JP7301211B2 - 半導体レーザモジュール - Google Patents

Description

本開示は、レーザ光を出力する半導体レーザモジュールに関する。

従来、ワークを加工するために、レーザ光を出力する複数の半導体レーザモジュールを有するレーザシステムが用いられている。レーザシステムの高出力化のため、複数の半導体レーザモジュールの各々の高出力化が求められている。半導体レーザモジュールの高出力化は、発熱量の増加に伴って半導体レーザ素子の温度の上昇を招く。半導体レーザ素子の出力に関連する初期特性の劣化を抑制するために、排熱性能が考慮された半導体レーザモジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１は、半導体レーザ素子が載置される上部アノード冷却器と底部アノード冷却器とを含むアノード冷却器を有するレーザデバイスを開示している。当該レーザデバイスは、上部アノード冷却器と底部アノード冷却器とにより構成される水路において上部アノード冷却器に水を噴射することにより上部アノード冷却器を冷却することを可能にしている。上部アノード冷却器が冷却されると、半導体レーザ素子の温度の上昇は抑制される。

特表２０１９－５２６１６５号公報

しかしながら、特許文献１が開示している技術では、水の噴射により上部アノード冷却器において壊食が発生し、上部アノード冷却器が欠損する。また、特許文献１が開示している技術では、水路における水に電圧が印加されるので上部アノード冷却器において電食が発生し、上部アノード冷却器が欠損する。すなわち、特許文献１が開示している技術では、半導体レーザモジュールの寿命を長期化することは困難である。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、出力に関連する初期特性の劣化を抑制すると共に寿命を長期化する半導体レーザモジュールを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る半導体レーザモジュールは、導電サブマウントと、レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子に電流を流すためのカソードと、半導体レーザ素子で発生する熱を放散させるヒートシンクとを有する。ヒートシンクは、アノードと、アノードより半導体レーザ素子から離れた場所に位置している第１の絶縁層と、第１の絶縁層より半導体レーザ素子から離れた場所に位置している水路部とを有する。水路部は、金属で形成されていて、上記の熱を放散させるための水の流路の一部を含む。導電サブマウントは、アノードを形成する物質の線膨張係数より半導体レーザ素子の線膨張係数に近い線膨張係数を持つ物質で形成されている。アノードは、ヒートシンクにおいて半導体レーザ素子寄りの最も外側に位置している。導電サブマウントは、アノードに載置されている。半導体レーザ素子は、導電サブマウントに載置されている。

本開示に係る半導体レーザモジュールは、出力に関連する初期特性の劣化を抑制すると共に寿命を長期化することができるという効果を奏する。

実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの断面を模式的に示す図 実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの平面を模式的に示す図 実施の形態２に係る半導体レーザモジュールの断面を模式的に示す図 実施の形態３に係る半導体レーザモジュールの断面を模式的に示す図 実施の形態４に係る半導体レーザモジュールの断面を模式的に示す図

以下に、実施の形態に係る半導体レーザモジュールを図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体レーザモジュール１の断面を模式的に示す図である。図２は、実施の形態１に係る半導体レーザモジュール１の平面を模式的に示す図である。図１は、図２のＡ－Ａ矢視図である。更に言うと、図１は、図２のＡ－Ａ線断面図である。半導体レーザモジュール１は、レーザ光を出力する半導体レーザ素子２を有する。例えば、半導体レーザ素子２のレーザ光の出力に主に寄与する半導体はヒ化ガリウムである。例えば、半導体レーザ素子２の発振出力は、数百ワット以上である。半導体レーザモジュール１は、半導体レーザ素子２に電流を流すためのカソード３を更に有する。カソード３は、導電性を有する。例えば、カソード３は銅で形成されている。

半導体レーザモジュール１は、半導体レーザ素子２とカソード３とを接続する導電ワイヤ４を更に有する。例えば、導電ワイヤ４は、電気抵抗が比較的小さく、かつ比較的低温で接合を行うことが可能な金属で形成されている。導電ワイヤ４の線膨張係数は、半導体レーザ素子２の線膨張係数と同等である。例えば、導電ワイヤ４は、金又は銀で形成されている。

半導体レーザモジュール１は、半導体レーザ素子２で発生する熱を放散させるヒートシンク５と、導電サブマウント６と、半導体レーザ素子２で発生する熱を放散させる放熱シート７とを更に有する。ヒートシンク５及び導電サブマウント６の詳細については、後述する。放熱シート７は、電気的絶縁性を有する。例えば、放熱シート７の熱伝導率は１０Ｗ／Ｋ・ｍより大きく、放熱シート７の厚さは０.３ｍｍから０．８ｍｍである。例えば、放熱シート７はシリコンで形成されている。

ヒートシンク５は、アノード５１を有する。実施の形態１では、アノード５１は、ヒートシンク５において半導体レーザ素子２寄りの最も外側に位置している。例えば、アノード５１の熱伝導率は３００Ｗ／Ｋ・ｍより大きく、アノード５１の線膨張係数は半導体レーザ素子２の線膨張係数より大きい。例えば、アノード５１は銅で形成されており、アノード５１の形状は板状である。

ヒートシンク５は、アノード５１より半導体レーザ素子２から離れた場所に位置している第１の絶縁層５２を更に有する。例えば、第１の絶縁層５２の熱伝導率は１５０Ｗ／Ｋ・ｍ以上１０００Ｗ／Ｋ・ｍ以下であり、第１の絶縁層５２の線膨張係数は半導体レーザ素子２の線膨張係数より小さい。例えば、第１の絶縁層５２は窒化アルミニウム又は炭化ケイ素で形成されている。例えば、第１の絶縁層５２の形状は板状である。

ヒートシンク５は、第１の絶縁層５２より半導体レーザ素子２から離れた場所に位置している水路部５３を更に有する。水路部５３は、半導体レーザ素子２で発生する熱を放散させるための水の流路の一部を有する。当該流路は、図１では、ヒートシンク５のハッチングが施されていない部位である。水路部５３は、金属で形成されている。金属の例は、銅である。例えば、水路部５３の熱伝導率は３００Ｗ／Ｋ・ｍ以上５００Ｗ／Ｋ・ｍ以下であり、水路部５３の線膨張係数は半導体レーザ素子２の線膨張係数より大きい。

ヒートシンク５は、水路部５３より半導体レーザ素子２から離れた場所に位置している第２の絶縁層５４を更に有する。例えば、第２の絶縁層５４の熱伝導率は１５０Ｗ／Ｋ・ｍ以上１０００Ｗ／Ｋ・ｍ以下であり、第２の絶縁層５４の線膨張係数は半導体レーザ素子２の線膨張係数より小さい。例えば、第２の絶縁層５４は窒化アルミニウム又は炭化ケイ素で形成されている。例えば、第２の絶縁層５４の形状は板状である。

図１に示される通り、ヒートシンク５において、アノード５１、第１の絶縁層５２、水路部５３及び第２の絶縁層５４は、この順に積層されている。水路部５３は、第１の絶縁層５２と第２の絶縁層５４とで挟まれている。上述の通り、実施の形態１では、アノード５１は、ヒートシンク５において半導体レーザ素子２寄りの最も外側に位置している。

ヒートシンク５は、水路部５３に接続されていて水路部５３に水を供給するための給水部５５と、水路部５３に接続されていて水路部５３から水を除去するための排水部５６とを更に有する。給水部５５及び排水部５６の各々は、水の流路の一部を有する。上述の通り、図１では、ハッチングが施されていない部位は、半導体レーザ素子２で発生する熱を放散させるための水が流れる流路である。

図１では、給水部５５及び排水部５６の各々は、破線より半導体レーザ素子２から離れている場所に位置している。給水部５５及び排水部５６の各々の一部は、第２の絶縁層５４より半導体レーザ素子２から離れた場所に位置している。例えば、給水部５５及び排水部５６の各々は、金属で形成されている。金属の例は、銅である。例えば、給水部５５及び排水部５６の各々の熱伝導率は３００Ｗ／Ｋ・ｍ以上５００Ｗ／Ｋ・ｍ以下であり、給水部５５及び排水部５６の各々の線膨張係数は半導体レーザ素子２の線膨張係数より大きい。

半導体レーザ素子２で発生する熱を放散させるための水は、給水部５５の流路からヒートシンク５の内部に供給され、水路部５３の流路を通って排水部５６の流路からヒートシンク５の外部に排出される。ヒートシンク５では、水は給水部５５、水路部５３及び排水部５６の流路を流れ、水は水路部５３において噴射されない。

導電サブマウント６は、ヒートシンク５が有するアノード５１を形成する物質の線膨張係数より半導体レーザ素子２の線膨張係数に近い線膨張係数を持つ物質で形成されている。例えば、導電サブマウント６の熱伝導率は１５０Ｗ／Ｋ・ｍ以上１０００Ｗ／Ｋ・ｍ以下である。導電サブマウント６の線膨張係数は半導体レーザ素子２の線膨張係数と同程度の６－７ｐｐｍ／Ｋである。例えば、半導体レーザ素子２のレーザ光の出力に主に寄与する半導体がヒ化ガリウムであって、アノード５１が銅で形成されている場合、導電サブマウント６は銅タングステン又は窒化アルミニウムで形成される。導電サブマウント６は、アノード５１に載置されている。半導体レーザ素子２は、導電サブマウント６に載置されている。放熱シート７も、アノード５１に載置されている。

上述の通り、実施の形態１に係る半導体レーザモジュール１が有するヒートシンク５では、水は給水部５５、水路部５３及び排水部５６の流路を流れる。水路部５３の流路を流れる水は、第１の絶縁層５２、アノード５１及び導電サブマウント６を介して半導体レーザ素子２で発生する熱を放散させる。すなわち、半導体レーザ素子２は冷却される。そのため、半導体レーザモジュール１は出力に関連する初期特性の劣化を抑制することができる。

ヒートシンク５では、水は水路部５３において噴射されない。そのため、水路部５３における壊食の発生は抑制される。ヒートシンク５では、アノード５１、第１の絶縁層５２、水路部５３及び第２の絶縁層５４が、この順に積層されている。つまり、水路部５３は絶縁されている。そのため、水路部５３の流路を流れる水への電圧の印加は抑制される。その結果、水路部５３の電食による欠損は抑制される。したがって、実施の形態１に係る半導体レーザモジュール１は、出力に関連する初期特性の劣化を抑制すると共に寿命を長期化することができる。

ヒートシンク５は、第１の絶縁層５２に加えて第２の絶縁層５４を有する。第１の絶縁層５２と第２の絶縁層５４とは、水路部５３を挟んでいる。そのため、ヒートシンク５が第２の絶縁層５４を有しない場合に比べて、第１の絶縁層５２と第２の絶縁層５４とを有するヒートシンク５が反ることは抑制される。すなわち、ヒートシンク５が第２の絶縁層５４を有しない場合に比べて、半導体レーザ素子２が載置されている状態は安定する。したがって、実施の形態１に係る半導体レーザモジュール１は寿命を長期化することができる。

半導体レーザモジュール１は、ヒートシンク５が有するアノード５１を形成する物質の線膨張係数より半導体レーザ素子２の線膨張係数に近い線膨張係数を持つ導電サブマウント６を有する。導電サブマウント６は、アノード５１に載置されている。半導体レーザ素子２は、導電サブマウント６に載置されている。すなわち、半導体レーザ素子２がアノード５１に直接載置される場合に比べて、半導体レーザ素子２への応力は抑制される。半導体レーザ素子２への応力が抑制されると、半導体レーザ素子２が載置されている状態は安定する。したがって、実施の形態１に係る半導体レーザモジュール１は寿命を長期化することができる。加えて、導電ワイヤ４の線膨張係数は半導体レーザ素子２の線膨張係数と同等であるので、半導体レーザ素子２への応力は抑制され、半導体レーザ素子２が載置されている状態は安定し、ひいては半導体レーザモジュール１は寿命を長期化することができる。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る半導体レーザモジュール１Ａの断面を模式的に示す図である。半導体レーザモジュール１Ａの平面は、実施の形態１に係る半導体レーザモジュール１の平面と同じである。半導体レーザモジュール１Ａは、実施の形態１に係る半導体レーザモジュール１が有するすべての構成要素のうちの第２の絶縁層５４以外の構成要素を有する。半導体レーザモジュール１Ａは、第２の絶縁層５４を有しない。半導体レーザモジュール１Ａは、実際の形態１のヒートシンク５に代えて、ヒートシンク５が有する構成要素のうちの第２の絶縁層５４以外の構成要素を有するヒートシンク５Ａを有する。

実施の形態１において説明した通り、ヒートシンク５Ａでは、水は給水部５５、水路部５３及び排水部５６の流路を流れる。水路部５３の流路を流れる水は、半導体レーザ素子２で発生する熱を放散させる。すなわち、半導体レーザ素子２は冷却される。そのため、半導体レーザモジュール１Ａは出力に関連する初期特性の劣化を抑制することができる。ヒートシンク５Ａでは、水は水路部５３において噴射されない。そのため、水路部５３における壊食の発生は抑制される。ヒートシンク５Ａでは、水路部５３は絶縁されている。そのため、水路部５３の電食による欠損は抑制される。したがって、実施の形態２に係る半導体レーザモジュール１Ａは、出力に関連する初期特性の劣化を抑制すると共に寿命を長期化することができる。

半導体レーザモジュール１Ａも、ヒートシンク５Ａが有するアノード５１を形成する物質の線膨張係数より半導体レーザ素子２の線膨張係数に近い線膨張係数を持つ導電サブマウント６を有する。導電サブマウント６は、アノード５１に載置されている。半導体レーザ素子２は、導電サブマウント６に載置されている。すなわち、半導体レーザ素子２がアノード５１に直接載置される場合に比べて、半導体レーザ素子２への応力は低減する。半導体レーザ素子２への応力が低減すると、半導体レーザ素子２が載置されている状態は安定する。したがって、半導体レーザモジュール１Ａは寿命を長期化することができる。

実施の形態３．
図４は、実施の形態３に係る半導体レーザモジュール１Ｂの断面を模式的に示す図である。半導体レーザモジュール１Ｂは、実施の形態１に係る半導体レーザモジュール１が有するすべての構成要素のうちのヒートシンク５以外の構成要素を有する。半導体レーザモジュール１Ｂは、ヒートシンク５が有するアノード５１、第１の絶縁層５２、水路部５３及び第２の絶縁層５４を有するヒートシンク５Ｂを有する。

ヒートシンク５Ｂは、給水部５５及び排水部５６を有しない。ヒートシンク５Ｂは、水路部５３に接続されている管継手５７を有する。管継手５７は、水路部５３の流路に水を供給するためのチューブをヒートシンク５Ｂに取り付け易くする機能を有する。水は、管継手５７を介して半導体レーザモジュール１Ｂの外部から水路部５３の流路に供給され、管継手５７を介して水路部５３から半導体レーザモジュール１Ｂの外部に排出される。ヒートシンク５Ｂは、第２の絶縁層５４より半導体レーザ素子２から離れた場所に位置している支持部材５８を更に有する。例えば、支持部材５８は銅で形成されている。例えば、支持部材５８の形状は板状である。上述の通り、半導体レーザモジュール１Ｂでは、ヒートシンク５はヒートシンク５Ｂに置き換えられている。半導体レーザモジュール１Ｂの平面は、管継手５７を除き、実施の形態１に係る半導体レーザモジュール１の平面と同じである。

実施の形態３に係る半導体レーザモジュール１Ｂが有するヒートシンク５Ｂでは、水は水路部５３の流路を流れる。水路部５３の流路を流れる水は、半導体レーザ素子２で発生する熱を放散させる。すなわち、半導体レーザ素子２は冷却される。そのため、半導体レーザモジュール１Ｂは出力に関連する初期特性の劣化を抑制することができる。ヒートシンク５Ｂでは、水は水路部５３において噴射されない。そのため、水路部５３における壊食の発生は抑制される。ヒートシンク５Ｂでは、水路部５３は絶縁されている。そのため、水路部５３の電食による欠損は抑制される。したがって、半導体レーザモジュール１Ｂは、出力に関連する初期特性の劣化を抑制すると共に寿命を長期化することができる。

ヒートシンク５Ｂは、第１の絶縁層５２に加えて第２の絶縁層５４を有する。ヒートシンク５Ｂが第２の絶縁層５４を有しない場合に比べて、第１の絶縁層５２と第２の絶縁層５４とを有するヒートシンク５Ｂが反ることは抑制される。すなわち、ヒートシンク５Ｂが第２の絶縁層５４を有しない場合に比べて、半導体レーザ素子２が載置されている状態は安定する。したがって、実施の形態３に係る半導体レーザモジュール１Ｂは寿命を長期化することができる。

半導体レーザモジュール１Ｂは、ヒートシンク５Ｂが有するアノード５１を形成する物質の線膨張係数より半導体レーザ素子２の線膨張係数に近い線膨張係数を持つ導電サブマウント６を有する。導電サブマウント６は、アノード５１に載置されている。半導体レーザ素子２は、導電サブマウント６に載置されている。すなわち、半導体レーザ素子２がアノード５１に直接載置される場合に比べて、半導体レーザ素子２への応力は低減する。半導体レーザ素子２への応力が低減すると、半導体レーザ素子２が載置されている状態は安定する。したがって、実施の形態３に係る半導体レーザモジュール１Ｂは寿命を長期化することができる。

半導体レーザモジュール１Ｂは、管継手５７を有する。管継手５７は、水路部５３の流路に水を供給するためのチューブをヒートシンク５Ｂに取り付け易くする機能を有する。したがって、半導体レーザモジュール１Ｂは、ユーザに、水を供給するためのチューブを管継手５７に取り付けさせることにより、水路部５３の流路に水を比較的容易に供給させることができる。更に言うと、ユーザは、半導体レーザモジュール１Ｂを用いる場合、管継手５７を利用することにより水路部５３の流路に水を比較的容易に供給することができる。

実施の形態４．
図５は、実施の形態４に係る半導体レーザモジュール１Ｃの断面を模式的に示す図である。半導体レーザモジュール１Ｃの平面は、実施の形態１に係る半導体レーザモジュール１の平面と同じである。半導体レーザモジュール１Ｃは、実施の形態１に係る半導体レーザモジュール１が有するすべての構成要素のうちの導電サブマウント６以外の構成要素を有する。半導体レーザモジュール１Ｃは導電サブマウント６を有しないので、半導体レーザモジュール１Ｃのコストは半導体レーザモジュール１のコストより低くなる。

実施の形態４に係る半導体レーザモジュール１Ｃが有するヒートシンク５では、水は水路部５３の流路を流れる。水路部５３の流路を流れる水は、半導体レーザ素子２で発生する熱を放散させる。すなわち、半導体レーザ素子２は冷却される。そのため、半導体レーザモジュール１Ｃは出力に関連する初期特性の劣化を抑制することができる。ヒートシンク５では、水は水路部５３において噴射されない。そのため、水路部５３における壊食の発生は抑制される。ヒートシンク５では、水路部５３は絶縁されている。そのため、水路部５３の電食による欠損は抑制される。したがって、半導体レーザモジュール１Ｃは、出力に関連する初期特性の劣化を抑制すると共に寿命を長期化することができる。なお、半導体レーザモジュール１Ｃは導電サブマウント６を有しないので、半導体レーザモジュール１Ｃは、導電サブマウント６を有する実施の形態１に係る半導体レーザモジュール１より、半導体レーザ素子２において発生する熱を効率良く取り除くことができる。

ヒートシンク５は、第１の絶縁層５２に加えて第２の絶縁層５４を有する。ヒートシンク５が第２の絶縁層５４を有しない場合に比べて、第１の絶縁層５２と第２の絶縁層５４とを有するヒートシンク５が反ることは抑制される。すなわち、ヒートシンク５が第２の絶縁層５４を有しない場合に比べて、半導体レーザ素子２が載置されている状態は安定する。したがって、実施の形態４に係る半導体レーザモジュール１Ｃは寿命を長期化することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略又は変更することも可能である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 半導体レーザモジュール、２ 半導体レーザ素子、３ カソード、４ 導電ワイヤ、５，５Ａ，５Ｂ ヒートシンク、６ 導電サブマウント、７ 放熱シート、５１ アノード、５２ 第１の絶縁層、５３ 水路部、５４ 第２の絶縁層、５５ 給水部、５６ 排水部、５７ 管継手、５８ 支持部材。

Claims (4)

1. 導電サブマウントと、
   レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子に電流を流すためのカソードと、
   前記半導体レーザ素子で発生する熱を放散させるヒートシンクとを備え、
   前記ヒートシンクは、
   アノードと、
   前記アノードより前記半導体レーザ素子から離れた場所に位置している第１の絶縁層と、
   前記第１の絶縁層より前記半導体レーザ素子から離れた場所に位置しており金属で形成されていて前記熱を放散させるための水の流路の一部を含む水路部とを有し、
   前記導電サブマウントは、前記アノードを形成する物質の線膨張係数より前記半導体レーザ素子の線膨張係数に近い線膨張係数を持つ物質で形成されており、
   前記アノードは、前記ヒートシンクにおいて前記半導体レーザ素子寄りの最も外側に位置しており、
   前記導電サブマウントは、前記アノードに載置されており、
   前記半導体レーザ素子は、前記導電サブマウントに載置されている
   ことを特徴とする半導体レーザモジュール。
2. 前記ヒートシンクは、前記水路部より前記半導体レーザ素子から離れた場所に位置している第２の絶縁層を更に有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
3. 前記ヒートシンクは、
   前記水路部に接続されていて前記水路部に水を供給するための給水部と、
   前記水路部に接続されていて前記水路部から水を除去するための排水部とを更に有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザモジュール。
4. 前記ヒートシンクは、前記水路部に接続されている管継手を更に有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザモジュール。

Images