JP6814930B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本開示は、産業用途の分野で、レーザ光による加工（溶接、接合および切断など）のために光源として用いる高出力の半導体レーザ装置に関し、特に、半導体レーザ装置の冷却構造に関する。

近年、半導体レーザ装置の高出力化の進展は著しく、半導体レーザ装置は、産業用途の分野で、レーザ光による加工（溶接、接合および切断など）を行う加工装置の光源として期待されている。

半導体レーザ素子は、半導体ウェハから多数の素子を同時に生産できるので、小型であり、生産効率も高い。そのため、半導体レーザ素子は、数十Ｗ級の半導体レーザ装置のレーザ光の小型光源として適している。このような高出力の半導体レーザ装置の光源としては、複数の単体型半導体レーザ素子を組み合わせたものや、アレイ型半導体レーザ素子が用いられる。アレイ型半導体レーザ素子は、１つのチップ内に隣接した複数の活性領域を有し、チップの端面に、互いに隣接した複数の、エミッタと呼ばれる発光点を有する。単体型半導体レーザ素子は、チップの端面に１つのエミッタを有する。

さらに、半導体レーザ装置から射出されるレーザ光は、数ミクロン程度の領域内に集光できる。そのため、極めて微小な領域にレーザ光のエネルギーを集中できる半導体レーザ装置は、局所的な加工に最適である。

しかしながら、加工に用いる半導体レーザ装置は、１０Ｗ程度から数十Ｗ級の出力で動作させるため、光ディスク等に用いられる数百ｍＷ級の出力の半導体レーザ装置に比べて、動作に必要な電流が非常に多く、半導体レーザ素子の活性領域における発熱量も非常に大きい。したがって、高い信頼性で、加工に用いる半導体レーザ装置を高出力に保ち、かつ、長寿命で動作させるためには、半導体レーザ素子の活性領域で発生した熱を速やかに外部に逃がし、活性領域の温度上昇を抑えることが重要となる。

特許文献１〜３には、チップの放熱を促進する構造の半導体レーザ装置が提案されている。図９を用いて、特許文献３に記載された従来の半導体レーザ装置について説明する。

図９は、従来の半導体レーザ装置９００の斜視図である。図９に示すように、従来の半導体レーザ装置９００では、半導体レーザ素子９０１が、半田層９０２を介して、ヒートシンク９０３に実装されている。

従来の半導体レーザ装置９００は、図９における手前の面に対応する、半導体レーザ素子９０１のレーザ射出面からレーザ光９０４を射出する。従来の半導体レーザ装置９００は、半導体レーザ素子９０１のレーザ射出面が、ヒートシンク９０３の側面と同一面上に位置するように、半田層９０２でヒートシンク９０３に接合されている。

この構成により、半導体レーザ素子９０１のレーザ射出面から射出されたレーザ光９０４は、ヒートシンク９０３に遮られることがない。また、半導体レーザ素子９０１の熱はヒートシンク９０３によって十分に放熱される。

また、特許文献４には、レーザダイオードアレイが搭載される冷却装置の内部に冷却水の通路が設けることによって、レーザダイオードアレイを冷却する機能を高めた光源装置が提案されている。

また、特許文献５には、液冷システムを有する電子機器について提案されている。特に、冷却液に腐食抑制剤を添加し、腐食抑制剤を吸着させたイオン交換樹脂を設けることで、アルミニウムと銅が共存する系における腐食を防止することが提案されている。

特開平１−２８１７８６号公報 特開２００８−３１１４９１号公報 特開２０１０−４０９３３号公報 特開平１０−２０９５３１号公報 特開２００４−４７８４２号公報

従来の半導体レーザ装置では、冷却経路の腐食などの不具合が発生し、これに対し、特許文献５に記載された電子機器では、腐食抑制剤を添加した冷却水を用い、さらに、イオン交換器を設ける必要があった。

本開示は、半導体レーザ装置の冷却構造の不具合をより簡便に解消し、レーザ光の特性が安定し、均一である高出力の半導体レーザ装置を提供する。

上記課題を解決するために、本開示に係る半導体レーザ装置は、冷却プレートと、絶縁シートと、第１の冷却ブロックと、第１の半導体レーザ素子とを有する。冷却プレートは、互いに独立した給水路と排水路とを内部に有し、導電性である。絶縁シートは、冷却プレートの上に設けられ、給水路に接続された第１の貫通孔と排水路に接続された第２の貫通孔とを有する。第１の冷却ブロックは、絶縁シートの上に設けられ、第１の貫通孔および第２の貫通孔に接続された第１の管を内部に有し、導電性である。第１の半導体レーザ素子は、第１の冷却ブロックの上に設けられている。第１の半導体レーザ素子は、第１の電極および第１の電極とは反対側の第２の電極とを有する。第１の電極は第１の冷却ブロックと電気的に接続され、冷却プレートは、浮遊電位である。

上記の構成により、より簡便な構造で半導体レーザ素子の冷却を行うことができ、レーザ光の特性が安定し均一である高出力の半導体レーザ装置を実現できる。

図１は、実施の形態の実験に係る半導体レーザ装置１０と冷却水の循環経路の平面模式図である。 図２は、実施の形態の実験に係る半導体レーザ装置１０であって、図１のＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。 図３は、実施の形態の実験に用いた冷却水の写真を示す図である。 図４は、実施の形態の実験で検出された浮遊物３１のＥＤＳ分析結果を示すグラフである。 図５は、実施の形態に係る半導体レーザ装置５０と冷却水の循環経路の平面模式図である。 図６は、実施の形態に係る半導体レーザ装置５０であって、図５のＶＩ−ＶＩにおける断面模式図である。 図７Ａは、実施の形態に係るＭＣＣモジュールの平面模式図を示す。 図７Ｂは、図７ＡのＶＩＩｂ−ＶＩＩｂにおける断面模式図を示す。 図７Ｃは、図７ＡのＶＩＩｃ−ＶＩＩｃにおける断面模式図を示す。 図８Ａは、実施の形態にかかる冷却プレート１８の給水路２１の開口部の写真を示す図であり、半導体レーザ素子１１を動作させずに冷却水を通水させ、７２０時間が経過した時点の状態を示す。 図８Ｂは、実施の形態にかかる冷却プレート１８の給水路２１の開口部の写真を示す図であり、半導体レーザ素子１１を動作させ、冷却プレート１８を浮遊電位にし、冷却水を通水させ、４８０時間経過した時点の状態を示す。 図８Ｃは、実施の形態にかかる冷却プレート１８の給水路２１の開口部の写真を示す図であり、半導体レーザ素子１１を動作させ、冷却プレート１８を接地し、冷却水を通水させ、５５２時間経過した時点の状態を示す。 図８Ｄは、実施の形態にかかる冷却プレート１８の給水路２１の開口部の写真を示す図であり、半導体レーザ素子１１を動作させ、冷却プレート１８を接地し、冷却水を通水させ、２３００時間経過した時点の状態を示す。 図９は、従来の半導体レーザ装置９００の斜視図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同じ構成要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするためにそれぞれの構成要素を主体に模式的に示している。

（実施の形態）
図１は、本実施の形態の実験に係る半導体レーザ装置１０と冷却水の循環経路の平面模式図である。図２は、本実施の形態の実験に係る半導体レーザ装置１０であって、図１のＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。図３は、本実施の形態の実験に用いた冷却水の写真を示す図である。図４は、本実施の形態の実験で検出された浮遊物３１のＥＤＳ分析結果を示すグラフである。図５は本実施の形態に係る半導体レーザ装置５０と冷却水の循環経路の平面摸式図である。図６は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置５０であって、図５のＶＩ−ＶＩにおける断面模式図である。図７Ａ〜図７Ｃは、本実施の形態にかかるＭＣＣモジュールの模式図であり、図７Ａは平面模式図、図７Ｂは図７ＡのＶＩＩｂ−ＶＩＩｂにおける断面模式図、図７Ｃは図７ＡのＶＩＩｃ−ＶＩＩｃにおける断面模式図である。図８Ａ〜図８Ｄは、本実施の形態にかかる冷却プレート１８の給水路２１の開口部の写真を示す図である。図８Ａは半導体レーザ素子１１を動作させずに冷却水を通水させ、７２０時間が経過した時点の状態を示す。図８Ｂは半導体レーザ素子１１を動作させ、冷却プレート１８を浮遊電位にし、冷却水を通水させ、４８０時間経過した時点の状態を示す。図８Ｃは半導体レーザ素子１１を動作させ、冷却プレート１８を接地し、冷却水を通水させ、５５２時間経過した時点の状態を示す。図８Ｄは半導体レーザ素子１１を動作させ、冷却プレート１８を接地し、冷却水を通水させ、２３００時間経過した時点の状態を示す。

まず、本実施の形態の実験について、図１〜４、および図８Ａ、図８Ｃ、図８Ｄを用いて説明する。図１および図２に示すように、導電性の冷却プレート１８の上に、絶縁シート１９を介して複数の導電性の冷却ブロック１５（第１の冷却ブロック）が搭載されている。また、それぞれの冷却ブロック１５の上には半導体レーザ素子１１（第１の半導体レーザ素子）が搭載されている。冷却プレート１８と冷却ブロック１５とは絶縁シート１９によって電気的に絶縁されており、冷却ブロック１５と半導体レーザ素子１１の正電極１１１（第１の電極）とは電気的に接続されている。ここで、半導体レーザ素子１１が搭載された冷却ブロック１５をＭＣＣ（Ｍｉｃｒｏ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｃｏｏｌｅｒ）モジュールという。また、冷却ブロック１５の主な材料は銅であり、冷却プレート１８の主な材料はステンレス鋼である。

また、図１に示すように、半導体レーザ素子１１の負電極１１２（第２の電極）は、隣接するＭＣＣモジュールの冷却ブロック１５と電気的に接続されており、これにより、ＭＣＣモジュールは直列に接続されている。なお、半導体レーザ素子１１では正電極１１１と負電極１１２とが対抗して配置されており、正電極１１１から負電極１１２に電流が流れると発光点（エミッタ）からレーザ光が射出される。また、直列に接続された複数のＭＣＣモジュールのうちの一端のＭＣＣモジュール（図１では右端のＭＣＣモジュール）では、半導体レーザ素子１１の負電極１１２は接地電位であり、かつ、電源の負極と接続されている。直列に接続された複数のＭＣＣモジュールのうちの他端のＭＣＣモジュール（図１では左端のＭＣＣモジュール）では、冷却ブロック１５が電源の正極と接続されている。これにより、それぞれの半導体レーザ素子１１では、正電極１１１から負電極１１２に向かって電流が流れる。なお、図２では、半導体レーザ素子１１の負電極１１２と、電源の負極や接地との接続について、直列接続で挿入される他のＭＣＣモジュール（図１では右側４つのＭＣＣモジュール）を省略して記載している。また、電源の向きを反対にし、半導体レーザ素子１１の正電極１１１と負電極１１２を入れ替えても構わない。

さらに、図１および図２に示すように、冷却プレート１８は、互いに独立した給水路２１と排水路２２とを有する。冷却プレート１８の給水路２１および排水路２２は、ＭＣＣモジュールごとに開口部が設けられている。また、絶縁シート１９は、給水路２１の開口部に接続される第１の貫通孔１９１と、排水路２２の開口部に接続される第２の貫通孔１９２とを有する。さらに、ＭＣＣモジュールの冷却ブロック１５（第１の冷却ブロック）は、絶縁シート１９の第１の貫通孔１９１と第２の貫通孔１９２とを接続するように内部に第１の管２３が設けられている。ここで、冷却ブロック１５と冷却プレート１８との間には、絶縁シート１９の第１の貫通孔１９１および第２の貫通孔１９２に設けられた絶縁性のＯリングを挟んでいても良い。なお、ＭＣＣモジュールが２つ設けられた半導体レーザ装置１０においては、２つ目のＭＣＣモジュールには、１つ目のＭＣＣモジュールの第１の半導体レーザ素子、第１の冷却ブロック、第１の管、第１の貫通孔、第２の貫通孔、正電極である第１の電極、負電極である第２の電極のそれぞれに対応した第２の半導体レーザ素子、第２の冷却ブロック、第２の管、第３の貫通孔、第４の貫通孔、正電極である第３の電極、負電極である第４の電極が設けられる。なお、本実施の形態の実験においては、半導体レーザ装置１０に５つのＭＣＣモジュールが設けられているが、ＭＣＣモジュールは１つであっても構わない。

さらに、給水路２１と排水路２２とは、配管コネクタ２４と絶縁性の配管２５を用いて、循環装置２６に接続されている。循環装置２６は、冷却水を循環させるとともに、冷却水の熱を放出する熱交換器を有する。冷却水は、例えば、導電率が１０μＳ／ｃｍ未満のイオン交換水である。そして、図１および図２の矢印２０で示される方向に、冷却水が半導体レーザ装置１０内を循環している。また、図２に示すように、半導体レーザ装置１０は、レーザ光が通過する開口部２８を設けた導電性の筐体２７の内部に搭載される。筐体２７は接地されており、冷却プレート１８は、筐体２７に接続されることで接地電位となっている。

次に、この半導体レーザ装置１０を用いた実験について説明する。

まず、半導体レーザ装置１０において、電源をオフの状態で、半導体レーザ素子１１を動作させずに、冷却水を７２０時間通水させた。このときの冷却プレート１８の給水路２１の開口部は、図８Ａに示すように、堆積物がない状態であった。次に、半導体レーザ装置１０において、電源をオンの状態で、半導体レーザ素子１１を動作させて、冷却水を５５２時間通水させた。このときの冷却プレート１８の給水路２１の開口部は、図８Ｃに示すように、堆積物が発生していた。さらに、この状態で冷却水を２３００時間通水させると、冷却水の循環ができなくなった。このとき、冷却プレート１８の給水路２１の開口部は、図８Ｄに示すように、堆積物が開口部をふさぎつつある状態であった。また、冷却ブロック１５の第１の管２３は冷却水を通水させることができず、完全に堆積物によってふさがれていた。

次に、堆積物が発生する条件での冷却水について説明する。図３は、堆積物を発生させた冷却水の写真を示す図である。図３に示すように、冷却水に浮遊物３１が発生していることがわかる。さらに、図４は、冷却水中の浮遊物３１のＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析結果を示すグラフである。図４に示すように、浮遊物３１に鉄（Ｆｅ）が多く含まれることから、浮遊物３１は冷却プレート１８の材料であるステンレス鋼が冷却水中に溶けて析出したものであることがわかる。

発明者らは、冷却プレート１８のステンレス鋼の析出の原理について考察した。半導体レーザ素子１１の正電極１１１と負電極１１２との間に電圧を印加して電流を流すと、正電極１１１と電気的に接続された冷却ブロック１５は正電位となる。このとき、冷却水が正イオン化されて循環経路を循環し、接地電位である冷却プレート１８のステンレスを溶かしていると考えられる。そして、冷却水に溶けだしたステンレス鋼の成分（例えば鉄）が飽和し、循環経路のいたるところで析出していると考えられる。

次に、本実施の形態について、図５〜８を用いて、説明する。なお、図５および図６において、図１および図２と重複する説明は省略する。図５が図１と相違する点は、冷却プレート１８が接地されていない点である。また、図６が図２と相違する点は、冷却プレート１８と筐体２７との間に絶縁ボード２９を介して、冷却プレート１８を浮遊電位としている点である。

図７Ａ〜図７Ｃは、本実施の形態に係るＭＣＣモジュールの模式図であり、図７Ａは平面模式図、図７Ｂは図７ＡのＶＩＩｂ−ＶＩＩｂにおける断面模式図、図７Ｃは図７ＡのＶＩＩｃ−ＶＩＩｃにおける断面模式図である。

図７Ａ〜図７Ｃに示すように、冷却ブロック１５の上には、半導体レーザ素子１１を搭載するために、冷却ブロック１５の側から、導電性の半田層１４と、導電性のサブマウント１３（第１の導電板）と、導電性の半田層１２とが形成されている。半田層１２には、半導体レーザ素子１１の正電極１１１が接続されている。サブマウント１３は、半導体レーザ素子１１の正電極１１１および冷却ブロック１５の熱膨張係数を調整し、膨張率の違いによる半導体レーザ素子１１の反り返りを防止する。

また、図７Ａ〜図７Ｃに示すように、半導体レーザ素子１１を囲むように、冷却ブロック１５の側から、絶縁性の接着テープ１７と導電性のボンド板１６とが形成されている。そして、半導体レーザ素子１１のレーザ光の射出面は、冷却ブロック１５の側面と同一平面になるように位置している。また、サブマウント１３の側面も、冷却ブロック１５の側面と同一平面になるように位置している。すなわち、半導体レーザ素子１１は、図７Ａ及び図７Ｂにおける右側側面がレーザ射出面１１３であり、レーザ射出面１１３から右側にレーザ光を射出する。

半田層１２の材料は金スズ（ＡｕＳｎ）を主成分とする半田であり、半田層１２の厚さは２〜５μｍである。半導体レーザ素子１１は半田層１２によって、サブマウント１３に接着されている。半田層１２は、蒸着またはめっきによって、サブマウント１３に形成され、半導体レーザ素子１１はサブマウント１３に形成された半田層１２に接着される。

半田層１２は、半導体レーザ素子１１の底面全てに接するように形成されていればよい。図７Ａに示すように、半田層１２が、半導体レーザ素子１１のレーザ射出面１１３以外の側面からはみ出していることが好ましい。これにより、半導体レーザ素子１１の底面全てに半田層１２を形成させることができる。また、半田層１２は、サブマウント１３の上面の全てに形成されていても構わない。

サブマウント１３の材料は、主に銅タングステン（ＣｕＷ）であり、サブマウント１３の厚さは約３００μｍである。サブマウント１３の材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などを用いても良い。

半田層１４の材料はスズ銀（ＳｎＡｇ）を主成分とする半田であり、半田層１４の厚さは約２０μｍである。サブマウント１３は半田層１４によって、冷却ブロック１５に接着されている。半田層１４は箔状のものを冷却ブロック１５の上面に形成し、サブマウント１３は半田層１４に接着される。半田層１４の厚みによって、冷却ブロック１５の表面の凹凸を緩和させた状態で、サブマウント１３を冷却ブロック１５に搭載できる。これにより、サブマウント１３から冷却ブロック１５への放熱がさらに向上できる。

半導体レーザ素子１１の上面である負電極１１２は、金（Ａｕ）の金属細線（図示せず）により導電性のボンド板１６に電気的に接続されている。また、絶縁性の接着テープ１７と絶縁シート１９は、例えば、ポリイミドであるが、ポリイミド以外の絶縁材料も使用可能である。

次に、本実施の形態の効果について説明する。図８Ｂは、半導体レーザ装置５０の半導体レーザ素子１１を動作させ、冷却プレート１８を浮遊電位にし、冷却水を通水させ、４８０時間経過した写真を示す図である。図８Ｂに示すように、このとき、冷却プレート１８の給水路２１の開口部は、堆積物がない状態であった。すなわち、半導体レーザ素子１１を作動させても、冷却プレート１８のステンレス成分が冷却水に溶出していないことがわかる。これは、冷却プレート１８を浮遊電位にしてすることで、半導体レーザ素子１１を作動させて冷却水が正イオン化しても、それに合わせて冷却プレート１８が帯電し、ステンレス鋼の成分が溶出することを抑制するためである。

これにより、冷却水の循環経路、特に、経路が細くなる冷却ブロック１５の第１の管２３の詰まりを、より簡便な構造で防止することができ、半導体レーザ素子１１の放熱性を安定的に十分保つことができる。これにより、レーザ光の特性が安定し、均一である高出力の半導体レーザ装置が実現できる。

本開示によれば、より簡便な構造で半導体レーザ素子の冷却を行うことができ、レーザ光の特性が安定し均一である高出力の半導体レーザ装置を実現できる。これにより、産業用途の分野で、レーザ光による加工（溶接、接合および切断）を行う加工装置の光源として、また、通信用、その他民生機器の半導体レーザ装置の光源として有用である。

１０ 半導体レーザ装置
１１ 半導体レーザ素子
１１１ 正電極
１１２ 負電極
１１３ レーザ射出面
１２ 半田層
１３ サブマウント
１４ 半田層
１５ 冷却ブロック
１６ 導電性のボンド板
１７ 絶縁性の接着テープ
１８ 冷却プレート
１９ 絶縁シート
１９１ 第１の貫通孔
１９２ 第２の貫通孔
２０ 矢印
２１ 給水路
２２ 排水路
２３ 管
２４ 配管コネクタ
２５ 配管
２６ 循環装置
２７ 筐体
２８ 開口部
２９ 絶縁ボード
３１ 浮遊物
５０ 半導体レーザ装置
９００ 半導体レーザ装置
９０１ 半導体レーザ素子
９０２ 半田層
９０３ ヒートシンク
９０４ レーザ光

Claims (3)

1. レーザ光が通過する開口部を設けた導電性の筐体と、
   前記筐体と、絶縁ボードを介して接続され、かつ互いに独立した給水路と排水路とを内部に有し、導電性である冷却プレートと、
   前記冷却プレートの上に設けられ、前記給水路に接続された第１の貫通孔と前記排水路に接続された第２の貫通孔とを有する絶縁シートと、
   前記絶縁シートの上に設けられ、前記第１の貫通孔および前記第２の貫通孔に接続された第１の管を内部に有し、導電性である第１の冷却ブロックと、
   前記第１の冷却ブロックの上に設けられた第１の半導体レーザ素子と、
   前記第１の半導体レーザ素子は、第１の電極および前記第１の電極とは反対側の第２の電極とを有し、
   前記第１の電極は前記第１の冷却ブロックと電気的に接続され、
   前記筐体は接地され、
   前記冷却プレートは、浮遊電位である半導体レーザ装置。
2. 前記第１の電極と前記第１の冷却ブロックとの間に設けられた、前記第１の電極および前記第１の冷却ブロックの熱膨張係数を調整する第１の導電板と、
   前記第１の冷却ブロックの上であって、かつ前記第１の半導体レーザ素子の出射面を除く前記第１の半導体レーザ素子の周辺に設けられた導電性のボンド板と、
   を備え、
   前記第１の半導体レーザ素子は、導電性の接着層により、前記第１の導電板に接着され、
   前記第１の導電板の前記第１の冷却ブロックへの投影面積は、前記第１の半導体レーザ素子の前記第１の冷却ブロックへの投影面積よりも大きく、
   前記接着層は、前記第１の半導体レーザ素子の前記出射面以外の側面からはみ出て形成された、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記絶縁シートの上に設けられ、導電性である第２の冷却ブロックと、
   前記第２の冷却ブロックの上に設けられた第２の半導体レーザ素子とをさらに備え、
   前記絶縁シートは、前記給水路に接続された第３の貫通孔と前記排水路に接続された第４の貫通孔とを有し、
   前記第２の冷却ブロックは、前記第３の貫通孔および前記第４の貫通孔に接続された第２の管を内部に有し、
   前記第２の半導体レーザ素子は、第３の電極および前記第３の電極とは反対側の第４の電極とを有し、
   前記第３の電極は前記第２の冷却ブロックと電気的に接続され、
   前記第２の冷却ブロックと前記第２の電極とは電気的に接続されている請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ装置。