JP4283837B2 - 半導体レーザ装置およびそれを用いた光ピックアップ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ディスク記録再生装置に好適に搭載される、半導体レーザ装置、その製造方法およびそれを用いた光ピックアップ装置に関する。

ＣＤ（Compact Disk）ドライブまたはＤＶＤ（Digital Versatile Disk）ドライブなどの光学ドライブで、データの記録および再生を行なうための光ピックアップ装置は、光源である半導体レーザ素子およびディスクからの反射光を受光する受光素子を含んで構成され、光源から送出されたレーザ光は、ＣＤまたはＤＶＤの記録面上でスポットが最小となるように調整される。記録面上で反射したレーザ光は、光ピックアップ装置内部のフォトディテクタ（Photo Detector）で集光され、データに変換される。

ＣＤでは波長７９０ｎｍ、ＤＶＤでは波長６５０ｎｍ、ブルーレイディスク（Blu-ray Disc）またはＨＤ ＤＶＤ（High Definition Digital Versatile Disk）など次世代ＤＶＤでは波長４０５ｎｍのレーザ光を用いる。このため複数の規格に対応した光学ドライブは、複数の光ピックアップ装置、または複数のレーザ光源を内蔵した光ピックアップ装置を搭載している。さらにＤＶＤ−ＲＡＭ（Digital Versatile Disk - Random Access Memory）というランドとグルーブに記録可能な特殊な記録媒体も提案されている。

従来の技術の半導体レーザ装置では、発光素子が搭載される光素子用サブキャリアの周囲は枠体で囲まれるとともに、発光素子の搭載部を含むベースリード下端面側が枠体の底部に接している（特許文献１参照）。図８は、従来の技術の半導体レーザ装置２０を示す斜視図である。半導体レーザ装置２０からの出射光の光軸に対して垂直なハウジングの面に設けられている貫通孔に半導体レーザ装置２０は挿入され固定されている。半導体レーザ装置２０によって光を照射する場合、貫通孔の位置を変えることによって、光出射方向光の光軸に対して垂直なハウジングの面上で、半導体レーザ装置２０の位置を変え、レーザ光の照射位置を調整することができる。また従来の技術の半導体装置の生産システムによって、直線状のレールに沿って、基台が搭載される基台ホルダを直線状に移動させ、アームを用いて直線状のレール状の基台ホルダから工程処理装置への基台の移動と、工程処理装置からレール状の基台ホルダへの基台の移動とを実行することでき、この生産システムは構造が簡単で動作が確実で生産効率が高い（特許文献２参照）。

特開平９−２１７２３号公報 特開２００３-８６４８０号公報

特許文献１に記載の半導体レーザ装置の作動時には、発光素子からレーザ光が出射される際に発光素子から発熱する。発光素子搭載部を含むベースリード下端面側が枠体の底部に接しており、さらに枠体はハウジングに設置されるので、発光素子から発生する熱は、発光素子搭載部からベースリードおよび枠体を介してハウジング本体へ伝わり、ハウジング本体から放熱される。しかしながらハウジング本体から放熱するのみでは、発光素子から発生する熱を充分に放熱することが困難であるので、半導体レーザ装置は、長期間にわたって使用すると、発光素子が次第に劣化し、信頼性が損なわれるとともに寿命が短くなるおそれがある。またベースリードおよび枠体を介してハウジングの歪みによる影響を受けて、発光素子からの出射光の光軸が振れを生じるので、半導体レーザ装置の信頼性が損なわれる。

また図８に示す半導体レーザ装置２０は半導体レーザ装置２０からの出射光の光軸に対して垂直な面に固定されているので、出射光の光軸に対して垂直な面上での位置調整は、ハウジングに設ける貫通孔の位置調整によって可能になるが、光出射方向の位置調整つまりレーザ光の発光位置から照射位置までの光路長調整をすることができない。

本発明の目的は、半導体レーザ素子で発生する熱を充分に放熱することができ、製造工程が簡易で、かつ光路長の調整が可能な半導体レーザ装置およびその製造方法を提供することにある。

本発明は、ハウジングの外側の面に平行に配置され、ハウジングの前記外側の面と接合される平板と、
前記平板の厚み方向に対して垂直な一面に接合されているブロックと、
前記ブロックの前記平板と接合されている側の面とは反対側の面に接合されているレーザチップとを含んで構成され、
前記平板の前記ブロックと接合されている側の面の一部が露出されてなる露出部が設けられ、
前記レーザチップの出射光の光軸は前記平板の厚み方向に対して垂直であり、
平板は、長方形の４隅において、前記光軸の方向および前記厚み方向に垂直な幅方向の外方に凸部を有する形状に形成されることを特徴とする半導体レーザ装置である。

また本発明は、前記ブロックの前記平板と接合されている側の面とは反対側の面に接合されている回路基板を含んで構成され、
前記レーザチップと前記回路基板とは電気的に接続されていることを特徴とする。

また本発明は、前記回路基板はフレキシブル基板であることを特徴とする。
また本発明は、前記露出部は、前記ブロックの前記平板と接合されている側の面の中心点を対称の中心として、点対称であることを特徴とする。

また本発明は、前記露出部は、前記ブロックの前記平板と接合されている側の面の中心点をとおり前記平板の厚み方向に対して垂直な直線を対称軸として、線対称であることを特徴とする。

また本発明は、前記ブロックの前記平板と接合されている側の面はすべて前記平板と接合されていて、
前記平板の前記ブロックと接合されている側の面の面積は前記ブロックの前記平板と接合されている側の面の面積よりも大きいことを特徴とする。

また本発明は、前記レーザチップと前記ブロックとは、サブマウント部材を介して接合され、
前記サブマウント部材は熱伝導性および放熱性が高く、緩衝機能を有することを特徴とする。

また本発明は、前記半導体レーザ装置が設けられている光ピックアップ装置において、
前記光ピックアップ装置のハウジングに貫通孔が設けられ、
前記貫通孔の開口部の面積は、前記ブロックの厚み方向に対して垂直な面の面積よりも大きく、
前記半導体レーザ装置のうち少なくとも前記レーザチップが前記ハウジングの内部に位置するように前記貫通孔に挿入され、
前記ハウジングの外側の面と前記露出部とが一部重なるように固定されていることを特徴とする光ピックアップ装置である。

本発明によれば、レーザチップはブロックと接合され、ブロックはハウジングと接合するための平板と接合されているので、レーザチップは直接ハウジングに接合されている場合よりも、ハウジングの機械的歪みによる影響を受けない。また平板はブロックと平板との接合面から一部露出しているので、ハウジングに設置される際には、ハウジングの外側から半導体レーザチップ、回路基板およびブロックが挿入され、平板の露出部はハウジングの外側の面と接合される。平板は、長方形の４隅において、前記光軸の方向および前記厚み方向に垂直な幅方向の外方に凸部を有する形状に形成され、平板はハウジングの外側に露出しているので、ハウジング内部の半導体レーザチップから発生する熱はブロック部を介して平板へ、さらにハウジング外側へと効率よく放熱される。これによって半導体レーザ装置の劣化を阻止して信頼性を向上させることができるととともに、その寿命を長くすることができる。またレーザチップは出射光の光軸に対して平行な面に固定されているので、出射光の光軸に対して平行な面上での位置調整は、ハウジングに設ける貫通孔の位置調整によって可能になる。このようにして位置を調整することによって、ハウジングの大きさを変えることなく、レーザ光の発光位置から照射位置までの光路長を調整することが可能になる。

また本発明によれば、ブロックにはさらに回路基板が接合されており、回路基板はレーザチップと電気的に接続されている。回路基板もブロックに搭載することによって、省スペース化が実現される。

また本発明によれば、回路基板はフレキシブルプリント基板（以下「ＦＰＣ」という）であることが好ましい。ＦＰＣは、Flexible Printed Circuitの略称であり、銅箔の精密エッチングで形成された回路を、絶縁特性や耐熱性に優れるポリイミドフィルムで覆った構造を有する可撓性のある基板であり、加工がしやすく、狭いスペースに電子回路を組み込むことができるので、電子機器の小型化が可能になり基板の形状の自由度が向上する。

また本発明によれば、露出部はブロックの平板と接合されている側の面の中心点を対称の中心として点対称であるので、半導体レーザ装置をハウジングの外側から挿入して固定する際、ハウジングの外側の面との接合部分が対称となり、より接合の安定性が向上する。

また本発明によれば、露出部はブロックの平板と接合されている側の面の中心点をとおり平板の厚み方向に対して垂直な直線を対称軸として線対称であるので、半導体レーザ装置をハウジングの外側から挿入して固定する際、ハウジングの外側の面との接合部分が対称となり、より接合の安定性が向上する。

また本発明によれば、ブロックの平板と接合されている側の面はすべて平板と接合されていて、平板のブロックと接合されている側の面の面積はブロックの平板と接合されている側の面の面積よりも大きい。ブロックの一面がすべて平板と接合されており、平板の面積は広いので、放熱の効率が向上する。またハウジングとの接合の安定性も向上する。

また本発明によれば、半導体レーザチップはサブマウントを介してブロックに接合されている。サブマウントは、熱伝導性が非常に高く放熱性に優れており、またブロックと半導体レーザチップとの熱膨張係数差から生ずるストレスによる破損を緩和する緩衝機能を有しているので、半導体レーザ装置の劣化を阻止して信頼性を向上させることができるととともに、その寿命を長くすることができる。

また本発明によれば、半導体レーザ装置のうち少なくともレーザチップが光ピックアップ装置のハウジング内部に位置するように、ハウジングに設けられている貫通孔に挿入され、ハウジングの外側の面と、半導体レーザ装置の露出部とが一部重なるように固定されている。半導体レーザ装置の平板をハウジングの外側に露出させることによって、半導体レーザチップから発生する熱を平板から放熱させることができ、従来のようにハウジング本体から放熱するのに比べ放熱の効率が向上する。従って半導体レーザ装置で発生する熱を充分に放熱することができ、半導体レーザ装置の劣化を阻止して信頼性を向上させることができるととともに、その寿命を長くすることができる。

またレーザチップは出射光の光軸に対して平行な面に固定されているので、出射光の光軸に対して平行な面上での位置調整は、ハウジングに設ける貫通孔の位置調整によって可能になる。このようにして位置を調整することによって、ハウジングの大きさを変えることなく、レーザ光の発光位置から照射位置までの光路長を調整することが可能になるので、様々な波長に対応する光ピックアップ装置を提供することが可能になる。

図１（ａ）は本発明の実施の第１形態である半導体レーザ装置２１を示す斜視図、図１（ｂ）は平面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）の切断面線Ａ−Ａからみた断面図である。レーザチップ３はブロック２と接合され、ブロック２は光ピックアップ装置のハウジングと接合するための平板１と接合されているので、レーザチップ３は直接ハウジングに接合されている場合よりも、ハウジングの機械的歪みによる影響を受けない。また平板１はブロック２と平板１との接合面から一部露出しているので、ハウジングに設置される際には、ハウジングの外側からレーザチップ３およびブロック２が挿入され、平板１の露出部はハウジングの外側の面と接合される。平板１およびブロック２は、レーザチップ３から発生する熱の放熱性を確保するため、たとえば金属系材料を含んで構成される。平板１はハウジングの外側に露出しているので、ハウジング内部のレーザチップ３から発生する熱はブロック２を介して平板１へ、さらにハウジング外側へと効率よく放熱される。これによって半導体レーザ装置の劣化を阻止して信頼性を向上させることができるととともに、その寿命を長くすることができる。またレーザチップ３の出射光の光軸は前記平板１の厚み方向に対して垂直すなわちハウジングの接地面に対して平行であるので、出射光の光軸に対して平行な面上での位置調整は、ハウジングに設ける貫通孔の位置調整によって可能になる。このようにして位置を調整することによって、ハウジングの大きさを変えることなく、レーザ光の発光位置から照射位置までの光路長を調整することが可能になる。

平板１は、長方形の４隅の幅方向に凸部を有する形状をしており、中央部に直方体のブロック２が接合されている。またブロック２の長手方向が出射光の光軸と平行となるように、ブロック２にはレーザチップ３が接合されている。

半導体レーザ装置２１は後述するように、レール状につながっていたものを個別に切断して製造されるものである。切断前の段階では、平板１の凸部は隣接する半導体レーザ装置の平板の凸部とつながっている。

図２（ａ）は本発明の実施の第２形態である半導体レーザ装置２２を示す斜視図、図２（ｂ）は平面図、図２（ｃ）は図２（ｂ）の切断面線Ａ−Ａからみた断面図である。本発明の実施の第１形態とほぼ同じ構成であるが、ブロック２にはさらに回路基板４が接合されている。電極構造を形成する回路基板４をブロック２に搭載することによって、省スペース化が実現される。回路基板４には、硬質回路基板を使用してもＦＰＣを使用しても構わない。特にＦＰＣは、加工がしやすく、狭いスペースに電子回路を組み込むことができるので、電子機器の小型化が可能になり基板の形状の自由度が向上する。回路基板４とレーザチップ３とは、ワイヤ５によって接続され、通電によってレーザ光が出射される。

図３（ａ）は本発明の実施の第３形態である半導体レーザ装置２３を示す斜視図、図３（ｂ）は平面図、図３（ｃ）は図３（ｂ）の切断面線Ａ−Ａからみた断面図である。本発明の実施の第２形態とほぼ同じ構成であるが、レーザチップ３とブロック２とは、サブマウント６を介して接合されている。サブマウント６としては、熱伝導性が非常に高く放熱性に優れており、またブロック２と半導体レーザチップとの熱膨張係数差から生ずるストレスによる破損を緩和する緩衝機能を有するものを用いているので、半導体レーザ装置の劣化を阻止して信頼性を向上させることができるととともに、その寿命を長くすることができる。

図４は、本発明の半導体レーザ装置２３の設置方法を説明する斜視図である。ハウジング８の半導体レーザ装置を設置する位置に貫通孔９が設けられ、半導体レーザ装置２３はハウジング８に固定される。半導体レーザ装置２３のうち少なくともレーザチップ３が光ピックアップ装置のハウジング８内部に位置するように貫通孔９に挿入され、ハウジング８の外側の面と、平板１の露出部とが一部重なるように、ねじまたは板ばねを用いて平板１とハウジング８とを仮固定させた後、はんだまたは金属を含有した樹脂ペーストによってハウジング８に固定させる。半導体レーザ装置２３の一部をハウジング８の外側に露出させることによって、レーザチップ３から発生する熱を平板１から放熱させることができ、従来のように電極リードのみを通じて放熱する場合に比べて放熱面積を増加させることができるので、放熱の効率が向上する。またはんだなどの金属を含有する材料によって平板１とハウジング８とは接合されるので、平板１からハウジング８への放熱は確保される。従ってレーザチップ３から発生する熱を充分に放熱することができ、半導体レーザ装置２３の劣化を阻止して半導体レーザ装置２３の信頼性を向上させることができるととともに、その寿命を長くすることができる。またレーザチップ３は出射光の光軸に対して平行なハウジング面に固定されているので、出射光の光軸に対して平行なハウジング面上での位置調整は、ハウジング８に設ける貫通孔９の位置を変えることによって可能になる。このようにして位置を調整することによって、ハウジングの大きさを変えることなく、レーザ光の発光位置から照射位置までの光路長を調整することが可能になる。特に光の出射方向に貫通孔９の位置を変えることによって、効果的に光路長を調整することが可能になる。

図５は本発明の半導体レーザ装置２３の設置方法を説明する図である。半導体レーザ装置２３は、ハウジング８の外側から貫通孔９に挿入され固定されている。半導体レーザ装置２３に搭載されたレーザチップ３から出射されるレーザ光は、レンズ１０に向かって照射される。レーザ光の発光位置つまりレーザチップ３の光出射位置から照射位置つまりレンズ１０までの光路長の調整は、ハウジング８の大きさを変化させなくても、貫通孔９を設ける位置を光出射方向に変化させることによって容易に行うことができる。

図８に示す従来の半導体レーザ装置２０では、光出射方向に対して垂直なハウジング面に半導体レーザ装置２０は固定されるので、光路長の調整はできず、また別部品としてレーザ用のホルダーを使用しなければ、あおり調整をすることができないが、本発明の半導体レーザ装置２３では、光路長の調整が可能であり、また半導体レーザ装置２３を固定する向きを、光出射方向に対して垂直かつ半導体レーザ装置２３が固定されているハウジング面に平行な方向に変化させることによって、光出射方向を変化させることも容易であり、光路長や出射方向の調整の幅が大きくなる。

さらに図４および図５に示すように貫通孔９の光出射方向の長さを、ブロック２の光出射方向の長さよりも長くすることによって、平板１とハウジング８とを接合させるときに光出射方向に平板１の接合位置を微調整することが可能になる。これによって貫通孔９を設ける位置を変えなくても、光路長の微調整が可能になる。貫通孔９の光出射方向の長さをさらに長く設けることによって、光路長の調整幅を大きくすることも可能である。被照射対象物は、レンズに限定されるものではない。

貫通孔９を、光出射方向に長く設けて、半導体レーザ装置２３を光出射方向に容易に移動することができるようにすることによって、光路長の調整幅はさらに大きくなり、調整が容易になる。ただし、このように移動することを可能にするためには、平板１の露出部１１は、平板１の幅方向に設けられている必要がある。また貫通孔９を複数予め設けておき、適当な貫通孔９を選択して半導体レーザ装置２３が固定されることによっても、光路長の調整が容易になる。

図６（ａ）〜図６（ｄ）は、平板１のブロック２と接合されている側の面の一部が露出されてなる露出部１１の形状を簡略化して示す底面図である。図６（ａ）に示す半導体レーザ装置３１は、露出部１１が少なくとも一箇所設けられている。平板１はブロック２と平板１との接合面から一部露出しているので、ハウジングに設置される際には、ハウジングの外側からレーザチップ、回路基板およびブロックが挿入され、平板１の露出部１１はハウジングの外側の面と接合され、固定される。平板１はハウジングの外側に露出しているので、ハウジング内部のレーザチップから発生する熱はサブマウントおよびブロックを介して平板１へ、さらにハウジング外側へと効率よく放熱される。これによって半導体レーザ装置の劣化を阻止して信頼性を向上させることができるととともに、その寿命を長くすることができる。

図６（ｂ）に示す半導体レーザ装置３２の露出部１１の形状は、ブロック２の平板１と接合されている側の面の中心点を対称の中心として点対称である。半導体レーザ装置をハウジングの外側から挿入して固定する際、ハウジングの外側の面との接合部分が対称となり、より接合の安定性が向上する。

図６（ｃ）に示す半導体レーザ装置３３の露出部１１の形状は、ブロック２の平板１と接合されている側の面の中心点をとおり平板１の厚み方向に対して垂直な直線を対称軸として線対称である。半導体レーザ装置をハウジングの外側から挿入して固定する際、ハウジングの外側の面との接合部分が対称となり、より接合の安定性が向上する。

図６（ｄ）に示す半導体レーザ装置３４は、ブロック２の平板１と接合されている側の面はすべて平板１と接合されていて、平板１のブロック２と接合されている側の面の面積はブロック２の平板１と接合されている側の面の面積よりも大きいので、露出部１１は、ブロック２の周囲全体に設けられている。ブロック２の一面がすべて平板１と接合されており、平板１の面積は広いので、放熱の効率が向上する。またハウジングとの接合の安定性も向上する。これらの露出部１１の形状は、図６（ａ）〜図６（ｄ）に示したものに限定されるものではない。

図７（ａ）は本発明の半導体レーザ装置群４０を示す斜視図、図７（ｂ）は平面図である。半導体レーザ装置群３０は、細長平板１２と、細長平板１２の厚み方向に対して垂直な一面に、細長平板１２の長手方向に一列に一定の間隔をあけて接合されている複数のブロック２と、ブロック２の前記細長平板１２と接合されている側の面とは反対側の面に接合されているレーザチップ３とを含んで構成されている。

細長平板１２はレール状であり、レールの幅方向両端でつながっている。レール状の細長平板１２の幅方向中央部には、一定間隔をあけて穴が設けられており、穴が設けられていない部分には、直方体のブロック２が接合されている。細長平板１２はレール状の基台ホルダであり、半導体装置の生産システムによって、直線状のレールに沿って、基台が搭載される基台ホルダを直線状に移動させ、アームを用いて基台ホルダから工程処理装置への基台の移動と、工程処理装置から基台ホルダへの基台の移動とを実行することでき、この生産システムは構造が簡単で動作が確実で生産効率が高い。またレーザチップ３の出射光の光軸は前記細長平板１２の厚み方向に対して垂直である。一枚のレール状の細長平板１２に複数のブロック２が接合されているので、部品の組み上げまたは検査などの一連の工程の簡易化が可能になる。

半導体レーザ装置群４０をブロック２間で切断して、半導体レーザ装置を製造する方法について説明する。最終的に細長平板１２を、隣り合うブロック２の間で切断し、半導体レーザ装置を得る。細長平板１２の切断位置は、隣り合うブロック２の間であればどこでも構わないが、ブロック２の隣り合う面の間の中央で切断するのが好ましい。切断後に得られる半導体レーザ装置の平板１の露出部の形状がすべて同じになるので、同質の製品を安定して供給することが可能になり、また露出部の形状が対称になるので、ハウジングに設置されるときの安定性が高くなる。

本発明の半導体レーザ装置２１を示す図である。 本発明の半導体レーザ装置２２を示す図である。 本発明の半導体レーザ装置２３を示す図である。 本発明の半導体レーザ装置２３の設置方法を説明する斜視図である。 本発明の半導体レーザ装置２３の設置方法を説明する図である。 本発明の半導体レーザ装置を示す底面図である。 本発明の半導体レーザ装置群４０を示す図である。 従来の半導体レーザ装置２０を示す図である。

符号の説明

１ 平板
２ ブロック
３ レーザチップ
４ 回路基板
５ ワイヤ
６ サブマウント
８ ハウジング
９ 貫通孔
１０ レンズ
１１ 露出部
１２ 細長平板
２１，２２，２３，３１，３２，３３，３４ 半導体レーザ装置
４０ 半導体レーザ装置群

Claims (8)

1. ハウジングの外側の面に平行に配置され、ハウジングの前記外側の面と接合される平板と、
   前記平板の厚み方向に対して垂直な一面に接合されているブロックと、
   前記ブロックの前記平板と接合されている側の面とは反対側の面に接合されているレーザチップとを含んで構成され、
   前記平板の前記ブロックと接合されている側の面の一部が露出されてなる露出部が設けられ、
   前記レーザチップの出射光の光軸は前記平板の厚み方向に対して垂直であり、
   平板は、長方形の４隅において、前記光軸の方向および前記厚み方向に垂直な幅方向の外方に凸部を有する形状に形成されることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記ブロックの前記平板と接合されている側の面とは反対側の面に接合されている回路基板を含んで構成され、
   前記レーザチップと前記回路基板とは電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記回路基板はフレキシブル基板であることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記露出部は、前記ブロックの前記平板と接合されている側の面の中心点を対称の中心として、点対称であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
5. 前記露出部は、前記ブロックの前記平板と接合されている側の面の中心点をとおり前記平板の厚み方向に対して垂直な直線を対称軸として、線対称であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
6. 前記ブロックの前記平板と接合されている側の面はすべて前記平板と接合されていて、
   前記平板の前記ブロックと接合されている側の面の面積は前記ブロックの前記平板と接合されている側の面の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
7. 前記レーザチップと前記ブロックとは、サブマウント部材を介して接合され、
   前記サブマウント部材は熱伝導性および放熱性が高く、緩衝機能を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置が設けられている光ピックアップ装置において、
   前記光ピックアップ装置のハウジングに貫通孔が設けられ、
   前記貫通孔の開口部の面積は、前記ブロックの厚み方向に対して垂直な面の面積よりも大きく、
   前記半導体レーザ装置のうち少なくとも前記レーザチップが前記ハウジングの内部に位置するように前記貫通孔に挿入され、
   前記ハウジングの外側の面と前記露出部とが一部重なるように固定されていることを特徴とする光ピックアップ装置。

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