JP2023052842A - 発光装置 - Google Patents

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Abstract

Figure 2023052842000001
【課題】 放熱性に優れた発光装置を提供する。
【解決手段】 発光装置は、半導体レーザ素子と、金属を主材料とする底部と、セラミックを主材料とする枠部と、が接合された基部と、を備え、基部は、半導体レーザ素子が配される配置面と、配された半導体レーザ素子の周りを囲う枠と、半導体レーザ素子を電気的に接続するための第１及び第２電極層と、を有し、底部は、配置面を有し、枠部は、配置面と接合する接合面と、接合面と交わり配置面よりも大きい枠を形成する内側面と、接合面と交わり配置面よりも小さい枠を形成する内側面と、を有し、第２電極層は、枠部において、配置面よりも小さい枠を形成する内側面の少なくとも一部と交わる平面であって、接合面とは異なる平面上に設けられる。

【選択図】 図３

Description

本発明は、発光装置に関する。
従来より、枠と底面を有する基部の底面にＬＥＤ素子や半導体レーザ素子などの発光素子を配置した発光素子パッケージが知られている。また、パッケージボディーとなる基部にはいくつかの材料を採用することができ、例えばその一つにセラミックが挙げられる。特許文献１には、表面がセラミック層で形成されたパッケージボディーの上に発光素子を配置した発光素子パッケージが開示されている。
特開２０１４－６８０１３
一方で、半導体レーザ素子などの発光素子は熱を発するため、パッケージを作る際には放熱についても考慮する必要がある。特許文献１の発光素子パッケージは、発光素子がセラミックの上に配される構造を開示しているが、放熱に関して改善の余地がある。
本発明に係る発光装置は、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から放射された光を反射する光反射面を有する光反射部材と、金属を主材料とする底部と、セラミックを主材料とし前記底部が接合された枠部と、前記半導体レーザ素子と電気的に接続される第１及び第２電極層と、を有する基部と、を備え、前記底部は、前記半導体レーザ素子が配される配置面を有し、前記枠部は、配された前記発光素子の周りを囲う枠を形成しており、前記底部と接合する接合面と、前記底部が収まる枠を形成する第１内側面と、前記底部によって覆われる枠を形成する第２内側面と、前記第２内側面の少なくとも一部と交わる平面と、を有し、前記第２電極層は、前記枠部による枠の内側に形成された段差部における平面であって、前記第２内側面の少なくとも一部と交わる平面であり、かつ、前記接合面とは異なる平面上に設けられ、前記段差部は、下面視において枠の全周に亘って設けられる一方で、上面視において枠の全周に亘って設けられておらず、前記段差部は、上面視において、前記光反射部材を挟んで前記半導体レーザ素子と反対側に位置する辺に設けられておらず、前記段差部は、上面視において、前記半導体レーザ素子を挟んで前記光反射部材と反対側に位置する辺に設けられている。
また、本発明に係る発光装置は、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から放射された光を反射する光反射面を有する光反射部材と、金属を主材料とする底部と、セラミックを主材料とし前記底部が接合された枠部と、前記半導体レーザ素子と電気的に接続される第１及び第２電極層と、を有する基部と、前記半導体レーザ素子と電気的に接続するワイヤを備え、前記底部は、前記半導体レーザ素子が配される配置面を有し、前記枠部は、配された前記発光素子の周りを囲う枠を形成しており、前記底部と接合する接合面と、前記底部が収まる枠を形成する第１内側面と、前記底部によって覆われる枠を形成する第２内側面と、前記第２内側面の少なくとも一部と交わる平面と、を有し、前記第２電極層は、前記枠部による枠の内側に形成された段差部における平面であって、前記第２内側面の少なくとも一部と交わる平面であり、かつ、前記接合面とは異なる平面上に設けられ、前記第２電極層は、上面視において、前記光反射部材を挟んで前記半導体レーザ素子と反対側には設けられておらず、前記第２電極層は、上面視において、前記半導体レーザ素子を挟んで前記光反射部材と反対側に設けられており、前記ワイヤは、前記半導体レーザ素子を挟んで前記光反射部材と反対側に設けられている前記第２電極層に接合される。
また、実施形態に係る発光装置は、半導体レーザ素子と、金属を主材料とする底部と、セラミックを主材料とする枠部と、が接合された基部と、を備え、基部は、半導体レーザ素子が配される配置面と、配された半導体レーザ素子の周りを囲う枠と、半導体レーザ素子を電気的に接続するための第１及び第２電極層と、を有し、底部は、配置面を有し、枠部は、配置面と接合する接合面と、接合面と交わり配置面よりも大きい枠を形成する内側面と、接合面と交わり配置面よりも小さい枠を形成する内側面と、を有し、第２電極層は、枠部において、配置面よりも小さい枠を形成する内側面の少なくとも一部と交わる平面であって、接合面とは異なる平面上に設けられる。
本発明によれば、放熱性に優れた発光装置を提供できる。
図１は、第１実施形態に係る発光装置の模式的な斜視図である。 図２は、第１実施形態に係る発光装置の内部構造を説明するための上面図である。 図３は、図III-IIIを結ぶ直線における発光装置の断面図である。 図４Ａは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するための模式的な斜視図である。 図４Ｂは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するためのＢI-ＢIを結ぶ直線における断面図である。 図４Ｃは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するためのＢII-ＢIIを結ぶ直線における断面図である。 図４Ｄは、第１実施形態に係る発光装置の底部の模式的な斜視図である。 図４Ｅは、第１実施形態に係る発光装置の枠部の上面図である。 図４Ｆは、第１実施形態に係る発光装置の枠部の下面図である。 図５Ａは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するための模式的な斜視図である。 図５Ｂは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するためのＢI-ＢIを結ぶ直線における断面図である。 図５Ｃは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するためのＢII-ＢIIを結ぶ直線における断面図である。 図６Ａは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するための模式的な斜視図である。 図６Ｂは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するためのＢI-ＢIを結ぶ直線における断面図である。 図６Ｃは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するためのＢII-ＢIIを結ぶ直線における断面図である。 図７Ａは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するための模式的な斜視図である。 図７Ｂは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するためのＢI-ＢIを結ぶ直線における断面図である。 図７Ｃは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するためのＢII-ＢIIを結ぶ直線における断面図である。 図８Ａは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するための模式的な斜視図である。 図８Ｂは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するためのＢI-ＢIを結ぶ直線における断面図である。 図８Ｃは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するためのＢII-ＢIIを結ぶ直線における断面図である。 図９Ａは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するための模式的な斜視図である。 図９Ｂは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するためのＢI-ＢIを結ぶ直線における断面図である。 図９Ｃは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するためのＢII-ＢIIを結ぶ直線における断面図である。 図９Ｄは、第１実施形態に係る発光装置の基板の上面図である。 図１０Ａは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するための模式図である。 図１０Ｂは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するためのＢI-ＢIを結ぶ直線における断面図である。 図１０Ｃは、第１実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するためのＢII-ＢIIを結ぶ直線における断面図である。 図１１は、第２実施形態に係る発光装置の断面図である。 図１２Ａは、第２実施形態に係る発光装置の底部の模式的な斜視図である。 図１２Ｂは、第２実施形態に係る発光装置の底部の模式的な斜視図である。 図１３は、第２実施形態に係る発光装置の基板の上面図である。 図１４は、第１変形例に係る発光装置の断面図である。 図１５は、第２変形例に係る発光装置の断面図である。 図１６は、第２変形例に係る発光装置の底部の模式的な斜視図である。
本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら以下に説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限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。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る発光装置１の模式図であり、図２は発光装置１の基部の内部構造を説明するための上面図であり、図３は図１のIII-IIIを結ぶ直線における矢印方向の断面図を示す。図２においては内部構造を記すため、蓋部１２０、接着部１３０及びレンズ部材１４０を破線で記し、これらの部材を透過した場合に見られる部分を実線で記す。また、図が煩雑になるのを避けるため、図３で記されているワイヤ１８０は、図２においては省略している。
発光装置１は、複数の半導体レーザ素子１７０から放射された光が、光反射部材１５０の光反射面を介して反射され、レンズ部材１４０を通過して外部へと出射する装置である。図２に示すように、３つのサブマウント１６０がそれぞれ半導体レーザ素子１７０を配置して並べられ、各半導体レーザ素子１７０に対応させて光反射部材１５０が配置される。各半導体レーザ素子１７０は対応する光反射部材１５０へと光を放射し、光反射部材１５０は半導体レーザ素子１７０からの光をレンズ部材１４０の方向へと反射する。また、発光装置１は、光を出射するパッケージと、パッケージを実装する実装基板と、を有している。なお、パッケージのみを発光装置１と捉えてもよい。
発光装置１は、実装基板としての基板１００と、パッケージを構成する構成要素としての基部１１０、蓋部１２０、接着部１３０、レンズ部材１４０、光反射部材１５０、サブマウント１６０、半導体レーザ素子１７０、及び、ワイヤ１８０、を有する。また、基部１１０と蓋部１２０とが接合することで形成される閉空間において、複数の光反射部材１５０と、それぞれが半導体レーザ素子１７０を配したサブマウント１６０と、が配置される。さらに基部１１０の上に配置された半導体レーザ素子１７０を電気的に接続するワイヤ１８０が張られる。また、図３に示すように、基部１１０は、枠部１１１と、底部１１８と、を有する。
基板１００は、少なくとも枠部１１１あるいは底部１１８のいずれかと接合する。また、基板１００との接合面とは反対の側で、枠部１１１は蓋部１２０と接合する。蓋部１２０とレンズ部材１４０とは接着剤を介して接合され、接着剤が固まって出来た接着部１３０によって、蓋部１２０とレンズ部材１４０との間に隙間が生じている。以下、発光装置１の製造工程を説明しながら、発光装置１について説明する。
図４Ａ～１０Ａは、発光装置１が製造されるまでの各工程について説明するための模式図である。また、図４Ｂ～１０Ｂ乃至図４Ｃ～１０Ｃはそれぞれ、図４Ａ～１０Ａに対応して、各工程における断面図を記したものである。図４Ｂ～１０Ｂは、図４Ａで示すＢI-ＢIを結ぶ直線に対応した断面図である。図４Ｃ～１０Ｃは、図４Ａで示すＢII-ＢIIを結ぶ直線に対応した断面図である。点線で記されるＳ１及びＳ２は、図面間で発光装置２の向きの対応を示すための補助線であり、発光装置２の構成要素ではない。また、断面図における補助線は、図４Ａ～１０Ａの模式図において補助線が記されている側を正面としてみたときの断面図であることを表している。例えば、図５ＢでＳ１線が記されている基部１１０の断面図は、図５Ａの基部１１０に対して、図４ＡのＢI-ＢIを結ぶ直線に対応した直線の断面図を、Ｓ１を正面にして見たものといえる。
まず、図４Ａ及び４Ｄに示すように、基部１１０を構成する枠部１１１と底部１１８とがそれぞれ用意される。底部１１８としては、ＣｕやＡｌ等の金属を用いることができ、枠部１１１としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＡｌＮ等のセラミックを用いることができる。材料はこれに限定されるわけではないが、少なくとも、底部１１８は、枠部１１１よりも放熱性に優れており、底部１１８の方が枠部１１１よりも熱伝導率が高い。
底部１１８は、基板１００と接合する接合面、及び、光反射部材１５０、サブマウント１６０、半導体レーザ素子１７０が配置される配置面において、矩形の四隅を丸めた形状を有する。また、接合面から配置面までの厚みは均一である。なお、本発明においては、矩形の隅に角丸め、面取り、角取り、丸取り等の加工が行われた形状も矩形と呼ぶものとする。同様に、例えば多角形の１以上の隅に対して角丸め等の加工が行われた形も多角形と呼ぶものとする。また、矩形または多角形における各辺についても、隅に加工が施されている場合には、加工された部分も含めて辺と捉える。なお、基板１００と接合する接合面を底面と捉える。底面、配置面の形状はこれに限られない。
枠部１１１は、基板１００と接合する面である底面において第１電極層１１２を有する。第１電極層１１２は、例えば金属層で構成され、基板１００の金属膜１０３と接合する。金属膜１０３を経由して半導体レーザ素子１７０に電力が供給される。また、枠部１１１は枠の内側に段差部を有しており、この段差部における底面側の平面が、底部１１８との接合面１１３となる。なお、便宜上、対向する二つの平面に関して、基板１００に近い側を下面と呼び、反対側を上面と呼ぶ。あるいは、レンズ部材１４０に近い側を上面と呼び、反対側を下面と呼ぶ。図４Ａにおける枠部１１１は、上面と下面がひっくり返された状態で配されている。
図４Ｅは枠部１１１の上面図であり、図４Ｆは枠部１１１の下面図である。枠部１１１は、下面から見た段差部平面に接合面１１３を有し、上面から見た段差部平面に半導体レーザ素子１７０と電気的に接続するための第２電極層１１４が設けられる。第２電極層１１４は例えばビアホールを介して第１電極層１１２と電気的に接続されている。第２電極層１１４は、例えば金属層で構成され、セラミック層の上に配されるため、段差部の下面には露出していない。また、下面視において段差部は枠の四辺すべてを形成している一方で、上面視におけて段差部は枠の三辺のみに亘って設けられ、残りの一辺については、両端の二辺と重複する端部を除いて設けられていない。つまり、上面視でみた場合と下面視で見た場合とで、段差部を有する領域は異なっている。段差部における接合面１１３は底部１１８と接合するため、下面から見た段差部は全周に亘って設けられる。一方で、上面から見た段差部平面は第２電極層を設ける領域が確保されていればいいため、必ずしも全周に亘って設けられなくてよい。
また、第２電極層１１４が設けられていない辺に対向する辺については、他の辺よりも接合面１１３の幅が大きい。一方で、基板１００と接合する枠部１１１の接合面の幅については、第２電極層１１４が設けられていない辺と、その辺に対向する辺とで同じになるように設計される。言い換えると、枠部１１１の基板１００との接合面と交わる二つの側面間の最短距離は、対向する辺の対応する位置同士で等しくなるようになっている。なお、等しいとは、比較する二以上の値に対して、それらの値の差が設計交差による誤差の範囲内に収まっている関係をいう。このようにすることで、はんだ付けで基板１００と接合するときに基部１１０に掛かる力のバランスを取ることができる。なお、対向する辺の対応する位置とは、対向する二辺が平行関係にある場合において、一辺のある位置と、その位置から最短距離となる他辺の位置と、を示す。
次に、図５Ａに示すように、枠部１１１の接合面１１３と底部１１８とが接合される。接合には、例えばＡｇを主成分とし、Ｃｕを含んだ銀ろうが用いることができるが、他の金属ろうを利用することもできる。図４Ａで示したように枠部１１１は基板１００と接合する底面を上に向けた状態で、接合面に銀ろうを付し、加熱によって銀ろうが溶けた状態で、枠部１１１の枠に底部１１８を嵌め込む。その上で銀ろうを冷まして枠部１１１と底部１１８とを接合することで、基部１１０が形成される。なお、枠部１１１と底部１１８の接合領域にはＮｉメッキが施された状態で銀ろうが付される。
このため、図５Ｂ及び５Ｃに示されるように、底部１１８において枠部１１１と接合する接合面の大きさは、枠部１１１の底面と交わる内側面１１５により形成される枠よりも小さく、かつ、包含される形となる。またさらに、底部１１８の配置面が、枠部１１１の段差部における接合面１１３と接合するように、枠部１１１の内側面１１５及び底部１１８の側面１１９の形状は設計される。第１実施形態に係る発光装置１においては、枠部１１１の底面から接合面１１３までの長さと、底部１１８の高さとは揃うように設計されており、底部１１８は、接合面１１３と交わる内側面１１５により形成される枠に収まるようになっている。
また、内側面１１５と側面１１９との間には隙間が生じる。上述したように、枠部１１１はセラミックで形成することができるが、製造する際の焼結の度合いは常に同じであるとは限らない。このため、製造される枠部１１１間の形状やサイズに差が生じる場合がある。発光装置１の製造においては、設計交差を考慮して、枠部１１１と底部１１８との間に、０．１ｍｍ程度の隙間ができるように、枠部１１１と底部１１８の形状は設計されている。なお、０．１ｍｍ以上の隙間を設けるよう設計されていても、０．１ｍｍ以下の隙間となるよう設計されていてもよい。好ましくは、０．１ｍｍから０．５ｍｍまでで、隙間は設定されるのがよい。これにより、枠部１１１の接合面に適切に底部１１８を接合することができ、かつ、底部１１８の放熱性を良好にすることができるため、放熱性に優れた基部１１０を形成できる。
底部１１８は、接合面１１３と接合する平面の大きさが、段差部により形成される空間の外枠よりも大きい。具体的には、枠部１１１の接合面１１３と接合する底部１１８の平面の大きさは、接合面１１３の内端において内側面１１６により形成される枠よりも大きく、底部１１８によってこの枠は覆われる。
また、枠部１１１の底面の内端における内側面１１５が形成する枠と、枠部１１１の上面の内端における内側面１１７が形成する枠と、の関係は、Ｓ１方向で見ると内側面１１５の方が内側面１１７よりも大きく、Ｓ２方向で見ると内側面１１５及び１１７の大きさは等しく揃っている。Ｓ１方向は、上面視において第２電極層のための段差部を有していない辺があり、この辺に対して接合面を形成するために上面よりも下面の方が大きくなる。Ｓ２方向は、両辺共に第２電極層のための段差部を有しているため、この段差部を利用して接合面を形成できることから、下面側を大きくしなくてもよい。
なお、Ｓ２方向から見たときの枠部１１１の両側辺には、その底面において第１電極層を有する。放熱性の観点からすると、底部１１８は大きい方が望ましいともいえるが、底面の幅が狭くなると、はんだ付けをする際に、はんだが第１電極層と底部１１８の両方に接触、あるいは、電気的に接続してしまうことが危惧される。Ｓ２方向で見たときに内側面１１５及び１１７は揃っていなくてもよいが、内側面１１５の大きさは、第１電極層から所定の距離を確保した位置に設けられる。好ましくは、０．５ｍｍ程度の幅を有する第１電極層に対して０．３ｍｍ程度の間隔を空けて、底面における内端の位置は決定されるのがよい。なお、枠部１１１の内部に設けられた導通部を介して、第１電極層１１２と第２電極層１１４とは電気的に接続する。
ここで、枠部１１１と底部１１８の構造の決定について補足する。放熱性の観点からすると主な熱源である半導体レーザ素子１７０が配される位置から熱が拡散するように、底部１１８は放熱性の良好な材料が望まれるため、セラミックよりＣｕ等の金属が好ましい。また、ある程度の大きさを有する方が良く、配置面として露出している部分は金属であるのが好ましい。さらに、基板１００と接合し、そこから基板１００へと熱を効率よく逃がすためには、配置面から基板１００との接合面に亘って、間に放熱性の劣る材料を挟まない方が好ましい。
また、強度面や発光装置１を使用するときの形状安定性の観点からすると基部の外枠はセラミックの方が好ましい。さらに、半導体レーザ素子を電気的に接続するための金属層を設けるため、セラミック枠の一部に段差を設ける必要がある。このことから、発光装置１における基部１１０としては、周囲を囲う枠、半導体レーザを配置する底部、金属層を設けるための段差、を少なくとも備える必要がある。
なお、段差は枠の全周に設けられる必要はなく、発光装置１に配される半導体レーザ素子１７０の数や、複数の半導体レーザ素子１７０を配する場合の組合せなどによって、段差部を設ける領域は適宜調整できる。例えば、枠の一辺あるいは二辺に沿って設けられれば十分なこともあれば、全周に設ける必要があることもある。なお、複数の半導体レーザ素子１７０を配する場合の組合せとは、例えば、同色、同性能の半導体レーザ素子を複数配置するか、異なる色の半導体レーザ素子を配置するかなどである。
発光装置１における枠部１１１及び底部１１８は、これらを考慮して、枠部１１１をセラミックで形成しつつ底部１１８に金属を採用し、放熱性を良好にするための枠部と底部との区切りを定めたものである。またさらに、セラミックによる設計交差を考慮して隙間を設けるようにしたものである。よって、半導体レーザ素子１７０が配置される基部１１０の配置面がセラミックで形成されているものよりも、放熱性に優れた基部１１０を提供できる。
図６Ａでは、形成された基部１１０の配置面に、光反射部材１５０と、半導体レーザ素子１７０が配されたサブマウント１６０と、を接合する。なお、光反射部材１５０及びサブマウント１６０を配置する位置は、底部１１８に基づく位置ではなく枠部１１１に基づく位置で決定される。つまり、底部１１８の特定の位置からの距離や座標ではなく、枠部１１１の特定の位置からの距離や座標が合うように、光反射部材１５０及びサブマウント１６０は配置される。
上述したように、枠部１１１と底部１１８との間には隙間が生じるため、底部１１８は、枠部１１１が形成する枠によって固定されるわけではない。従って、ろう付けによって接合するときに底部１１８が移動する可能性がある。例えば、発光装置１では、枠部１１１の枠の形と、底部１１８の接合面の形とは相似関係にあるが、接合した結果、それぞれの中心点が一致しないことや、枠部１１１から底部１１８までの距離が揃っていないことなどが起こり得る。従って、底部１１８がずれた場合であっても製造される発光装置１間での位置合わせがし易いように、枠部１１１に対する位置が揃うように配置位置の調整を行うのがよい。なお、上述した枠部１１１と底部１１８の間の隙間が小さい方が、移動によるずれは小さくなる。
光反射部材１５０は、少なくとも一面に光反射面を有する。光反射部材１５０は、半導体レーザ素子１７０からの放射光を受けるため、熱に強い材料を主材として用い、反射率の高い材料を光反射面に用いることが望ましい。主材として、石英若しくはＢＫ７（硼珪酸ガラス）等のガラス、アルミニウム等の金属、又はＳｉ等を採用することができ、光反射面として金属や誘電体多層膜等を採用することができる。なお、発光装置１は、必要に応じて複数の光反射面を有する光反射部材１５０としてもよいし、光反射部材１５０以外に光反射部材を有していてもよい。また、各半導体レーザ素子１７０に応じて１の光反射部材１５０が設けられているが、３つの半導体レーザ素子１７０に対して１の光反射部材１５０を配するようにしてもよく、複数の半導体レーザ素子に対して１の光反射部材を設けるようにしてもよい。
サブマウント１６０としては、窒化アルミニウム、又は炭化ケイ素を用いることができる。また、サブマウント１６０には金属膜が設けられ、半導体レーザ素子１７０はＡｕ－Ｓｎ等の導電層によりサブマウント１６０に固定されている。
半導体レーザ素子１７０は、その底面でサブマウント１６０と接合しており、光反射部材１５０に近い側の側面から光を放射する。半導体レーザ素子１７０から放射されるレーザ光は、光の出射端面と平行な面において、活性層を含む複数の半導体層の積層方向の長さがそれに垂直な方向の長さよりも長い、楕円形状のファーフィールドパターン（以下「ＦＦＰ」という。）を有する。ここでいうＦＦＰとは、半導体レーザ素子の光出射端面からある程度離れており且つ光出射端面と平行な面において放射光の光強度分布を測定したものである。ＦＦＰの形状は、光の主要部分による形状として特定される。ここで、レーザ素子による光の主要部分とは、レーザ光のピーク強度値から１／ｅ２等の任意の強度に落ちたところまでの強度範囲の部分を指す。
発光装置１は、１以上の半導体レーザ素子１７０を有しており、図６Ａ乃至６Ｃで示されるように、３つの半導体レーザ素子１７０が配置されている。配置される半導体レーザ素子１７０の数はこれに限らず１以上でよい。また、これらの半導体レーザ素子１７０が放射する光は同じ色で揃っていてもよく、異なる色であってもよい。例えば、発光装置１が有する３つの半導体レーザ素子１７０はそれぞれ、赤色光を発する第１半導体レーザ素子、緑色光を発する第２半導体レーザ素子、青色光を発する第３半導体レーザ素子、の３つで構成することができる。
赤色光の発光ピーク波長は、例えば６０５ｎｍ～７５０ｎｍの範囲内にある。赤色発光の半導体レーザ素子としては、例えば、ＩｎＡｌＧａＰ系やＧａＩｎＰ系、ＧａＡｓ系やＡｌＧａＡｓ系の半導体を含むものが挙げられる。緑色光の発光ピーク波長は、例えば４９５ｎｍ～５７０ｎｍの範囲内にある。緑色のレーザ光を発する半導体レーザ素子としては、窒化物半導体を含む半導体レーザ素子が挙げられる。青色光の発光ピーク波長は、例えば４２０ｎｍ～４９４ｎｍの範囲内にある。青色のレーザ光を発する半導体レーザ素子としては、窒化物半導体を含む半導体レーザ素子が挙げられる。窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、及びＡｌＧａＮを用いることができる。
図７Ａでは、ワイヤを、枠部１１１の第２電極層１１４及び半導体レーザ素子１７０に接合することで、第２電極層１１４と半導体レーザ素子１７０とを電気的に接続する。例えば、ワイヤーボンド装置を利用して、Ａｕワイヤの一端を半導体レーザ素子１７０に、他端を第２電極層１１４に接合する。なお、サブマウント１６０に、ツェナーダイオード等の保護素子が配されている場合には、保護素子もワイヤ１８０によって電気的に接続される。
図６Ａ及び６Ｂで示したように、第２電極層１１４を設けるための段差部は、上面視において三辺に亘って設けられており、一辺については他辺との重複部分を除いて設けられていない。その一辺は、半導体レーザ素子１７０あるいはサブマウント１６０からその辺までの間に光反射部材１５０が存在する辺であり、光反射部材１５０を挟んで半導体レーザ素子１７０と反対側に位置する辺である。半導体レーザ素子１７０から放射された光は、光反射部材１５０を介して反射され上方へと進む。図７Ａ及び７Ｂからも明らかなように、その一辺に段差部を設けて、その辺の第２電極層１１４と半導体レーザ素子１７０とをワイヤで電気的に接続しようとすると、光に進行方向にワイヤが存在してしまい、光を遮ってしまう。そのために、光反射部材１５０側の辺については、第２電極層１１４のための段差部は設けないことで、適切に第２電極層１１４を配置し、発光装置１のサイズの小型化に寄与することができる。
図８Ａでは、基部１１０の枠部１１１と、蓋部１２０とが接合され、半導体レーザ素子１７０が配される空間が気密封止される。例えば、蓋部１２０の下面において、基部１１０と接合される領域には金属膜が設けられ、ＡｕＳｎ等を介して基部１１０と蓋部１２０は接合し固定される。この閉空間内に半導体レーザ素子１７０が配置されるため、半導体レーザ素子１７０の光出射端面に有機物等が集塵することを抑制することができる。
蓋部１２０としては、例えば、ガラスに金属膜が設けられたもの又はサファイアに金属膜が設けられたものを用いることができ、中でもサファイアに金属膜が設けられたものを用いることが好ましい。光が拡がると、その光を通過させるレンズ部の形状は大きくなるが、サファイアは、比較的屈折率が高く光の拡がりを抑えることができるため、レンズ部材１４０のレンズ部の大きさを抑えることができる。また、比較的強度が高いため破損しにくいため、閉空間の気密信頼性を確保することができる。
図９Ａでは、基部１１０が基板１００に実装される。基板１００は、基部１１０の枠部１１１及び底部１１８の底面と接合する。接合は、はんだ付けによって行うことが出来る。図９Ｂ及び９Ｃに示すように、基板１００は、放熱部１０１、絶縁部１０２、金属膜１０３を有する。放熱部１０１は、例えばＣｕ等の金属で形成され、絶縁部１０２は絶縁材料で形成され、金属膜１０３は、放熱部１０１と同様にＣｕ等の金属で形成される。
放熱部１０１が基部１１０の底部１１８と接合し、金属膜１０３あるいは絶縁部１０２が枠部１１１と接合する。そのため、金属膜１０３と放熱部１０１とが同じ平面に設けられるように基板１００は設計される。具体的には、放熱部１０１は、断面視あるいは側面視において、基部１１０の側に突出した凸構造を有しており、基部１１０の底部１１８と接合する領域において露出するように成形されている。一方で、基板１００が枠部１１１と接合する領域では放熱部１０１は突出しておらず、放熱部１０１の上に絶縁部１０２が配される。また、枠部１１１の第１電極層１１２を有する辺に対応した基板１００の接合領域においては、絶縁部１０２の上に金属膜１０３が設けられる。また、放熱部１０１と金属膜１０３とは接触せず、また、電気的に接続しないように所定の間隔が空けられる。この所定の間隔が空けられた領域の一部と、枠部１１１と底部１１８との隙間の一部とが重なる。
図９Ｄは、基板１００の基部１１０と接合する接合面の上面図である。図９Ｄに示されるように、基板１００は接合面において、絶縁部１０２と、金属膜１０３と、放熱部１０１が露出した露出部１０６とを有する。また、金属膜１０３は、金属領域１０４と絶縁領域１０５を有する。露出部１０６は底部１１８と接合し、金属領域１０４は枠部１１１の底面と接合する。
露出部１０６の形状は放熱部１０１が突出している領域を表している。また、この形状は底部１１８の底面の形状に合わせており、かつ、僅かに大きく設計される。同じ大きさとすると、はんだ付けの際にはんだが接合面の外に逃げられず、基板１００と基部１１０との間に余計に厚みを有してしまうためである。また、金属領域１０４のうち絶縁領域１０５を挟んで基板１００の中心に近い側が枠部１１１と接合する。この接合によって、金属領域１０４と第１電極層１１２とが電気的に接続する。
このように、絶縁部１０２を挟んで設けられる金属膜１０３と、放熱部１０１の露出部１０６との高さを揃えるようにすることで、基部１１０との接合において、枠部１１１または底部１１８との間に発生し得る浮きを低減することができる。浮きが大きくなると、接合力が弱くなるか、あるいは部分的に接合していない領域が出来てしまうため、パッケージが実装基板から外れる可能性が高くなる。また、底部１１８の底面全体が放熱部１０１の露出部１０６と接合することで、効率的に基板１００へと熱を逃がすことができる。
図１０Ａでは、接着剤を用いてレンズ部材１４０を蓋部１２０に接着する。この接着工程によって、蓋部１２０とレンズ部材１４０との間に接着部１３０が形成され、図１乃至３で示した発光装置１が製造される。接着部１３０は、蓋部１２０の上面の全域あるいはレンズ部材１４０の下面の全域に形成されてはおらず、半導体レーザ素子１７０から発せられた光の経路の邪魔にならない位置に設けられる。具体的には、発光装置１において、半導体レーザ素子１７０が発する光の主要部分はレンズ部材１４０のレンズ形状を有している領域に入射し、この領域から出射する。従って、レンズ形状を有している領域に対応するレンズ部材１４０の下面に接着部１３０は形成されず、レンズ部材１４０の外縁の領域に形成されるように利用するのが望ましい。接着部１３０を形成する接着剤としては、紫外線硬化型の樹脂を用いることが好ましい。紫外線硬化型の樹脂は加熱せずに比較的短い時間で硬化することができるため所望の位置にレンズ部材１４０を固定しやすい。
図１０Ｂ及び１０Ｃが示すように、レンズ部材１４０は、複数のレンズ部が連結したレンズ形状を有している。また、１のレンズ部が１の半導体レーザ素子に対応し、各レンズ部が異なる半導体レーザ素子から放射された光の主要部分を通過させるように設計される。レンズ部材１４０には、例えば、ＢＫ７やＢ２７０等のガラス等を用いることができる。
以上のようにして、第１実施形態に係る発光装置１が製造される。なお、発光装置１を製造する工程は、図４Ａ～１０Ａで説明してきた工程に限らない。
＜第２実施形態＞
図１１は、第２実施形態に係る発光装置２の断面図を示す。なお、発光装置２の外観の模式図は図１のものと変わらず、上面視における内部構造についても図２のものと変わらない。第２実施形態に係る発光装置２は、第１実施形態に係る発光装置１と比べて、基部を構成する底部の構造が異なる。特に、基板と接合する底部の接合面が第１実施形態とは異なっており、基板の接合面における絶縁部や露出部の形状をこれに対応したものにすれば、その他の点については、第１実施形態で述べた構造や材料等を採用することができる。
第１実施形態の発光装置１の図５Ａに係る工程において説明したが、枠部１１１と底部１１８を接合するときに、枠部１１１からの距離がどこも均一になるように底部１１８が配されることが望ましい。しかしながら、接合の過程においてずれることも考えられる。このとき、ずれが大きくなれば、底部１１８の一部が枠部１１１に接触する。また、底部１１８と枠部１１１との間隔が設計上の間隔よりも狭くなり、その部分における第１電極層１１２と底部１１８との距離が短くなったことで、枠部１１１及び底部１１８と基板１００とをはんだ付けで接合するときに第１電極層１１２と底部１１８とが電気的に接続してしまうと、発光装置の不良に繋がってしまう。
そこで、第２実施形態に係る発光装置２では、底部２１３の基板２００との接合面２１５において、少なくともその外縁に窪み部２１４を設ける。このようにすることで、基板２００との接合面２１５である基部２１０の底面における枠部２１１と底部２１３との間隔を、枠部２１１との接合面２１２における枠部２１１と底部２１３との間隔よりも広くする。
図１２Ａ及び１２Ｂは、窪み部２１４を有する底部２１３の例を示す。一例として、底部２１３を凸形状にすることで窪みを形成することができる。また、凸形状の突出した領域は、基板２００との接合面２１５になるが、その形状は、図１２Ａに示すように底部２１３の外枠の形状と同様の形状を縮小したものや、図１２Ｂに示すように円形としたものとすることも出来る。なお、図１３は、突出した領域の形状が円形であった場合の、基板２００における接合面を示す模式図である。図１３に示すように、基部２１０の接合面２１５に合わせて露出部２０１も円形形状となる。
窪み部２１４は、基板２００とのはんだ付けの工程で、上述した不良が発生しないだけの十分な間隔と高さを確保できていればよい。例えば、第１実施形態の発光装置１は、０．１ｍｍ程度の間隔が空く設計としたが、最低限０．１ｍｍ程度の間隔を設ければいいのであれば、窪みの幅は０．１ｍｍ程度で設計すればよい。そうすれば、仮に枠部２１１との接合面２１２において枠部２１１と底部２１３とが接触していたとしても、基板２００との接合面における枠部２１１と底部２１３との間隔は０．１ｍｍ程度を保つことができる。また例えば、第１実施形態の発光装置１は、底部１１８の側面１１９から第１電極層１１２までの距離が０．３ｍｍ以上空くように設計される。窪みの幅を設計するときには、同様に、第１電極層１１２までの距離が０．３ｍｍ程度に保たれるように、枠部の設計を考慮して決定してもよい。なお、０．３ｍｍの間隔は、発光装置１における設計の一例を示したものであり、空けるべき所定の間隔はその発光装置の形状や材料などから適宜決めればよい。
従って、底部２１３が窪み部２１４を有さず、かつ、枠部２１１に対するずれが生じていないとした場合に確保したい隙間と同程度の幅を有するように窪み部２１４を設けるのが好ましい。なお、窪み部２１４がそれ以上の幅を有していてもよく、図１２で記した突出領域が円形の底部２１３のように一部がそれ以上の幅を有するような形状であってもよい。但し、窪みの幅が広くなることは、基板２００との接合面積が小さくなることでもあるため、十分な接合を得るには必要以上に窪み部の幅を広くしない方が望ましく、幅は０．１ｍｍから０．５ｍｍまでが望ましい。例えば、図１２に示すような円形の接合面を設ける場合、窪みの幅が最も狭くなる位置において確保したい隙間と同程度の幅を有するように設計することが考えられる。
また、窪み部２１４が確保する高さについては、底部２１３の基板２００との接合面２１５からはみ出たはんだが、基板２００との接合面２１５と交わる側面を伝って隆起し、窪み内に留まるだけの高さが確保されていればよい。確保するに望ましい高さは、接合に使用するはんだの材料や量によって変わるが、例えば、発光装置２においては０．２ｍｍ程度の高さを確保する。
なお、発光装置１で記した底部１１８や、図１２で一例として記した底部２１３のように、基板との接合面が長方形あるいは正方形の四隅を加工したような形状である場合、基板側の露出部もこれに合わせた形状で設けられ、これによって底部を基板に接合するときにセルフアライメントが働く。
一方で、図１２で一例として記した底部２１３のように、基板２００との接合面が円形形状である場合、基板側の露出部２０１もこれに合わせて円形形状で設けられることで、底部２１３の接合面は露出部２０１に収まるが、基板２００と底部２１３とがはんだを介して接した状態であっても、はんだが固まるまでは円を回転させる方向には可動性を有している。上述したように、枠部２１１と底部２１３との配置にずれが生じる場合には、基板２００との接合面２１５を円形形状とすることで回転方向の調整ができ、基板２００に対する枠部２１１のずれを補正することができる。
≪第１変形例≫
第１変形例の発光装置３は、第２実施形態で示した発光装置２とは他の方法で、基板との接合面における枠部と底部との間隔が、枠部との接合面における枠部と底部との間隔よりも広い発光装置を実現する。
図１４は、第１変形例に係る発光装置３の断面図を示す。図１４に示すように、発光装置３は、枠部３１１に窪み部３１２を有することで、基板３００との接合面における枠部３１１と底部３１３との間隔を、枠部３１１との接合面における枠部３１１と底部３１３との間隔よりも広くする。このように、枠部３１１の形状を加工する方法で実現してもよく、発光装置３においては、発光装置２と違い、第１実施形態の基板１００をそのまま採用することができる。
≪第２変形例≫
図１５は、第２変形例に係る発光装置４の断面図を示す。また図１６は、第２変形例に係る底部の模式図を示す。図１５に示すように、発光装置４は、底部４１２において、基板４００との接合面が枠部４１１との接合面よりも小さく、側面４１３が傾斜を有している。このように側面４１３に傾斜を設けることで、基板４００との接合面における枠部４１１と底部４１２との間隔を、枠部４１１との接合面における枠部４１１と底部４１２との間隔よりも広くすることができる。なお、第１変形例と同様に、底部４１２に傾斜を設ける代わりに、枠部４１１に設けるようにしてもよい。
以上、本発明に係る発光装置を、各実施形態、変形例に基づき説明してきたが、本発明の技術思想を実現する発光装置はこれに限らない。例えば、３つの半導体レーザ素子が配される発光装置を説明したが、１または複数の半導体レーザ素子が配される発光装置であってもよい。また、光反射部材１５０を有さず、半導体レーザ素子から放射される光がレンズ部材１４０の方向に進むような発光装置であってもよい。
また、本発明により開示される技術的特徴を有する発光装置は、発光装置１乃至４の構造に限られるわけではない。例えば、いずれの発光装置にも開示のない構成要素を有する発光装置においても本発明は適用され得るものであり、開示された発光装置と違いがあることは本発明を適用できないことの根拠とはならない。
一方で、各実施形態及び変形例により開示された発光装置の全ての構成要素を必要十分に備えることを必須とせずとも、本発明は適用され得る。例えば、特許請求の範囲に、第１実施形態により開示された発光装置の一部の構成要素が記載されていなかった場合、その構成要素については、本実施形態に開示されたものに限らず、代替、省略、形状の変形、材料の変更などといった当業者による設計の自由度を認め、その上で特許請求の範囲に記載された発明が適用されることを請求するものである。
各実施形態に記載の発光装置は、プロジェクタ、車載ヘッドライト、照明、ディスプレイのバックライト等に使用することができる。
１…発光装置
１００…基板
１０１…放熱部
１０２…絶縁部
１０３…金属膜
１０４…金属領域
１０５…絶縁領域
１０６…露出部
１１０…基部
１１１…枠部
１１２…第１電極層
１１３…接合面
１１４…第２電極層
１１５…内側面
１１６…内側面
１１７…内側面
１１８…底部
１１９…側面
１２０…蓋部
１３０…接着部
１４０…レンズ部材
１５０…光反射部材
１６０…サブマウント
１７０…半導体レーザ素子
１８０…ワイヤ
２…発光装置
２００…基板
２０１…露出部
２１０…基部
２１１…枠部
２１２…接合面
２１３…底部
２１４…窪み部
２１５…接合面
３…発光装置
３００…基板
３１０…基部
３１１…枠部
３１２…窪み部
３１３…底部
４…発光装置
４００…基板
４１０…基部
４１１…枠部
４１２…底部
４１３…側面

Claims (12)

  1. 半導体レーザ素子と、
    前記半導体レーザ素子から放射された光を反射する光反射面を有する光反射部材と、
    金属を主材料とする底部と、セラミックを主材料とし前記底部が接合された枠部と、前記半導体レーザ素子と電気的に接続される第１及び第２電極層と、を有する基部と、を備え、
    前記底部は、前記半導体レーザ素子が配される配置面を有し、
    前記枠部は、配された前記半導体レーザ素子の周りを囲う枠を形成しており、前記底部と接合する接合面と、前記底部が収まる枠を形成する第１内側面と、前記底部によって覆われる枠を形成する第２内側面と、前記第２内側面の少なくとも一部と交わる平面と、を有し、
    前記第２電極層は、前記枠部による枠の内側に形成された段差部における平面であって、前記第２内側面の少なくとも一部と交わる平面であり、かつ、前記接合面とは異なる平面上に設けられ、
    前記段差部は、下面視において枠の全周に亘って設けられる一方で、上面視において枠の全周に亘って設けられておらず、
    前記段差部は、上面視において、前記光反射部材を挟んで前記半導体レーザ素子と反対側に位置する辺に設けられておらず、
    前記段差部は、上面視において、前記半導体レーザ素子を挟んで前記光反射部材と反対側に位置する辺に設けられている発光装置。
  2. 半導体レーザ素子と、
    前記半導体レーザ素子から放射された光を反射する光反射面を有する光反射部材と、
    金属を主材料とする底部と、セラミックを主材料とし前記底部が接合された枠部と、前記半導体レーザ素子と電気的に接続される第１及び第２電極層と、を有する基部と、
    前記半導体レーザ素子と電気的に接続するワイヤを備え、
    前記底部は、前記半導体レーザ素子が配される配置面を有し、
    前記枠部は、配された前記半導体レーザ素子の周りを囲う枠を形成しており、前記底部と接合する接合面と、前記底部が収まる枠を形成する第１内側面と、前記底部によって覆われる枠を形成する第２内側面と、前記第２内側面の少なくとも一部と交わる平面と、を有し、
    前記第２電極層は、前記枠部による枠の内側に形成された段差部における平面であって、前記第２内側面の少なくとも一部と交わる平面であり、かつ、前記接合面とは異なる平面上に設けられ、
    前記第２電極層は、上面視において、前記光反射部材を挟んで前記半導体レーザ素子と反対側には設けられておらず、
    前記第２電極層は、上面視において、前記半導体レーザ素子を挟んで前記光反射部材と反対側に設けられており、
    前記ワイヤは、前記半導体レーザ素子を挟んで前記光反射部材と反対側に設けられている前記第２電極層に接合される発光装置。
  3. 前記段差部は、下面視において矩形の枠の四辺すべてを形成し、上面視において矩形の枠の三辺のみに亘って設けられる、請求項１または２に記載の発光装置。
  4. 前記段差部は上面視において、枠の一辺あるいは二辺に沿って設けられる、請求項１または２に記載の発光装置。
  5. 前記枠部は、底面において前記第１電極層を有し、
    前記枠部の対向する両側の辺には、前記底面において前記第１電極層が設けられる、請求項１または２に記載の発光装置。
  6. 前記枠部の底面の内端における前記第１内側面が形成する枠と、前記枠部の上面の内端における内側面が形成する枠とは、前記第１電極層が設けられる両側の辺において等しい、請求項５に記載の発光装置。
  7. 前記枠部の底面は、対向する辺において同じ幅である、請求項５に記載の発光装置。
  8. 前記基部と接合する基板を備える、請求項１または２に記載の発光装置。
  9. 前記基板は、放熱部と、絶縁部と、金属膜とを有し、
    前記放熱部と前記金属膜とは、電気的に接続しておらず、
    前記放熱部と前記底部が接合し、前記金属膜と前記枠部が接合する、請求項８に記載の発光装置。
  10. 前記枠部と接合する蓋部を備える、請求項１または２に記載の発光装置。
  11. 前記半導体レーザ素子は、気密封止された空間に配されている、請求項１０に記載の発光装置。
  12. 前記蓋部と接合するレンズ部材をさらに備える、請求項１０に記載の発光装置。
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