JP2023179042A - サブマウント及びこれを備えたレーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】サブマウントと支持部品との間の金属はんだにボイドが生じるのを抑制し、レーザダイオードバーの高出力化や高信頼性化を可能とするサブマウントを提供する。【解決手段】サブマウント２０は、複数のエミッタ１１を有するレーザダイオードバー１０を支持する。サブマウント２０は、表面２０ａと裏面２０ｂと側面２０ｃ１～２０ｃ４とを有している。表面２０ａには、レーザダイオードバー実装領域２１が設けられ、裏面２０ｂは表面２０ａと対向している。側面２０ｃ１～２０ｃ４は、表面２０ａと裏面２０ｂとにそれぞれ連続している。サブマウント２０の裏面２０ｂには、少なくとも１本の溝２２が形成されている。平面視で、溝２２は、レーザダイオードバー実装領域２１からサブマウント２０の前方側面２０ｃ１に達している。前方側面２０ｃ１で溝２２の端部が開放されている。【選択図】図１Ｂ

Description

本開示は、サブマウント及びこれを備えたレーザモジュールに関する。

近年、銅、金、樹脂など種々の材料において、レーザ加工への期待が高まっている。例えば、自動車産業では、電動化、小型化、高剛性化、デザイン自由度向上、及び生産性向上などが求められ、レーザ加工への期待は高い。生産性の高い加工を実現するには、高効率で高出力のレーザ光が得られるレーザ光源が要求されている。この要求に好適なレーザ光源として、半導体レーザ素子が知られている。特に、レーザ光の出力を高めるためには、レーザ光を出射するエミッタを複数有するレーザダイオードバーを搭載したレーザモジュールが有用である。

ところで、単一エミッタ、複数エミッタに限らず、広義の半導体レーザ素子は、通常サブマウントに実装されて使用される。サブマウントは、通常、板状の部品であり、半導体レーザ素子を機械的に支持するとともに、動作中に半導体レーザ素子で発生した熱を外部に放出しつつ熱応力緩衝材としての役割を有している。なお、半導体レーザ素子とサブマウントとは、放熱性を最大限に高めるために、金属はんだを用いて接合されるのが一般的である。

しかし、金属はんだの溶融後に、金属はんだの余剰分が半導体レーザ素子の光出射端面に付着してしまい、その結果、レーザ光の出射を阻害することがある。これを防止するため、例えば、特許文献１には、半導体レーザ素子が実装されるサブマウントの実装面に、実装面から内部に延びる案内部を形成したサブマウントの構成が提案されている。案内部は、実装面の所定の位置に溝を形成した後、金属を埋め込んで形成される。金属はんだの溶融時に、余剰はんだは、案内部に沿って実装面から離れるようにサブマウントの側面に沿って流れるため、前述した光出射端面への付着が防止される。

特許第４０８８８６７号公報

ところで、半導体レーザ素子の光出力が、増加するのに伴い、当然ながら、レーザダイオードバーを使ったレーザモジュールが、発生する熱量も増えてきている。一般的には、レーザモジュールに投入した電力の３０％程度しか、発光には寄与せず、７０％はエミッタ周辺での発熱となっている。したがって、レーザダイオードバーを実装したサブマウントをさらに冷却する必要があるため、多くの場合は、内部に冷却機構を有する冷却器等にサブマウントが実装される。この際、サブマウントと冷却器との熱的接触を確実にするため、サブマウントとレーザ素子同様に、サブマウントと冷却器も、金属はんだを用いて接合することが多い。また、サブマウントを介して、サブマウントの支持部品とレーザダイオードバーとの電気的導通を図る場合も、サブマウントの支持部品とサブマウントとを金属はんだを用いて接合する。

これらの構成で、レーザダイオードバーを、金属はんだ接合する場合、そのサブマウントのサイズは、単一のエミッタを有する半導体レーザ素子場合に比べて、当然ながら、大きくなる。サブマウントのサイズが大きくなると、接合条件等によっては、支持部品とサブマウントとの間の金属はんだに空気だまり（以降、ボイドと表記する）が生じる。ボイドは、その内部に熱をため込むため、レーザダイオードバーからの放熱が悪化することがある。このようなことが起こると、レーザダイオードバーの光出力や信頼性が低下してしまうおそれがあった。これが、レーザダイオードバーで高い出力を実現する大きな課題の１つとなっている。

本開示は、かかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、支持部品とサブマウントとの間の金属はんだにボイドが生じるのを抑制し、レーザダイオードバーの高出力化や高信頼性化を可能とするサブマウント、及びこれを備えたレーザモジュールを提供することにある。

上記目的を達成するため、本開示に係るサブマウントは、複数のエミッタを有するレーザダイオードバーを支持するための板状のサブマウントであって、前記レーザダイオードバーが実装される実装領域が設けられた表面と、前記表面と対向する裏面と、前記表面と前記裏面とに連続する側面と、を有し、前記裏面には、少なくとも１本の溝が形成されており、平面視で、前記溝は、前記実装領域から前記側面または前記サブマウントの側辺部に達するとともに、前記側面または前記側辺部で前記溝の端部が開放されていることを特徴とする。

本開示に係るレーザモジュールは、前記サブマウントと、前記サブマウントの前記実装領域に実装される前記レーザダイオードバーと、前記サブマウントが実装される支持部品と、を少なくとも備え、前記レーザダイオードバーは、少なくとも２個以上のエミッタを有し、前記実装領域と前記レーザダイオードバーとが第１の金属はんだにより接合されており、前記サブマウントの前記裏面と前記支持部品とが第２の金属はんだにより接合されていることを特徴とする。

本開示によれば、サブマウントと支持部品との間の金属はんだにボイドが生じるのを抑制できるため、サブマウントに実装されたレーザダイオードバーの高出力化や高い信頼性を実現することが可能となる。

実施形態に係るレーザモジュールの斜視図である。 図１ＡのＩＢ－ＩＢ線での断面図である。 レーザダイオードバーが実装されたサブマウントの斜視図である。 サブマウントを下方から見た斜視図である。 第２の金属はんだにボイドが生じた場合のレーザモジュールの断面模式図である。 第２の金属はんだの内部にボイドが生じる過程を説明するための模式図である。 レーザモジュールの組立工程を説明する模式図である。 図５ＡのＶＢ－ＶＢ線での断面図である。 図５Ａの続きの工程を説明する模式図である。 図６ＡのＶＩＢ－ＶＩＢ線での断面図である。 図６Ａの続きの工程を説明する模式図である。 図７ＡのＶＩＩＢ－ＶＩＩＢ線での断面図である。 図７Ａの続きの工程を説明する模式図である。 図８ＡのＶＩＩＩＢ－ＶＩＩＩＢ線での断面図である。 変形例１に係るレーザダイオードバーが実装されたサブマウントの斜視図である。 変形例２に係るサブマウントの断面模式図である。 変形例３に係るレーザダイオードバーが実装されたサブマウントの断面模式図である。 変形例４に係る第１のサブマウントを裏面から見た模式図である。 変形例４に係る第２のサブマウントを裏面から見た模式図である。 変形例４に係る第３のサブマウントを裏面から見た模式図である。 変形例４に係る第４のサブマウントを裏面から見た模式図である。 変形例４に係る第５のサブマウントを裏面から見た模式図である。 変形例４に係る第６のサブマウントを裏面から見た模式図である。 変形例４に係る第７のサブマウントを裏面から見た模式図である。 変形例４に係る第８のサブマウントを裏面から見た模式図である。 変形例４に係る第９のサブマウントを裏面から見た模式図である。 変形例４に係る第１０のサブマウントを裏面から見た模式図である。 変形例４に係る第１１のサブマウントを裏面から見た模式図である。 変形例４に係る第１２のサブマウントを裏面から見た模式図である。 変形例４に係る第１３のサブマウントを裏面から見た模式図である。 変形例４に係る第１４のサブマウントを裏面から見た模式図である。

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（実施形態）
［レーザモジュール及びサブマウントの構成］
図１Ａは、本実施形態に係るレーザモジュールの斜視図を示し、図１Ｂは、図１ＡのＩＢ－ＩＢ線での断面図を示す。図２Ａは、レーザダイオードバーが実装されたサブマウントの斜視図を示し、図２Ｂは、サブマウントを下方から見た斜視図を示す。なお、レーザダイオードバー１０の形状を分かりやすくするため、図１Ａ，１Ｂ及び図２Ａにおいて、ｐ側電極１４（図１１参照）の図示を省略している。また、図２Ａにおいて、第１の金属はんだ６０の図示を省略している。また、説明の便宜上、図１Ａ，１Ｂ及び図２Ａに示すエミッタ１１や分離溝１２の形状、さらに、これらの個数は実際のものとは異なっている。

なお、以降の説明において、レーザダイオードバー１０におけるエミッタ１１の配列方向をＸ方向と呼び、サブマウント２０の厚さ方向をＹ方向と呼ぶ。Ｙ方向は、レーザダイオードバー１０とサブマウント２０と冷却器４０とが積み重ねられた方向でもある。Ｘ方向及びＹ方向とそれぞれ直交する方向をＺ方向と呼ぶ。Ｚ方向は、エミッタ１１の長手方向であり、複数のエミッタ１１のそれぞれから出射されるレーザ光の光軸方向でもある。

なお、Ｙ方向において、レーザダイオードバー１０が配置された側を上または上方と呼び、冷却器４０が配置された側を下または下方と呼ぶ。Ｚ方向において、エミッタ１１におけるレーザ光が出射される端面が配置された側を前または前方と呼び、当該端面と対向する端面が配置された側を後または後方と呼ぶ。また、レーザモジュール１００及びこれを構成する各部品をＹ方向から見た場合を平面視と呼ぶ。

なお、本願明細書において、「直交」または「平行」とは、レーザモジュール１００を構成する各部品の製造公差や部品間の組立公差を含んで直交している、または平行であるという意味であり、比較対象同士が厳密に直交している、または平行であることまでを意味するものではない。

図１に示すように、レーザモジュール１００は、冷却器４０とサブマウント２０とレーザダイオードバー１０とが下からこの順に積み重ねられて構成されている。

なお、サブマウント２０において、レーザダイオードバー１０が実装される面を表面２０ａと呼び、当該表面２０ａとＹ方向に対向する面を裏面２０ｂと呼ぶ。また、表面２０ａと裏面２０ｂとに連続し、表面２０ａ及び裏面２０ｂのそれぞれの法線と交差する法線を有する面を側面と呼ぶ。本実施形態に示すサブマウント２０は、４つの側面２０ｃ１～２０ｃ４を有している。Ｚ方向で前方に位置する側面を前方側面２０ｃ１と呼び、前方側面２０ｃ１とＺ方向に対向する側面を後方側面２０ｃ３と呼ぶことがある。

同様に、冷却器４０において、サブマウント２０が実装される面を表面と呼び、当該表面とＹ方向に対向する面を裏面と呼ぶ。

冷却器４０は、内部に冷却水路４１を有する部品であり、表面に第２の金属層５０が形成されている。冷却器４０自体は、例えば、絶縁性のセラミック等で構成される。ただし、ステンレス等の金属で構成されていてもよい。ただし、第２の金属層５０を除く冷却器４０とサブマウント２０とは電気的に絶縁される。また、冷却水路４１を流れる冷却水と冷却器４０との電気的絶縁は確保する必要がある。レーザモジュール１００の動作時は、図示しない循環機構により冷却水路４１に冷却水を循環させている。つまり、冷却水路４１は、レーザダイオードバー１０が実装されたサブマウント２０を冷却するための冷却機構の一部をなしている。なお、冷却器４０の裏面や側面に冷却水配管を接触させて冷却器４０を冷却するようにしてもよい。その場合は、内部の冷却水路４１は省略される。

図１Ｂに示すように、第２の金属層５０に対して、第２の金属はんだ（金属はんだ）７０を介してサブマウント２０が接合されている。第２の金属はんだ７０は、銀（Ａｇ）とスズ（Ｓｎ）と銅（Ｃｕ）とを含む合金はんだである。第２の金属層５０は、冷却器４０の表面に対して、第２の密着層５１と第２の拡散防止層５２と第２の接合層５３とがこの順に積層された構造の導電膜である。冷却器４０の材質にもよるが、第２の密着層５１は、例えば、チタン（Ｔｉ）やニッケル（Ｎｉ）からなる。第２の拡散防止層５２は白金（Ｐｔ）からなる。第２の接合層５３は、金（Ａｕ）または金合金からなる。

サブマウント２０は、平面視で長方形の板状の導電部材であり、例えば、ダイヤモンドと金属との複合体からなる。ただし、サブマウント２０の材質は特にこれに限られず、例えば、銅とタングステン（Ｗ）との複合体であってもよい。また、サブマウント２０は、レーザダイオードバー１０に応力を加えないため、レーザダイオードバー１０を構成する主たる半導体材料と線膨張係数が近く、また、ヤング率が高いことが好ましい。

図１Ｂ及び図２Ａ，２Ｂに示すように、サブマウント２０の表面２０ａは第１の金属層３０で覆われている。また、サブマウント２０の裏面２０ｂには溝２２が形成されており、溝２２の内壁面を除いた裏面２０ｂの全体が第１の金属層３０で覆われている。第１の金属層３０は、サブマウント２０の表面２０ａまたは裏面２０ｂに対して第１の密着層３１と第１の拡散防止層３２と第１の接合層３３とがこの順に積層された構造の導電膜である。第１の密着層３１、第１の拡散防止層３２及び第１の接合層３３のそれぞれの材質は、第２の金属層５０に含まれる第２の密着層５１、第２の拡散防止層５２及び第２の接合層５３のそれぞれの材質と同様である。

なお、図２Ａに示す例では、サブマウント２０の表面２０ａの全体に第１の金属層３０が形成されているが、レーザダイオードバー１０が実装されるレーザダイオードバー実装領域２１（図２Ａ参照）のみに第１の金属層３０が形成されていてもよい。レーザダイオードバー実装領域２１は、平面視でレーザダイオードバー１０よりも一回り大きなサイズであればよい。また、レーザダイオードバー実装領域２１は、サブマウント２０の表面２０ａのうち前方側面２０ｃ１に達する位置に設けられる。

溝２２は、平面視で、レーザダイオードバー実装領域２１からサブマウント２０の前方側面２０ｃ１に達するように形成されている。つまり、サブマウント２０の前方側面２０ｃ１で溝２２の端部が開放されている。溝２２の深さや幅は適宜変更されうる。これについては後で述べる。

レーザダイオードバー１０は、複数のエミッタ１１を有し、平面視で長方形の部材であり、長辺がＸ方向で、短辺がＺ方向である。また複数のエミッタ１１のそれぞれは分離溝１２で分離されている。

図１Ｂに示すように、レーザダイオードバー１０の下面にｎ側電極１３が形成されている。また、図示しないが、複数のエミッタ１１のそれぞれの上面にｐ側電極１４（図１１参照）が形成されている。なお、ｐ側電極１４は、エミッタ１１の上面にオーミック接触するオーミック電極と、オーミック電極の上面を含むエミッタ１１の上面と分離溝１２とを覆い、外部と接続するためのボンディング電極（いずれも図示せず）と、を含んでいる。本実施形態に示すレーザダイオードバー１０は、エミッタ１１の発光点がサブマウント２０から遠い上面側にある、いわゆるジャンクションアップタイプであるが、特にこれに限定されない。後で示すジャンクションダウンタイプ（図１１参照）であってもよい。

なお、本実施形態のレーザダイオードバー１０における各エミッタ１１からは、青色の波長域のレーザ光がそれぞれ出射される。なお、「青色の波長域」とは、３５０ｎｍ以上、４５０ｎｍ以下の波長範囲をいう。また、レーザダイオードバー１０を構成する主たる半導体材料は窒化物半導体（ＧａＮ系半導体）である。ただし、レーザダイオードバー１０の構成は、これに特に限定されない。例えば、レーザダイオードバー１０を構成する主たる半導体材料がＧａＡｓ系半導体やＩｎＰ系半導体であってもよい。また、各エミッタ１１から、赤外の波長域、例えば、９６０ｎｍ程度の波長のレーザ光がそれぞれ出射されてもよい。

レーザダイオードバー１０は、第１の金属はんだ６０と第１の金属層３０とを介してサブマウント２０と電気的に接続される。さらに、レーザダイオードバー１０は、サブマウント２０と第１の金属層３０とを介して、冷却器４０の表面に設けられた第２の金属層５０に電気的に接続される。例えば、第２の金属層５０の表面に外部電源（図示せず）との接続電極を設けることで、第２の金属はんだ７０と第１の金属はんだ６０とサブマウント２０と第１の金属層３０とを介して、レーザダイオードバー１０を外部電源に電気的に接続できる。なお、第２の金属層５０を一種の電気配線として使用する場合、電気抵抗を所定値以下にするために、第２の接合層５３のＸ方向の幅やＹ方向の厚さを適切に設定する必要がある。

［本開示に至った知見］
図３は、第２の金属はんだにボイドが生じた場合のレーザモジュールの部分断面模式図を示し、図４は、第２の金属はんだの内部にボイドが生じる過程を説明するための模式図を示す。

レーザモジュール１００の組立条件によっては、図３に示すように、第２の金属はんだ７０の内部に複数のボイド７２が生じる場合がある。本願発明者等は、ボイド７２の発生メカニズムとボイド７２が存在することによるレーザモジュール１００への影響を検討した。以下に説明する。

第２の金属はんだ７０の内部にボイド７２が発生する理由として、まず、レーザダイオードバー１０のサイズが単一のエミッタ１１を有する半導体レーザ素子に比べて非常に大きいことが挙げられる。通常の半導体レーザ素子は、例えば、０．数ｍｍ×０．数ｍｍ程度のサイズであるが、数十個のエミッタ１１を有するレーザダイオードバー１０のサイズは、十数ｍｍ×数ｍｍ程度になる。このことに伴い、レーザダイオードバー１０を支持するサブマウント２０のサイズも大きくなり、第２の金属はんだ７０の面積も大きくなる。

単一のエミッタ１１を有する半導体レーザ素子を実装したサブマウント２０と冷却器４０とを第２の金属はんだ７０を介して接合した場合、第２の金属はんだ７０はサブマウント２０によって下方に加圧される。第２の金属はんだ７０とサブマウント２０との間にボイド７２があったとしても、接合時の加圧によって、ボイド７２内の空気は第２の金属はんだ７０の側面から外部に押し出されてしまう。

一方、レーザダイオードバー１０を実装したサブマウント２０と冷却器４０とを第２の金属はんだ７０を用いて接合した場合、前述したボイド７２内の空気が、接合時の加圧によって押し出し切れずに、第２の金属はんだ７０の内部に残留し、最終的にボイド７２が形成すると推定された。

第２の金属はんだ７０とサブマウント２０との間にボイド７２が生じる理由は、例えば、第２の金属はんだ７０の厚さむらや冷却器４０の表面の凹凸等が挙げられる。また、組立時には、サブマウント２０を第２の金属はんだ７０に接触させる前に、第２の金属はんだ７０を含めて冷却器４０が予め加熱される。このときの加熱温度が冷却器４０の表面内で不均一であると、図４に示すように、第２の金属はんだ７０に未溶融部７１が生じることがある。この状態で第２の金属はんだ７０とサブマウント２０の裏面２０ｂとが接触し、その後で未溶融部７１が溶融すると、未溶融部７１が存在した部分が第２の金属はんだ７０の内部に空隙となって残ることがあり、最終的にボイド７２が形成すると推定された。なお、前述した温度の不均一性は、冷却器４０やサブマウント２０の材質の不均一性によっても生じうる。

また、ボイド７２のサイズが大きい場合やボイド７２の数が多い場合、レーザダイオードバー１０の複数のエミッタ１１のうち、いくつかのエミッタ１１が発光しない現象が観測された。詳細に解析すると、ボイド７２の上方に位置するエミッタ１１が発光していないことが分かった。ボイド７２の存在により、動作中にエミッタ１１で発生した熱が、サブマウント２０を介して冷却器４０に逃げにくくなる。このため、レーザダイオードバー１０の温度が局所的に上昇して、ボイド７２の上方に位置するエミッタ１１が故障したものと推定された。

以上説明した通り、第２の金属はんだ７０の内部にボイド７２が存在すると、レーザダイオードバー１０の動作に悪影響を与えることが分かった。そこで、本願発明者等は、第２の金属はんだ７０と接触するサブマウント２０の裏面２０ｂに側面２０ｃ１～２０ｃ４のいずれかに達する溝２２を設けることで、この不具合を解消できることを見出した。以下、さらに説明する。

［レーザモジュールの組立方法］
図５Ａは、レーザモジュールの組立工程を説明する模式図を示し、図５Ｂは、図５ＡのＶＢ－ＶＢ線での断面図を示す。図６Ａは、図５Ａの続きの工程を説明する模式図を示し、図６Ｂは、図６ＡのＶＩＡ－ＶＩＡ線での断面図を示す。図７Ａは、図６Ａの続きの工程を説明する模式図を示し、図７Ｂは、図７ＡのＶＩＩＢ－ＶＩＩＢ線での断面図を示す。図８Ａは、図７Ａの続きの工程を説明する模式図を示し、図８Ｂは、図８ＡのＶＩＩＩＢ－ＶＩＩＩＢ線での断面図を示す。

なお、説明の便宜上、図５Ａ～図８Ｂにおいて、レーザダイオードバー１０と第１の金属層３０と第１の金属はんだ６０と第２の金属層５０の図示を省略している。また、冷却器４０に設けられた冷却水路４１の図示を省略している。

まず、図５Ａに示すように、表面の所定の領域に第２の金属はんだ７０が配置された冷却器４０を加熱し、第２の金属はんだ７０を溶融させる。このとき、加熱温度が冷却器４０の表面内で不均一であると、第２の金属はんだ７０に未溶融部７１が発生する。

次に、図６Ａに示すように、レーザダイオードバー１０が実装されたサブマウント２０を第２の金属はんだ７０に接触させる。このとき、第２の金属はんだ７０の厚さに所定以上のむらがあると、図６Ｂに示すように、サブマウント２０の裏面２０ｂと第２の金属はんだ７０との間にボイド７２が生じる。また、サブマウント２０の裏面２０ｂが第２の金属はんだ７０に接触した状態で、未溶融部７１が溶融すると、前述したように、サブマウント２０の裏面２０ｂと第２の金属はんだ７０との間にボイド７２が生じる。

次に、図７Ａに示すように、サブマウント２０を下方に向けて加圧した状態で、図６Ａに示す状態を保持する。あるいは、第２の金属はんだ７０に接触した状態で、サブマウント２０をＸ方向及びＺ方向に揺動させてもよい。このとき、第２の金属はんだ７０は加熱により軟化もしくは液化している。このため、前述したボイド７２内の空気は、サブマウント２０からの加圧力やサブマウント２０の揺動により、第２の金属はんだ７０の内部を移動することができる。また、溝２２の内部は第２の金属はんだ７０で埋め込まれていない。よって、ボイド７２内の空気が移動して溝２２の内壁面に達すると、溝２２を通って溝２２の端部に達する。溝２２の一端は、サブマウント２０の前方側面２０ｃ１で開放されているため、溝２２を通った空気は第２の金属はんだ７０の外部に排出される。その結果、図８Ａに示すように、第２の金属はんだ７０の内部にボイド７２が発生するのが抑制される。

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るサブマウント２０は、板状であって、複数のエミッタ１１を有するレーザダイオードバー１０を支持する。

サブマウント２０は、表面２０ａと裏面２０ｂと側面２０ｃ１～２０ｃ４とを有している。表面２０ａには、レーザダイオードバー１０が実装されるレーザダイオードバー実装領域２１が設けられている。裏面２０ｂは表面２０ａとＹ方向に対応している。側面２０ｃ１～２０ｃ４は、表面２０ａと裏面２０ｂとにそれぞれ連続している。

サブマウント２０の裏面２０ｂには、少なくとも１本の溝２２が形成されている。平面視で、溝２２は、レーザダイオードバー実装領域２１から前方側面２０ｃ１に達している。前方側面２０ｃ１で溝２２の端部が開放されている。

サブマウント２０をこのように構成することで、第２の金属はんだ７０によりサブマウント２０を冷却器４０に接続する場合、第２の金属はんだ７０の内部にボイド７２が発生するのを抑制できる。このことにより、第２の金属はんだ７０を介したサブマウント２０から冷却器４０への熱排出がスムーズに行われる。その結果、レーザダイオードバー１０のエミッタ１１、動作時に発生する熱の影響により故障して非発光状態となるのを抑制できる。つまり、レーザダイオードバー１０の光出力低下を抑制できる。

また、第２の金属はんだ７０の内部にボイド７２がある場合、ボイド７２の上方に位置するエミッタ１１が、動作初期には発光可能である場合もある。しかし、長時間使用時には、それまでにエミッタ１１で発生した熱がレーザダイオードバー１０に蓄積されて、レーザダイオードバー１０の温度が局所的に大幅に上昇するおそれもある。この場合、レーザモジュール１００の動作中に、エミッタ１１が発光状態から急に非発光状態となることがある。

本実施形態によれば、ボイド７２の発生を抑制し、サブマウント２０から冷却器４０への熱排出がスムーズに行われるため、長時間使用時のレーザモジュール１００、具体的にはレーザダイオードバー１０の各エミッタ１１の動作信頼性が低下するのを抑制できる。

サブマウント２０の裏面２０ｂと冷却器４０とが第２の金属はんだ７０により接合される場合、溝２２の内壁面は、サブマウント２０の裏面２０ｂのうち、溝２２の内壁面を除いた領域よりも第２の金属はんだ７０に対する濡れ性が低いことが好ましい。

前述したように、溝２２は、第２の金属はんだ７０の内部に残留した空気を外部に逃がすための通路として機能する必要がある。よって、溝２２の内部が、第２の金属はんだ７０で完全に埋め込まれないようにする必要がある。サブマウント２０の裏面２０ｂにおいて、溝２２の内壁面を当該内壁面以外の領域よりも第２の金属はんだ７０に対する濡れ性が低くなるようにすることで、サブマウント２０の前方側面２０ｃ１までの空気の通路が確保される。

例えば、サブマウント２０の裏面２０ｂのうち、溝２２の内壁面を除いた領域が、第１の金属層３０で覆われているのが好ましい。このようにすることで、第１の金属層３０で覆われた領域における第２の金属はんだ７０に対する濡れ性を溝２２の内壁面における当該濡れ性よりも高くできる。その結果、溝２２の内部が、第２の金属はんだ７０で完全に埋め込まれるのを防止できる。また、サブマウント２０の裏面２０ｂに第１の金属層３０を設けることで、第２の金属はんだ７０を介して、サブマウント２０を冷却器４０に確実に接合できる。

第１の金属層３０は、サブマウント２０の裏面２０ｂから第１の密着層３１と第１の拡散防止層３２と第１の接合層３３とがこの順に積層されていることが好ましい。第１の密着層３１を設けることで、第１の拡散防止層３２と第１の接合層３３がサブマウント２０に確実に密着される。第１の拡散防止層３２を設けることで、第２の金属はんだ７０を構成する物質がサブマウント２０に拡散されるのを防止できる。第１の接合層３３を設けることで、第２の金属はんだ７０と第１の接合層３３とが反応して、第２の金属はんだ７０を介して、サブマウント２０を冷却器４０に確実に接合できる。

なお、第１の金属層３０は、サブマウント２０の表面２０ａのうち、少なくともレーザダイオードバー実装領域２１に設けられるのが好ましい。このようにすることで、第１の金属はんだ６０を介して、レーザダイオードバー１０をサブマウント２０に確実に接合できる。また、第１の密着層３１を設けることで、第１の拡散防止層３２と第１の接合層３３がサブマウント２０に確実に密着される。第１の拡散防止層３２を設けることで、第１の金属はんだ６０を構成する物質がサブマウント２０やレーザダイオードバー１０に拡散されるのを防止できる。このことにより、レーザダイオードバー１０の各エミッタ１１が故障したり、使用時の信頼性が低下したりするのを抑制できる。第１の接合層３３を設けることで、第１の金属はんだ６０と第１の接合層３３とが反応して、第１の金属はんだ６０を介して、レーザダイオードバー１０をサブマウント２０に確実に接合できる。

本実施形態に係るレーザモジュール１００は、サブマウント２０と、レーザダイオードバー１０と、冷却器４０と、を少なくとも備えている。レーザダイオードバー１０は、少なくとも２個以上のエミッタ１１を有している。冷却器４０は、サブマウント２０の支持部品である。また、冷却器４０は、レーザダイオードバー１０が実装されたサブマウント２０を冷却する冷却機構として冷却水路４１を内部に有している。

レーザダイオードバー１０は、サブマウント２０のレーザダイオードバー実装領域２１に実装される。レーザダイオードバー１０が実装されたサブマウント２０が、冷却器４０に実装される。

サブマウント２０のレーザダイオードバー実装領域２１とレーザダイオードバー１０とが第１の金属はんだ６０により接合されており、サブマウント２０の裏面２０ｂと冷却器４０の表面とが第２の金属はんだ７０により接合されている。

本実施形態によれば、動作中にレーザダイオードバー１０で発生した熱が、サブマウント２０を介して冷却器４０に排出されるとともに、冷却水を介して速やかにレーザモジュール１００の外部に排出される。このことにより、レーザダイオードバー１０の温度上昇に起因して、各エミッタ１１から出射されるレーザ光の出力が低下するのを抑制でき、レーザダイオードバー１０全体で高出力のレーザ光を得ることができる。

また、本実施形態によれば、サブマウント２０と冷却器４０とを接合する第２の金属はんだ７０の内部にボイド７２が発生するのを抑制できる。このことにより、第２の金属はんだ７０を介したサブマウント２０から冷却器４０への熱排出がスムーズに行われる。さらに、レーザダイオードバー１０のエミッタ１１、動作時に発生する熱の影響により故障して非発光状態となるのを抑制できる。つまり、レーザダイオードバー１０の光出力低下を抑制できる。また、長時間使用時にもレーザ光の出力を安定化でき、レーザモジュール１００の動作信頼性が確保される。

第２の金属はんだ７０の融点は、第１の金属はんだ６０の融点と異なっているのが好ましい。本実施形態の場合は、第２の金属はんだ７０の融点は、第１の金属はんだ６０の融点よりも低いことが好ましい。

レーザダイオードバー１０をサブマウント２０に実装する場合、レーザダイオードバー実装領域２１に対して位置合わせを行った上で両者が接合される。同様に、冷却器４０の所定の位置に対して位置合わせを行った上でサブマウント２０が冷却器４０に接合される。このようにすることで、レーザモジュール１００の設置位置を基準として、レーザ光の出射方向や出射位置が定められる。

３つの部材、レーザダイオードバー１０とサブマウント２０と冷却器４０とを同時に位置合わせして、かつ実装することは困難であるから、レーザダイオードバー１０をサブマウント２０に実装した後、サブマウント２０が冷却器４０に実装される。この場合、サブマウント２０と冷却器４０との接合時に、レーザダイオードバー１０とサブマウント２０とを接合する第１の金属はんだ６０が溶融・軟化しないように、第２の金属はんだ７０の融点を第１の金属はんだ６０の融点よりも低くする必要がある。この条件を満たすために、例えば、第１の金属はんだ６０を、金とスズとを含む合金とし、第２の金属はんだ７０を、銀とスズと銅とを含む合金とするのが好ましい。

なお、実装の順番を逆にする場合は、第１の金属はんだ６０の融点を第２の金属はんだ７０の融点よりも低くするのが好ましいことは言うまでもない。その場合、第１の金属はんだ６０を、銀とスズと銅とを含む合金とし、第２の金属はんだ７０を、金とスズとを含む合金とするのが好ましい。

＜変形例１＞
図９は、変形例１に係るレーザダイオードバーが実装されたサブマウントの斜視図を示す。なお、説明の便宜上、図９及び以降に示す各図面において、実施形態と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図２Ａ，２Ｂに示すように、実施形態に示すサブマウント２０に形成された溝２２の長手方向は、エミッタ１１の長手方向に一致している。ただし、後で述べるように、溝２２の延長方向は特にこれに限定されない。

また、溝２２は、第２の金属はんだ７０の内部に残留した空気を外部に逃がすための通路としての機能を果たせればよく、溝２２の幅や深さに関しては特に大きな制約を設ける必要は無い。例えば、溝２２の幅が、互いに隣り合うエミッタ１１の間を分離する分離溝１２の幅と同じであってもよい。なお、溝２２の幅や深さがある程度変化しても、レーザダイオードバー１０で発生した熱を放熱する性能はほとんど変わらない。

また、レーザダイオードバー１０の動作中、Ｘ方向に沿って中央に配置されたエミッタ１１は、両端近傍に位置するエミッタ１１よりもサブマウント２０に熱が逃げにくく、エミッタ１１の内部に熱が溜まりやすい。つまり、動作中の発熱により故障して非発光状態となる確率は、中央に配置されたエミッタ１１の方が、両端近傍に位置するエミッタ１１よりも高くなる。

一方、レーザダイオードバー１０に含まれるエミッタ１１の個数がある程度多ければ、例えば、図９に示すように、レーザダイオードバー１０の中央領域１０ａ、さらに言うと、平面視で、溝２２と重なる部分を含む所定の領域において、エミッタ１１を設けないようにしてもよい。このようにすることで、レーザダイオードバー１０の動作時に、中央領域１０ａでの発熱量を低減でき、中央領域１０ａに位置するエミッタ１１が故障して非発光状態となるのを抑制できる。その結果、レーザダイオードバー１０から出射されるレーザ光を高出力に保ちつつ、動作信頼性が低下するのを抑制できる。なお、中央領域１０ａにおいて、エミッタ１１を設けないことで、レーザダイオードバー１０から出射されるレーザ光のトータルの出力は低下する。よって、レーザ光のトータルの出力の低下度合いと長時間使用時の出力の低下度合いとに鑑みて、エミッタ１１の非形成領域を決める必要がある。なお、図９では、レーザダイオードバー１０の中央領域１０ａにエミッタ１１が形成されない連続した領域を設けた例を示した。しかし、特にこれに限られず、レーザダイオードバー１０の中央領域１０ａでは、エミッタ１１を間引いて、数個毎にエミッタ１１を設けるようにしてもよい。つまり、中央領域１０ａにおけるエミッタ１１の配置密度が、両端部におけるエミッタ１１の配置密度よりも低くなるように、レーザダイオードバー１０が形成されていてもよい。言い換えると、平面視で溝２２と重なる部分を含む所定の領域におけるエミッタ１１の配置密度が、前述の所定の領域よりも端部に近い領域におけるエミッタ１１の配置密度よりも低くなるように、レーザダイオードバー１０が形成されていてもよい。

＜変形例２＞
図１０は、変形例２に係るサブマウントの断面模式図を示し、図１０に示す本変形例の溝２２は、内壁面が被膜２３で覆われている点で、図１Ｂや図２Ｂに示す実施形態の溝２２と異なる。

図１０に示す被膜２３は、単層膜かまたは積層膜である。被膜２３が単層膜の場合、当該単層膜は、酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化シリコン及びグラファイトシートのうちのいずれかからなる。被膜２３が積層膜の場合、当該積層膜は、酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化シリコン及びグラファイトシートのうちの少なくとも２種を含む。

図１０に示すように、溝２２の内壁面を被膜２３で覆うことにより、溝２２の内壁面における第２の金属はんだ７０に対する濡れ性を、サブマウント２０の裏面２０ｂのうち、溝２２の内壁面を除いた領域よりも確実に低下させることができる。このことにより、サブマウント２０と冷却器４０の接合時に、溝２２の内部が第２の金属はんだ７０で埋め込まれるのを防止し、第２の金属はんだ７０の内部に残留した空気を、溝２２を通じて第２の金属はんだ７０の外部に逃がすことができる。このことにより、サブマウント２０から冷却器４０への熱排出がスムーズに行われるため、長時間使用時のレーザモジュール１００、具体的にはレーザダイオードバー１０の各エミッタ１１の動作信頼性が低下するのを抑制できる。

＜変形例３＞
図１１は、変形例３に係るレーザダイオードバーが実装されたサブマウントの断面模式図を示す。

本変形例に示すレーザダイオードバー１０は、エミッタ１１の発光点がサブマウント２０に近い下面側にある、いわゆるジャンクションダウンタイプである点で、図１Ａ，１Ｂや図２Ａに示すレーザダイオードバー１０と異なる。また、図１１に示すように、本変形例では、分離溝１２が第１の金属はんだ６０の表面に対向するように、レーザダイオードバー１０がサブマウント２０に実装されている。

サブマウント２０冷却器４０との接合時に、第２の金属はんだ７０の内部にボイド７２が発生しうることは既に述べた。同様に、レーザダイオードバー１０とサブマウント２０との接合時に、第１の金属はんだ６０の内部にも同様のボイドは発生しうる。

一方、本変形例に示すように、分離溝１２が第１の金属はんだ６０の表面に対向するように、レーザダイオードバー１０を第１の金属はんだ６０に接触させると、各分離溝１２が、第１の金属はんだ６０の内部に残留した空気を外部に逃がすための通路として機能しうる。つまり、サブマウント２０に形成された溝２２と同様の機能を奏しうる。このことにより、第１の金属はんだ６０の内部にボイドが発生するのを防止できる。さらに、レーザダイオードバー１０からサブマウント２０への熱排出がスムーズに行われるため、長時間使用時のレーザモジュール１００、具体的にはレーザダイオードバー１０の各エミッタ１１の動作信頼性が低下するのを抑制できる。

なお、第１の金属はんだ６０を介して、レーザダイオードバー１０とサブマウント２０とを確実に電気的に接続するため、エミッタ１１と分離溝１２とを覆うように、ｐ側電極１４がレーザダイオードバー１０に形成されている。このため、いくつかの分離溝１２の内部が、第１の金属はんだ６０で埋め込まれる場合がある。そのため、サブマウント２０に形成された溝２２に比べて、第１の金属はんだ６０の内部から空気を外部に逃がす機能は、分離溝１２において若干低下することがある。

＜変形例４＞
図１２Ａ～１２Ｋは、変形例４に係る第１～第１１のサブマウントを裏面から見た模式図を示し、図１３Ａ～１３Ｃは、第１２～第１４のサブマウントを裏面から見た模式図を示す。

前述したように、溝２２は、第２の金属はんだ７０の内部に残留した空気を外部に逃がすための通路として機能すればよく、そのために、平面視で、溝２２が、レーザダイオードバー実装領域２１からサブマウント２０の４つの側面２０ｃ１～２０ｃ４のいずれかに達しており、当該側面で溝２２の端部が開放されていればよい。このことが実現できていれば、また、溝２２の形状や幅や深さに関しては特に大きな制約は設けられない。前述したように、溝２２の形状や幅や深さがある程度変化しても、レーザダイオードバー１０で発生した熱を放熱する性能はほとんど変わらない。

例えば、溝２２の幅や深さが、レーザダイオードバー１０の分離溝１２の幅や深さと同程度であってもよい。ただし、分離溝１２の幅は１０μｍ程度であることが多く、溝２２の幅や深さは、この値よりも広いかあるいは深いことが好ましい。また、溝２２の幅や深さが溝２２の長手方向に変化していてもよい。その場合、溝２２における最も狭い部分の幅が、１０μｍよりも広いことが好ましい。また、溝２２における最も浅い部分の深さが、１０μｍよりも深いことが好ましい。

また、図１２Ａに示すように、溝２２の端部が、Ｘ方向及びＺ方向のそれぞれと平行な側面２０ｃ４に達して、側面２０ｃ４で溝２２の端部が開放されていてもよい。また、図１２Ｂに示すように、Ｘ方向及びＺ方向のそれぞれと平行で、かつＸ方向に対向する２つの側面２０ｃ２，２０ｃ４のそれぞれに溝２２の端部が達していてもよい。また、図１２Ｃに示すように、溝２２が、十字形状であり、サブマウント２０の４つの側面２０ｃ１～２０ｃ４のそれぞれに溝２２の端部が達していてもよい。

また、図１２Ｄに示すように、平面視で、溝２２がＴ字形状であってもよいし、図１２Ｅに示すように、レーザダイオードバー実装領域２１の内側で、溝２２が開ループ状になっていてもよい。図１２Ｆに示すように、溝２２が、サブマウント２０の後方側面２０ｃ３に達していてもよい。溝２２の一端が、サブマウント２０の４つの側面２０ｃ１～２０ｃ４のいずれかに達して、溝２２の一端が開放されていればよい。

また、溝２２の本数が複数であってもよい。例えば、図１２Ｇに示すように、Ｚ方向に延びて、溝２２の一端がそれぞれサブマウント２０の前方側面２０ｃ１に達する３本の溝２２が設けられていてもよい。図１２Ｈに示すように、２本の溝２２のそれぞれの一端が、平面視で、レーザダイオードバー実装領域２１から２つの側面２０ｃ２，２０ｃ４のそれぞれに達していてもよい。また、図１２Ｉに示すように、サブマウント２０の裏面２０ｂにくし形の溝２２が設けられていてもよい。いずれの場合も、複数の溝２２のそれぞれにおいて、一端がサブマウント２０の４つの側面２０ｃ１～２０ｃ４のいずれかに達して、溝２２の一端が開放されていればよい。

また、図１２Ｊに示すように、溝２２の一端がサブマウント２０の側辺部２０ｄ２に達して、側辺部２０ｄ２で溝２２の一端が開放されていてもよい。また、図１２Ｋに示すように、レーザダイオードバー実装領域２１からサブマウント２０の後方側面２０ｃ３に達する溝２２の途中が広がった形状になっていてもよい。この場合は、溝２２の途中で楕円形状に広がっている。なお、本願明細書において、「側辺部」とは、隣接する側面が交わる辺を含む所定の領域を言う。

また、サブマウント２０の形状自体も、特に長方形に限定されない。例えば、平面視で、正方形であってもよい。また、サブマウント２０が、平面視で円形や半円形であってもよい。あるいは、図１３Ａに示すように、サブマウント２０が、平面視で楕円形であってもよい。この場合も、溝２２の一端は、サブマウント２０の側面２０ｃ１に達した箇所で開放されている。なお、サブマウント２０が、平面視で半楕円形であってもよい。

また、サブマウント２０が、平面視でｎ角形（ｎは３以上の整数）であってもよい。例えば、図１３Ｂに示すように、サブマウント２０が、３つの側面２０ｃ１～２０ｃ３と３つの側辺部２０ｄ１～２０ｄ３とを有する三角形であってもよいし、図１３Ｃに示すように、８つの側面２０ｃ１～２０ｃ８と８つの側辺部２０ｄ１～２０ｄ８とを有する八角形であってもよい。この場合、溝２２の一端は、サブマウント２０の側面２０ｃ１～２０ｃ８かまたは側辺部２０ｄ１～２０ｄ８のいずれかに達して、当該側面または側辺部で、溝２２の一端が開放されていればよい。

（その他の実施形態）
実施形態及び変形例１～４に示す各構成要素を適宜組み合わせて、新たな実施形態とすることができる。例えば、変形例４に示す複数の種類の溝２２に対して、それらの内壁面を変形例２に示す被膜２３で覆うようにしてもよい。

また、実施形態では、サブマウント２０が第２の金属はんだ７０を介して冷却器４０に実装され、冷却器４０が内部に冷却水路４１を有している例を示したが、サブマウント２０が実装される部品は、サブマウント２０を機械的に支持する支持部品であればよく、冷却器４０以外であってもよい。ただし、レーザダイオードバー１０で発生した熱をサブマウント２０を介して外部に排出可能とする放熱部品であることが好ましいことは言うまでもない。例えば、所定の体積または表面積を有するヒートシンクであってもよい。その場合、内部に冷却水路４１等の冷却機構が設けられていなくてもよい。

本開示のサブマウントは、サブマウントと支持部品との間の金属はんだにボイドが生じるのを抑制できるため、サブマウントに実装されたレーザダイオードバーの高出力化や高信頼性化を実現する上で有用である。

１０ レーザダイオードバー
１１ エミッタ
１２ 分離溝
１３ ｎ側電極
１４ ｐ側電極
２０ サブマウント
２０ａ 表面
２０ｂ 裏面
２０ｃ１～２０ｃ８ 側面
２０ｄ１～２０ｄ８ 側辺部
２１ レーザダイオードバー実装領域
２２ 溝
３０ 第１の金属層
３１ 第１の密着層
３２ 第１の拡散防止層
３３ 第１の接合層
２３ 被膜
４０ 冷却器（支持部品）
４１ 冷却水路
５０ 第２の金属層
５１ 第２の密着層
５２ 第２の拡散防止層
５３ 第２の接合層
６０ 第１の金属はんだ
７０ 第２の金属はんだ（金属はんだ）
７１ 未溶融部
７２ ボイド
１００ レーザモジュール

Claims (15)

1. 複数のエミッタを有するレーザダイオードバーを支持するための板状のサブマウントであって、
   前記レーザダイオードバーが実装される実装領域が設けられた表面と、
   前記表面と対向する裏面と、
   前記表面と前記裏面とに連続する側面と、を有し、
   前記裏面には、少なくとも１本の溝が形成されており、
   平面視で、前記溝は、前記実装領域から前記側面または前記サブマウントの側辺部に達するとともに、前記側面または前記側辺部で前記溝の端部が開放されていることを特徴とするサブマウント。
2. 請求項１に記載のサブマウントにおいて、
   前記溝における最も狭い部分の幅が、１０μｍよりも広いことを特徴とするサブマウント。
3. 請求項１に記載のサブマウントにおいて、
   前記溝における最も浅い部分の深さが、１０μｍよりも深いことを特徴とするサブマウント。
4. 請求項１に記載のサブマウントにおいて、
   前記サブマウントの前記裏面と支持部品とが金属はんだにより接合される場合、
   前記溝の内壁面は、前記裏面のうち前記溝の内壁面を除いた領域よりも前記金属はんだに対する濡れ性が低いことを特徴とするサブマウント。
5. 請求項４に記載のサブマウントにおいて、
   前記溝の内壁面は、被膜で覆われており、
   前記被膜は、単層膜かまたは積層膜であり、
   前記単層膜は、酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化シリコン及びグラファイトシートのうちのいずれかからなり、
   前記積層膜は、酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化シリコン及びグラファイトシートのうちの少なくとも２種を含むことを特徴とするサブマウント。
6. 請求項４に記載のサブマウントにおいて、
   前記裏面のうち前記溝の内壁面を除いた領域が、第１の金属層で覆われていることを特徴とするサブマウント。
7. 請求項６に記載のサブマウントにおいて、
   前記第１の金属層は、前記裏面から第１の密着層と第１の拡散防止層と第１の接合層とがこの順に積層されていることを特徴とするサブマウント。
8. 請求項７に記載のサブマウントにおいて、
   前記サブマウントの前記表面のうち、少なくとも前記実装領域は、前記第１の金属層で覆われており、
   前記第１の金属層は、前記表面から前記第１の密着層と前記第１の拡散防止層と前記第１の接合層とがこの順に積層されていることを特徴とするサブマウント。
9. 請求項４に記載のサブマウントにおいて、
   前記金属はんだは、銀とスズと銅とを含む合金であることを特徴とするサブマウント。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載のサブマウントと、
    前記サブマウントの前記実装領域に実装される前記レーザダイオードバーと、
    前記サブマウントが実装される支持部品と、を少なくとも備え、
    前記レーザダイオードバーは、少なくとも２個以上のエミッタを有し、
    前記実装領域と前記レーザダイオードバーとが第１の金属はんだにより接合されており、
    前記サブマウントの前記裏面と前記支持部品とが第２の金属はんだにより接合されていることを特徴とするレーザモジュール。
11. 請求項１０に記載のレーザモジュールにおいて、
    前記第２の金属はんだの融点は、前記第１の金属はんだの融点と異なることを特徴とするレーザモジュール。
12. 請求項１１に記載のレーザモジュールにおいて、
    前記第１の金属はんだは、金とスズとを含む合金であり、
    前記第２の金属はんだは、銀とスズと銅とを含む合金であることを特徴とするレーザモジュール。
13. 請求項１０に記載のレーザモジュールにおいて、
    前記支持部品は、前記レーザダイオードバーが実装された前記サブマウントを冷却する冷却機構を有していることを特徴とするレーザモジュール。
14. 請求項１０に記載のレーザモジュールにおいて、
    前記溝の長手方向が、前記エミッタの長手方向に一致しており、
    前記溝の幅は、互いに隣り合う前記エミッタの間を分離する分離溝の幅と同じであることを特徴とするレーザモジュール。
15. 請求項１０に記載のレーザモジュールにおいて、
    前記レーザダイオードバーは、平面視で、前記溝と重なる部分を含む所定の領域において前記エミッタが設けられていないことを特徴とするレーザモジュール。