JP4854571B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えばレーザ加工機等に用いられ、レーザの出力に伴って生じる熱を放散するための機構を有する半導体レーザ装置に関するものである。

従来の半導体レーザ装置では、半導体レーザバー（ＬＤバー）の上面にはんだ材又は導電ペースト（Ａｇ）からなる複数のバンプが設けられている。このバンプを介して、半導体レーザバーの上面と引き出し電極の下面とが電気的及び熱的に互いに接続されており、レーザ出力時における半導体レーザバーの上下方向への熱膨張がバンプによって吸収される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−８６８８３号公報

上記のような従来の半導体レーザ装置では、レーザ出力が例えば５Ｗ程度である場合、レーザ出力に伴う半導体レーザバーの上面からの熱がバンプを介して引き出し電極に伝わり、その熱が引き出し電極から外気へ放散される。一方、レーザ出力が例えば２０Ｗ以上となると、バンプ自体の温度が大幅に上昇してしまう。そして、バンプの温度が上昇して１００℃以上となると、バンプを形成するはんだ材が溶解してしまう。これに加えて、半導体レーザバーの熱膨張に伴ってバンプに熱応力が作用することにより、複数のバンプのうちの一部のバンプが引き出し電極の下面から剥がれてしまう。そして、一部のバンプが引き出し電極から剥がれると、残りのバンプの熱抵抗値が増加してしまい、その結果、半導体レーザバーの上面と引き出し電極の下面との電気的接続が解消され、オープン故障に至ってしまう。
ここで、このようなオープン故障を回避するためには、バンプの数を増やして、半導体レーザバーの上面の表面積を広げる必要がある。しかしながら、半導体レーザバーの寸法は、例えば長さ１０ｍｍ、高さ０．１５ｍｍ、幅１ｍｍとなっており、このような半導体レーザバーの上面（基板電極）に、１００個から２００個の微細なバンプを正確に、かつ強固に設けるには、高価な半導体レーザ製造装置と高度な技術とが必要であり、製造コストが高くなってしまう。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、レーザ出力を２０Ｗ以上に高めた場合であっても、長時間に渡って安定して動作することができるとともに、製造コストを低減させることができる半導体レーザ装置を得ることを目的とする。

この発明に係る半導体レーザ装置は、レーザ出力用の複数の発光素子と、互いに反対方向に向けられ発光素子に電力を供給するためのバー側第１接続面及びバー側第２接続面とを有する半導体レーザバー、バー側第１接続面に電気的及び熱的に接合された第１電極側接続面を有し、ヒートシンクを兼ねる板状の第１電極、第１電極側接続面に対向する第２電極側接続面を有し、第１電極側接続面から半導体レーザバー側に間隔をおいて設けられ、ヒートシンクを兼ねる板状の第２電極、バー側第２接続面と第２電極側接続面とを電気的に接続し、半導体レーザバーの第２電極側への熱膨張に伴って撓む導体膜、及び導体膜と第２電極とを熱的に接続し、バー側第２接続面から導体膜に伝わる熱を受けて、その熱を第２電極に伝える熱伝導シートを備え、第２電極は、バー側第２接続面から反第１電極側への投影領域を空けて配置されており、また、第２電極は、投影領域に隣接する第２電極側隣接面を有しており、第２電極側接続面は、バー側第２接続面の同一平面に沿うように配置されており、熱伝導シートは、Ｌ字状に折り曲げられて、Ｌ字内側面及びＬ字外側面が形成されており、Ｌ字外側面は、第２電極側隣接面と導体膜の反半導体レーザバー側の面と第２電極先端面とに接合されているものである。

この発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザバーの第２電極側への熱膨張が導体膜によって許容され、レーザ出力時の導体膜からの熱が熱伝導シートを介して第２電極に伝わり、その熱が第２電極から外部へ放散されるので、従来の半導体装置のようなバンプが不要となることにより、レーザ出力を２０Ｗ以上に高めた場合であっても、長時間に渡って安定して動作することができるとともに、製造コストを低減させることができる。

以下、この発明を実施する１ための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による半導体レーザ装置を示す斜視図である。図２は、図１の半導体レーザ装置を示す側面図である。
図において、第１電極としての下側電極１と、第２電極としての上側電極２は、上下方向に互いに間隔をおいて設けられている。また、下側電極１及び上側電極２の形状は、板状（薄いブロック状）である。さらに、下側電極１の上面（第１電極側接続面）と、上側電極２の下面（第２電極側接続面）とは、互いに対向している。さらにまた、下側電極１及び上側電極２は、それぞれヒートシンクを兼ねている。

下側電極１と上側電極２との間には、複数の絶縁板３が介在されている。即ち、上側電極２は、絶縁板３を介して、下側電極１の上面から支持されている。下側電極１の長さ寸法は、上側電極２の長さ寸法よりも長くなっており、下側電極１の先端部は、上側電極２の先端部から長手方向外側に突出している。下側電極１は、駆動用電源装置（図示せず）のプラス極に電気的に接続されている。上側電極２は、駆動用電源装置のマイナス極に電気的に接続されている。

下側電極１の先端部の上面には、下側サブマウント４の下面が接合されている。下側サブマウント４の上面には、半導体レーザバー５の下面が接合されている。つまり、下側電極１の上面と半導体レーザバー５の下面とは、下側サブマウント４を介して、電気的及び熱的に接続されている。半導体レーザバー５は、電極１，２の短手方向に沿って配置されている。また、半導体レーザバー５は、レーザ出力用の発光素子としての複数のレーザダイオード（エミッタ；図示せず）を有している。

さらに、半導体レーザバー５の内部の上面側には、レーザダイオードのｎ型半導体が配置されており、半導体レーザバー５の下面側には、レーザダイオードのｐ型半導体が配置されている。さらにまた、半導体レーザバー５の上面は、ｎ型半導体に電力を供給するためのバー側第１接続面となっている。また、半導体レーザバー５の下面は、ｐ型半導体に電力を供給するためのバー側第２接続面となっている。さらに、半導体レーザバー５の上面には、上側サブマウント６の下面が接合されている。

ここで、上側電極２は、半導体レーザバー５の上面の反下側電極１側への投影領域を空けるように配置されている。また、上側電極２の下面は、半導体レーザバー５の上面（上側サブマウント６の上面）の同一平面に沿うように配置されている。さらに、上側電極２の先端面（第２電極側隣接面；図中左端）は、半導体レーザバー５の上面の反下側電極１側への投影領域に隣接して配置されている。

上側サブマウント６の上面には、例えば銅箔からなる金属薄膜（導体膜）７の下面が接合されている。金属薄膜７の上面の絶縁板３側は、上側電極２の下面に接合されている。つまり、上側電極２の下面と半導体レーザバー５の上面とが、上側サブマウント６及び金属薄膜７を介して、電気的に接続されている。金属薄膜７は、レーザ出力時における半導体レーザバー５及び上側サブマウント６の熱膨張に伴って撓む。即ち、金属薄膜７は、半導体レーザバー５及び上側サブマウント６の上面側に作用する熱応力を吸収するように変形する。

金属薄膜７の上面の絶縁板３側と、上側電極２の先端面（短手方向の側面）とには、熱伝導シート８が密着して貼設されている。熱伝導シート８は、Ｌ字状に曲げられており、Ｌ字内側面と、Ｌ字外側面とが形成されている。上側電極２及び金属薄膜７は、熱伝導シート８によって熱的に接続されている。なお、絶縁板３及び熱伝導シート８を除く各部材の接合箇所には、はんだ材が用いられている。

次に、動作について説明する、まず、レーザの出力動作について説明する。駆動用電源装置のプラス極からの電流は、下側電極１の内部と下側サブマウント４とを通って、半導体レーザバー５に流れる。その電流が半導体レーザバー５の内部のｐｎジャンクション（ｐｎ接合部）を流れるときに、そのｐｎジャンクションから、反絶縁板３側（図２の左側）へ向けて、レーザが出力される。そして、ｐｎジャンクションを流れた電流は、上側サブマウント６と金属薄膜７とを経て、上側電極２に流れ、駆動用電源装置のマイナス極に戻る。

ここで、レーザ出力時に生じる熱の流れについて説明する。一般的に、レーザ出力時には、ｎ側の発熱量よりもｐ側の発熱量の方が大きくなる。半導体レーザバー５の下面（ｐ側）から発生した熱は、下側サブマウント４を介して下側電極１に伝わる。そして、その熱が下側電極１の全体に広まり、下側電極１の表面から外気に熱が放散される。

一方、レーザの低出力時（例えば５Ｗ程度）に、半導体レーザバー５の上面（ｎ側）から発生した熱が上側サブマウント６に伝わり、その熱の大部分が上側サブマウント６の表面から外気へ放散される。

また、レーザの高出力時（例えば２０Ｗ以上）に、半導体レーザバー５の上面から発生した熱は、熱伝導シート８に伝わり、その熱が熱伝導シート８から上側電極２の先端面に伝わる。そして、上側電極２に伝わった熱が上側電極２全体に広まり、上側電極２の表面から外気へ熱が放散される。従って、上側サブマウント６と金属薄膜７との接合箇所での熱の滞留が抑えられる。これとともに、レーザ出力時の熱によって半導体レーザバー５が上方に膨張したときに、金属薄膜７が撓み、半導体レーザバー５の上方への膨張が許容される。

上記のような半導体レーザ装置では、半導体レーザバー５の上方への熱膨張が金属薄膜７によって許容され、レーザ出力時の金属薄膜７からの熱が熱伝導シート８を介して上側電極２に伝わり、その熱が上側電極２から外部へ放散されるので、従来の半導体装置のようなバンプが不要となることにより、レーザ出力を２０Ｗ以上に高めた場合であっても、長時間に渡って安定して動作することができるとともに、製造コストを低減させることができる。

なお、実施の形態１では、上側電極２が上側サブマウント６の上面（半導体レーザバー５の上面）の上方への投影領域を空けて配置されていたが、この例に限るものではなく、上側電極が上側サブマウントの直上に配置されていてもよい。この場合、半導体レーザバーの上面と上側電極の下面との間に、半導体レーザバーの熱膨張に干渉しない程度に十分な間隔が空けられていればよい。また、この場合、導体膜が半導体レーザバーの上面と上側電極とを電気的に接続していれば、導体膜が半導体レーザバーの上面と上側電極との間で折り曲げられて貼設されてもよい。これとともに、熱伝導シートも導体膜と同様に、導体膜の半導体レーザバー側の上面と上側電極とを熱的に接続していれば、導体膜の半導体レーザバー側の上面と上側電極との間で折り曲げられて貼設されてもよい。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。図２は、実施の形態２による半導体レーザ装置を示す斜視図である。まず、実施の形態１では、熱伝導シート８を用いて金属薄膜７の熱を上側電極２に逃がしたが、実施の形態２では、熱伝導シート８が用いられておらず、金属薄膜７の上側サブマウント６側の上面には、絶縁体からなるおもり部材１０が設けられている。おもり部材１０は、金属薄膜７の上側サブマウント６側を押し下げる。つまり、レーザ出力時に上側サブマウント６の上面と金属薄膜７の下面との間のはんだ材が溶解した場合であっても、おもり部材１０の重量によって、上側サブマウント６の上面と金属薄膜７の下面との密着状態が保持される。ここで、おもり部材１０の重量は、半導体レーザバー５の光学特性に影響を与えない重量となっている。他の構成及び動作は実施の形態１と同様である。

上記のような半導体レーザ装置では、おもり部材１０の重量によって、上側サブマウント６の上面と金属薄膜７の下面との密着状態が保持されるので、従来の半導体装置のようなバンプが不要となることにより、レーザ出力を２０Ｗ以上に高めた場合であっても、長時間に渡って安定して動作することができるとともに、製造コストを低減させることができる。

なお、実施の形態２では、おもり部材１０が絶縁体により構成されていたが、半導体レーザバーへの電気特性に影響を与えなければ、おもり部材に導体（金属）を用いてもよい。

また、実施の形態２のものに、実施の形態１における熱伝導シート８を組み合わせてもよい。この場合、図１における熱伝導シート８の上側サブマウント６側の上面におもり部材１０を設ければよい。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３について説明する。図３は、実施の形態３による半導体レーザ装置を示す斜視図である。まず、実施の形態１では、熱伝導シート８を用いて金属薄膜７の熱を上側電極２に逃がしたが、実施の形態３では、熱伝導シート８が用いられておらず、金属薄膜７の上面の反絶縁板３側に複数の羽部１１ａを有する放熱フィン１１が設けられている。各羽部１１ａは、電極１，２の短手方向に互いに間隔をおいて、電極１，２の高さ方向に沿って配置されている。また、放熱フィン１１は、上側電極２の先端面に接している。つまり、金属薄膜７からの熱は、放熱フィン１１から外気へ放散される。他の構成及び動作は実施の形態１と同様である。

上記のような半導体レーザ装置では、レーザ出力時の金属薄膜７の熱が放熱フィン１１から外気へ放散されるので、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、実施の形態３では、羽部１１ａが電極１，２の短手方向に互いに間隔をおいて電極１，２の高さ方向に沿って配置されていたが、この例に限定されるものではなく、放熱フィンの形状は、適宜決定してよい。

また、実施の形態３では、放熱フィン１１が上側電極２の先端面に接していたが、接していなくてもよい。

さらに、実施の形態３のものに、実施の形態１における熱伝導シート８を組み合わせてもよい。この場合、図１における熱伝導シート８の上側サブマウント６側の上面に放熱フィン１１を取り付ければよい。これによって、実施の形態１，３のものよりも放熱効率を向上させることができる。

さらにまた、実施の形態１〜３では、下側電極１と半導体レーザバー５との間に下側サブマウント４が介在しており、上側電極２と半導体レーザバー５との間に上側サブマウント６が介在していたが、これらのサブマウント４，６を省略してもよい。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４について説明する。図４は、実施の形態４による半導体レーザ装置を示す斜視図である。まず、実施の形態１〜３では、厚さ寸法が下側電極１と同等の上側電極２を用いたが、実施の形態４では、下側電極１よりも厚さ寸法が大幅に小さい薄膜状（薄板状）の上側電極１２を用いる。また、実施の形態１〜３では、半導体レーザバー５を用いたが、実施の形態４では、半導体レーザバー１３を用いる。半導体レーザバー１３の上面には、レーザダイオード毎に電力を供給するための複数の個別供給部１３ａが区画形成されている。

上側電極１２は、絶縁板１４を介して、下側電極１の上面に配置されている。また、上側電極１２は、実施の形態１における上側電極２と同様に、電源装置のマイナス極に電気的に接続されている。上側電極１２の上面と各個別供給部１３ａとは、接続導体としての複数の金属ワイヤ１５によって電気的に接続されている。即ち、１個のダイオードにつき１本の金属ワイヤ１５が対応しており、各ダイオードは、各金属ワイヤ１５によって上側電極１２に電気的に接続されている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

次に動作について説明する。駆動用電源装置のプラス極からの電流は、下側電極１の内部と下側サブマウント４とを通って、半導体レーザバー１３に流れる。その電流が半導体レーザバー１３のダイオードのｐｎジャンクションを流れるときに、そのｐｎジャンクションから、反絶縁板１４側（図２の左側）へ向けて、レーザが出力される。そして、ｐｎジャンクションを流れた電流は、金属ワイヤ１５を経て、上側電極１２に流れ、駆動用電源装置のマイナス極に戻る。

上記のような半導体レーザ装置では、従来の半導体レーザ装置のようなバンプや、実施の形態１〜３のような上側サブマウント６及び金属薄膜７を用いないので、はんだ材の使用量を大幅に削減することができ、はんだ材の溶解によるオープン故障の発生を低減させることができる。これに伴い、レーザ出力を２０Ｗ以上に高めた場合であっても、長時間に渡って安定して動作することができるとともに、製造コストを低減させることができる。

また、薄膜状の上側電極１２を用いたので、実施の形態１〜３の板状の上側電極２を用いたものよりも、製造コストを低減させることができる。

なお、実施の形態４では、薄膜状の上側電極１２を用いたが、実施の形態１〜３における板状の上側電極２を用いてもよい。

また、実施の形態１，２，４では、第１電極として下側電極１を用いて、第２電極として上側電極を用いたが、このような例に限るものではなく、実施の形態１，２，４のものは、上下逆さに構成されていてもよく、傾斜して構成されていてもよい。

この発明の実施の形態１によるレーザ装置を示す斜視図である。 図１の半導体レーザ装置を示す側面図である。 この発明の実施の形態２によるレーザ装置を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３によるレーザ装置を示す斜視図である。 この発明の実施の形態４によるレーザ装置を示す斜視図である。

符号の説明

１ 下側電極（第１電極）、２，１２ 上側電極（第２電極）、５，１３ 半導体レーザバー、７ 金属薄膜（導体膜）、８ 熱伝導シート、１０ おもり部材、１１ 放熱フィン、１３ａ 個別供給部、１５ 金属ワイヤ（接続導体）。

Claims (3)

1. レーザ出力用の複数の発光素子と、互いに反対方向に向けられ上記発光素子に電力を供給するためのバー側第１接続面及びバー側第２接続面とを有する半導体レーザバー、
   上記バー側第１接続面に電気的及び熱的に接合された第１電極側接続面を有し、ヒートシンクを兼ねる板状の第１電極、
   上記第１電極側接続面に対向する第２電極側接続面を有し、上記第１電極側接続面から半導体レーザバー側に間隔をおいて設けられ、ヒートシンクを兼ねる板状の第２電極、
   上記バー側第２接続面と上記第２電極側接続面とを電気的に接続し、上記半導体レーザバーの第２電極側への熱膨張に伴って撓む導体膜、及び
   上記導体膜と上記第２電極とを熱的に接続し、上記バー側第２接続面から上記導体膜に伝わる熱を受けて、その熱を上記第２電極に伝える熱伝導シート
   を備え、
   上記第２電極は、上記バー側第２接続面から反第１電極側への投影領域を空けて配置されており、
   また、上記第２電極は、上記投影領域に隣接する第２電極側隣接面を有しており、
   上記第２電極側接続面は、上記バー側第２接続面の同一平面に沿うように配置されており、
   上記熱伝導シートは、Ｌ字状に折り曲げられて、Ｌ字内側面及びＬ字外側面が形成されており、
   上記Ｌ字外側面は、上記第２電極側隣接面と上記導体膜の反半導体レーザバー側の面と上記第２電極先端面とに接合されている
   ことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 上記バー側第１接続面は、上記半導体レーザバーの下面であり、
   上記バー側第２接続面は、上記半導体レーザバーの上面であり、
   上記第１電極は、上記半導体レーザバーの下面側に配置されており、
   上記第２電極は、上記半導体レーザバーの上面側に配置されており、
   上記Ｌ字内側面の上記半導体レーザバー側には、上記熱伝導シートの上記半導体レーザバー側を押し下げるおもり部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
3. 上記Ｌ字内側面の上記半導体レーザバー側には、上記バー側第２接続面から上記導体膜に伝わる熱を受けて、その熱を外気に伝える放熱フィンが設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。

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