JP6186266B2

JP6186266B2 - 金属キャップ及び発光装置

Info

Publication number: JP6186266B2
Application number: JP2013259805A
Authority: JP
Inventors: 岩彦湯本
Original assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2033-12-17
Also published as: JP2015118967A

Description

本発明は、金属キャップ及びそれを使用する発光装置に関する。

従来、発光素子が気密封止された状態でパッケージに実装された発光装置がある。そのような発光装置では、ステムの素子実装部の側面に発光素子が実装されており、天板の中央にガラス窓を備えた金属キャップがステムに取り付けられている。

特開２００６−１４７７６９号公報特開２００７−１９３２７０号公報

後述する予備的事項の欄で説明するように、発光装置において、発光素子から所望の高い光出力を得るには、発光素子の発光部と金属キャップのガラス板とを十分に接近させる必要がある。

近年では、レーザ光の高出力化によって発光素子の長さが長くなる傾向がある。このため、発光素子の長さに合わせて、高さの異なる金属キャップを別途用意する必要があり、発光装置の製造コストの上昇を招く課題がある。

長さの異なる複数の発光素子の実装に対応できる金属キャップ及びそれを用いた発光装置を提供することを目的とする。

以下の開示の一観点によれば、筒状部と、前記筒状部の上端から内側に延在して形成され、高さの異なる複数の接着面を裏面に備えた屈曲部と、前記屈曲部の内側領域に形成された開口部と、前記複数の接着面のいずれかに接着されたガラス板とを有し、前記複数の接着面は、前記筒状部の上端から内側になるにつれて高さ位置が高くなる階段状に形成されており、前記複数の接着面から選択される一つの前記接着面に前記ガラス板が接着されて、前記ガラス板の高さ位置が調整される金属キャップが提供される。

また、その開示の他の観点によれば、アイレットと、前記アイレットの上に配置された素子実装部とを含むステムと、前記素子実装部の側面に実装された発光素子と、前記ステムの上に配置され、前記発光素子を収容する金属キャップとを有し、前記金属キャップは、筒状部と、前記筒状部の上端から内側に延在して形成され、高さの異なる複数の接着面を裏面に備えた屈曲部と、前記屈曲部の内側領域に形成された開口部と、前記複数の接着面のいずれかに接着されたガラス板とを備え、前記複数の接着面は、前記筒状部の上端から内側になるにつれて高さ位置が高くなる階段状に形成されており、前記複数の接着面から選択される一つの前記接着面に前記ガラス板が接着されて、前記ガラス板の高さ位置が調整される発光装置が提供される。

以下の開示によれば、金属キャップでは、高さ位置の異なる複数の接着面を裏面に備えた屈曲部が筒状部の上端から内側に延在して形成されている。このため、レーザ光の高出力化によって発光素子の長さが長くなってステムの素子実装部の高さが変更になっても、新たに高さの高い金属キャップを作成することなく、一種類の金属キャップで容易に対応することができる。

これにより、新たな仕様の金属キャップを作成するための金型の改良又は新規に金型を導入する必要がなくなるため、金属キャップの製造コストの削減及び納期の短縮を図ることができる。

図１（ａ）〜（ｃ）は予備的事項に係る発光装置を示す断面図である。図２（ａ）及び（ｂ）は実施形態の金属キャップのキャップ本体を示す断面図及び平面図である。図３は実施形態の第１の金属キャップを示す断面図である。図４は長さが短い方の半導体レーザ素子が実装されたステムの様子を示す側面図である。図５は実施形態の第１の発光装置を示す断面図である。図６は実施形態の第２の金属キャップを示す断面図である。図７は長さが長い方の半導体レーザ素子が実装されたステムの様子を示す側面図である。図８は実施形態の第２の発光装置を示す断面図である。図９（ａ）及び（ｂ）は従来技術の発光装置に対しての実施形態の発光装置の効果を説明するための断面図である。

以下、実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。

実施形態を説明する前に、基礎となる予備的事項について説明する。図１（ａ）に示すように、予備的事項に係る発光装置では、ステム１００の上に金属キャップ３００が接合されている。

ステム１００は、アイレット１２０とその上に立設する素子実装部１４０とから形成される。アイレット１２０の下側には不図示のリードが取り付けられている。そして、素子実装部１４０の側面に半導体レーザ素子２００が実装されている。

金属キャップ３００では、キャップ本体３２０の天板の中央に開口部３２０ａが設けられている。キャップ本体３２０の開口部３２０ａの下側には透明のガラス板４００が低融点ガラス４２０によって接着されている。

半導体レーザ素子２００の発光部２２０から放出されるレーザ光Ｌは、金属キャップ３００の開口部３２０ａ内のガラス板４００を透過して外部に出射される。

近年では、半導体レーザ素子のレーザ光の高出力化のため、半導体レーザ素子の長さが長くなる傾向がある。このため、図１（ｂ）に示すように、長さの長い半導体レーザ素子２００ａを実装するためには、それに対応する高さの高い金属キャップ３００ａを新規に作成する必要がある。

金属キャップは金型を使用するプレス加工によって製造されるため、高さの高い別の金属キャップ３００ａを作成するには、金型の改良又は新規に金型を導入する必要がある。

図１（ｃ）には、図１（ａ）の長さの短い方の半導体レーザ素子２００を図１（ｂ）の高さの高い金属キャップ３００ａの中に収容した様子が示されている。この場合は、半導体レーザ素子２００の発光部２２０とガラス板４００との距離が遠くなる。

このため、ガラス板４００に到達するレーザ光Ｌは横方向に広がっており、レーザ光Ｌの一部が低融点ガラス４２０を通って金属キャップ３００の裏面に入射して反射する。

また、低融点ガラス４２０を透過してガラス板４００を通って外部に出射するレーザ光Ｌは、波長が変化してしまうため、設計仕様のレーザ光としては使用できなくなる。このように、半導体レーザ素子２００の発光部２２０とガラス板４００との距離が遠くなると、光出力が低下してしまう。

以上のように、発光装置では、所望の高い光出力を得るには、半導体レーザ素子２００から放出される全てのレーザ光を低融点ガラス４２０よりも内側領域のガラス板４００を透過させて外部に出射させる必要がある。

そのためには、半導体レーザ素子２００の発光部２２０とガラス板４００とを十分に接近させる必要がある。このため、半導体レーザ素子２００の長さに合わせて、高さの異なる金属キャップを複数用意しておく必要があるので、発光装置の製造コストの上昇を招く課題がある。

なお、半導体レーザ素子２００とガラス板４００との距離が遠くなった分だけ金属キャップ３００ａの開口部３２０ａの直径を大きくする対策案が考えられる。しかし、金属キャップ３００ａの外径が決まっていることから、ガラス板４００の接着面を確保できなくなるため現実的ではない。

以下に説明する実施形態では、前述した不具合を解消することができる。

（実施形態）
図２及び図３は実施形態の金属キャップを説明する図、図４は半導体レーザ素子が実装されたステムの様子を示す図、図５は実施形態の第１の発光装置を示す図である。

図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、実施形態の金属キャップのキャップ本体１０は、円筒などの筒状部１２と、筒状部１２の上端から内側に延在する屈曲部１４と、屈曲部１４の内側領域に形成された開口部１０ａとを備えている。

また、筒状部１２の下端には、外側に延在するリング状のフランジ部１６が形成されている。キャップ本体１０は、鉄、４２アロイ、又はコバールなどの金属から形成され、金属板を金型でプレス加工することにより一体的に成形されて製造される。

図２の例では、屈曲部１４は、２段の階段状に形成されており、裏面に所定の高さ位置に配置された第１接着面Ｂ１と、第１接着面Ｂ１の位置よりも高い高さ位置に配置された第２接着面Ｂ２とを備える。

第１接着面Ｂ１と第２接着面Ｂ２との段差Ｓは、例えば０．３ｍｍ〜１ｍｍ程度である。

このように、キャップ本体１０の上端周縁部に階段状に屈曲部１４を形成して、複数の異なる高さ位置にガラスの接着面Ｂ１，Ｂ２が配置されるようにしている。本実施形態の例では、屈曲部１４を２段の階段状に形成することで、一種類の金属キャップが長さの異なる２種類の半導体レーザ素子の実装に対応するようになっている。

キャップ本体１０の屈曲部１４の階段数は任意の数（２以上の整数）に設定することができる。

第１接着面Ｂ１と第２接着面Ｂ２は、ガラス板を信頼よく低融点ガラスで接着するために、高さ方向と直交する水平面であることが好ましい。

次に、長さの短い方の半導体レーザ素子を実装するための第１の金属キャップを形成する方法について説明する。図３に示すように、図２（ａ）のキャップ本体１０において、高さ位置が低い方の第１接着面Ｂ１に低融点ガラス２０によって透明のガラス板３０を接着する。これにより、キャップ本体１０の低い方の所定の高さ位置にガラス板３０の下面が配置される。

低融点ガラス２０は、第１接着面Ｂ１からキャップ本体１０の開口部１０ａの側面の位置よりも内側領域のガラス板３０上に延びて形成される。

以上により、キャップ本体１０と、その開口部１０ａの下側に低融点ガラス２０で接着されたガラス板３０とを備えた第１の金属キャップ５ａが形成される。

さらに、図４に示すように、円板状の金属板からなるアイレット４２とその上に立設するブロック状の金属部材からなる素子実装部４４とを備えるステム４０を用意する。ステム４０は、例えば、鉄から形成されたアイレット４２の上に銅から形成された素子実装部４４が銀ろうによってろう付けされて製造される。

そして、ステム４０の素子実装部４４の側面にサブマウント（不図示）を介して長さが短い方の半導体レーザ素子５０を実装する。素子実装部４４の高さは、半導体レーザ素子５０の長さよりも多少高く設定されている。半導体レーザ素子５０はその上端にレーザ光が放出される発光部５２を備えている。

本実施形態では、発光素子として半導体レーザ素子５０を例示する。半導体レーザ素子５０はレーザダイオード（ＬＤ）とも呼ばれる。

アイレット４２には貫通孔（不図示）が設けられており、その貫通孔の中に半導体レーザ素子５０用の第１リード１８ａがガラスによって封着された状態で挿通して固定されている。さらに、アイレット４２の下面にはグランド用の第２リード１８ｂが溶接されている。

そして、半導体レーザ素子５０がワイヤ（不図示）によって第１リード１８ａに接続されている。また、半導体レーザ素子５０はワイヤ（不図示）などによってアイレット４２を介して第２リード１８ｂに接続されている。

次いで、図５に示すように、図４のステム４０の上に図３の第１の金属キャップ５ａのフランジ部１６を抵抗溶接によって接合する。これにより、半導体レーザ素子５０は、ステム４０と第１の金属キャップ５ａとで形成される収容部Ｓ内に収容されて気密封止される。

以上により、実施形態の第１の発光装置１ａが製造される。

実施形態の第１の発光装置１ａでは、第１の金属キャップ５ａのガラス板３０の下面の高さ位置は、長さが短い方の半導体レーザ素子５０の発光部５２の高さ位置に対応するようになっている。

これにより、半導体レーザ素子５０の発光部５２がガラス板３０の下面に当接しない程度に接近して配置される。例えば、半導体レーザ素子５０の発光部５２と第１の金属キャップ５ａのガラス板３０の下面との間隔が１０μｍ〜１００μｍ、好適には２０μｍ〜３０μｍ程度となるように両者を接近させる。

これにより、半導体素子５０の発光部５２から放出されるレーザ光Ｌは、低融点ガラス２０よりも内側の領域のガラス板３０を透過して外部に放出される。レーザ光Ｌが金属キャップ５ａで反射したり、低融点ガラス２０を透過して波長が変化することがないため、半導体レーザ素子５０の性能を十分に引き出すことができ、高い光出力が得られる。

次に、長さの長い方の半導体レーザ素子を実装するための第２の金属キャップを形成する方法について説明する。図６に示すように、図２（ａ）のキャップ本体１０において、高さ位置が高い方の第２接着面Ｂ２に低融点ガラス２０によって透明のガラス板３０を接着する。これにより、キャップ本体１０内の高い方の所定の高さ位置にガラス板３０の下面が配置される。

低融点ガラス２０は、第２接着面Ｂ２からキャップ本体１０の開口部１０ａの側面の位置よりも内側領域のガラス板３０上に延びて形成される。

以上により、キャップ本体１０と、その開口部１０ａの下側に低融点ガラス２０で接着されたガラス板３０とを備えた第２の金属キャップ５ｂが形成される。

さらに、図７に示すように、前述した図４と同様なステム４０を用意し、ステム４０の素子実装部４４の側面にサブマウント（不図示）を介して長さが長い方の半導体レーザ素子５０ａを実装する。半導体レーザ素子５０ａの長さに合わせて、ステム４０の素子実装部４４の高さも図４よりも高くなっている。

次いで、図８に示すように、前述した図５と同様に、図７のステム４０の上に図６の第２の金属キャップ５ｂのフランジ部１６を抵抗溶接によって接合する。これにより、半導体レーザ素子５０ａは、ステム４０と第２の金属キャップ５ｂとで形成される収容部Ｓ内に収容されて気密封止される。以上により、実施形態の第２の発光装置１ｂが製造される。

実施形態の第２の発光装置１ｂでは、第２の金属キャップ５ｂのガラス板３０の下面の高さ位置は、長さが長い方の半導体レーザ素子５０ａの発光部５２の高さ位置に対応するようになっている。これにより、半導体レーザ素子５０ａの発光部５２がガラス板３０の下面に当接しない程度に接近して配置される。

これにより、図５の第１の発光装置１ａと同様に、レーザ光Ｌが金属キャップ５ａで反射したり、低融点ガラス２０を透過して波長が変化することがないため、半導体レーザ素子５０ａの性能を十分に引き出すことができ、高い光出力が得られる。

このように、本実施形態の第１、第２の金属キャップ５ａ，５ｂは高さの異なる２つのガラス接着用の接着面Ｂ１，Ｂ２を備えているので、一種類の金属キャップを長さの異なる２種類の半導体レーザ素子に対応させることができる。

また、金属キャップの屈曲部の階段数を増やすことにより、さらに多くの種類の半導体レーザ素子に対応させることができる。

さらに、本実施形態の発光装置の効果の理解を容易にするため、従来技術の発光装置と比較しながら説明する。

図９（ａ）は従来技術の発光装置である。図９（ａ）に示すように、従来技術の発光装置では、金属キャップ３００の接着部３４０は階段状ではなく平板状となっており、その接着部３４０の裏面に低融点ガラス４２０によってガラス板４００が接着されている。

そして、ステム１００の素子実装部１４０の側面に長さが短い方の半導体レーザ素子２００が実装されている。アイレット１２０に２本のリード５００，５２０が取り付けられている。

図９（ａ）の従来技術の発光装置の金属キャップ３００は、長さが長い方の半導体レーザ素子に対応するものである。このため、ガラス板４００の高さ位置は長さが短い方の半導体レーザ素子２００の発光部２２０の高さ位置に対応しておらず、半導体レーザ素子２００の発光部２２０はガラス板４００からかなり離れた位置に配置されている。

図９（ｂ）は前述した図５と実質的に同一構造の実施形態の発光装置であり、金属キャップ５ａの高さ位置が低い方の第１接着面Ｂ１に低融点ガラス２０によってガラス板３０が接着されている。

このため、ガラス板３０の高さ位置が長さが短い方の半導体レーザ素子５０の発光部５２の高さ位置に対応しており、半導体レーザ素子５０の発光部５２がガラス板３０に接近して配置されている。

図９（ａ）の従来技術の発光装置の金属キャップ３００の高さＨ１は、図９（ｂ）の実施形態の発光装置の金属キャップ１０の高さＨ２と同一に設定されている。また、図９（ａ）の従来技術の発光装置の金属キャップ３００の開口部３２０ａの直径Ｄ１は、図９（ｂ）の実施形態の発光装置の金属キャップ１０の開口部１０ａの直径Ｄ２と同一に設定されている。

さらに、図９（ａ）の従来技術の発光装置の有効直径ＤＸ１は、図９（ｂ）の実施形態の発光装置の有効直径ＤＸ２と同一に設定されている。有効直径ＤＸ１，ＤＸ２は、実際にレーザ光が所定の波長で透過できる領域の直径であり、各低融点ガラス４２０，２０よりも内側の領域の各ガラス板４００，３０の直径である。

低融点ガラス２０は、第１接着面Ｂ１からキャップ本体１０の開口部１０ａの側面の位置よりも内側領域のガラス板３０上に延びて形成される。このため、有効直径ＤＸ１，ＤＸ２は、金属キャップ１０の開口部１０ａの直径Ｄ１，Ｄ２よりも小さくなる。

図９（ａ）の従来技術の発光装置では、半導体レーザ素子２００の発光部２２０とガラス板４００との距離が遠いため、半導体レーザ素子２００からのレーザ光は低融点ガラス４２０が配置された領域にも入射するため、レーザ出力が制限されることになる。

このため、金属キャップ３００の有効直径ＤＸ１の領域のガラス板４００を透過するレーザ光が少なくなり、所望の光出力が得られなくなる。

これに対して、図９（ｂ）の実施形態の発光装置では、半導体レーザ素子５０の発光部５２とガラス板３０とが十分に接近しているため、半導体レーザ素子５０からの全てのレーザ光が、低融点ガラス２０がよりも内側の有効直径ＤＸ１の領域のガラス板３０を透過できるため、所望の大きな光出力を得ることができる。

このように、半導体レーザ素子から設計仕様の大きな光出力を得るには、半導体レーザ素子とガラス板とを十分に接近させて配置することが重要である。

本実施形態の発光装置では、一種類の金属キャップでガラス板の高さ位置を変更できるようにしている。このため、半導体レーザ素子の発光部の高さ位置が変更になっても、一種類の金属キャップで容易に対応することができる。

このように、外径が同じで高さの異なる金属キャップを要求される場合に、同じキャップを使用して対応することができる。

また、金属キャップのガラス板の高さ位置を変更するとしても、金属キャップの高さ（Ｈ１，Ｈ２）、開口部の直径（Ｄ１，Ｄ２）及び有効直径（ＤＸ１，ＤＸ２）を従来技術と同一に設定できるため、発光装置の大幅な設計変更を行う必要もない。

１ａ…第１の発光装置、１ｂ…第２の発光装置、５ａ…第１の金属キャップ、５ｂ…第２の金属キャップ、１０…キャップ本体、１０ａ…開口部、１２…筒状部、１４…屈曲部、１６…フランジ部、１８ａ…第１リード、１８ｂ…第２リード、２０…低融点ガラス、３０…ガラス板、４０…ステム、４２…アイレット、４４…素子実装部、５０，５０ａ…半導体レーザ素子、５２…発光部、Ｂ１…第１接着面、Ｂ２…第２接着面、Ｌ…レーザ光。

Claims

筒状部と、
前記筒状部の上端から内側に延在して形成され、高さの異なる複数の接着面を裏面に備えた屈曲部と、
前記屈曲部の内側領域に形成された開口部と、
前記複数の接着面のいずれかに接着されたガラス板と
を有し、
前記複数の接着面は、前記筒状部の上端から内側になるにつれて高さ位置が高くなる階段状に形成されており、
前記複数の接着面から選択される一つの前記接着面に前記ガラス板が接着されて、前記ガラス板の高さ位置が調整されることを特徴とする金属キャップ。
前記接着面は水平面で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属キャップ。
前記ガラス板は低融点ガラスによって前記接着面に接着され、前記低融点ガラスは前記キャップ本体の開口部の側面の位置よりも内側領域の前記ガラス板上に延びて形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属キャップ。
アイレットと、前記アイレットの上に配置された素子実装部とを含むステムと、
前記素子実装部の側面に実装された発光素子と、
前記ステムの上に配置され、前記発光素子を収容する金属キャップとを有し、
前記金属キャップは、
筒状部と、
前記筒状部の上端から内側に延在して形成され、高さの異なる複数の接着面を裏面に備えた屈曲部と、
前記屈曲部の内側領域に形成された開口部と、
前記複数の接着面のいずれかに接着されたガラス板とを備え、
前記複数の接着面は、前記筒状部の上端から内側になるにつれて高さ位置が高くなる階段状に形成されており、
前記複数の接着面から選択される一つの前記接着面に前記ガラス板が接着されて、前記ガラス板の高さ位置が調整されることを特徴とする発光装置。
前記金属キャップのガラス板は低融点ガラスによって前記接着面に接着され、前記低融点ガラスは前記キャップ本体の開口部の側面の位置よりも内側領域の前記ガラス板上に延びて形成されていることを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
前記金属キャップのガラス板の下面と前記発光素子の発光部とは、当接しない程度に接近していることを特徴とする請求項４又は５に記載の発光装置。