JP5368588B2 - 半導体レーザモジュール - Google Patents
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Description
本発明は、電流が供給されて発光する半導体レーザ素子が気密封止された半導体レーザモジュールに関する。
加工分野等で用いられる半導体レーザにおいて高出力化の要求が強くなっている。高出力化は一般的に多数の半導体レーザを１素子内に多数配列するアレイ・スタック化、もしくは発光エリアを広げるブロード化により実現する例が多い。このような構造の半導体レーザにおいて各レーザ素子は電気的に並列に配置されていることが一般的であることから、高出力化が進むにつれレーザ素子に流す電流も大きくなり、近年では数十Ａ程度の電流値となる例もある。
半導体レーザモジュールは、外気に触れると、湿気等により素子端面の劣化やワイヤボンディング部の劣化を促進することから気密封止されたパッケージ内に収納されることが多い。このようなパッケージは、ベース部とリードピンからなる一般的にステムと呼ばれる部品と、レーザ光を取り出す窓が設けられたキャップとから構成される。ベース部にリードピンがガラス等の絶縁性の封止材料により接合固定され、キャップはベース部に対して抵抗溶接により接合固定される場合が多い。
キャップとステムのベース部は溶接性を考慮して炭素鋼もしくは鉄・ニッケル合金で構成されるのが一般的である。また、リードピンの材料に関しては、ガラス封止工程時にガラスが溶ける１０００℃程度の温度から常温に戻るまでの冷却過程、もしくは使用時など温度変化が生じた際に、線膨張係数の差によるガラス部の破壊を防止するため、ベース部とリードピンはできるだけガラス部材と線膨張係数が近い材料を用いる必要がある。そのため、リードピンの材料として鉄・ニッケル合金を使用する場合には、線膨張係数がベース部と近いニッケル含有量５０％質量程度の鉄・ニッケル合金が使用されている。
また、半導体レーザモジュールに大電流を供給する場合、リードピンが磁性材料であるとリードピンに流れる電流により生じる磁界の影響による磁歪変形が生じる。特に交流電流やパルス電流を供給する場合は、リードピンに磁歪による繰り返し変形が生じることから、疲労によりリードピンとガラス材との界面もしくはガラス材そのものに亀裂を発生する場合がある。さらに、交流電流やパルス電流の周波数が人間の可聴域である場合には半導体レーザモジュールが設置される筐体や設置方法によっては、リードピンの繰り返し変形が音源となり、それが周囲の筐体等で増幅されることで騒音となる場合があるという問題があった。
上記の問題を解決するために、リードピンを非磁性材料とすることが考えられる。特許文献１では、リードピン材料として銅、アルミニウム、チタン、オーステナイト系ステンレスならびにそれら合金を挙げている。特許文献２では、リードピン材料としてニッケル-モリブデン合金（ハステロイ）またはニッケル‐クロム‐モリブデン合金を挙げている。
しかしながら、特許文献１に挙げられている銅、アルミニウム、オーステナイト系ステンレスの材料の線膨張係数はそれぞれ銅が19×10-6[/Ｋ]、アルミニウムが23×10-6[/Ｋ]、チタンが8.4×10-6[/Ｋ]、オーステナイト系ステンレスが16.4×10-6[/Ｋ]であり、チタンを除きいずれも、封止用ガラスとして使用されるホウケイ酸ガラスやソーダ系ガラスの線膨張係数9.5×10-6[/Ｋ]に対して差異が大きく、ガラス封止時の冷却過程において熱収縮量の差によりリードピンとガラス材との境界部もしくはガラス材に亀裂を生じ、気密を十分に保つことができない場合があるという問題点があった。チタンは、精錬や加工が難しく高価である。
特許文献１に挙げられているチタンとオーステナイト系ステンレス、特許文献２に挙げられているニッケル・モリブデン系合金、ニッケル・クロム・モリブデン系合金は、体積抵抗率についてチタンが53[μΩ・ｃｍ]、オーステナイト系ステンレスが74[μΩ・ｃｍ]、ニッケル・モリブデン系合金、ならびにニッケル・クロム・モリブデン系合金が110[μΩ・ｃｍ]と、一般的に大電流用配線として用いられる銅の1.7[μΩ・ｃｍ]と比較して10倍以上大きく、大電流を流した際に、配線部分でのジュール熱による温度上昇により線材に伸縮が生じ、リードピンとガラス材との間に亀裂が発生するなど、気密を十分に保つことができない場合があるという問題点があった。
上記のようなリードピンの発熱に起因する問題を回避するために電流を流すリードピンの径を大きくしてリードピンの線抵抗を下げる方法も考えられるが、リードピンの径を１ｍｍφ程度以上に大きくすると気密封止自体が難しくなるため、最大でも１ｍｍφ程度の径のリードピンに大電流を流す必要があった。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、ガラス封止時の冷却過程において破損することが無く、磁歪変形が許容できる範囲であり大電流を流すことができる気密端子を使用した半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。
本発明に係る半導体レーザモジュールは、電流が供給されて発光する半導体レーザ素子と、貫通穴を有するパッケージベースと、前記貫通穴を貫通して前記半導体レーザ素子に電流を供給するリードピンと、前記リードピンが通った前記貫通穴を封止したガラス材と、前記半導体レーザ素子が発光する光が出る窓を有し、前記パッケージベースと気密に接合された内部に前記半導体レーザ素子を有するキャップとを備え、前記リードピンは、ニッケル含有量が７０％質量以上で８５％質量以下である鉄・ニッケル系合金であることを特徴とするものである。
本発明に係る半導体レーザモジュールは、電流が供給されて発光する半導体レーザ素子と、貫通穴を有するパッケージベースと、前記貫通穴を貫通して前記半導体レーザ素子に電流を供給するリードピンと、前記リードピンが通った前記貫通穴を封止したガラス材と、前記半導体レーザ素子が発光する光が出る窓を有し、前記パッケージベースと気密に接合された内部に前記半導体レーザ素子を有するキャップとを備え、前記リードピンは、ニッケル含有量が７０％質量以上で８５％質量以下である鉄・ニッケル系合金であることを特徴とするものなので、ガラス封止時の冷却過程において破損することが無く、磁歪変形が許容できる範囲であり大電流を流すことができ、騒音の発生を生じることがない。
本発明の本実施形態の半導体レーザモジュールについて、図を参照しながら以下に説明する。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態における半導体レーザモジュール１００の構成を示す断面図である。図１において、半導体レーザモジュール１００は、電流が供給されて発光する半導体レーザ素子１０が固定されたパッケージベース１に、半導体レーザ素子１０が発光する光が出るガラス窓３１が設けられたキャップ３０が気密に接合されている。
図１は、本実施の形態における半導体レーザモジュール１００の構成を示す断面図である。図１において、半導体レーザモジュール１００は、電流が供給されて発光する半導体レーザ素子１０が固定されたパッケージベース１に、半導体レーザ素子１０が発光する光が出るガラス窓３１が設けられたキャップ３０が気密に接合されている。
パッケージベース１には所定個の円形の貫通穴１Ａが設けられており、貫通穴１Ａのそれぞれには１本のリードピン２が貫通しており、リードピン２の周囲の貫通穴１Ａにはガラス材３が埋められている。リードピン２が貫通して固定されたパッケージベース１が、ステムと呼ばれる気密端子２０である。
パッケージベース１ならびにキャップ３０の材料としては、炭素鋼またはニッケル含有量５０％質量程度の鉄・ニッケル系合金を用い、ガラス材３としてはソーダ系ガラスを用いる。また、リードピン２の材料は、「JIS C 2531,1999：鉄ニッケル軟質磁性材料」で規定されるニッケル含有量が70〜85％質量の鉄・ニッケル系合金(ＰＣパーマロイ)の内、特に飽和磁歪定数がゼロに近く初期透磁率が最大になるニッケル含有量が７８．５％質量である鉄・ニッケル系合金（７８-パーマロイまたはパーマロイＡ）とする。
ガラス材３の材料であるソーダ系ガラスの線膨張係数は9.5×10-6[/Ｋ]であるが、パッケージベース１の材料である炭素鋼やニッケル含有量５０％質量の鉄・ニッケル系合金の線膨張係数も11.1×10-6[/Ｋ]とそれに近い値を有する。また、リードピン２の材料であるパーマロイＡも12×10-6[/Ｋ]程度とおよそ近い値を有する。
ここで、本実施の形態における半導体レーザモジュール１００で用いる気密端子２０の製造方法を簡単に説明しておく。まず、パッケージベース１の所定の位置に貫通孔１Ａを形成する。つづいて、貫通孔１Ａの中心にリードピン２を配置する。リードピン２の周囲の貫通穴１Ａに、溶かしたガラス材３を流し込み、貫通穴１Ａを封止する。ガラス材３が固化して常温になると、気密端子２０ができあがる。
パッケージベース１の所定の位置に半導体レーザ素子１０を接着剤などで固定し、リードピン２と半導体レーザ素子１０の間を配線で結ぶ。その後、キャップ３０をかぶせて、乾燥空気などを封入して、パッケージベース１とキャップ３０を抵抗溶接により接合する。こうして、半導体レーザモジュール１００ができあがる。
パッケージベース１の所定の位置に半導体レーザ素子１０を接着剤などで固定し、リードピン２と半導体レーザ素子１０の間を配線で結ぶ。その後、キャップ３０をかぶせて、乾燥空気などを封入して、パッケージベース１とキャップ３０を抵抗溶接により接合する。こうして、半導体レーザモジュール１００ができあがる。
このように、気密端子２０の製造時のガラス材３の溶着に際して、ガラス材３を溶かすために１０００℃程度の高温を経るので、パッケージベース１とガラス材３とリードピン２との線膨張係数が近いほど常温時の応力が小さくなる。
本実施の形態の半導体レーザモジュール１００は、線膨張係数の差の小さいパッケージベース１とガラス材３とリードピン２とにより構成されているので、ガラス封止工程で発生する応力が小さく、ガラス材３とリードピン２との間、およびガラス材３とパッケージベース１との間に亀裂が発生しにくい。
本実施の形態の半導体レーザモジュール１００は、線膨張係数の差の小さいパッケージベース１とガラス材３とリードピン２とにより構成されているので、ガラス封止工程で発生する応力が小さく、ガラス材３とリードピン２との間、およびガラス材３とパッケージベース１との間に亀裂が発生しにくい。
次にリードピン２に交流電流もしくはパルス電流を印加して、半導体レーザモジュール１００を駆動する場合について説明する。
リードピン２に電流を流すと、リードピン２の内部では電流により磁界が発生する。リードピン２には磁界の影響で材料の持つ飽和磁歪定数に応じた変形が発生する。本実施の形態におけるリードピン２の材料は、飽和磁歪定数が小さいパーマロイＡとしているので、ほとんど磁歪変形を生じることがない。その結果、変形によるガラス封止部の疲労破壊、および、騒音の発生を生じることがない。
リードピン２に電流を流すと、リードピン２の内部では電流により磁界が発生する。リードピン２には磁界の影響で材料の持つ飽和磁歪定数に応じた変形が発生する。本実施の形態におけるリードピン２の材料は、飽和磁歪定数が小さいパーマロイＡとしているので、ほとんど磁歪変形を生じることがない。その結果、変形によるガラス封止部の疲労破壊、および、騒音の発生を生じることがない。
また、本実施形態のリードピン２はパーマロイＡであるため、従来一般的に用いられてきたニッケル含有量５０％質量程度の鉄・ニッケル合金と比較して、体積抵抗率は15[μΩ・ｃｍ]と約４２％と小さくすることができる。したがって、リードピン２に大きな電流を流した場合であっても、リードピン２の発熱量を小さくでき、リードピン２の発熱による伸縮量が小さくできる。結果、レーザモジュール駆動時においてガラス封止部の疲労破壊が生じることがなく信頼性の高い気密パッケージを得ることができる。
本実施形態によれば、例えば１ｍｍφのリードピン２に平均５Ａの大電流を継続して流した場合にも亀裂発生により気密が破られることがほとんどない、高い信頼性を有する半導体レーザモジュールを得ることができる。
本実施形態によれば、例えば１ｍｍφのリードピン２に平均５Ａの大電流を継続して流した場合にも亀裂発生により気密が破られることがほとんどない、高い信頼性を有する半導体レーザモジュールを得ることができる。
リードピン２の材料にパーマロイＡを採用した理由を説明する。図２は、鉄・ニッケル合金におけるニッケル含有量と飽和磁歪定数の関係を示すグラフである。図３は、鉄・ニッケル合金におけるニッケル含有量と線膨張係数の関係を示すグラフである。図４は、鉄・ニッケル合金におけるニッケル含有量と体積抵抗率の関係を示すグラフである。図５は、鉄・ニッケル合金におけるニッケル含有量と熱伝導率の関係を示すグラフである。図６は、リードピン候補材料ならびにその他材料の材料特性を説明する図である。
パーマロイＡは、線膨張係数が12×10-6[/Ｋ]であり、パッケージベース１の材料である鉄の10.8×10-6[/Ｋ]およびソーダガラスの9.5×10-6[/Ｋ]に対して、その差はそれぞれ１１．１％増、２６．３％増と許容できる範囲になっている。そのため、溶融したガラス材が固化する際に、線膨張係数の差により発生するガラス材の応力を亀裂などが発生しないレベルに下げることができる。パーマロイＡの飽和磁歪定数は、５×10-6程度であり、ニッケル含有量が５０％質量(Ｆｅ-50%wtNi合金)の場合の約２０×10-6に対して、約４分の１になっている。パーマロイＡの体積抵抗率は15[μΩ・ｃｍ]であり、Ｆｅ-50%wtNi合金の場合の約35[μΩ・ｃｍ]に対して、約４２％になっている。パーマロイＡの熱伝導率は33.5[Ｗ/ｍ・Ｋ]であり、Ｆｅ-50%wtNi合金の場合の14[Ｗ/ｍ・Ｋ]に対して、約2.39倍になっている。
図２から図６までから分かるように、飽和磁歪定数がゼロに近く、線膨張係数がガラス材の値に近く、体積抵抗率ができるだけ小さい鉄ニッケル合金は、ニッケル含有量が約８０％質量程度の場合である。ニッケル含有量が78.5％質量であるパーマロイＡをリードピン２の材料に採用した理由は、パーマロイＡは、圧延、切断等の機械加工性に優れ、材料入手やピン形状への加工が容易であり、安価に製造が可能だからである。
パーマロイＡでなくても、ＪＩＳやＩＥＣなどの規格で規定されている鉄ニッケル合金であれば、規格外の合金よりも入手が容易である。ＪＩＳであれば、「JIS C 2531,1999：鉄ニッケル軟質磁性材料」で規定されるニッケル含有量が７０〜８５％質量の鉄・ニッケル系合金(ＰＣパーマロイ)がよい。ＩＥＣであれば、「IEC60404-8-6, 1999：軟質金属磁性材料」で種類がＥ１１として規定されるニッケル含有量が７２〜８３％質量の鉄・ニッケル系合金がよい。
リードピンの材料として、線膨張係数が封止するガラス材との差が所定割合以下であり、飽和磁歪定数が所定値以下であり、体積抵抗率が所定率以下である鉄・ニッケル系合金が望ましい。リードピンでのジュール熱、半導体レーザ素子での発光にともなう発熱をパッケージ外に移動できるように、熱伝導率は大きいほうがよい。鉄ニッケル系合金において、付加機能を持たせるため、前記鉄・ニッケルの材料に対してモリブデン、クロム、銅、ニオブなどの元素を１０％質量程度まで添加した材料を用いても良い。
また、ニッケル含有量が３０％質量近傍である鉄・ニッケル合金についても飽和磁歪定数がほぼゼロとなることから同様の効果を得ることができるが、体積抵抗率は75[μΩ・ｃｍ]であることから大電流を印加する場合で、リードピン径を大きくできる、もしくはリードピン長さを短くできる場合以外では好適ではない。
１００ 半導体レーザモジュール
１０ 半導体レーザ素子
１ パッケージベース
１Ａ 貫通穴
２ リードピン
３ ガラス材
２０ 気密端子
３０ キャップ
３１ ガラス窓
１０ 半導体レーザ素子
１ パッケージベース
１Ａ 貫通穴
２ リードピン
３ ガラス材
２０ 気密端子
３０ キャップ
３１ ガラス窓
Claims (3)
- 電流が供給されて発光する半導体レーザ素子と、貫通穴を有するパッケージベースと、前記貫通穴を貫通して前記半導体レーザ素子に電流を供給するリードピンと、前記リードピンが通った前記貫通穴を封止したガラス材と、前記半導体レーザ素子が発光する光が出る窓を有し、前記パッケージベースと気密に接合された内部に前記半導体レーザ素子を有するキャップとを備え、
前記リードピンは、ニッケル含有量が７０％質量以上で８５％質量以下である鉄・ニッケル系合金であることを特徴とする半導体レーザモジュール。 - 前記リードピンは、ニッケル含有量が７２％質量以上で８３％質量以下である鉄・ニッケル系合金であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザモジュール。
- 前記リードピンは、ニッケル含有量が７８．５％質量である鉄・ニッケル系合金であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザモジュール。
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