JP3781970B2 - レーザーダイオードのパッケージング - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全体としてレーザーダイオードに関し、詳細には、製造が容易であり、熱抵抗が低く、酸化ベリリウムを必要としないレーザーダイオード用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザーダイオードには多くの利点がある。これらのダイオードは、アクティブ領域の幅が、代表的には１μｍ以下乃至数μｍであり、高さが、通常は１ｍｍの数分の一を越えないという点で小さい。これらのダイオードのアクティブ領域の長さは、代表的には、約１ｍｍ以下である。一方向に放射を発生する内部反射面は、レーザーダイオードが製造される基材を開裂することによって形成され、及びかくして高度の機械的安定性を有する。
【０００３】
半導体レーザーダイオードで高い効率が可能であり、幾つかのパルストジャンクションレーザーダイオードは、ほぼ５０％の量子効率を持つ。半導体レーザーは、使用される半導体合金に応じて約２０μｍ乃至約０．７μｍの波長の放射線を発生する。例えば、アルミニウムをドーピングしたガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）でできたレーザーダイオードは、約０．８μｍ（〜８００ｎｍ）の放射線を放射する。これは、ネオジムでドープしたイットリウム−アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）及び他の結晶及びガラスで形成した一般的なソリッドステートレーザーロッド及びスラブのほぼ吸収スペクトルである。かくして、半導体レーザーダイオードは、大型のソリッドステートレーザーシステムの光学的ポンピング源として使用できる。
【０００４】
半導体レーザーダイオードを一般的に使用することは、熱と関連した問題点によって制限されてきた。これらの問題点は、レーザーダイオードが単位面積当り大量の熱を放散することにより接合部の温度を高め、熱サイクルにより応力を発生することと関連している。レーザーダイオードの効率及びレーザーダイオードの使用寿命は、接合部の作動温度が上昇するに従って低下する。
【０００５】
更に、レーザーダイオードの放射波長は、その接合部の温度の関数である。かくして、特定の出力波長が所望である場合には、温度を一定に維持することが重要である。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧロッド又はスラブのポンピングに使用されるＡｌＧａＡｓレーザーダイオードは、約８０８ｎｍの放射線を放射しなければならない。これは、この波長でＮｄ：ＹＡＧで最適のエネルギ吸収が存在するためである。しかしながら、ＡｌＧａＡｓレーザーダイオードの接合部温度が３．５℃乃至４．０℃変化する毎に波長が１ｎｍシフトする。従って、接合部温度を制御し、及びかくして熱を適正に放散させることが重要である。
【０００６】
ソリッドステートレーザーロッド又はスラブをレーザーダイオードによってポンピングする場合、熱の放散は更に大きな問題となる。これは、複数の個々のダイオードを密にパックし、大型のソリッドステートレーザーロッド又はスラブに必要な入力出力量を発生するアレイにする必要が出てくるためである。しかしながら、個々のレーザーダイオードのパック密度が高くなると、個々のレーザーダイオードから熱を除去するのに利用できる空間が減少する。これは、個々のダイオードからなるアレイから熱を除去する上での問題点を更に悪化させる。
【０００７】
レーザーダイオードから熱を除去するため、幾つかのレーザーダイオードアレイパッケージは、熱伝導率が比較的高いが電気絶縁性の酸化ベリリウムを使用してきた。酸化ベリリウムを使用することによって熱と関連したこれらの問題点を解決しようとしてきた他の周知の商業的に入手できる一つのパッケージは、ニューヨーク州オーバーンのレーザーダイオードアレイ社が製造している。このパッケージは、全体として、切込み、蝕刻、又は鋸引きによって複数の溝を形成した酸化ベリリウム構造を含む。溝内に置かれたレーザーダイオードを通して電気を伝えるため、メタライズド層が溝から溝まで延びている。
【０００８】
しかしながら、酸化ベリリウムは危険な材料であり、取り扱いに追加の注意を必要とする。これは、酸化ベリリウムを機械的に加工する（例えば切断又は鋸断）場合に特にいえる。このような加工は、空気中に浮遊する酸化ベリリウム粒子を発生する。取り扱い及び輸送に追加の注意を必要とするため（例えばＢｅＯ警告ラベルを付ける）、レーザーダイオードアレイパッケージ全体の費用を考えた場合、比較的大きな費用がかかる。更に、ひとたびレーザーダイオードバーを溝内に置くと、アレイの組み立て後にクリーニングを行うためにその反射面に近付くことができない。更に、溝に置く前に個々のレーザーダイオードバーを試験することは困難である。かくして、特定のアレイについて所望の作動上の特性を備えていないレーザーダイオードバーを設置後に溝から取り外さなければならないことが少なくない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
組み立て及び試験が容易であり、好ましくは危険な酸化ベリリウムを含まない、熱効率が優れたレーザーダイオードパッケージが必要とされている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ヒートシンク、レーザーダイオード、及び非導電性（即ち絶縁性）基材を含むレーザーダイオードパッケージを提供することによって上述の問題点を解決する。レーザーダイオードは、放射面及びこの放射面とは反対側の反射面を有する。レーザーダイオードは、放射面と反射面との間に第１及び第２の側面を更に有する。ヒートシンクは上面及び下面を有する。レーザーダイオードの第１側面は、ヒートシンクに、このヒートシンクの上面と隣接して取り付けられる。基材は、ヒートシンクの下面に取り付けられる。
【００１１】
好ましくは、ヒートシンクは、銅等の熱伝導性金属で形成されており、基材は、主として、ガリウム砒素でできている。基材は、レーザーダイオードと同様にヒートシンクにはんだ付けされる。一実施例では、ヒートシンクは、レーザーダイオード及び基材と接触する少なくともその表面が、「めっきが予め施された（ｐｒｅｔｉｎｎｅｄ）」ように、一層のはんだでコーティングしてある。次いで、ヒートシンクをその表面上に設けられたはんだ層の融点以上に加熱する一方のはんだ付け工程中、レーザーダイオード及び基材をヒートシンクに取り付ける。
【００１２】
レーザーダイオードの露呈された第２側面には、好ましくは、二つのパッケージを接合できるように、一層のはんだが設けられる。従って、第１パッケージのヒートシンクを第２の隣接したパッケージのレーザーダイオードバーと接触させた状態に置く。次いで、これらのパッケージをレーザーダイオードに設けられたはんだ層が再流動する温度まで加熱し、第２パッケージのレーザーダイオードを隣接した第１パッケージのヒートシンクと一体化させる。パッケージに存在する全てのはんだが再流動することがないようにするため、レーザーダイオードに設けられたはんだ層は、パッケージの他の残りのはんだよりも融点が低いはんだである。多くの個々のパッケージを一体化してマルチバーレーザーダイオードアレイを形成できる。
【００１３】
こうした方法で形成されたレーザーダイオードパッケージ及びレーザーダイオードアレイは、危険なベリリウム酸化物を含まない。更に重要なことには、各個々のパッケージそれ自体が電気的に絶縁されており、最終的なヒートシンクに直接はんだ付けできる。更に、各個々のパッケージは、アレイをなして配置する前にそれ自体を試験でき、このようなアレイについて所望の作動パラメータ（例えば波長及び出力）内で機能することを確かめることができる。基材がＧａＡｓ等の開裂性の材料でできている場合には、比較的小さな寸法で製造でき、これによってレーザーダイオードと最終的ヒートシンクとの間の熱抵抗を最小にする。結果的に得られたレーザーダイオードパッケージは、連続波（ＣＷ）作動モードで又はパルス作動モードで使用できる。
【００１４】
以上の本発明の詳細は、本発明の各実施例、又は全ての特徴を表そうとするものではない。これは、添付図面及び以下の詳細な説明の目的である。
本発明のこの他の目的及び利点は、添付図面を参照した以下の詳細な説明を読むことによって明らかになるであろう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明には、様々な変形例や別の形態があるけれども、その特定の実施例を添付図面に例として示し、本明細書中に詳細に説明する。しかしながら、これは、本発明を開示の特定の形態に限定しようとするものではないということは理解されるべきである。逆に、本発明は、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の精神及び範囲内の全ての変形、等価物、及び変形例を含む。
【００１６】
先ず最初に図１及び図２を参照すると、レーザーダイオードパッケージ１０は、ヒートシンク１２、レーザーダイオードバー１４、及び下基材１６を含む。レーザーダイオードバー１４は、第１はんだ層１８でヒートシンク１２に取り付けられている。基材１６は第２はんだ層２０でヒートシンク１２に取り付けられている。レーザーダイオードバー１４は、ヒートシンク１２とは反対側にバーはんだ層２２を更に備えているのがよい。このようなバーはんだ層２２を付ける方法を図８乃至図１１を参照して詳細に説明する。
【００１７】
レーザーダイオードバー１４は、その上端に放射面２４を有し、この放射面２４の反対側に反射面２６を有する。レーザーダイオードバー１４の高さは、放射面２４と反射面２６との間の距離であると定義される。レーザーダイオードバー１４から光子が放射される領域であるレーザーダイオード１４の接合部は、代表的には、ヒートシンク１２に近い。しかしながら、レーザーダイオードバー１４の接合部を、はんだ層２２が上側に置かれたレーザーダイオードバー１４の露呈端部の近くに置くこともできる。電力は、導電性材料をレーザーダイオードバー１４内に放射領域と隣接して設け、導電性の低い材料を放射領域の外側に設けることによって、接合部の所定の領域に案内される。かくしてレーザーダイオードバー１４は、電気エネルギが光エネルギに変換される領域と対応する多数の放射点を放射面２４上に有する。電力がレーザーダイオードパッケージ１０に加えられると、光子が接合部を通して伝播し、反射面２６で反射され、及び従って、放射面２４だけから垂直方向に放射される。
【００１８】
レーザーダイオードパッケージ１０のヒートシンク１２は、導電性で熱伝導性の銅等の材料でできている。導電性は、電流をレーザーダイオードバー１４を通して導き、光エネルギを発生させるために必要である。熱伝導性は、レーザーダイオードバー１４から大量の熱を運び出し、レーザーダイオードバー１４を適当な作動温度に維持するために必要である。
【００１９】
基材１６は、導電性ヒートシンク１２を、代表的には金属製熱交換器である最終ヒートシンクから電気的に絶縁する機能を果たす。基材１６は、電気絶縁性の様々な材料で形成できる。好ましい実施例では、基材１６は、半絶縁性の又はアンドープトガリウム砒素（「ＧａＡｓ」）で形成されている。ＧａＡｓは危険な材料でもあるけれども、開裂して基材を形成でき、これにより塵埃粒子を発生する機械的プロセスをなくすことができる。ＧａＡｓ等の電気絶縁性材料でできた基材１６は、その表面をはんだ付けしようとする場合には、メタライゼーション層を備えていなければならない。
【００２０】
更に、基材１６がＧａＡｓで形成されている場合には、基材は、寸法上の許容差が非常に小さく（例えば±２−３μｍ）、その幅をヒートシンク１２とほぼ同じにできるように、開裂できる。ＧａＡｓで形成された基材は、ＧａＡｓ製のウェーハを所望の厚さまで研磨し、このウェーハを開裂して多数の基材にすることによって製造できる。ウェーハの研磨厚さは、図１に示すように第２はんだ層２０の下にある基材１６の高さと対応する。基材１６をはんだ付けしようとする場合には、研磨後にメタライゼーションを施す。例えば、ＧａＡｓ基材１６は、約０．０７６２ｍｍ乃至約０．１５２４ｍｍ（約０．００３インチ乃至約０．００６インチ）の範囲の高さを有する。高さが非常に小さいため、ヒートシンク１２の最下面と最終ヒートシンク（例えば熱交換器）との間の熱抵抗は非常に小さい。更に、電気絶縁性基材１６をこのように薄く形成した場合、パッケージ１０の全高を同様に減少できる。
【００２１】
基材１６は、好ましくは、開裂性のＧａＡｓで形成されているけれども、基材１６は、熱伝導率が高い他の電気絶縁性材料、例えばダイヤモンド、窒化硼素、シリコン、又は窒化アルミニウム等で形成できる。更に、基材１６は、酸化ベリリウムによって形成できる。更に、基材１６をヒートシンク１２に接着剤で取り付けることができる。
【００２２】
酸化シリコン等の電気絶縁性コーティングをヒートシンク１２の最下面に付けることもできる。このようなコーティングによりヒートシンク１２及び基材１６を一体化すると同時に、適当な電気絶縁性及び最小の熱抵抗を提供する。更に、ヒートシンク１４は、レーザーダイオードバー１４を通して電流を導くためにはんだコーティング等の金属製領域を上面上に備えた非導電性ベース材料から形成することもできる。
【００２３】
レーザーダイオードパッケージ１０のヒートシンク１２は、好ましくは、はんだ層１８及び２０用の材料を外面に持つ（即ち、「めっきを予め施した（ｐｒｅｔｉｎｎｅｄ）」）ように製造されている。先ず最初に、好ましくは銅製のヒートシンク１２を、ロジンを基剤とした融剤に浸漬し、これらのヒートシンクの外面をはんだ層でコーティングするための準備を行う。融剤は、好ましくは、ニュージャージー州ジャージーシティのアルファ・メタル社が製造しているアルファ第８０９融剤等の活性ロジン融剤である。ヒートシンク１２を融剤に浸漬した後、これらのヒートシンクを溶融状態のインジウムに浸漬することにより、はんだ層を外面に付ける。次に、ヒートシンク１２の端面をホットプレート上に置き、余分のインジウムを外面から空気で吹き飛ばすことができるようにインジウムの融点（１５７℃）以上の温度に維持する。別の態様では、メッシュ状銅繊維等のはんだ吸収材料によって余分のはんだを除去できる。別の態様では、ヒートシンク１２を溶融インジウムから取り出した後、インジウムの融点以上の温度の空気源に当てる。これにより、ホットプレートの必要をなくす。これらの変形例の加工工程は、厚さが比較的均等なインジウムはんだ層を提供することが目的である。好ましくは、各ヒートシンク１２の外面上のはんだ層の厚さは、約０．０２５４ｍｍ乃至０．１２７ｍｍ（約１ミル乃至約５ミル（約０．００１インチ乃至約０．００５インチ））である。
【００２４】
余分のインジウムを除去し、所望のインジウム厚さを得た後、ヒートシンク１２をアセトンに浸漬し、外面に存在する余分の融剤を除去する。次いで、ヒートシンク１２を、インジウムの酸化を防止する環境内に収容する。このような環境の一例はヘキサン浴であり、この浴中にヒートシンク１２を浸漬する。別の態様では、ヒートシンク１２を融剤クリーニング溶液に浸漬した後、酸化防止剤溶液に浸漬する。これらの溶液は、両方とも、イリノイ州デス・プレインのケスター・ソルダー社が製造している。
【００２５】
従って、第１及び第２のはんだ層１８及び２０は、ヒートシンク１２全体に設けられた単一のはんだ層によって形成できる。これにより、レーザーダイオードバー１４及び基材１６の界面をなすように個々のはんだ層を正確に配置する必要をなくすが、このような方法もまた所望の機能を果たす。添付図面は、ヒートシンク１２の周囲の一定のはんだ層を例示するのでなく、はんだ結合が存在する領域にこのようなはんだ層が存在するということを明らかにするに過ぎないということに着目しなければならない。
【００２６】
組み立てプロセス中、レーザーダイオードパッケージ１０を組み立てる者は、レーザーダイオードバー１４の放射面２４がヒートシンク１２の上面を越えて大きく延び過ぎているか或いはヒートシンク１２の上面の余りにも手前にあるのかのいずれかを確認できる。放射面２４がヒートシンク１２の上方に大きく離れたところに配置されている場合には、放射面２４と隣接したレーザーダイオードバー１４の上部分上で発生した熱を導く場所がなくなってしまう。熱を導く場所を提供するのがヒートシンク１２の主な目的である。このような場合には、レーザーダイオードバー１４は、極端な温度条件のため、破滅的に破損してしまう。他方、レーザーダイオードバー１４の放射面２４がヒートシンク１２の上面の余りにも手前に位置決めされている場合には、レーザーダイオードバー１４に面したヒートシンク１２の側面が放射エネルギを吸収したり望ましからに態様で反射することにより、レーザーダイオードバー１４の出力エネルギが低下してしまう。従って、放射面２４をヒートシンク１２の上面と実質的に面一に（即ち実質的に同一平面内に）位置決めするのが好ましい。好ましい実施例では、放射面２４は、ヒートシンク１２の上面の約０．０２５４ｍｍ（約１ミル（即ち±０．００１インチ））内に位置決めされる。
【００２７】
次に図３を参照すると、４つのレーザーダイオードパッケージ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、及び１０ｄを含むレーザーダイオードアレイ３０が示してある。これらのレーザーダイオードパッケージ１０は、図１及び図２に関して示したように形成されている。レーザーダイオードアレイ３０は、レーザーダイオードパッケージ１０ｄのレーザーダイオードバー１４に当接する端部ヒートシンク３２を更に含む。端部ヒートシンク３２は、レーザーダイオードバーがパッケージされていないことを除くと、図１及び図２に示すヒートシンク１２と変わるところがない。
【００２８】
レーザーダイオードパッケージ１０の各ヒートシンクを隣接したレーザーダイオードパッケージ１０のダイオードバーに取り付けるため、レーザーダイオードアレイ３０のレーザーダイオードバー１４には、ロジンで活性化した融剤（「ＲＡ融剤」）が加えてある。このＲＡ融剤は、隣接したヒートシンクへのはんだ層２２の付着を補助する。次いで、バーはんだ層２２（図１及び図２参照）が液化する温度（例えば、純粋インジウムを使用した場合には〜１５７℃）までパッケージを加熱する。この目的のため、バーはんだ層２２は、好ましくは、第１はんだ層１８及び第２はんだ層２０よりも融点が低く形成されており、そのため、バーはんだ層２２を液化させる加熱プロセスが、第１及び第２のはんだ層１８及び２０を液化させることはない。これは、上文中に説明したようにヒートシンク１２全体を純粋インジウム等のはんだ層でコーティングした場合に特に必要である。例えば、はんだ層２２は、融点が１４３℃のインジウム合金はんだであるのがよい。はんだ層２２を再流動化させる熱をひとたび除去すると、はんだ層２２は再び凝固し、図３に示す一つの一体のユニットを形成する。ヒートシンク１２の外面にインジウムめっきが予め施してある場合には、レーザーダイオードバー１４のはんだ層２２は、ヒートシンク１２に設けられた純粋インジウムに付着する。次いで、加熱したアセトン浴に浸漬することによりレーザーダイオードアレイ３０のクリーニングを行い、その後、レーザーダイオードアレイ３０を低湿度環境（例えばデシカントキャビネット又は乾燥ボックス）内に収納する。別の態様では、レーザーダイオードアレイ３０にアセトンを強力にスプレーしてもよい。パッケージ１０のレーザーダイオードバー１４の反射面２６が隣接したヒートシンク１２間に露呈されているため、全てのレーザーダイオードバー１４の反射面２６及び勿論放射面２２をこのクリーニング工程できれいにすることができる。更に、マルチバーアレイ３０を説明したけれども、単一のパッケージ１０を自由ヒートシンク（即ちヒートシンク３２等）と一体化して一つのバーアレイを提供できる。
【００２９】
図４は、図３のレーザーダイオードアレイ３０の平面図であり、ヒートシンク１２及びダイオードバー１４の相対的な寸法を示す。各ヒートシンク１２は、幅が約５．０８ｍｍ（約０．２インチ）以下であり、好ましくは約３．０４８ｍｍ（約０．１２インチ）であり、長さが約１０．１６ｍｍ（約０．４インチ）である。はんだ層１８及び２０を形成する溶融はんだに浸漬される前の各ヒートシンク１２の高さは、図３に示すように、約１．１４３ｍｍ（約４５ミル（０．０４５インチ））である。浸漬後の高さは約１．２７ｍｍ（約５０ミル（０．０５０インチ））である。ＧａＡｓを使用した場合、基材１６の高さが約０．０７６２ｍｍ乃至約０．１５２４ｍｍ（約３ミル乃至約６ミル）に過ぎないということを考えると、パッケージ１０の全高は、約１．２８ｍｍ乃至１．５２４ｍｍ（約６０ミル乃至６０ミル（０．０５０インチ乃至０．０６０インチ））である。レーザーダイオードバー１４は、約（約５ミル（０．００５インチ））の幅を有し、レーザーダイオードバー１４の高さは、通常は、約０．５０８ｍｍ乃至０．６３５ｍｍ（約２０ミル乃至２５ミル（０．０２０インチ乃至０．０２５インチ））である。更に、アレイ３０をパルスモードで作動しようとする場合には、ヒートシンク１２の幅を減少させることができる。これは、発生する廃熱が平均して少ないためである。例えば、ヒートシンク１２の幅は、パルスモードアレイについては、約０．１２７ｍｍ乃至０．５０８ｍｍ（約０．００５インチ乃至約０．０２インチ）に過ぎない。
【００３０】
図５は、レーザーダイオードアレイ３０及び熱拡散器構造３４を持つレーザーダイオードアレイアッセンブリ３３を示す。熱拡散器構造３４は、一般的には、アッセンブリ全体をその下に位置決めされた熱交換器に取り付ける複数のファスナ３６を含む。熱拡散器３４は、代表的には、高度に熱伝導性の銅等の材料でできている。
【００３１】
レーザーダイオードアレイ３０を熱拡散器３４に取り付けるため、基材はんだ層３８を各パッケージ１０の基材１６と熱拡散器３４との間に配置する。各レーザーダイオードパッケージ１０のはんだ層１８、２０、及び２２が取り付け中に液化しないようにするため、基材はんだ層３８は、好ましくは、レーザーダイオードパッケージ１０に設けられた他のはんだ層よりも低温のはんだで形成されている。別の態様では、レーザーダイオードアレイ３０を熱拡散器３４に取り付けると同時にレーザーダイオードアレイ３０をレーザーダイオードパッケージ１０から組み立てる場合には、アッセンブリ全体を加熱することにより二つのはんだ層２２及び３８を液化し、冷却後に一体のユニットを形成するように、バーはんだ層２２及び基材はんだ層３８を同じ材料から形成できる。図５でわかるように、アレイ３０の個々の基材１６の各々は、その側面が隣接した基材１６と接触しないように、隣接した基材１６から離間されている。
【００３２】
光学的エネルギを発生するため、レーザーダイオードアレイ３０の各レーザーダイオードバー１４を通して電流を導かなければならない。レーザーダイオードアレイ３０を図３又は図５の右方から左方に見た場合、電流は第１パッケージ１０ａのヒートシンクに流入し、隣接したレーザーダイオードに流入し、自由ヒートシンク３２を通って出るまで各パッケージ１０を連続的に通過する。基材１６のため、各レーザーダイオードパッケージ１０の下に電路はない。レーザーダイオードアッセンブリ１０から光学的エネルギを発生するのは、レーザーダイオード１２を通るこの電流である。
【００３３】
レーザーダイオードバー１４は、その製造プロセスのため、その長さに沿って在る程度の湾曲を固有に備えているということに着目しなければならない。この固有の湾曲のため、レーザーダイオードバー１４の外面から隣接したヒートシンク１２の表面までの距離は、レーザーダイオードバー１４の長さの関数として変化する。これにより、レーザーダイオードバー１４とヒートシンクとの間に大きさに応じて変化する隙間が形成され、この隙間は、レーザーダイオードバー１４がその全長に沿ってヒートシンクと接触するように、適当な厚さのはんだで充填される。換言すると、レーザーダイオードアレイ３０の組み立てプロセスは、通常ははんだとの接触部に空所を形成してしまう固有の湾曲をレーザーダイオードバー１４が備えている場合でも、レーザーダイオードバー１４の全長に沿って一定の電気的接触を提供する傾向がある。更に、組み立てプロセスの後にレーザーダイオードバー１４と隣接して空所が現れた場合でも、追加のはんだを加えてこれらの空所を充填し、レーザーダイオードバー１４の全長に沿って適当な電気的及び熱的接触を維持することができるということに着目しなければならない。
【００３４】
図６及び図７は、レーザーダイオードアレイ３０が熱交換器４１に直接取り付けられたレーザーダイオードアレイアッセンブリ４０を示す。この形態は、レーザーダイオードアレイ３０が最終ヒートシンクリザーバ即ち熱交換器４１に直接はんだ付けされているために熱拡散器３４が設けられていないという点で図５に示すアッセンブリと異なる。熱交換器４１は取り付け区分４２を含み、これらの取り付け区分の各々には、ファスナを通すためのボア４３が設けられている。熱交換器４１の内部フィン（図示せず）は、熱交換器４１の本体４４内に配置されている。流体が入口４６を通って本体４４に流入し、本体４４から出口４８を通って排出される。本体４４の側部は、必須の電気入力エネルギを受け入れるための接点５０を含む。接点５０は、第１レーザーダイオードパッケージ１０ａのヒートシンク１２を上接点５０に接続し、ヒートシンク３２の自由端を下接点５０に接続するための二つのリード５２を含む。これらの接点５２の各々は、電流がレーザーダイオードアレイ３０だけに流入するように、熱交換器４０の本体４４と接触する表面が電気的に絶縁されている。
【００３５】
図８乃至図１１は、バーはんだ層２２をレーザーダイオードバー１４に付ける二つの工程を示す。図８及び図９では、はんだ付着物２２ａをレーザーダイオードバー１４の一部に配置する。この時点で、レーザーダイオードパッケージ１０全体をはんだ付着物２２ａのはんだ融点以上の温度まで加熱できる。はんだ付着物２２ａをレーザーダイオードバー１４に置いた後、最終的にははんだ付着物２２ａをレーザーダイオードバー１４の全長に沿って均等に拡げ、薄いはんだ層を形成する。レーザーダイオードパッケージ１０に第１及び第２のはんだ層１８及び２０が存在するため、はんだ付着物２２ａ用のはんだは、第１及び第２のはんだ層１８及び２０よりも融点が低いように選択される。
【００３６】
図１０及び図１１に示すように、簡単には銅箔であるのがよいウェッティング構造５４をはんだ付着物２２ａと係合する位置に置く。毛管作用により、はんだ付着物２２ａは、レーザーダイオードバー１４全体を覆うようにウェッティング構造５４の長さに沿って移動を開始する。このウェッティング構造５４がその機能を実行しているとき、熱をレーザーダイオードパッケージ１０に加え、はんだ付着物２２ａを液体形態に維持する。アッセンブリ全体を加熱する一つの方法は、基材１６の下面を加熱プレートに当てて置くことである。はんだ層２２が液体形態にあるうちにウェッティング構造５４をレーザーダイオードバー１４から遠ざかるように移動する。
【００３７】
図１２乃至図１４は、レンズを取り付けるための構造を含む変形例のレーザーダイオードパッケージ６０を示す。レーザーダイオードパッケージ６０は、図１及び図２に示す形体と全く同様に、ヒートシンク６２、レーザーダイオードバー６４、及び基材６６を含む。レーザーダイオードバー６４及び基材６６は、図１及び図２を参照して説明したのと同様の方法でヒートシンク６２にはんだ付けされる。レーザーダイオードバー６４は、好ましくは、露呈された側部に図８乃至図１１を参照して説明した方法で取り付けられたバーはんだ層７２を有する。
【００３８】
ヒートシンク６２の各端には、基材６６から遠ざかる方向に上方に延びるレンズマウント７４が設けられている。レンズマウント７４は、紫外線（「ＵＶ」）活性接着剤を受け入れる二つの平らな表面７６を更に含む。レンズをその最終整合位置に置いたとき、パッケージ６０に紫外線を当てて紫外線接着剤を活性化させ、レンズをその最終位置に保持する。
【００３９】
図１５は、複数のレンズ８２を含むレーザーダイオードアレイ８０を示す。レーザーダイオードアレイ８０は、図１２乃至図１４を参照して説明したように、４つのレーザーダイオードパッケージ６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、及び６０ｄを含む。レーザーダイオードパッケージ６０ｄと隣接して、自由ヒートシンク８４が設けられる。この自由ヒートシンクは、レーザーダイオードパッケージ６０ｄのレーザーダイオードバーにはんだ付けされる。自由ヒートシンク８４もまた、図１２乃至図１４を参照して説明した、レンズマウント構造を含む。各レンズ８２は、その中心点がほぼレーザーダイオードバーの放射点上にあるように、二つの隣接したヒートシンク６２を橋渡しする（図１２乃至図１４参照）。かくして、レーザーダイオードアレイ８０は、使用されたレンズ８２の種類に応じて様々なレーザービーム出力を発生できる。紫外線活性接着剤を活性化してレンズ８２のアレイをそれらの最終状態に固定するため、紫外線を各パッケージ６０の代わりにレーザーダイオードアレイ８０全体に加えるのがよいということに着目すべきである。
【００４０】
図１６は、レーザーダイオードアレイ３０が上文中に図５を参照して説明したように熱拡散器３４に取り付けられており、全周に亘って注封材料が置かれた、変形例のレーザーダイオードアッセンブリ９０の断面図を示す。第１注封材料９２は、レーザーダイオードアレイ３０の側部に沿って、及びレーザーダイオードアレイ３０の前面及び後面（即ち紙面内）に設けられている。注封材料９２は、パッケージの隣接したヒートシンク間にも設けられている。レーザーダイオードアレイ３０から放射された光学的エネルギに対して透明な第２注封材料９４は、レーザーダイオードアレイ３０の頂部に設けられている。注封材料９２及び９４は、例えばＲＴＶを含む様々な材料で形成できる。
【００４１】
２本のリード９６が外側のヒートシンクから注封材料９２を通って延びている。かくして、環境に対して露呈されるレーザーダイオードアレイアッセンブリ９０の唯一の部分は、２本のリード９６及び熱拡散器３４の底部である。このレーザーダイオードアレイアッセンブリ９０は、通常はレーザーダイオードアレイ３０を汚染してしまう様々な雰囲気内で使用できる。更に、電流を通すヒートシンク１２の周囲に注封材料９２を配置することにより、ヒートシンク１２とその下に位置決めされた熱拡散器３４との間で電弧が生じないようにする。電弧が生じないようにすることは、多数のレーザーダイオードを含み、所望の光学的出力を発生させるために比較的高い電圧を必要とするアレイでは特に重要である。
【００４２】
これらの実施例の各々及びその明らかな変形例は、特許請求の範囲に記載された本発明の精神及び範囲内に含まれるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のレーザーダイオードパッケージの端面図である。
【図２】 本発明のレーザーダイオードパッケージの斜視図である。
【図３】 図１及び図２のレーザーダイオードパッケージを含むレーザーダイオードアレイの斜視図である。
【図４】 図３のレーザーダイオードアレイの平面図である。
【図５】 レーザーダイオードアレイを取り付けるための熱拡散器を含む、図３のレーザーダイオードアレイの端面図である。
【図６】 熱交換器に取り付けられたレーザーダイオードアレイの斜視図である。
【図７】 図６の端面図である。
【図８】 組み立て中の図１のレーザーダイオードパッケージの斜視図である。
【図９】 図８の端面図である。
【図１０】 組み立て中の図１のレーザーダイオードパッケージの斜視図である。
【図１１】 図１０の端面図である。
【図１２】 コリメーティングレンズとともに使用するための変形例のレーザーダイオードパッケージの斜視図である。
【図１３】 図１２の端面図である。
【図１４】 図１２の側面図である。
【図１５】 複数のコリメーティングレンズが取り付けられたレーザーダイオードアレイアッセンブリの斜視図である。
【図１６】 注封材料が周囲に設けられたレーザーダイオードアレイの断面図である。
【符号の説明】
１０ レーザーダイオードパッケージ
１２ ヒートシンク
１４ レーザーダイオードバー
１６ 下基材
１８ 第１はんだ層
２０ 第２はんだ層
２２ バーはんだ層
２４ 放射面
２６ 反射面

Claims (14)

1. レーザーダイオードパッケージにおいて、
   上面を有する上部分及び下面を有する下部分を持つ導電性ヒートシンク、
   前記ヒートシンクの前記上部分に前記上面と前記下面との間の側面に沿って取り付けられ、前記ヒートシンクから導かれた電力を受けて光を放射するレーザーダイオード、及び
   前記ヒートシンクの前記下部分にはんだ付けされており、前記ヒートシンクとほぼ同じ幅を持つ電気絶縁性基材を含む、レーザーダイオードパッケージ。
2. 請求項１のレーザーダイオードパッケージにおいて、前記基材及び前記レーザーダイオードは、同じ基本材料から形成されている、レーザーダイオードパッケージ。
3. 請求項１のレーザーダイオードパッケージにおいて、前記基材は、開裂性材料から形成されている、レーザーダイオードパッケージ。
4. 請求項１のレーザーダイオードパッケージにおいて、前記レーザーダイオードは、前記下部分と前記上部分との間に画成された前記ヒートシンクの高さ寸法に対してほぼ垂直な放射面を有する、レーザーダイオードパッケージ。
5. 請求項１のレーザーダイオードパッケージにおいて、前記電気絶縁性基材は、前記下面に取り付けられている、レーザーダイオードパッケージ。
6. 請求項１のレーザーダイオードパッケージにおいて、前記レーザーダイオードは前記ヒートシンクの前記上面と実質的に面一である、レーザーダイオードパッケージ。
7. 請求項１のレーザーダイオードパッケージにおいて、前記電気絶縁性基材は、前記ヒートシンクに取り付けられた上面、熱伝導性構造に取り付けるための下面、及び前記上面と前記下面との間の、全体にいずれの構造とも接触していない側面を有する、レーザーダイオードパッケージ。
8. 請求項１のレーザーダイオードパッケージにおいて、前記ヒートシンクは、前記基材及び前記レーザーダイオードとはんだ結合部を形成するための材料層を持つ外面を有する、レーザーダイオードパッケージ。
9. 請求項８のレーザーダイオードパッケージにおいて、前記材料層はインジウムを含む、レーザーダイオードパッケージ。
10. 請求項１のレーザーダイオードパッケージにおいて、前記ヒートシンクの幅は約５．０８ｍｍ（約０．２インチ）以下である、レーザーダイオードパッケージ。
11. 請求項２乃至１０のいずれか一つのレーザーダイオードパッケージにおいて、前記基本材料はガリウム砒素である、レーザーダイオードパッケージ。
12. 平行して配置された請求項１乃至１１のいずれか一つの前記レーザーダイオードパッケージを複数含む、レーザーダイオードアレイ。
13. レーザーダイオードアレイで使用されるべき個々のレーザーダイオードパッケージの製造方法において、
    レーザーダイオードバーを提供する工程、
    上部分及び下部分を持つヒートシンクを提供する工程、
    電気絶縁性基材を提供する工程、
    前記レーザーダイオードを前記ヒートシンクの前記上部分にはんだ付けし、前記レーザーダイオードの前記ヒートシンクとは反対側の表面を露呈されたままにする工程、及び
    前記絶縁性基材を前記ヒートシンクの前記下部分にはんだ付けする工程を含む、方法。
14. 請求項１３の方法において、前記はんだ付け工程は、実質的に同時に行われる、方法。

Images