JP2018139237A - レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性が高く小型で安価なレーザモジュールを提供する。【解決手段】レーザモジュール１２は、レーザ光を出射するレーザ素子１と、レーザ素子１が搭載されたブロック３と、はんだを介してブロック３が主面７ａに固定された基体７と、を備え、主面７ａのブロック３の外側にはんだの広がりを制限するレーザマーク７Ｇが設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子が搭載されたレーザモジュールに関する。

従来のレーザモジュールの構成およびその組み立て方法の例としては、特許文献１に示される技術が提案されている。

特許文献１においては、複数のレーザがそれぞれサブマウントを介してブロックにＡｕ−Ｓｎはんだにより固定されている。ブロックは、ＣｕにＡｕ／Ｎｉめっきが施されたものであり、Ａｕ−Ｓｎはんだの融点は２８０℃である。また、各々のブロックは位置が調整され、Ａｕ／Ｎｉめっきが施された１つの基体であるステムに融点が１８３℃のＰｂ−Ｓｎはんだにより固定されている。電気的接続をした後、最後に窓がついたキャップをＮ₂雰囲気中で基体に溶接することにより、レーザ、サブマウントおよびブロックといった中心部分が気密封止されたレーザモジュールが完成する。

特開平１−２４１５０４号公報

しかしながら、特許文献１の構成においては、はんだの濡れ性を高めるためにブロックと基体にはＡｕ／Ｎｉめっきが施されているため、ブロックと基体とをはんだ付けする際、はんだが溶融し、ブロック下面のみならず基体の表面まで濡れ広がって両者が固定される。このとき、部品の面粗さのばらつきといった原因により、接合時のはんだ部の温度または接合の時間がばらつくと、はんだの濡れ広がり量もばらつく。その結果、ブロックと基体との間にはんだ未接合部が発生し、レーザの発熱を基体から正常に放熱することができなくなり、特性不良または寿命が短くなるという問題があった。

さらに、接合時の荷重またはブロックの調整量がばらつくと未接合部が発生しやすくなる。また、未接合部の発生を防ぐために、はんだの量を多く設定すると、ブロック下面以外にはんだが濡れ広がる範囲が増大してキャップの溶接範囲まで広がり、キャップによる気密封止が不完全になるという問題があった。この問題を回避するためには、はんだの濡れ広がりばらつきを考慮して、ブロック位置に対してキャップの溶接位置を大きく設計する必要があり、レーザモジュールの大型化およびコストアップという課題が生ずる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、信頼性が高く小型で安価なレーザモジュールを得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、レーザ光を出射するレーザ素子と、レーザ素子が搭載されたブロックと、はんだを介してブロックが主面に固定された基体と、を備え、主面のブロックの外側にはんだの広がりを制限するレーザマークが設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、信頼性が高く小型で安価なレーザモジュールを得るという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかるレーザモジュールの分解図 実施の形態１にかかるブロック−ＡＳＳＹがステムに固定された状態を示す斜視図 実施の形態１にかかるコリメータレンズアレイが固定された状態を示す斜視図 実施の形態１にかかるキャップが取り付けられたレーザモジュールの斜視図 図４における一点鎖線Ａ−Ａにおける断面図 実施の形態１にかかるレーザモジュールの組み立てフロー図 実施の形態１にかかるレーザマークを詳細に説明するステムの上視図 実施の形態１におけるラインがなかった場合のはんだの広がりを説明する斜視図 実施の形態１におけるラインがなかった場合のはんだの広がりを説明する上視図 実施の形態１にかかるブロック−ＡＳＳＹがステムに固定された状態を示す上視図 実施の形態１にかかるレーザモジュールを複数用いて集光する場合の断面図

以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザモジュール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、本発明の実施の形態１にかかるレーザモジュール１２の分解図である。図２は、実施の形態１にかかるブロック−ＡＳＳＹ（ａｓｓｅｍｂｌｙ）６がステム７に固定された状態を示す斜視図である。図３は、実施の形態１にかかるコリメータレンズアレイ９が固定された状態を示す斜視図である。図４は、実施の形態１にかかるキャップ１１が取り付けられたレーザモジュール１２の斜視図である。図５は、図４における一点鎖線Ａ−Ａにおける断面図である。図６は、実施の形態１にかかるレーザモジュール１２の組み立てフロー図である。

図１において、レーザ光を出射するレーザ素子である半導体レーザアレイ１は、絶縁性に優れた材料であるＳｉＣを基材として両面に溶融温度が２７８℃のＡｕＳｎはんだが蒸着されたサブマウント基板２を介し、熱伝導性に優れた銅にニッケルめっきと金めっきを施したブロック３に一体的にはんだ接合されている。即ち、図６に示すように半導体レーザアレイ１とサブマウント基板２とがＡｕＳｎはんだ固定され、さらにそれらがブロック３にＡｕＳｎはんだ固定される。半導体レーザアレイ１は、レーザ光を出射するエミッタを複数有するマルチエミッタのレーザダイオードである。

また、図１に示されるサブマウント基板２には複数の電極パターンが形成され、半導体レーザアレイ１の正負いずれか一方の電極が一つの電極パターンに接続されるとともに、他方の電極は複数のワイヤ４でサブマウント基板２の別の電極パターンに接続されている。即ち、図６に示すようにワイヤ４によるワイヤ接合が行われる。

また、図１に示されるサブマウント基板２の各電極パターンには２対の金リボン５Ａおよび５Ｂが接合され、引き出されている。即ち、図６に示すように金リボン５Ａおよび５Ｂによるリボン接合が行われる。

以上の組み立てフローにより、半導体レーザアレイ１、サブマウント基板２、ブロック３、ワイヤ４および金リボン５Ａおよび５Ｂを含んだ複数の部品が組み合わされたブロック−ＡＳＳＹ６が構成される。なお、図１に示すように、実施の形態１にかかるレーザモジュール１２は、ブロック−ＡＳＳＹ６を２個備える。

板状の基体であるステム７は、表面にニッケルめっきと金めっきとが順に施されたＦｅ−Ｃｕ−Ｆｅのクラッド材からなり、４本１組の給電用リードピン７Ａおよび７Ｂが中心を挟んで２組計８本、ガラス封止により固定されている。ステム７の主面７ａは金めっきで覆われている。基準の穴７Ｃおよび長穴７Ｄは、ステム７の寸法を規定し、レーザモジュール１２を装置に組み込むときの基準となる。組み立て前のステム７の主面７ａには、図１および図６に示すように、レーザマーキングにより、トレーサビリティ管理および個体識別のためのシリアル番号７Ｅと、その情報を含んだ２次元バーコード７Ｆと、１対の略コの字形状のライン７Ｇと、がレーザマークとして書き込まれている。シリアル番号７Ｅまたは２次元バーコード７Ｆによって、基体であるステム７の識別が可能である。

その後、図２に示すように、２個のブロック−ＡＳＳＹ６が、それぞれの半導体レーザアレイ１同士が対向するよう対称にステム７の主面７ａにはんだ固定され搭載される。２個のブロック−ＡＳＳＹ６は、それぞれのブロック３の半導体レーザアレイ１が固定された面とは垂直な底面に荷重が加えられた状態で、２個同時にＳｎＡｇＣｕ製のリボンはんだ８によりステム７の主面７ａの中心にはんだ固定される。即ち、図６に示すようにブロック−ＡＳＳＹ６とステム７とがリボンはんだ８によりＳｎＡｇＣｕはんだ固定される。具体的には、２個のブロック−ＡＳＳＹ６それぞれのブロック３の底面とステム７の主面７ａとがリボンはんだ８を介して接合される。リボンはんだ８は、ＳｎＡｇＣｕ製であるのでＡｕＳｎはんだより融点が低く、溶融温度は２１９℃である。リボンはんだ８は、ブロック３の接合面となる底面のサイズと、接合前はほぼ同じサイズになっている。

この後、図２および図６に示されるように、ブロック−ＡＳＳＹ６から引き出された金リボン５Ａおよび５Ｂの端は、給電用リードピン７Ａおよび７Ｂにそれぞれリボン接合される。そして、給電用リードピン７Ａおよび７Ｂの金リボン５Ａおよび５Ｂが接続された端とは逆の端の側から給電されることにより、半導体レーザアレイ１が発光するようになっている。

図３に示すコリメータレンズアレイ９は、ガラス製であり、半導体レーザアレイ１の複数のエミッタから出射されたレーザ光の光束である発散光をそれぞれコリメート化、即ち平行光となるようにする。図３および図６に示されるように、コリメータレンズアレイ９は、コリメータレンズアレイ９を保持するガラス製のタブ１０によりそれぞれ接着固定されている。

図３および図６に示すように、リードピン７Ａと７Ｂとの間に所要の電流を通電し、半導体レーザアレイ１を発光させた状態で、コリメータレンズアレイ９とタブ１０が接着された部品は、それぞれステム面に垂直でコリメート化するように６軸の位置調整が行われ、ブロック３のサブマウント基板２および半導体レーザアレイ１が実装されている面と垂直な上面がタブ１０と接着固定される。

最後に、図４および図６に示すように、半導体レーザアレイ１が出射するレーザ光を透過する窓であるガラス窓１１Ａを有したＦｅ−Ｎｉ合金からなる円筒形或いはほぼ円筒形のキャップ１１が、その中心をステム７の中心に合わせて乾燥空気中で抵抗溶接により主面７ａに接合される。これにより、２つのブロック−ＡＳＳＹ６はキャップ１１の内部に気密封止される。

以上のような、図１から図４に示した構成および図６の組み立てフロー図に従った工程によりレーザモジュール１２が組み立てられ、図５の断面図に示すように１つのパッケージから２つのコリメート光１３を出射するレーザモジュール１２が完成する。

図７は、実施の形態１にかかるレーザマークを詳細に説明するステム７の上視図である。図７において、二点鎖線で示した仮想線７Ｈは実際には描かれていないが、キャップ１１の溶接位置を示している。ステム７は、給電用リードピン７Ａおよび７Ｂのガラス封止性とキャップ１１の溶接性を考慮して、表面は鉄（Ｆｅ）で、熱伝導性を考慮して間に銅（Ｃｕ）を挟んだＦｅ−Ｃｕ−Ｆｅのクラッド材を採用し、ニッケルめっきを施した後に、はんだの濡れ性を良くするため全面に金めっきが施されている。従って、図７の以下に述べるレーザマークが描いて設けられた場所以外のステム７の主面７ａは、金めっきが施されている。

ここで、ステム７は、穴７Ｃと長穴７Ｄを基準に治工具に取り付けられ、その主面７ａのキャップ１１の溶接位置を示す仮想線７Ｈの外側には、レーザマーキングによりシリアル番号７Ｅとその情報を含んだ２次元バーコード７Ｆがレーザマークとして描かれている。従って、シリアル番号７Ｅおよび２次元バーコード７Ｆは、キャップ１１の溶接後においては、主面７ａ上のキャップ１１の外側に位置することになる。

また、１対の略コの字形状のライン７Ｇは、主面７ａの仮想線７Ｈの内側にレーザマークとして描かれている。さらに、ライン７Ｇは、ブロック３を搭載する主面７ａの搭載面と仮想線７Ｈとが最も近づいている部分においても、上記搭載面の外周すなわちリボンはんだ８の外周より縦横とも少なくとも０．５ｍｍほど大きい寸法を有する１対の略コの字形状のレーザマークとして設けられている。

レーザマーキングにおいては、レーザ照射によりステム７の主面７ａの金めっきを簡単に除去することで、レーザマークを描くことができる。ステム７の主面７ａの金めっきの金はレーザ照射による熱で除去され、加熱が大きい場合は、さらに金の下層にあるニッケルおよび鉄が酸化されて変色する。ライン７Ｇの部分は、金めっきが除去されているのではんだの濡れ性は金めっきが存在する領域に比べて低下している。従って、溶融して上記搭載面の外周から外に広がろうとするはんだをライン７Ｇにより確実に堰き止めて、はんだの広がりを制限することが可能となる。

上述したシリアル番号７Ｅ、その情報を含んだ２次元バーコード７Ｆおよび１対の略コの字形状のライン７Ｇは、ステム７の同一の主面７ａに同一の作業工程でレーザマークとして描かれている。また、ステム７は、基準となる穴７Ｃおよび長穴７Ｄを基準にして治工具に取り付けられているため、１対の略コの字形状のライン７Ｇは高精度に描くことが可能である。このように、レーザマーキングにより、目視でのシリアル番号７Ｅの確認、バーコードリーダによる２次元バーコード７Ｆの読み取りおよびライン７Ｇによるはんだの濡れ性の阻害が同一の工程で実現可能となる。

次に、図２で示したブロック−ＡＳＳＹ６とステム７との接合方法について詳細に説明する。接合手順は、ステム７の予め定めた位置にＡｕＳｎはんだより融点の低いＳｎＡｇＣｕ製のリボンはんだ８を治工具といった手段により位置決めして置き、その上から２個のブロック−ＡＳＳＹ６をロボットで把持して、ステム７に対して精密に位置決めを行い、予め定めた荷重をかけた状態で約２５０℃になるように予め定めた時間加熱する。これにより、ＡｕＳｎはんだでブロック３に固定された半導体レーザアレイ１およびサブマウント基板２は溶けることなく、ＳｎＡｇＣｕ製のリボンはんだ８のみが溶融する。その結果、リボンはんだ８はブロック３とステム７間およびステム７の表面に濡れ広がり、ブロック３とステム７とが固定される。

図８は、実施の形態１におけるライン７Ｇがなかった場合のはんだの広がりを説明する斜視図である。図９は、実施の形態１におけるライン７Ｇがなかった場合のはんだの広がりを説明する上視図である。即ち、図８は、レーザマーキングによる１対の略コの字形状のライン７Ｇがなかった場合の接合後のリボンはんだ８の広がりを示しており、図９はその上視図である。

ブロック３およびステム７には、表面状態または形状の微小なばらつきがあり、これらを起因とする接触状態のばらつきによりステム７上の温度プロファイルは大きく変化する。さらに、ブロック−ＡＳＳＹ６にかかる荷重のばらつきおよび位置調整といった要因により、はんだ濡れ性が良いステム７の上でのはんだの濡れ広がり方は大きく変化する。

図８および図９に示したように、ステム７上のリボンはんだ８の広がりが大きくなると、ブロック３とステム７との間のはんだ量が少なくなり、ブロック３とステム７との間にボイドといった接合不良または未接合部が発生し、レーザモジュール１２の熱引きを阻害することになる。また、キャップ１１が溶接される位置を示す仮想線７Ｈを超えてはんだが濡れ広がると、キャップ１１を抵抗溶接する際、キャップ１１とステム７との間に隙間が空き、接合不良が発生したり、気密封止に失敗するおそれがある。図８および図９に示した例の場合、ブロック３の周囲から３ｍｍ程はんだが濡れ広がることもある。

上述したように、図２は、実施の形態１にかかるブロック−ＡＳＳＹ６がステム７に固定された状態を示す斜視図であり、レーザマーキングによるレーザマークである１対の略コの字形状のライン７Ｇがステム７に設けられている場合における接合後のリボンはんだ８の広がりを説明している。図１０は、実施の形態１にかかるブロック−ＡＳＳＹ６がステム７に固定された状態を示す上視図である。従って、図１０は、図２の上視図である。

図２および図１０に示すように、ステム７には１対の略コの字形状のライン７Ｇが設けられているため、温度条件または荷重がばらついても、金めっきが除去されている１対の略コの字形状のライン７Ｇを超えてリボンはんだ８が濡れ広がること簡単に阻止することができる。このためブロック３とステム７との間のはんだにボイドといった接合不良が発生せず、ブロック３とステム７との間に確実にはんだを充填することができ、熱引きのよい信頼性の高いレーザモジュール１２を提供することができる。また、金めっきが除去されているライン７Ｇを超えてその外側にリボンはんだ８が濡れ広がることがないので、キャップ１１による確実な気密封止が可能になる。

さらに、実施の形態１のレーザモジュール１２においては、円筒形或いはほぼ円筒形のキャップ１１の中心に対して対称に２個のブロック−ＡＳＳＹ６がステム７の主面７ａに搭載されている。このように複数のブロック−ＡＳＳＹ６が対称に配置されると、キャップ１１の外周とブロック３との距離は、必然的に近づいてくる。しかし、ライン７Ｇを超えてリボンはんだ８が濡れ広がることがないので、はんだのはみ出し位置のばらつきを考慮してキャップ１１の溶接位置を設計する必要がなくなる。その結果、キャップ１１の溶接位置、ひいてはキャップ１１の径を小径に構成することができるので、小型で高出力なレーザモジュール１２を安価に提供することができる。

図１１は、実施の形態１にかかるレーザモジュール１２を複数用いて集光する場合の断面図である。この断面図は、図５の断面と同様な面での断面図になっている。図１１は、複数のレーザモジュール１２それぞれのコリメータレンズアレイ９によって平行光にされたコリメート光束１３をまとめて集光する場合の構成の一例を示している。

複数のレーザモジュール１２の上に設けられた集光レンズ１４により集光された光はロッド１５に取り込まれる。図１１において、１つのレーザモジュール１２は複数のコリメータ光束１３を出射するように構成されており、レーザモジュール１２がより小型になるほど、より小さな集光レンズ１４を採用することができる。したがって、実施の形態１にかかるレーザモジュール１２をプロジェクタ光源といった装置に適用することにより、より小型で安価な装置を提供することが可能になる。

また、本実施の形態１では、レーザマーカにより書き込まれたライン７Ｇの形状を１対の略コの字形状として説明したが、ライン７Ｇの形状はこれに限定されない。ライン７Ｇが全体で１つの閉じた形状であって、２つのブロック３をまとめて全周取り囲むような長方形形状であってもよい。また、ライン７Ｇが、２つのブロック３をそれぞれ取り囲む２つの別個の閉じた形状にしてもよい。さらに、ライン７Ｇの形状は曲線であってもかまわない。このように、ライン７Ｇの形状は、リボンはんだ８の濡れ広がりを堰き止めることが出来るのであれば、キャップ１１の溶接位置を示す仮想線７Ｈの内側であって各ブロック３を囲んでいるという条件を満たす範囲で、各ブロック３の形状に合わせた自由な形状が選択できることは言うまでもない。

以上のように、実施の形態１にかかるレーザモジュール１２によれば、レーザマーカによってはんだの濡れ広がる範囲を単に制限するのみならず、２つの部品の面同士に未接合部がないように信頼性の高い接合ができる効果がある。また、確実な気密封止が可能になる効果も奏する。その結果、レーザ素子を搭載するブロック３と基体であるステム７とを確実にはんだ付けして、熱引きの良い信頼性の高いレーザモジュールが得られる。さらに部品、組立の製造工程を増やすことなく、キャップ１１内に高密度に部品を実装することが可能で、小型で高出力なレーザモジュール１２を安価に提供することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 半導体レーザアレイ、２ サブマウント基板、３ ブロック、４ ワイヤ、５Ａ，５Ｂ 金リボン、６ ブロック−ＡＳＳＹ、７ ステム、７ａ 主面、７Ａ，７Ｂ リードピン、７Ｃ 穴、７Ｄ 長穴、７Ｅ シリアル番号、７Ｆ ２次元バーコード、７Ｇ ライン、７Ｈ キャップ溶接位置を示す仮想線、８ リボンはんだ、９ コリメータレンズアレイ、１０ タブ、１１ キャップ、１１Ａ ガラス窓、１２ レーザモジュール、１３ コリメート光、１４ 集光レンズ、１５ ロッド。

Claims (7)

1. レーザ光を出射するレーザ素子と、
   前記レーザ素子が搭載されたブロックと、
   はんだを介して前記ブロックが主面に固定された基体と、
   を備え、
   前記主面の前記ブロックの外側に前記はんだの広がりを制限するレーザマークが設けられている
   ことを特徴とするレーザモジュール。
2. 前記主面には金めっきが施され、前記レーザマークの部分は前記金めっきが除去されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザモジュール。
3. 前記金めっきが除去されている領域は酸化されている
   ことを特徴とする請求項２に記載のレーザモジュール。
4. 前記基体には、前記レーザ素子が出射するレーザ光を透過する窓を有して前記レーザ素子および前記ブロックを内部に封止するキャップが溶接されており、
   前記レーザマークは前記キャップの溶接位置の内側に設けられている
   ことを特徴とする請求項１、２または３に記載のレーザモジュール。
5. 前記キャップは円筒形で、前記キャップの中心に対して対称に前記ブロックおよび前記レーザ素子がそれぞれ複数搭載されている
   ことを特徴とする請求項４に記載のレーザモジュール。
6. 前記レーザ素子はエミッタを複数有し、
   前記エミッタから出射されるレーザ光を平行光にするコリメータレンズアレイを備える
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のレーザモジュール。
7. 前記主面の前記キャップの外側には前記基体の識別が可能なレーザマークが設けられている
   ことを特徴とする請求項４または５に記載のレーザモジュール。

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