JP2020202207A - レーザダイオードデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】レーザダイオードから駆動チップまでの信号伝送距離を減らし、レーザダイオードの駆動速度を向上させることができるレーザダイオードデバイスを提供する。【解決手段】レーザダイオードデバイス１０００は、レーザダイオード素子１８０、レンズ１９０、第１のキャリア要素、駆動チップ２８０及び第２のキャリア要素を備える。第１のキャリア要素は、レーザダイオード素子１８０及びレンズ１９０を収容する。第２のキャリア要素は、駆動チップ２８０を収容するとともに、第１のキャリア要素下に配設されて第１のキャリア要素が載置され、第１のキャリア要素と電気的に接続される。第１のキャリア要素は、第１のセラミックキャリア１１０、第１の金属層１２０、第１の側壁１３０、第１の支持部１４０及び第１の電極部を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザダイオードデバイスに関し、特に、信号の伝達距離が短いレーザダイオードデバイスに関する。

レーザダイオードは、直進、微小スポット、高光密度などの長所を有するため、読取、通信、測定、感知などの分野で広く応用され、近年ではモバイル機器（例えば、スマートフォン、タブレットコンピュータなど）の顔認識又は物体認識に広く応用されている（例えば、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式を組み合わせた技術による顔認識）。従来のレーザダイオードは、駆動チップが発生させる駆動信号を組み合わせて対応した操作を行う。即ち、レーザダイオードは、受信した駆動信号により発光するため、レーザダイオードの駆動速度は受信した駆動信号により制御される。レーザダイオードの駆動速度は、認識効果の良し悪しに直接影響し、駆動速度が速いほど、認識速度も速くなり、認識の精度を高めることができる。

しかし、駆動信号の伝送経路が長くなるほど、伝送経路の電気特性（例えば抵抗）により信号強度が低下し、レーザダイオードの駆動速度が下がり、認識速度及び認識効果を向上させることはできなかった。そのため、レーザダイオードから駆動チップまでの信号伝送距離を減らしてレーザダイオードの駆動速度を向上させる技術が求められていた。

そこで、本発明者は、上記課題を解決するための鋭意検討を重ねた結果、かかる知見に基づいて、本発明に想到するに至った。

本発明の課題は、レーザダイオードから駆動チップまでの信号伝送距離を減らし、レーザダイオードの駆動速度を向上させることができるレーザダイオードデバイスを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によれば、レーザダイオード素子、レンズ、第１のキャリア要素、駆動チップ及び第２のキャリア要素を備えた、レーザダイオードデバイスであって、前記第１のキャリア要素は、前記レーザダイオード素子及び前記レンズを収容し、前記第２のキャリア要素は、前記駆動チップを収容するとともに、前記第１のキャリア要素下に配設されて前記第１のキャリア要素が載置され、前記第１のキャリア要素と電気的に接続されることを特徴とするレーザダイオードデバイスを提供する。

前記第１のキャリア要素は、第１のセラミックキャリアと、前記第１のセラミックキャリア上に形成された第１の金属層と、前記第１の金属層上に形成された第１の側壁と、 前記第１の側壁の内側から突出されるとともに、前記第１の側壁及び前記第１の金属層を介して第１の収容空間及び第２の収容空間を形成する第１の支持部と、前記第１のセラミックキャリア下に設けられた第１の電極部と、を有することが好ましい。

前記第１の収容空間には、前記レーザダイオード素子が収容され、前記第２の収容空間には、前記レンズが収容されていることが好ましい。

前記第１のセラミックキャリアは、複数の第１の貫通孔を有し、前記第１の貫通孔には、前記金属層と前記第１の電極部との間を接続する導線が配設されてことが好ましい。

前記第１の電極部は、前記レーザダイオード素子とそれぞれ電気的に接続された第１の電極及び第２の電極を有することが好ましい。

前記第２のキャリア要素は、第２のセラミックキャリアと、前記第２のセラミックキャリア上に形成された第２の金属層と、前記第２の金属層上に形成された第２の側壁と、前記第２の側壁の内側から突出されるとともに、前記第２の金属層及び前記第２の側壁を介して第３の収容空間及び第４の収容空間を形成する第２の支持部と、前記第２のセラミックキャリア下に設けられた第２の電極部と、を有することが好ましい。

前記第３の収容空間は、前記駆動チップを収容し、前記第４の収容空間には、第１の電極部が載置され、前記第１の電極部は、前記第２の側壁と電気的に接続されることが好ましい。

前記第２のセラミックキャリアは、複数の第２の貫通孔を有し、前記第２の貫通孔には、前記第２の金属層と前記第２の電極部との間を接続する導線が配設されていることが好ましい。

前記第２のセラミックキャリア、前記第２の金属層、前記第２の側壁及び前記第２の支持部は一体成形されることが好ましい。

前記レーザダイオードデバイスは、イメージセンサと同じ高さであることが好ましい。

本発明のレーザダイオードデバイスは、第１のキャリア要素及び第２のキャリア要素を直接積層することによりレーザダイオード素子から駆動チップまでの距離を大幅に減らし、伝送距離が長すぎることにより起こる信号ロスを減らすことができる。また、直接積層することにより、レーザダイオード素子及び駆動チップが配線上で占める表面積を大幅に減らすことができる上、配線の利便性を高めることもできる。また、２つのキャリア要素により、レーザダイオード素子及び駆動チップの熱エネルギーと電気エネルギーとを分離し、レーザダイオード素子の熱エネルギーが駆動チップの性能に悪影響を与えることを防ぐことができる。

本発明の一実施形態に係るレーザダイオードデバイスのパッケージ構造を例示する模式図である。 本発明の一実施形態に係るレーザダイオードモジュールの単独構造を例示する模式図である。 本発明の一実施形態に係る駆動チップモジュールを例示する模式図である。

以下、本発明の目的、特徴及び効果をより分かりやすくするために、具体的な実施形態について図に基づいて詳しく説明する。

図１〜図３を参照する。図１は、本発明の一実施形態に係るレーザダイオードデバイス１０００のパッケージ構造を例示する模式図である。レーザダイオードデバイス１０００は、レーザダイオードモジュール１００及び駆動チップモジュール２００を含む。図２は、本発明の一実施形態に係るレーザダイオードモジュール１００の単独構造を例示する模式図である。図３は、本発明の一実施形態に係る駆動チップモジュール２００を例示する模式図である。

レーザダイオードモジュール１００は、第１のキャリア要素（ｃａｒｒｙｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）を含む。第１のキャリア要素は、レーザダイオード素子１８０（例えばレーザダイオードチップ）及びレンズ１９０を収容して載せるために用いる。第１のキャリア要素は、第１のセラミックキャリア１１０、第１の金属層１２０、第１の側壁１３０、第１の支持部１４０及び第１の電極部１５０を含む。上述した第１のセラミックキャリア１１０上には、第１の金属層１２０が形成される。第１のセラミックキャリア１１０下には、第１の電極部１５０が形成される。第１の電極部１５０は、第１の電極１５０ａ及び第２の電極１５０ｂを含む。第１の電極１５０ａ及び第２の電極１５０ｂは、レーザダイオード素子１８０の正極及び負極と電気的に接続される。第１の側壁１３０は、第１の金属層１２０上に形成され、第１の金属層１２０と接続される。第１の側壁１３０は、第１の金属層１２０を囲むように形成されて収容空間が設けられるとともに、第１の支持部１４０が第１の側壁１３０の内側に配設されるとともに、収容空間に向かって第１の側壁１３０から突出される。第１の支持部１４０の頂部が第１の側壁１３０の頂部より低いため、第１の支持部１４０及び第１の金属層１２０を介して第１の収容空間１６０を形成するとともに、第１の支持部１４０の頂部と第１の側壁１３０の頂部との間には、第１の収容空間１６０上に位置する第２の収容空間１７０が形成される。言い換えると、第１のキャリア要素の収容空間は、上述した第１の収容空間１６０及び上述した第２の収容空間１７０を含む。上述した第１の収容空間１６０には、上述したレーザダイオード素子１８０が収容される。第２の収容空間１７０には、上述したレンズ１９０が収容される。上述したレーザダイオード素子１８０は、第１の金属層１２０上に形成されるとともに、第１の金属層１２０と接続され、レンズ１９０が第１の支持部１４０の頂部に形成されて固定（例えば接着）される。そのため、レーザダイオード素子１８０から射出された光ビームをレンズ１９０により集光させ、特定モードでレーザダイオードモジュール１００の外側に照射する。

上述した第１のセラミックキャリア１１０は、複数の第１の貫通孔１１１を含む。第１の貫通孔１１１は、第１のセラミックキャリア１１０の頂部及び底部に形成され、第１の金属層１２０と第１の電極部１５０との間の導線（例えば金線）に接続される。そのため、レーザダイオード素子１８０の正極及び負極は、接続された第１の金属層１２０及び第１の貫通孔１１１それぞれの第１の電極部１５０の第１の電極１５０ａ及び第２の電極１５０ｂと電気的に接続される。

上述したレーザダイオード素子１８０は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）でもよい。上述したレンズ１９０は、回折光学素子（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）又はマイクロレンズ（Ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ）でもよいが、本発明はこれだけに限定されない。

上述した第１の金属層１２０の材料は銅であるが、本発明はこれだけに限定されず、必要に応じて他の金属材料又は導電材料に代えてもよい。

上述した第１の側壁１３０及び第１の支持部１４０の材料は、ＰＰＡ樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ：Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒ）又は金属材料からなってもよいが、本発明はこれだけに限定されない。

駆動チップモジュール２００は、第２のキャリア要素を含む。第２のキャリア要素には、駆動チップ２８０が載置される。第２のキャリア要素は、第２のセラミックキャリア２１０、第２の金属層２２０、第２の側壁２３０、第２の支持部２４０及び第２の電極部２５０を含む。上述した駆動チップ２８０は、レーザダイオード素子１８０に提供する駆動信号を発生させ、駆動信号に基づいてレーザダイオード素子１８０は光ビームを射出する。第２のセラミックキャリア２１０上には、第２の金属層２２０が形成される。第２のセラミックキャリア２１０下には、第２の電極部２５０が形成される。上述した第２の電極部２５０は、駆動チップ２８０及び外部回路（図示せず）と電気的に接続される。第２の側壁２３０は、第２の金属層２２０上に形成され、第２の金属層２２０と接続され、第２の側壁２３０が第２の金属層２２０を囲むように設けられて収容空間が形成される。第２の支持部２４０は、第２の側壁２３０の内側に配設されるとともに、第２の側壁２３０から収容空間に向かって突出されている。第２の支持部２４０の頂部は、第２の側壁２３０の頂部より低い。そのため、第２の支持部２４０及び第２の金属層２２０を介して第３の収容空間２６０が形成される。第２の支持部２４０の頂部は、第２の側壁２３０の頂部とともに第３の収容空間２６０上に位置する第４の収容空間２７０を形成する。第３の収容空間２６０には、駆動チップ２８０が収容される。第４の収容空間２７０には、レーザダイオードモジュール１００の第１の電極部１５０が収容されて載置される。駆動チップ２８０は、第２の金属層２２０上に形成されて第２の金属層２２０と接続される。それによって、第１の電極部１５０は、第２の側壁２３０及び第２の支持部２４０と電気的に接続される。駆動チップ２８０は、第２の金属層２２０を介して第２の側壁２３０と電気的に接続され、電気的に接続された第１の電極部１５０へ第２の側壁２３０を介して駆動信号を送信する。そのため、駆動信号は、第１の電極部１５０によりレーザダイオード素子１８０に送信される。

上述した第２のセラミックキャリア２１０は、複数の第２の貫通孔２１１を含む。第２の貫通孔２１１は、第２のセラミックキャリア２１０の頂部及び底部に形成され、第２の金属層２２０と第２の電極部２５０との間に接続された導線（例えば金線）が配設されている。そのため、駆動チップ２８０は、接続された第２の金属層２２０と、第２の貫通孔２１１とを介し、第２の電極部２５０と電気的に接続されている。

上述した第２の金属層２２０の材料は、銅でもよいが、本発明はこれだけに限定されず、必要に応じて他の金属材料又は導電材料に代えてもよい。

本実施形態において、第２の側壁２３０及び第２の支持部２４０は、第２の金属層２２０及び第２のセラミックキャリア２１０と一体成形されてもよい。例えば、第２の金属層２２０、第２の側壁２３０及び第２の支持部２４０は、第２のセラミックキャリア２１０上に直接、一体成形されてもよい。本実施形態において、第２の側壁２３０、第２の支持部２４０及び第２の金属層２２０の材料は銅であるが、本発明はこれだけに限定されない。

他の実施形態において、第２の側壁２３０及び第２の支持部２４０は、外側に金属のセラミック、ＰＰＡ樹脂又は液晶ポリマー（ＬＣＰ：Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒ）が塗布されてもよいが、本発明はこれだけに限定されない。

本実施形態のレーザダイオードデバイス１０００の第１の側壁１３０及び第２の側壁２３０の高さは、レーザダイオードデバイス１０００の高さＨに基づいて選択することができ、配線に設けられたレーザダイオードデバイス１０００の高さＨは、対応するイメージセンサと同じであるため、レーザダイオードデバイス１０００が配線に設けられても、イメージセンサの高さに合わせるために再び電線接合する必要がなく、電子製品の製造に必要な時間及びコストを大幅に減らすことができる。上述したイメージセンサ及びレーザダイオードデバイス１０００は、反射光を受光するために、同一の電子機器（例えばスマートフォン）に配置される。上述した反射光は、レーザダイオードデバイス１０００のレーザダイオード素子１８０から射出された光ビームを被測定面（例えば人の顔）に照射し、電子機器は、光ビームの反射時間により被測定面上の異なる位置の距離を測定し、被測定面の立体構造を得る。上述したイメージセンサは、例えば電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）であるが、本発明はこれだけに限定されない。

上述したことから分かるように、本発明のレーザダイオードデバイスは、レーザダイオードモジュール１００と駆動チップモジュール２００とが垂直方向で互いに結合されて電気的に接続されているため、駆動信号をレーザダイオード素子１８０へ送信する伝送距離を大幅に減らすことができる上、伝送経路で発生するエネルギーロスを減らすこともできる。そのため、レーザダイオード素子１８０の駆動速度を大幅に向上し、レーザダイオードデバイス１０００の表面積を大幅に減らし、配線の利便性を高めることができる。また、２つのキャリア要素により、レーザダイオード素子１８０及び駆動チップ２８０の熱エネルギーと電気エネルギーとを分離し、レーザダイオード素子１８０を操作したときに発生する熱エネルギーが駆動チップ２８０の性能に悪影響を与えることを防ぐ。

当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と領域を逸脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。

１００ レーザダイオードモジュール
１１０ 第１のセラミックキャリア
１１１ 第１の貫通孔
１２０ 第１の金属層
１３０ 第１の側壁
１４０ 第１の支持部
１５０ 第１の電極部
１５０ａ 第１の電極
１５０ｂ 第２の電極
１６０ 第１の収容空間
１７０ 第２の収容空間
１８０ レーザダイオード素子
１９０ レンズ
２００ 駆動チップモジュール
２１０ 第２のセラミックキャリア
２１１ 第２の貫通孔
２２０ 第２の金属層
２３０ 第２の側壁
２４０ 第２の支持部
２５０ 第２の電極部
２６０ 第３の収容空間
２７０ 第４の収容空間
２８０ 駆動チップ
１０００ レーザダイオードデバイス
Ｈ 高さ

Claims (10)

1. レーザダイオード素子、レンズ、第１のキャリア要素、駆動チップ及び第２のキャリア要素を備えた、レーザダイオードデバイスであって、
   前記第１のキャリア要素は、前記レーザダイオード素子及び前記レンズを収容し、
   前記第２のキャリア要素は、前記駆動チップを収容するとともに、前記第１のキャリア要素下に配設されて前記第１のキャリア要素が載置され、前記第１のキャリア要素と電気的に接続されることを特徴とするレーザダイオードデバイス。
2. 前記第１のキャリア要素は、
   第１のセラミックキャリアと、
   前記第１のセラミックキャリア上に形成された第１の金属層と、
   前記第１の金属層上に形成された第１の側壁と、
   前記第１の側壁の内側から突出されるとともに、前記第１の側壁及び前記第１の金属層を介して第１の収容空間及び第２の収容空間を形成する第１の支持部と、
   前記第１のセラミックキャリア下に設けられた第１の電極部と、を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオードデバイス。
3. 前記第１の収容空間には、前記レーザダイオード素子が収容され、
   前記第２の収容空間には、前記レンズが収容されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザダイオードデバイス。
4. 前記第１のセラミックキャリアは、複数の第１の貫通孔を有し、
   前記第１の貫通孔には、前記金属層と前記第１の電極部との間を接続する導線が配設されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザダイオードデバイス。
5. 前記第１の電極部は、前記レーザダイオード素子とそれぞれ電気的に接続された第１の電極及び第２の電極を有することを特徴とする請求項２に記載のレーザダイオードデバイス。
6. 前記第２のキャリア要素は、
   第２のセラミックキャリアと、
   前記第２のセラミックキャリア上に形成された第２の金属層と、
   前記第２の金属層上に形成された第２の側壁と、
   前記第２の側壁の内側から突出されるとともに、前記第２の金属層及び前記第２の側壁を介して第３の収容空間及び第４の収容空間を形成する第２の支持部と、
   前記第２のセラミックキャリア下に設けられた第２の電極部と、を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオードデバイス。
7. 前記第３の収容空間は、前記駆動チップを収容し、
   前記第４の収容空間には、第１の電極部が載置され、
   前記第１の電極部は、前記第２の側壁と電気的に接続されることを特徴とする請求項６に記載のレーザダイオードデバイス。
8. 前記第２のセラミックキャリアは、複数の第２の貫通孔を有し、
   前記第２の貫通孔には、前記第２の金属層と前記第２の電極部との間を接続する導線が配設されていることを特徴とする請求項６に記載のレーザダイオードデバイス。
9. 前記第２のセラミックキャリア、前記第２の金属層、前記第２の側壁及び前記第２の支持部は一体成形されることを特徴とする請求項６に記載のレーザダイオードデバイス。
10. 前記レーザダイオードデバイスは、イメージセンサと同じ高さであることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオードデバイス。