JP6667149B1 - Semiconductor laser light source device - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の半導体レーザ素子を備え、高密度化と高排熱性の両者の実現を可能とする、半導体レーザ光源装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ光源装置は、第一面から第二面に達する第一貫通孔及び第二貫通孔を含むステム5と、少なくとも一部分が第一貫通孔内に嵌合し、ステムよりも熱伝導率の高い材料で構成された第一ヒートシンク4と、第一ヒートシンクの第一貫通孔の第一面側に露出した領域内の面上に第二方向に沿って複数配置されたサブマウント3と、サブマウントのそれぞれの面上に配置された複数の半導体レーザ素子2と、第二貫通孔の内壁に沿うように配置された中空状の絶縁部材13と、絶縁部材の内側を通過して第二貫通孔を貫通するように配置された給電ピン7とを有する。給電ピンが第二貫通孔から第二面よりも第一方向に突出する長さは、第一ヒートシンクが第一貫通孔から第二面よりも第一方向に突出する長さより短い。【選択図】図5APROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser light source device comprising a plurality of semiconductor laser elements and capable of realizing both high density and high heat dissipation. A semiconductor laser light source device includes a stem 5 including a first through hole and a second through hole that reach a second surface from a first surface, and at least a part of the stem 5 is fitted into the first through hole, A first heat sink 4 made of a material having a high thermal conductivity, and a plurality of submounts arranged along the second direction on the surface in the region exposed on the first surface side of the first through hole of the first heat sink. 3, the plurality of semiconductor laser elements 2 arranged on the respective surfaces of the submount, the hollow insulating member 13 arranged along the inner wall of the second through hole, and the inside of the insulating member. And a power supply pin 7 arranged so as to penetrate the second through hole. The length of the power supply pin protruding from the second through hole in the first direction is shorter than the length of the first heat sink protruding from the first through hole in the first direction than the second surface. [Selection diagram] FIG. 5A
Description
本発明は、半導体レーザ光源装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser light source device.
現在、CANパッケージと呼ばれるタイプのパッケージに半導体レーザ素子が収容された、半導体レーザ光源装置が実用化されている(例えば、特許文献1参照)。図16は、上記特許文献1に開示されている、従来のCANパッケージ型の半導体レーザ光源装置の構造を模式的に示す図面である。
Currently, a semiconductor laser light source device in which a semiconductor laser element is housed in a package of a type called a CAN package has been put into practical use (for example, see Patent Document 1). FIG. 16 is a drawing schematically showing the structure of a conventional CAN package type semiconductor laser light source device disclosed in
図16に示すように、従来の半導体レーザ光源装置100は、ステム101と、ステム101の面上に突出して形成されたヒートシンク102と、ヒートシンク102の面上に載置されたサブマウント103と、サブマウント103の面上に載置された半導体レーザ素子104を備える。給電ピン105は、ステム101に設けられた貫通孔を貫通して配置され、サブマウント103を介して半導体レーザ素子104に対して給電を行う。
As shown in FIG. 16, a conventional semiconductor laser
キャップ110は、円筒形状を呈しており、気密のためにステム101に対して被せられた状態で固定化される。キャップ110には窓部110aが設けられており、半導体レーザ素子104から出射された光は窓部110aを介して外部に取り出される。
The
給電ピン105は、ステム101の貫通穴内に、絶縁材料としての低融点ガラスを介して挿入される。また、キャップ110は、ステム101に対して抵抗溶接によって固定されるのが一般的である。
The
かかる観点から、ステム101は、抵抗溶接の圧力に耐え得る程度に高い硬度を有し、且つ、低融点ガラスに近い熱膨張係数を示す材料であることが求められる。かかる観点から、ステム101は、Fe(鉄)やコバールなどの鉄合金が一般的に利用される。しかし、Feは熱伝導率が充分高い材料ではないため、半導体レーザ素子104の発光時に生じる熱を効率よく排熱することができない。かかる観点から、図16に示すように、Feよりも熱伝導率の高い材料からなるヒートシンク102がステム101とは別に配置され、このヒートシンク102の面上に、サブマウント103を介して半導体レーザ素子104が取り付けられる。
From such a viewpoint, the
ヒートシンク102は、一般的にCu(銅)などの、Feよりは熱伝導率が高く、比較的安価に入手できる材料が用いられる。ヒートシンク102とステム101とは、銀ロウなどの金属ロウ材を介して接合される。
The
ところで、近年、高輝度の半導体レーザ光源装置の市場からの要請が高まりつつある。本発明者は、図16に示されるような、従来のCANパッケージ型の半導体レーザ光源装置100において、複数の半導体レーザ素子104を並べることで、輝度を高めることを検討した。
In recent years, demands from the market for high-brightness semiconductor laser light source devices have been increasing. The present inventor has studied increasing the luminance by arranging a plurality of
しかし、複数の半導体レーザ素子104が狭い範囲内に並べられて構成される半導体レーザ光源装置100は、単独の半導体レーザ素子104を備える従来の半導体レーザ光源装置100と比較して、排熱性の問題が重要となる。本発明者の鋭意研究により、図16に図示されるような、従来の半導体レーザ光源装置100の構造のままで、単に複数の半導体レーザ素子104を並べた場合には、充分高い排熱能力が確保できず、半導体レーザ素子104の出力の低下や、出射光の波長の変化、又は単寿命化といった問題を引き起こすおそれがあることを突き止めた。
However, the semiconductor laser
本発明は、上記の課題に鑑み、複数の半導体レーザ素子を備え、高密度化と高排熱性の両者の実現を可能とする、半導体レーザ光源装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a semiconductor laser light source device that includes a plurality of semiconductor laser elements and can realize both high density and high heat dissipation.
本発明に係る半導体レーザ光源装置は、
第一面と、前記第一面に対して第一方向に位置する第二面と、一部領域に形成され前記第一面から前記第二面に達する第一貫通孔及び第二貫通孔とを含み、第一金属材料で構成されたステムと、
少なくとも一部分が前記第一貫通孔内に嵌合するように配置されており、前記第一金属材料よりも熱伝導率の高い第二金属材料で構成された第一ヒートシンクと、
前記第一貫通孔の前記第一面側に露出した前記第一ヒートシンクの面上に、前記第一方向に直交する第二方向に沿って複数配置された、サブマウントと、
複数の前記サブマウントのそれぞれの面上に配置された、複数の半導体レーザ素子と、
前記第二貫通孔の内壁に沿うように配置された、中空状の絶縁部材と、
前記絶縁部材の内側を通過して前記第二貫通孔を貫通するように配置され、複数の前記半導体レーザ素子に対して給電するための、給電ピンとを有し、
前記給電ピンが前記第二貫通孔から前記第二面よりも前記第一方向に突出する長さは、前記第一ヒートシンクが前記第一貫通孔から前記第二面よりも前記第一方向に突出する長さより短いことを特徴とする。
The semiconductor laser light source device according to the present invention,
A first surface, a second surface located in a first direction with respect to the first surface, a first through hole and a second through hole formed in a partial area and reaching the second surface from the first surface. Including, a stem made of a first metal material,
At least a portion is disposed so as to fit in the first through hole, a first heat sink made of a second metal material having a higher thermal conductivity than the first metal material,
On the surface of the first heat sink exposed on the first surface side of the first through hole, a plurality of sub-mounts are arranged along a second direction orthogonal to the first direction,
A plurality of semiconductor laser devices arranged on each surface of the plurality of submounts,
A hollow insulating member arranged along the inner wall of the second through-hole,
A power supply pin, which is disposed to pass through the inside of the insulating member and penetrate the second through hole, for supplying power to the plurality of semiconductor laser elements,
The length that the power supply pin projects from the second through hole in the first direction from the second surface is such that the first heat sink projects from the first through hole in the first direction from the second surface. It is characterized by being shorter than the length.
例えば、図16に示されるような従来のCANパッケージ型の半導体レーザ光源装置100において、給電ピン105を介して半導体レーザ素子104に対して給電を行うために、回路素子が実装された給電基板が通常設けられる。このとき、図16に図示されるように、給電ピン105が半導体レーザ素子104とは反対側に突出しているため、この側に給電基板を設置するのが一般的である。なお、以下では、説明の便宜のために、ステム101から見て半導体レーザ素子104が配置されている向きを「上」と呼び、その逆向きを「下」と呼ぶ。この呼び方に倣って記載すると、給電ピン105は、ステム101の下側に突出している。
For example, in a conventional CAN package type semiconductor laser
ここで、更なる排熱性を確保するためには、ステム101の、半導体レーザ素子104とは反対側の面、すなわち下側の面に、フィンなどの空冷部材又は排水管などの水冷部材を有してなる冷却部材を配置する方法が考えられる。しかし、上述したように、給電ピン105に接続するための給電基板を配置する必要があるため、その領域を確保する観点から、ステム101の下側の面に直接冷却部材を配置することができない。かかる観点から、ステム101の下側の面に、アルミダイキャストなどの基台を介して冷却部材を配置する方法が考えられる。この技術は、例えば特許文献2に開示されている。
Here, in order to secure further heat dissipation, an air cooling member such as a fin or a water cooling member such as a drain pipe is provided on the surface of the
この方法によれば、給電ピン105を挿入できる程度の貫通孔を有した基台を準備し、この基台の下側の面に給電基板が配置されることで、給電ピン105と給電基板との電気的な接続が確保される。そして、この基台に接触するように冷却部材が配置される。
According to this method, a base having a through hole enough to insert the
しかし、上記の基台は、上述したように給電ピン105を挿入するための貫通孔を設ける必要があるところ、アルミニウム合金など、ダイキャストによる加工が可能な材料で構成される。この材料は、一般的にヒートシンク102よりも熱伝導率が低い。すなわち、基台が設けられる結果、ヒートシンク102で吸熱された熱を、冷却部材に対して効率的に排熱できないおそれがある。
However, the base needs to be provided with a through hole for inserting the
上記の構成によれば、第一ヒートシンクは、ステムに形成された第一貫通孔内を貫通するように配置され、給電ピンは、ステムに形成された第二貫通孔内を貫通するように配置される。そして、給電ピンが、第二貫通孔から、ステムの第二面側すなわち半導体レーザ素子とは反対側に突出する長さは、第一ヒートシンクが、第一貫通孔から、ステムの第二面側に突出する長さよりも短い。 According to the above configuration, the first heat sink is arranged to penetrate the first through hole formed in the stem, and the power supply pin is arranged to penetrate the second through hole formed in the stem. Is done. The length of the power supply pin protruding from the second through hole to the second surface side of the stem, that is, the side opposite to the semiconductor laser element, is such that the first heat sink is connected to the second surface side of the stem from the first through hole. Is shorter than the protruding length.
この結果、ステムの第二面側において、第一ヒートシンクとステムとの間に空間領域が確保される。よって、この位置に給電ピンと電気的に接続される給電基板を配置することができる。 As a result, a space area is secured between the first heat sink and the stem on the second surface side of the stem. Therefore, a power supply board electrically connected to the power supply pins can be arranged at this position.
つまり、上記の構成によれば、第一ヒートシンクよりも、半導体レーザ素子とは反対側(下側)の位置に給電基板を配置する必要がなくなるため、第一ヒートシンクに対して、空冷部材や水冷部材などの冷却部材(本明細書内において、「第二ヒートシンク」に対応する。)を直接接触させることができる。これにより、従来の構成よりも高い排熱性が確保される。なお、ここでいう「直接接触」とは、「基台などの部品を介さずに」接触するという意味であり、固定のために半田などの接合材を介して接触する場合を含む意図である。 In other words, according to the above configuration, it is not necessary to dispose the power supply board at a position (lower side) opposite to the semiconductor laser device with respect to the first heat sink. A cooling member such as a member (corresponding to a “second heat sink” in the present specification) can be brought into direct contact. As a result, higher heat dissipation than the conventional configuration is ensured. The term “direct contact” as used herein means that the contact is made “without a component such as a base”, and is intended to include a case where the contact is made via a bonding material such as solder for fixing. .
前記第二貫通孔は、前記半導体レーザ素子に対して、前記第一方向及び前記第二方向に直交する第三方向に離間した位置に形成されているものとしても構わない。 The second through-hole may be formed at a position separated from the semiconductor laser device in a third direction orthogonal to the first direction and the second direction.
かかる構成によれば、半導体レーザ素子に対して第三方向に離間した位置に、給電ピンを配置することができる。そして、この第二貫通孔よりも第一方向に変位した位置(すなわち、ステムの第二面側)に、給電基板を配置することができる。これにより、ステムの大きさを極力小さくしながらも、給電基板の配置位置が確保される。 According to such a configuration, the power supply pin can be arranged at a position separated from the semiconductor laser element in the third direction. Then, the power supply substrate can be arranged at a position displaced in the first direction from the second through hole (that is, on the second surface side of the stem). Thereby, the arrangement position of the power supply board is ensured while the size of the stem is reduced as much as possible.
なお、上記構成の場合、第三方向を半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の速軸方向とし、第二方向を前記レーザ光の遅軸方向とするのが好ましい。かかる構成により、半導体レーザ素子をできるだけ密に配置できると共に、空間を有効に活用することができる。 In the above configuration, it is preferable that the third direction is the fast axis direction of the laser light emitted from the semiconductor laser device, and the second direction is the slow axis direction of the laser light. With this configuration, the semiconductor laser elements can be arranged as densely as possible, and the space can be used effectively.
前記半導体レーザ光源装置は、前記第一ヒートシンクのうちの、前記第一貫通孔から前記第二面よりも前記第一方向に突出した領域に対して接触するように配置された、空冷部材及び/又は水冷部材を含む第二ヒートシンクを有するものとしても構わない。 The semiconductor laser light source device includes an air-cooling member and / or an air-cooling member that is arranged to contact a region of the first heat sink that protrudes from the first through hole in the first direction from the second surface. Alternatively, a second heat sink including a water cooling member may be provided.
前記半導体レーザ光源装置は、前記第二ヒートシンクと前記ステムとの間の位置に配置され、前記給電ピンと電気的に接続され、複数の前記半導体レーザ素子に対する給電を制御するための回路素子が実装された給電基板を有するものとしても構わない。 The semiconductor laser light source device is disposed at a position between the second heat sink and the stem, is electrically connected to the power supply pin, and has a circuit element mounted thereon for controlling power supply to the plurality of semiconductor laser elements. A power supply substrate may be provided.
前記給電基板は、前記ステムの前記第二面側に配置されているものとしても構わない。 The power supply board may be arranged on the second surface side of the stem.
前記給電基板は、前記第二方向に延伸する形状であるものとしても構わない。 The power supply substrate may have a shape extending in the second direction.
複数の前記サブマウントは、前記第一ヒートシンクの面のうち、前記第一面と非平行な面上に配置され、
複数の前記半導体レーザ素子は、それぞれ前記第一方向に光を出射するように複数の前記サブマウントの面上に配置されているものとしても構わない。
The plurality of submounts are arranged on a surface of the first heat sink that is not parallel to the first surface,
The plurality of semiconductor laser elements may be arranged on the surfaces of the plurality of submounts so as to emit light in the first direction, respectively.
前記第一ヒートシンクの面上に配置されたミラーを有し、
複数の前記サブマウントは、前記第一ヒートシンクの面のうち、前記第一面と平行な面上に配置され、
複数の前記半導体レーザ素子は、それぞれ前記第一方向及び前記第二方向に直交する第三方向に光を出射するように、複数の前記サブマウントの面上に配置され、
前記ミラーは、複数の前記半導体レーザ素子から前記第三方向に向けて出射された光の進行方向を、前記第一方向に変換するものとしても構わない。
Having a mirror disposed on a surface of the first heat sink,
The plurality of submounts are arranged on a surface parallel to the first surface among the surfaces of the first heat sink,
A plurality of the semiconductor laser elements are arranged on a surface of the plurality of submounts so as to emit light in a third direction orthogonal to the first direction and the second direction, respectively.
The mirror may convert a traveling direction of light emitted from the plurality of semiconductor laser elements in the third direction to the first direction.
前記第一金属材料は、鉄、及び鉄合金からなる群より選択された1種以上の材料であり、
前記第二金属材料は、銅、及び銅合金からなる群より選択された1種以上の材料であるものとしても構わない。
The first metal material is one or more materials selected from the group consisting of iron and iron alloys,
The second metal material may be one or more materials selected from the group consisting of copper and copper alloy.
本発明の半導体レーザ光源装置によれば、複数の半導体レーザ素子を備え、高密度化と高排熱性の両者の実現が可能となる。 According to the semiconductor laser light source device of the present invention, a plurality of semiconductor laser elements are provided, and both high density and high heat dissipation can be realized.
本発明に係る半導体レーザ光源装置の実施形態につき、図面を参照して説明する。以下の各図面は、模式的に示されたものであり、図面上の寸法比は必ずしも実際の寸法比とは一致していない。また、各図面間においても寸法比は必ずしも一致していない。 An embodiment of a semiconductor laser light source device according to the present invention will be described with reference to the drawings. The following drawings are schematically shown, and the dimensional ratios in the drawings do not always match the actual dimensional ratios. Also, the dimensional ratios do not always match between the drawings.
[第一実施形態]
本発明に係る半導体レーザ光源装置の第一実施形態について、説明する。図1は、本実施形態の半導体レーザ光源装置の構造を模式的に示す斜視図である。なお、図1は、理解の容易の観点から、後述するキャップ10の一部が切断された状態で図示されている。
[First embodiment]
A first embodiment of the semiconductor laser light source device according to the present invention will be described. FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of the semiconductor laser light source device of the present embodiment. Note that FIG. 1 is illustrated with a part of a
以下の説明では、図1等に記載されたXYZ座標系が適宜参照される。 In the following description, the XYZ coordinate system described in FIG.
図1に示すように、半導体レーザ光源装置1は、X方向に沿って複数配列された半導体レーザ素子2と、各半導体レーザ素子2が載置されるサブマウント3と、サブマウント3が面上に載置される第一ヒートシンク4と、第一ヒートシンク4と連結されてなるステム5とを備える。
As shown in FIG. 1, a semiconductor laser
半導体レーザ素子2は、基板と基板上に積層された多層の半導体層とを含んであり、半導体層の構成材料に応じて決定される波長のレーザ光L2を出射する。例えば、前記半導体層が、InGaP、又はInGaAlPからなる活性層を含む場合、半導体レーザ素子2は、波長が600nm〜800nm帯の、いわゆる赤色光のレーザ光L2を出射する。ただし、本発明において、半導体レーザ光源装置1が出射するレーザ光L2の波長は限定されない。
The
本実施形態の例では、図1に示すように、各半導体レーザ素子2はXY平面上においてX方向に整列するように配置されている。そして、半導体レーザ光源装置1は、各半導体レーザ素子2からY方向に出射されたレーザ光L2の進行方向を、Z方向に変換するためのミラー12を有する。ミラー12によって進行方向が変換されたレーザ光L2は、キャップ10に設けられた窓部10aを介して、半導体レーザ光源装置1の外部に取り出される。
In the example of the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
キャップ10は、内部を気密にすることで、半導体レーザ素子2を保護する目的で設けられており、例えばステム5に対して抵抗溶接などの方法で接合されている。
The
本明細書において、Z方向が「第一方向」に対応し、X方向が「第二方向」に対応し、Y方向が「第三方向」に対応する。 In this specification, the Z direction corresponds to the “first direction”, the X direction corresponds to the “second direction”, and the Y direction corresponds to the “third direction”.
サブマウント3は、例えば面上に不図示の電極配線が設けられることで、半導体レーザ素子2に対する給電のための電気的な接続が形成される。また、サブマウント3は、半導体レーザ素子2の発光時に生じる熱を、第一ヒートシンク4側に導く機能も有している。サブマウント3は、放熱性、絶縁性、半導体レーザ素子2との線膨張係数差などに鑑み、適宜材料が選択される。一例として、サブマウント3は、AlN、Al2O3、SiC、CuWなどの材料で構成される。
The
本実施形態において、各サブマウント3は、第一ヒートシンク4のXY平面に平行な面上に載置されている。図2は、理解の容易のために、図1からキャップ10及びミラー12の図示を省略した図面である。
In the present embodiment, each
ステム5は、第一面5aと、第一面5aに対してZ方向に向かい合う位置に第二面5bとを有する。ステム5は、図3に示すように、第一面5aから第二面5bに対してZ方向に貫通する、第一貫通孔21と第二貫通孔22とを有する。図3は、ステム5をZ方向から見たときの模式的な平面図である。図3に示すように、本実施形態の例では、ステム5は、1つの第一貫通孔21と、2つの第二貫通孔(22,22)を有している。
The
ステム5は、上述したように、抵抗溶接などの方法で第一面5aに対してキャップ10が接合される。このため、ステム5は、抵抗溶接などが可能な材料で構成されており、例えば、鉄、鉄合金などで構成される。
As described above, the
本実施形態では、ステム5の面上において、Y方向に関して非対称な位置に第一貫通孔21が形成されている。すなわち、ステム5は、Y方向に関して第一貫通孔21の外側の位置に、幅の広い領域(第一部分51)と、幅の狭い領域(第二部分52)とを有している。そして、ステム5の第一部分51内において、X方向に離間した2箇所の位置に第二貫通孔22が形成されている。
In the present embodiment, the first through-
第一貫通孔21は、第一ヒートシンク4を嵌合するための孔部である。図1及び図2に示されるように、第一ヒートシンク4は、第一貫通孔21内にZ方向に嵌め込まれるように配置されている。本実施形態では、第一貫通孔21の、ステム5の第一面5a側に露出している第一ヒートシンク4の面上に、サブマウント3及び半導体レーザ素子2が載置されている。
The first through
第一ヒートシンク4は、半導体レーザ素子2の発光時に生じる熱を排熱させる機能を有している。このため、第一ヒートシンク4は、熱伝導率の高い材料で構成されるのが好ましい。より詳細には、第一ヒートシンク4は、ステム5よりも熱伝導率の高い材料で構成され、例えば、銅、銅合金などで構成される。
The
図2に示すように、本実施形態では、第一ヒートシンク4は、Z方向に関して、ステム5の第二面5bよりも長さd4だけ突出するように配置されている。
As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the
2箇所に設けられた第二貫通孔(22,22)は、給電ピン7を挿入するための孔部である。給電ピン7は、コバールなどの鉄合金などの導電性材料で構成される。より詳細には、第二貫通孔22内には、中空状(筒状)に形成された、低融点ガラスなどの絶縁部材13が嵌め込まれており、その内側に給電ピン7が挿入されることで、給電ピン7とステム5との間の絶縁性が確保されている。給電ピン7は、ステム5の第二面5b側の位置において後述される給電基板15と電気的に接続され、第一面5a側の位置において半導体レーザ素子2と電気的に接続される。これにより、給電基板15から、給電ピン7を介して半導体レーザ素子2に対して給電される。
The second through holes (22, 22) provided at two locations are holes for inserting the power supply pins 7. The
第一ヒートシンク4とステム5とは、第一貫通孔21内において、接合材6によって接合されている。接合材6としては、銀ロウなどの金属ロウ材、金属共晶半田材、金属接着材などを利用することができる。
The
本実施形態において、第一ヒートシンク4は、ステム5の第一面5a側において接合材6によってステム5と接合されている一方、第二面5b側にはステム5と接合されていない。この点につき、図4、図5A及び図5Bを参照して説明する。図4は、図1に示す半導体レーザ光源装置1をZ方向から見たときの模式的な平面図である。また、図5A及び図5Bは、いずれも図4内のA1−A1線断面図であるが、説明の都合上、表記の方法が異なっている。また、理解の容易のため、図5A及び図5Bでは一部の部材の大きさが誇張して図示されている。
In the present embodiment, the
上述したように、ステム5に形成された第一貫通孔21内に嵌め込まれた第一ヒートシンク4は、第一貫通孔21内において接合材6によってステム5と接合されている。また、第二貫通孔22内を貫通するように配置された給電ピン7は、低融点ガラスなどの絶縁部材13によってステム5との間の絶縁性が確保されている。なお、本実施形態の例では、ステム5の第二面5b側に露出している第一ヒートシンク4のZ方向の長さd4は、ステム5の第二面5b側に露出している給電ピン7の長さd7よりも長い。
As described above, the
図5A及び図5Bに示すように、第一ヒートシンク4は、Z方向に関して第一面5a側においてのみ接合材6によってステム5と接合されている。この結果、図5Bに示すように、第一ヒートシンク4は、Z方向に関して、接合材6によってステム5と固定された第一領域4aと、ステム5に対して固定されていない第二領域4bとを有する。
As shown in FIGS. 5A and 5B, the
図6は、半導体レーザ光源装置1の構造を模式的に示す断面図であり、図5A及び図5Bと比較して、更に第二ヒートシンク31及び給電基板15が図示されている。給電基板15は、半導体レーザ素子2に対する給電を制御するための回路素子(不図示)が実装された基板である。なお、図6には、給電ピン7と半導体レーザ素子2を電気的に接続するためのワイヤ18が図示されている。
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically illustrating the structure of the semiconductor laser
第一ヒートシンク4は、半導体レーザ素子2で生じた熱を排熱する機能を有している。この排熱効果を更に高める観点からは、第一ヒートシンク4を、空冷部材や水冷部材からなる第二ヒートシンク31と接触させるのが好ましい。本実施形態の半導体レーザ光源装置1によれば、Z方向に関して、第一ヒートシンク4が、給電ピン7よりも更に突出して配置されている。この結果、図6に示すように、給電基板15を、ステム5の第二面5bと、第二ヒートシンク31との間の位置に配置することが可能となる。
The
図7は、給電基板15を含む半導体レーザ光源装置1を、Z方向に見たときの模式的な平面図である。図6及び図7に示すように、給電基板15は、ステム5の第二面5b側において、X方向に延伸するように配置される。給電ピン7は、例えばハンダ材16によって給電基板15に対して電気的な接続が形成されている。
FIG. 7 is a schematic plan view when the semiconductor laser
かかる構成によれば、給電ピン7は、第一ヒートシンク4よりもZ方向に係る突出長さが短いため、給電基板15を配置するためのアルミダイキャストなどの基台を介することなく、第一ヒートシンク4を第二ヒートシンク31に対して接触させることができる。アルミダイキャストなどの基台は、第二ヒートシンク31よりも熱伝導率が低いため、かかる構成とすることで、排熱性が高められる。
According to this configuration, since the
また、第一ヒートシンク4がZ方向に大きく突出する構成であるため、第一ヒートシンク4の−Z側の端面が第一貫通孔21内にZ方向に突出することなく留まることで第二ヒートシンク31と接触しないという事態が生じるのを防ぐことができる。
In addition, since the
更に、第一ヒートシンク4は、XY平面に平行な方向に一定程度の広さを有した形状であり、この広さを有したままで第一貫通孔21内に嵌め込まれている。これにより、排熱経路として利用される第一ヒートシンク4の断面積を大きく確保することができるため、排熱効率が高められる。
Further, the
更に、本実施形態の構成によれば、第一ヒートシンク4は、Z方向に関してステム5と接合されていない第二領域4bを有している。このため、接合材6を用いて第一ヒートシンク4とステム5との接合に際して加熱及び冷却の工程を経ることで、第一ヒートシンク4が変形したとしても、第二ヒートシンク31との面接触が容易に確保できる。この点について以下において説明する。
Further, according to the configuration of the present embodiment, the
図8は、接合材6を用いて、第一ヒートシンク4とステム5とを接合する工程を経て、第一ヒートシンク4及びステム5に対してかかる応力を模式的に説明する図面である。
FIG. 8 is a drawing schematically illustrating the stress applied to the
ステム5に形成された第一貫通孔21の内壁に金属ロウなどからなる接合材6が設けられ、その内側に第一ヒートシンク4が嵌め込まれる。その後、金属ロウの融点を超える温度(例えば800℃程度)に加熱されることで、融解された接合材6が、第一貫通孔21内に位置する第一ヒートシンク4の外壁に付着する。その後、室温下まで冷却されることで接合材6が凝固し、これによって、第一ヒートシンク4とステム5とが固定される。
The joining
図8において、(a)は、加熱前の時点における、第一ヒートシンク4及びステム5の状態を示す図面である。また、(b)は、加熱後、常温まで冷却された状態において、第一ヒートシンク4及びステム5に対して生じる応力を模式的に示す図面である。なお、図8(b)では、力の向きが矢印の方向で示され、力の大きさが矢印の長さで示されている。
FIG. 8A is a diagram showing a state of the
加熱されることで、第一ヒートシンク4及びステム5は膨張する。ここで、第一ヒートシンク4がCu(銅)からなり、ステム5がFe(鉄)からなる場合、熱膨張係数は第一ヒートシンク4の方がステム5よりも大きい。このため、冷却時には、第一ヒートシンク4に対して、ステム5よりも大きく収縮しようとする力が働く。
By being heated, the
ここで、上述したように、第一ヒートシンク4は、ステム5の第一面5a側において接合材6でステム5と固定されている。このため、第一ヒートシンク4の、ステム5の第一面5a側に近い領域(第一領域4a)は、接合材6で固定されたステム5によって、収縮しようとする力に対して抵抗を受ける。この結果、第一ヒートシンク4の第一領域4aは、ステム5から外側に向けて引張応力(Sr1a,Sr2a)を受ける。
Here, as described above, the
一方、第一ヒートシンク4は、ステム5の第二面5b側においては、接合材6でステム5と固定されていない。このため、第一ヒートシンク4の第二領域4bは、ステム5からの引張り応力を受けることなく、収縮しようとする力(Sr3a,Sr4a)が働く。
On the other hand, the
逆に、ステム5については、第一面5aに近い領域においては、第一ヒートシンク4に対して収縮しようとする力が働くため、内側に向けて引張応力(Sr1b,Sr2b)を受ける。一方、第二面5bに近い領域においては、接合材6で第一ヒートシンク4と固定されていないため、第一ヒートシンク4からの引張応力を受けることなく、収縮しようとする力(Sr3b,Sr4b)が働く。ただし、ステム5の構成材料は、第一ヒートシンク4の構成材料よりも、熱膨張係数が低いため、第一ヒートシンク4の収縮力(Sr3a,Sr4a)と比較して、ステム5の収縮力(Sr3b,Sr4b)は小さい。
Conversely, in a region near the
つまり、第一ヒートシンク4は、ステム5の第一面5a側では外側に引っ張られる応力(Sr1a,Sr2a)が働き、ステム5の第二面5b側では内側に収縮しようとする力(Sr3a,Sr4a)が働く。この結果、第一ヒートシンク4は、ステム5の第一面5a側、すなわち+Z方向を凸とした形状に反りやすくなる。
That is, in the
逆に、ステム5は、第一面5a側では内側に引っ張られる応力(Sr1b,Sr2b)が働き、第二面5b側では外側に収縮しようとする力(Sr3b,Sr4b)が働く。この結果、ステム5は、第二面5b側、すなわち−Z方向を凸とした形状に反りやすくなる。
Conversely, in the
この結果、図9に模式的に示すように、−Z方向を凸とした形状に反ったステム5を、押さえ部材33を介して−Z方向に押さえることで(外力P1)、第一ヒートシンク4を第二ヒートシンク31に対して面接触させやすくなる。これにより、半導体レーザ素子2で生じた熱を、経路Th2を介して効率的に排熱できる。図9は、第一ヒートシンク4及びステム5を第二ヒートシンク31に対して固定させる方法の一例を模式的に示す図面である。ただし、説明の都合上、反りなどの形状が極めて誇張して描かれている。
As a result, as shown schematically in FIG. 9, the
押さえ部材33としては、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、鉄合金を用いることができる。また、ステム5の反りが大きい場合には、図9に示すように、ステム5と第二ヒートシンク31との間にスペーサ35を設けるものとしても構わない。スペーサ35は、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄合金を用いることができる。
As the pressing
更に、図4に示すように、半導体レーザ素子2を、第一ヒートシンク4の面上のうち、ステム5の第一部分51に近い側に配置するのが好ましい。Y方向に係る長さの長い第一部分51は、第一部分51よりもY方向に係る長さの短い第二部分52と比べて、冷却時に生じる引張応力が大きくなる。すなわち、図8において、応力Sr1aは、応力Sr2aよりも大きい。この結果、冷却工程の後、第一ヒートシンク4は、第一部分51に近い側がより−Z方向に変位する(上述したZ方向への反り量が大きくなる)。よって、かかる領域の近くに半導体レーザ素子2が配置されることで、第二ヒートシンク31との間の距離が近くなり、熱源となる半導体レーザ素子2が配置されている側が第二ヒートシンク31に確実に接触するため、排熱効果が更に高められる。
Further, as shown in FIG. 4, it is preferable that the
なお、上記実施形態において、X方向に関して、第二貫通孔22が、半導体レーザ素子2と同一の座標位置に配置されている構造を例に挙げて説明した。すなわち、第二貫通孔22に貫通して配置されている給電ピン7が、半導体レーザ素子2と同一の座標位置に配置されている構造を例に挙げて説明した。しかし、図10に示すように、給電ピン7(及びこの給電ピン7が挿入される第二貫通孔22)は、必ずしもX方向に関して、半導体レーザ素子2と同一の座標位置に配置されていなくても構わない。以下の各実施形態においても共通である。
In the above embodiment, the structure in which the second through-
[第二実施形態]
本発明に係る半導体レーザ光源装置の第二実施形態につき、第一実施形態と異なる箇所を中心に説明する。
[Second embodiment]
The second embodiment of the semiconductor laser light source device according to the present invention will be described focusing on points different from the first embodiment.
図11は、本実施形態の半導体レーザ光源装置の構造を模式的に示す斜視図であり、図1と同様に、キャップ10の一部が切断された状態で図示されている。図12は、図11からキャップ10の図示を省略した図面である。図13は、図11に示す半導体レーザ光源装置1をZ方向から見たときの模式的な平面図である。図14は、図13内のA2−A2線断面図であり、図5Bの表記方法にならって図示されたものである。
FIG. 11 is a perspective view schematically showing the structure of the semiconductor laser light source device according to the present embodiment, and shows a state in which a part of the
本実施形態では、第一実施形態と異なり、半導体レーザ光源装置1はミラー12を備えていない。各半導体レーザ素子2及び各サブマウント3は、第一ヒートシンク4の面のうち、ステム5の第一面5aとは非平行な面(ここではXZ平面に平行な面)上に配置されている。なお、各半導体レーザ素子2及び各サブマウント3が、X方向に整列して配置されている点においては、第一実施形態と共通である。
In the present embodiment, unlike the first embodiment, the semiconductor laser
各半導体レーザ素子2は、Z方向にレーザ光L2を出射するように配置されている。これにより、このレーザ光L2は、キャップ10に設けられた窓部10aを介して、半導体レーザ光源装置1の外部に取り出される。
Each
本実施形態においても、第一実施形態と同様に、ステム5の第二面5b側に露出している第一ヒートシンク4のZ方向の長さd4は、ステム5の第二面5b側に露出している給電ピン7の長さd7よりも長い。かかる構成によれば、図6を参照して上述したように、給電基板15を配置するための、アルミダイキャストなどの基台を介することなく、直接第一ヒートシンク4を第二ヒートシンク31に対して接触させることができるため、排熱性が向上する。
Also in the present embodiment, the length d4 in the Z direction of the
更に、図14に示すように、本実施形態においても、第一ヒートシンク4は、Z方向に関して第一面5a側においてのみ接合材6によってステム5と接合されている。この結果、図14に示すように、第一ヒートシンク4は、Z方向に関して、接合材6によってステム5と固定された第一領域4aと、ステム5に対して固定されていない第二領域4bとを有する。これにより、第一実施形態の半導体レーザ光源装置1と同様に、第一ヒートシンク4を第二ヒートシンク31(図6参照)に対して面接触させやすくなり、更なる排熱性の向上が図られる。
Further, as shown in FIG. 14, also in the present embodiment, the
[別実施形態]
以下、別実施形態につき説明する。
[Another embodiment]
Hereinafter, another embodiment will be described.
〈1〉上記実施形態では、第一貫通孔21内において、ステム5の第一面5a側にのみ接合材6が設けられている構成について言及した。しかし、上記各実施形態のように、第一ヒートシンク4が、ステム5の第二面5bに対してZ方向に大きく突出する構成においては、当該突出している領域については、第一ヒートシンク4はステム5に対して固定されていない。このため、かかる構成においては、第一貫通孔21内においてZ方向に関して全体にわたって接合材6が設けられていても、加熱後の冷却工程において、第一ヒートシンク4及びステム5に対して、図8を参照して説明した応力と同様の応力が生じる。
<1> In the above embodiment, the configuration in which the
つまり、かかる構成の下では、上述した実施形態と同様に、ステム5が−Z側を凸にして反るため、第一ヒートシンク4を第二ヒートシンク31に対して面接触させやすくなり、排熱性が向上する。
That is, under such a configuration, as in the above-described embodiment, since the
〈2〉上記実施形態では、第一貫通孔21が、ステム5の面上において、Y方向に関して非対称な位置に形成されるものとして説明した。しかし、本発明において、第一貫通孔21は、ステム5の面上において、Y方向に関して対称な位置に形成されるものとしても構わない。すなわち、第一部分51と第二部分52は、Y方向に関して同じ幅を有するものとしても構わない。この場合、2つの第二貫通孔22は、第一部分51と第二部分52のどちら側に設けられていても構わない。
<2> In the above embodiment, the first through
〈3〉上記実施形態では、2つの第二貫通孔22が、第一貫通孔21に対してY方向に係る外側に設けられるものとして説明した。しかし、図15に示すように、2つの第二貫通孔22が、第一貫通孔21に対してX方向に係る外側に設けられるものとしても構わない。
<3> In the above embodiment, the description has been given assuming that the two second through
〈4〉上記実施形態では、半導体レーザ素子2の第一ヒートシンク4の面上における設置位置に関し、ステム5のうちの、Y方向に係る幅が広い第一部分51に対して近い位置であるものとして説明した。しかし、本発明において、第一ヒートシンク4の面上における半導体レーザ素子2の設置位置は、上記内容に限定されない。例えば、上記各実施形態において、半導体レーザ素子2は、第一ヒートシンク4の面上のうち、ステム5のうちの、Y方向に係る幅が狭い第二部分52に対して近い位置に配置されるものとしても構わない。
<4> In the above embodiment, the position of the
〈5〉上記実施形態では、ステム5に設けられる第二貫通孔22が2箇所であるものとして説明したが、3箇所以上に第二貫通孔22が形成されていても構わない。
<5> In the above-described embodiment, the second through
〈6〉上記実施形態では、半導体レーザ素子2がX方向に一列に配置されている場合について説明したが、X方向及びY方向にマトリクス状に配置されているものとしても構わない。
<6> In the above embodiment, the case where the
1 : 半導体レーザ光源装置
2 : 半導体レーザ素子
3 : サブマウント
4 : 第一ヒートシンク
4a : 第一ヒートシンクの第一領域
4b : 第一ヒートシンクの第二領域
5 : ステム
5a : ステムの第一面
5b : ステムの第二面
6 : 接合材
7 : 給電ピン
10 : キャップ
10a : 窓部
12 : ミラー
13 : 絶縁部材
15 : 給電基板
16 : ハンダ材
18 : ワイヤ
21 : 第一貫通孔
22 : 第二貫通孔
31 : 第二ヒートシンク
33 : 押さえ部材
35 : スペーサ
51 : ステムの第一部分
52 : ステムの第二部分
100 : 従来の半導体レーザ光源装置
101 : ステム
102 : ヒートシンク
103 : サブマウント
104 : 半導体レーザ素子
105 : 給電ピン
110 : キャップ
110a : 窓部
L2 : レーザ光
1: Semiconductor laser light source device 2: Semiconductor laser element 3: Submount 4:
Claims (7)
前記第一方向から見たときに前記第一面側に露出した部分と前記第二面側に露出した部分とが同一形状を呈した状態で、一部分が前記第一貫通孔内に嵌合し、前記第一金属材料よりも熱伝導率の高い第二金属材料で構成された、直方体形状を呈した第一ヒートシンクと、
前記第一貫通孔の前記第一面側に露出した前記第一ヒートシンクの面上に、前記第一方向に直交する第二方向に沿って複数配置された、サブマウントと、
複数の前記サブマウントのそれぞれの面上に配置された、複数の半導体レーザ素子と、
前記第二貫通孔の内壁に沿うように配置された、中空状の絶縁部材と、
前記絶縁部材の内側を通過して前記第二貫通孔を貫通するように配置され、複数の前記半導体レーザ素子に対して給電するための、給電ピンと、
前記第一ヒートシンクの面上に配置されたミラーとを有し、
前記給電ピンが前記第二貫通孔から前記第二面よりも前記第一方向に突出する長さは、前記第一ヒートシンクが前記第一貫通孔から前記第二面よりも前記第一方向に突出する長さより短く、
複数の前記サブマウントは、前記第一ヒートシンクの面のうち、前記第一面と平行な面上に配置され、
複数の前記半導体レーザ素子は、それぞれ前記第一方向及び前記第二方向に直交する第三方向に光を出射するように、複数の前記サブマウントの面上に配置され、
前記ミラーは、複数の前記半導体レーザ素子から前記第三方向に向けて出射された光の進行方向を、前記第一方向に変換することを特徴とする、半導体レーザ光源装置。 A first surface, a second surface facing the first surface in a first direction, and a first through hole and a second through hole formed in a partial area and reaching the second surface from the first surface. Including a hole, a stem made of a first metal material,
In the state where the portion exposed on the first surface side and the portion exposed on the second surface side have the same shape when viewed from the first direction , a part is fitted in the first through hole. A first heat sink having a rectangular parallelepiped shape , made of a second metal material having a higher thermal conductivity than the first metal material,
On the surface of the first heat sink exposed on the first surface side of the first through hole, a plurality of sub-mounts are arranged along a second direction orthogonal to the first direction,
A plurality of semiconductor laser devices arranged on each surface of the plurality of submounts,
A hollow insulating member arranged along the inner wall of the second through-hole,
A power supply pin arranged to pass through the inside of the insulating member and penetrate the second through-hole, and to supply power to the plurality of semiconductor laser elements ,
Having a mirror disposed on a surface of the first heat sink ,
The length of the power supply pin protruding from the second through hole in the first direction from the second surface is such that the first heat sink protrudes from the first through hole in the first direction from the second surface. Shorter than
The plurality of submounts are arranged on a surface parallel to the first surface among the surfaces of the first heat sink,
The plurality of semiconductor laser elements are arranged on a surface of the plurality of submounts so as to emit light in a third direction orthogonal to the first direction and the second direction, respectively.
The semiconductor laser light source device , wherein the mirror changes a traveling direction of light emitted from the plurality of semiconductor laser elements in the third direction to the first direction .
前記第二金属材料は、銅、銅合金からなる群より選択された1種以上の材料であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体レーザ光源装置。 The first metal material is one or more materials selected from the group consisting of iron and iron alloys,
The semiconductor laser light source device according to any one of claims 1 to 6 , wherein the second metal material is at least one material selected from the group consisting of copper and a copper alloy.
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