブロック３に、集光レンズアレイと接着されたタブ９を接合する。まず、集光レンズアレイ８とタブ９が接着された部品は、リードピン２Ａ，２Ｂ間に所要の電流を通電して、半導体レーザアレイ５を発光させた状態で、所定の位置に集光するように６軸の位置調整を行う（ステップＳ１１）。そして、タブ９の面９Ｂに接着剤１１を塗布して（ステップＳ１２）、タブ９をブロック３の上面に接着固定する。ここで、ブロック３のタブ９との接着面は、サブマウント基板４および半導体レーザアレイ５が実装されている面と垂直な面である。

接着剤１１は、まず、紫外線により仮硬化させる（ステップＳ１３）。さらに、１５０℃、２時間の熱処理工程を通して熱硬化させる（ステップＳ１４）。熱処理工程後は、接着剤１１のアウトガスが放出され、各部品に付着している水分も完全に乾燥した状態になる。そして、乾燥空気中でレーザ光が出射する窓ガラスを有したＦｅ−Ｎｉ合金からなるキャップ１２をステム１に抵抗溶接により接合する（ステップＳ１５）。これにより、キャップ１２内部は乾燥かつ汚染物質がない状態で気密封止される。以上の製造工程によりレーザモジュールが組み立てられている。

上記のようにレーザモジュールの製造工程では、水分や接着剤のアウトガスを除去するために、１００℃以上の熱が加わる工程（ステップＳ１０，Ｓ１４）がある。本実施形態では、接着剤１０，１１として、アウトガス発生が少なく耐熱性に優れたエポキシ系の接着剤を使用している。一般に、エポキシ系の接着剤はアルカリ性物質や水分が被接着物にあると硬化阻害を起こすことが知られている。

被接着物がガラスの場合、放置している状態で空気中の水分とガラス中のナトリウムが反応し、表面に水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）、炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ_３）等のアルカリ性の物質が析出することがある。このため、ガラス部品をエポキシ系接着剤で接着する際に硬化阻害を起こし、接着強度が著しく低くなってしまうことがある。

本実施形態では、集光レンズアレイ８のタブ９との接着面８Ｃには反射防止膜がコーティングされている。従って、接着面８Ｃに硬化阻害となる物質が析出することがない。本実施形態では、接着剤１０を塗布する工程（ステップＳ０８）の前に、タブ９の純水洗浄を行う。上述した硬化阻害物質は水溶性であるため、純水洗浄により硬化阻害物質が除去される。従って、集光レンズアレイ８とタブ９との安定した接着強度を得ることができる。

発明者らは、実験により純水による洗浄はアルコールやアセトンによる洗浄に比べ、接着強度が大きく改善することを確認した。また、分析により硬化阻害物質の減少の効果が大きいことを確認した。

また、タブ９は集光レンズアレイ８とブロック３の間の線膨張係数を有しているため、集光レンズアレイ８とブロック３の線膨張係数の差による半導体レーザアレイ５と集光レンズアレイ８の位置ずれを小さく抑えることができるとともに、集光レンズアレイ８とタブ９の間の接着剤１０およびタブ９とブロック３の間の接着剤１１に加わる応力も小さくでき、接着のはがれ等がない信頼性の高い接着を実現できる。

＜タブの洗浄＞
前述したステップＳ０６において、タブ９をケース１３に収納した状態で、純水で洗浄を行う。図７は、開いた状態のケース１３の斜視図である。図８は、タブ９を置いた状態のケース１３の斜視図である。図９は、タブ９を収納した状態のケース１３の斜視図である。図１０は、図９の線分Ｂ−Ｂにおける断面の斜視図である。前述したステップＳ０６において、タブ９をケース１３に収納した状態で、純水で洗浄を行う。

ケース１３は、プラスチック成型品である。ケース１３は、表面側部材１３１と裏面側部材１３２とを備え、表面側部材１３１と裏面側部材１３２とは、共通の回転軸１３Ｄを介して繋がっている。

つまり、表面側部材１３１と裏面側部材１３２とが回転軸１３Ｄの周囲を動くことにより、ケース１３が開閉可能である。また、ケース１３には爪１３Ｅと係止部１３Ｆが備わっており、爪１３Ｅを係止部１３Ｆに係止することにより、水圧などの外力が加わっても、ケース１３が閉じた状態を維持することができる。

ケース１３は複数のタブ９を収納可能である。複数のタブ９を収納した状態で、隣り合うタブ９が接触しないように、個々の収納部分の４隅にはタブ９を保持するための保持部１３Ｃが設けられている。

ケース１３の表面側部材１３１は、個々のタブ９の収納部分ごとに開口１３Ａを有している。同様に、裏面側部材１３２は、個々のタブ９の収納部分ごとに開口１３Ｂを有している。タブ９を梱包ケース１３に収納した状態で、開口１３Ａあるいは開口１３Ｂから、タブ９の接着に供される面９Ａが露出する。

以上の構成のケース１３にタブ９を収納して純水で超音波洗浄を行う。タブ９の接着面には開口１３Ａ、１３Ｂから純水が入り循環する。洗浄後に、開口１３Ａ、１３Ｂから熱風をあてることにより、洗浄された接着面を確実に乾燥することができる。また、ケース１３を用いることにより、複数のタブ９を一括して洗浄および乾燥することができる。よって、複数のタブ９を一括して処理することが可能であり、また、洗浄工程から乾燥工程に移行する際に、タブ９を別のケース等に移す必要が無いため、製造工程を効率化することが可能である。

なお、本実施例では、タブ９の全体を純水で洗浄しているが、綿棒等に純水をつけて接着面８Ｃのみを清掃しても同様の効果が得られる。

なお、本実施形態では半導体レーザアレイ５と集光レンズアレイ８を使用し、高出力のレーザモジュールを提供できる構成とした。本実施形態の変形例として、半導体レーザアレイ５をシングルの半導体レーザとし、集光レンズアレイ８をシングルの集光レンズとしてもよい。また、集光レンズをコリメートレンズとして、レーザモジュールからコリメート光が出射する構成としてもよい。

＜効果＞
本実施形態におけるレーザモジュールの製造方法は、ガラス部材（即ちタブ９）にレンズ（即ち集光レンズアレイ８）が接着され、ガラス部材が、半導体レーザ素子（即ち半導体レーザアレイ５）が直接または間接的に固定された金属部材（即ちブロック３）に固定されたレーザモジュールの製造方法であって、（ａ）ガラス部材を純水で洗浄する工程と、（ｂ）工程（ａ）の後に、ガラス部材にレンズをエポキシ系の接着剤１０で接着する工程と、を備える。

本実施形態では、まずガラス部材を純水で洗浄し、その後にガラス部材とレンズをエポキシ系の接着剤１０で接着する。ガラス部材を純水で洗浄することにより、ガラス部材表面に析出したアルカリ性の物質を除去することが可能である。よって、エポキシ系の接着剤が硬化する際に、アルカリ性の物質により硬化が阻害されることを防止して、強度の高い接着部を得ることが可能である。よって、信頼性の高いレーザモジュールを得ることができる。

また、本実施形態におけるレーザモジュールの製造方法は、（ｃ）工程（ｂ）の後に、ガラス部材（即ちタブ９）およびレンズ（即ち集光レンズアレイ８）を、１００℃以上２００℃以下の温度下におく工程をさらに備える。

従って、１００℃以上２００℃以下の温度で熱処理を行うことにより、接着に用いたエポキシ系の接着剤からガスを放出させ、かつ、レーザモジュールの部材に付着した水分を除去することが可能である。

また、本実施形態におけるレーザモジュールの製造方法において、ガラス部材の線膨張係数は、金属部材の線膨張係数とレンズの線膨張係数との間の値である。

従って、ガラス部材（即ちタブ９）を金属部材とレンズの間の線膨張係数とすることにより、温度変化による寸法および応力変化が緩和され接着強度の劣化、レンズ位置の変化によるレーザモジュールの特性変化を抑制することができる。

また、本実施形態におけるレーザモジュールの製造方法において、工程（ｂ）において、ガラス部材は、ガラス部材を複数収納できるケース１３に収納された状態で超音波洗浄され、ケース１３には、複数のガラス部材のそれぞれを収納する部分において開口１３Ａ，１３Ｂが形成されている。

従って、ガラス部材（即ちタブ９）を複数収納した状態で洗浄および乾燥ができるため、製造効率が良くなるとともに、ガラス部材の損傷、汚れを抑制することができる。

また、本実施形態におけるレーザモジュールの製造工程は、工程（ｂ）の前に、レンズ（即ち集光レンズアレイ８）のガラス部材との接着面８Ｃに反射防止膜を形成する工程をさらに備える。

従って、レンズ（即ち集光レンズアレイ８）の接着面８Ｃに反射防止膜をコーティングすることにより、レンズの接着面には接着剤硬化阻害物質が析出しない。よって、タブ９のみの洗浄で信頼性の高い接着固定が得られる。

本実施形態におけるレーザモジュールの製造工程において、半導体レーザ素子は、半導体レーザアレイ５であり、レンズは、集光レンズアレイ８である。

従って、半導体レーザ素子を複数の発光点を備えるマルチエミッタの半導体レーザアレイ５とすることにより、高出力のレーザモジュールを得ることができる。

また、本実施形態におけるレーザモジュールは、半導体レーザ素子（即ち半導体レーザアレイ５）と、半導体レーザ素子と直接または間接的に固定された金属部材（即ちブロック３）と、金属部材にエポキシ系の接着剤１１で接着されたガラス部材（即ちタブ９）と、ガラス部材にエポキシ系の接着剤１０で接着されたレンズ（即ち集光レンズアレイ８）と、を備え、ガラス部材は、レンズと接着する前に純水で洗浄されている。

従って、エポキシ系の接着剤を塗布する前に、ガラス部材を純水で洗浄することにより、接着剤の硬化を阻害するアルカリ性の物質を除去することが可能である。硬化阻害物質を除去することにより、強度の高い接着部を得ることが可能である。よって、信頼性の高いレーザモジュールを得ることができる。

＜本発明の変形例＞
上述した実施形態では、タブ９と集光レンズ８とを接着する前に、集光レンズ８の接着面８Ｃに反射防止膜を形成した。本変形例では、集光レンズアレイ８の接着面８Ｃに反射防止膜を形成しない代わりに、集光レンズアレイ８の接着面８Ｃをタブ９と同様、純水で洗浄する。純水による洗浄は、タブ９と集光レンズアレイ８とを接着する前に行う。

本変形例では、工程（ｂ）の前に、レンズ（即ち集光レンズアレイ８）のガラス部材（即ちタブ９）との接着面（面８Ｃ）を純水で洗浄する工程をさらに備える。

従って、集光レンズアレイ８の接着面に、硬化阻害物質の析出を防止するための反射防止膜を形成しない場合であっても、集光レンズ８の接着面を純水で洗浄することにより硬化阻害物質を除去することが可能である。硬化阻害物質を除去することにより、強度の高い接着部を得ることが可能である。よって、信頼性の高いレーザモジュールを得ることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ ステム、２Ａ，２Ｂ 給電用リードピン、３ ブロック、４ サブマウント基板、５ 半導体レーザアレイ、６ ワイヤ、７Ａ，７Ｂ 金リボン、８ 集光レンズアレイ、８Ｃ 面、８Ａ 光入射面、８Ｂ 光出射面、９ タブ、９Ａ，９Ｂ 面、１０，１１ 接着剤、１２ キャップ、１３ ケース、１３Ａ，１３Ｂ 開口、１３Ｃ 保持部、１３Ｄ 回転軸、１３Ｅ 爪、１３Ｆ 係止部、１３１ 表面側部材、１３２ 裏面側部材。

Claims (8)

1. ガラス部材にレンズが接着され、前記ガラス部材が、半導体レーザ素子が直接または間接的に固定された金属部材に固定されたレーザモジュールの製造方法であって、
   （ａ）前記ガラス部材を純水で洗浄する工程と、
   （ｂ）前記工程（ａ）の後に、前記ガラス部材に前記レンズをエポキシ系の接着剤で接着する工程と、
   を備える、
   レーザモジュールの製造方法。
2. （ｃ）前記工程（ｂ）の後に、前記ガラス部材および前記レンズを、１００℃以上２００℃以下の温度下におく工程をさらに備える、
   請求項１に記載のレーザモジュールの製造方法。
3. 前記ガラス部材の線膨張係数は、前記金属部材の線膨張係数と前記レンズの線膨張係数との間の値である、
   請求項１または請求項２に記載のレーザモジュールの製造方法。
4. 前記工程（ａ）において、前記ガラス部材は、当該ガラス部材を複数収納できるケースに収納された状態で超音波洗浄され、
   前記ケースには、複数の前記ガラス部材のそれぞれを収納する部分において開口が形成されている、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザモジュールの製造方法。
5. （ｄ）前記工程（ｂ）の前に、前記レンズの前記ガラス部材との接着面に反射防止膜を形成する工程をさらに備える、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のレーザモジュールの製造方法。
6. （ｄ）前記工程（ｂ）の前に、前記レンズの前記ガラス部材との接着面を純水で洗浄する工程をさらに備える、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のレーザモジュールの製造方法。
7. 前記半導体レーザ素子は、半導体レーザアレイであり、
   前記レンズは、集光レンズアレイである、
   請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のレーザモジュールの製造方法。
8. 半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子と直接または間接的に固定された金属部材と、
   前記金属部材に固定されたガラス部材と、
   前記ガラス部材にエポキシ系の接着剤で接着されたレンズと、
   を備え、
   前記ガラス部材は、前記レンズと接着する前に純水で洗浄されている、
   レーザモジュール。

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