JP7370473B2 - 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。

被加工物であるワークを加工するシステムの１つに、レーザ光を出力する複数の半導体レーザモジュールを用いてワークをレーザ加工するレーザシステムがある。このレーザシステムでは、レーザ光の高出力化のため、複数の半導体レーザモジュールの各々に対して高出力化が行われている。半導体レーザモジュールの高出力化は、半導体レーザモジュールでの発熱量の増加に伴って、半導体レーザモジュールが備える半導体レーザ素子の温度の上昇を招く。このような温度上昇は、半導体レーザ素子の出力に関連する初期特性を劣化させてしまう。この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。

特許文献１に記載の半導体レーザモジュールでは、半導体レーザ素子と電極体との間に複数の突起が設けられた導電板が配置されている。これにより、特許文献１に記載の半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子と導電板との間の応力を抑制しつつ、電極体から放熱させている。

特許第６４７２６８３号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、半導体レーザ素子の下面側の導電板は、突起部分でしか半導体レーザ素子および電極体と接合できないので導電板における接合力が弱い。このため、半導体レーザ素子の上面側の電極体を半導体レーザ素子に取り付ける際に、半導体レーザ素子の半導体レーザモジュール内における実装位置がずれるという問題があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、半導体レーザ素子からの排熱性を向上させつつ、半導体レーザ素子の実装位置の位置ずれを防止することができ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、本開示の半導体レーザモジュールは、レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、導電性を有するとともに半導体レーザ素子の第１面に接合されるサブマウント材と、導電性を有するとともに半導体レーザ素子の第１面に対向する第２面に接続される電極体とを備えている。また、本開示の半導体レーザモジュールは、導電性を有した複数の線状部材で電極体と第２面とを電気的に接続する導電構造体と、電極体に接合される絶縁板と、サブマウント材に接合されて半導体レーザ素子を第１面側から冷却するとともに、絶縁板に接合されて半導体レーザ素子を第２面側から冷却する冷却ブロックとを備えている。第１面は、第２面よりも半導体レーザ素子の発光点に近い側の面であり、導電性の第１の接合材を介してサブマウント材に固定され、サブマウント材は、導電性の第２の接合材を介して冷却ブロックに固定されている。半導体レーザ素子とサブマウント材と冷却ブロックとが固定された後に、電極体に固定された導電構造体が、半導体レーザ素子に対して電気的に接続されている。導電構造体は、線状部材が湾曲した状態で一端および他端が電極体に接合されることで線状部材が電極体にループ状に固定され且つ電極体に固定された線状部材の湾曲箇所で第１面に接触する第１の構造体を有する。

本開示にかかる半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子からの排熱性を向上させつつ、半導体レーザ素子の実装位置の位置ずれを防止できるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す断面図 実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す平面図 実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールが備える半導体レーザ素子の構成を示す正面図 実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールが備える半導体レーザ素子の構成を示す平面図 実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールが備える導電ワイヤ構造体の構成を説明するための図 実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールが備える導電ワイヤ構造体の第１配置例を示す断面図 実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールが備える導電ワイヤ構造体の第２配置例を示す断面図 実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールが備える半導体レーザ素子の搭載方法を説明するための図 実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールの発振動作を説明するための図 実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す断面図 実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールが備える導電リボン構造体の構成を説明するための図 実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールが備える導電リボン構造体の配置例を示す断面図 実施の形態３にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す断面図 実施の形態３にかかる半導体レーザモジュールが備える導電ワイヤ構造体の構成を説明するための図 実施の形態３にかかる半導体レーザモジュールが備える導電ワイヤ構造体の配置例を示す断面図 実施の形態４にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す断面図 実施の形態４にかかる半導体レーザモジュールの発振動作を説明するための図

以下に、本開示にかかる半導体レーザモジュールの実施の形態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にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す断面図である。図２は、実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す平面図である。図１は、図２のＩ－Ｉ矢視図である。具体的には、図１は、図２のＩ－Ｉ線断面図である。

以下の説明では、半導体レーザモジュール１の上面と平行な面内の２つの軸であって互いに直交する２つの軸をＸ軸およびＺ軸とする。また、Ｘ軸およびＺ軸に直交する軸をＹ軸とする。実施の形態１では、レーザ光が発振する方向を＋Ｚ方向、半導体レーザモジュール１の上面方向を＋Ｙ方向、半導体レーザモジュール１の奥行き方向を＋Ｘ方向と定義する。

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を備えている。半導体レーザ素子２は、ＸＺ平面に平行な上面を有した板状をなしている。半導体レーザ素子２は、例えばマルチエミッタタイプの半導体レーザ素子である。以下の説明では、半導体レーザ素子２がマルチエミッタタイプの半導体レーザ素子である場合について説明するが、半導体レーザ素子２は、マルチエミッタタイプ以外の半導体レーザ素子であってもよい。

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冷却ブロック６と、サブマウント材４とを有している。冷却ブロック６およびサブマウント材４は、ＸＺ平面に平行な上面を有した板状をなしている。半導体レーザ素子２とサブマウント材４とは、接合材３を介して固定されている。サブマウント材４と冷却ブロック６とは、接合材５を介して固定されている。接合材３，５は、ＸＺ平面に平行な上面を有した板状に形成されている。

接合材３は、半導体レーザモジュール１の上面側に配置されており、接合材５は、半導体レーザモジュール１の下面側に配置されている。すなわち、冷却ブロック６の上面の一部に接合材５が配置され、接合材５の上面にサブマウント材４が配置され、サブマウント材４の上面に接合材３が配置され、接合材３の上面に半導体レーザ素子２が配置されている。

サブマウント材４は、導電性を有している。サブマウント材４は、半導体レーザ素子２を形成する材料と線膨張係数が近い材料で形成されている。サブマウント材４は、例えば、銅タングステンで形成されている。また、サブマウント材４の表面は、例えばＡｕ（金）メッキされている。

冷却ブロック６は、母材６１を有している。また、冷却ブロック６は、内部に水路６２を有している。母材６１は、導電性を有している。母材６１には、例えば、銅が用いられる。母材６１の表面は、例えばＡｕメッキされている。水路６２は、ＸＺ平面に平行な方向に設けられている。水路６２には、冷却用の水が流される。

接合材３，５は、導電性を有している。接合材３，５は、融点が４００℃以下のはんだ材が望ましい。接合材３，５には、例えば、金錫はんだ、錫銀銅はんだ等が用いられる。

また、半導体レーザモジュール１は、導電構造体の一例である導電ワイヤ構造体９と、半導体レーザ素子２に電流を流すための電極体７とをさらに有している。第１の構造体である導電ワイヤ構造体９は、半導体レーザ素子２と電極体７とを接続するワイヤ群である。

電極体７は、導電性を有している。電極体７は、半導体レーザモジュール１の上面側に配置されている。電極体７と、半導体レーザ素子２との間には、隙間が設けられており、この隙間に導電ワイヤ構造体９が配置される。導電ワイヤ構造体９の詳細な構成については後述する。なお、電極体７に冷却用の水路６２を設けてもよい。電極体７は、例えば銅で形成され、表面がＡｕメッキされている。

また、半導体レーザモジュール１は、半導体レーザ素子２で発生した熱を、導電ワイヤ構造体９および電極体７を介して、冷却ブロック６へと放熱する絶縁板８をさらに有している。絶縁板８は、ＸＺ平面に平行な上面を有した板状をなしている。

絶縁板８は、例えば、接合材５と同じＸＺ平面内に配置されている。絶縁板８は、ＸＺ平面内のうち接合材５が配置されていない領域に配置される。絶縁板８は、電気絶縁性を有しており、熱伝導率が大きい。絶縁板８は、例えば、窒化アルミ、窒化ケイ素、またはシリコン等を用いて構成されている。また、絶縁板８は、電極体７が絶縁板８に取付けられる際に発生する応力によって、厚みが変動した場合でも、電気絶縁性能が失われない剛性を有している。換言すると、絶縁板８は、電極体７を固定する際に加わる応力による絶縁板８の厚み変動量が、電極体７と半導体レーザ素子２との間の距離よりも小さくなるような剛性を有した材料で形成されている。

このように、半導体レーザモジュール１では、冷却ブロック６の上面に接合材５および絶縁板８が配置されている。そして、接合材５の上面に、サブマウント材４、接合材３、半導体レーザ素子２、および導電ワイヤ構造体９が配置されている。導電ワイヤ構造体９の上側および絶縁板８の上面に電極体７が配置されている。

図３は、実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールが備える半導体レーザ素子の構成を示す正面図である。図４は、実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールが備える半導体レーザ素子の構成を示す平面図である。図３は、図４のＩＩＩ―ＩＩＩ矢視図である。

半導体レーザ素子２は、半導体基材２１と、第１面であるジャンクション面２４と、第１面に対向する第２面である基板面２３とを有している。基板面２３およびジャンクション面２４は、ＸＺ平面に平行な面である。半導体レーザ素子２によるレーザ光５０の発光点２２は、基板面２３とジャンクション面２４との間に位置し、ジャンクション面２４側に偏っている。

基板面２３は、半導体レーザ素子２の上面であり、導電ワイヤ構造体９が接続される。ジャンクション面２４は、半導体レーザ素子２の下面であり、接合材３が配置される。

基板面２３およびジャンクション面２４の表面は、例えば、Ａｕメッキされている。例えば、半導体レーザ素子２のレーザ光５０の出力に主に寄与する半導体基材２１は、ヒ化ガリウムである。半導体レーザ素子２の発振出力は、例えば、数百ワット以上である。

ここで、導電ワイヤ構造体９の詳細な構成について説明する。図５は、実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールが備える導電ワイヤ構造体の構成を説明するための図である。図５では、図１に示した導電ワイヤ構造体９の周辺を模式的に拡大して示している。

導電ワイヤ構造体９は、線状部材の一例である導電ワイヤ９１を複数備えている。導電ワイヤ構造体９は、複数の導電ワイヤ９１のそれぞれが、電極体７のコンタクト面７１にループ状に固定されることで構成される。具体的には、導電ワイヤ９１の一端および他端が異なる位置でコンタクト面７１に接合されている。導電ワイヤ９１は、Ｕ字形状に曲げられており、湾曲部分の一部が基板面２３に接触している。すなわち、導電ワイヤ９１は、一端がコンタクト面７１に接合された状態でコンタクト面７１から湾曲するよう延設され、導電ワイヤ９１の一端でも他端でもない湾曲箇所で基板面２３に接触し、他端がコンタクト面７１に接合されている。

なお、導電ワイヤ構造体９は、複数の導電ワイヤ９１のそれぞれが、基板面２３にループ状に固定されてもよい。この場合、導電ワイヤ９１の一端および他端が異なる位置で基板面２３に接合され、導電ワイヤ９１の一端でも他端でもない湾曲箇所でコンタクト面７１に接触する。

電極体７のコンタクト面７１と、半導体レーザ素子２の基板面２３との間の距離は、絶縁板８の厚さ、すなわち絶縁板８のＹ方向の長さによって変化する。このため、コンタクト面７１と基板面２３との間の距離が、導電ワイヤ９１のＹ方向の長さである高さよりも短い距離となるように、絶縁板８の厚さが設定される。コンタクト面７１と基板面２３との間の距離を、導電ワイヤ９１のＹ方向の長さよりも短くしておくことにより、導電ワイヤ構造体９が配置された電極体７が半導体レーザ素子２に取り付けられる際に、導電ワイヤ９１がさらに湾曲した状態で半導体レーザ素子２に接触する。

図６は、実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールが備える導電ワイヤ構造体の第１配置例を示す断面図である。図７は、実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールが備える導電ワイヤ構造体の第２配置例を示す断面図である。図６および図７は、図５におけるＶＩ―ＶＩ矢視図である。

コンタクト面７１は、Ｘ方向の辺およびＺ方向の辺を有した矩形状の領域を有している。導電ワイヤ９１は、Ｘ方向から見た場合に長手方向がＺ方向となるよう配置される。導電ワイヤ構造体９では、例えば、図６に示すように、導電ワイヤ９１が第１の方向であるＸ方向および第２の方向であるＺ方向に整列配置されている。具体的には、Ｘ方向に並ぶ各導電ワイヤ９１のＺ軸座標が同じになるよう、Ｘ方向に等間隔で導電ワイヤ９１が配置されている。また、Ｚ方向に並ぶ各導電ワイヤ９１のＸ軸座標が同じになるよう、Ｚ方向に等間隔で導電ワイヤ９１が配置されている。すなわち、導電ワイヤ９１は、コンタクト面７１の矩形状の領域内で、Ｘ方向およびＺ方向に並ぶようマトリクス状に整列配置されている。これにより、導電ワイヤ９１は、ＮおよびＭを自然数としてＮ行×Ｍ列に並べられる。

また、導電ワイヤ構造体９は、例えば、図７に示すように、Ｘ方向に隣り合う導電ワイヤ９１がＺ方向にずらされて配置されてもよい。この場合、Ｘ方向に対して１行おきに並ぶ各導電ワイヤ９１のＺ軸座標が同じになるよう、Ｘ方向に等間隔で導電ワイヤ９１が配置される。また、Ｚ方向に並ぶ各導電ワイヤ９１のＸ軸座標が同じになるよう、Ｚ方向に等間隔で導電ワイヤ９１が配置される。すなわち、導電ワイヤ９１は、コンタクト面７１の矩形状の領域内で、Ｘ方向およびＺ方向に並び、且つＸ方向で隣り合う導電ワイヤ９１同士は、Ｚ方向での配置座標が異なるよう配置されている。

導電ワイヤ９１は、電気抵抗が比較的小さい金属で形成される。導電ワイヤ９１の電極体７への固定には、例えば、金属間の拡散接合が用いられる。導電ワイヤ９１は、例えば、金、銅、または銀で形成される。導電ワイヤ９１の断面は、例えば、Φ２０～１００μｍの円形である。すなわち、導電ワイヤ９１を軸方向に垂直な面で切断した場合、導電ワイヤ９１の断面は直径が２０～１００μｍの円形である。導電ワイヤ９１は、半導体レーザ素子２の基板面２３に押し付けられることで、導電ワイヤ９１と半導体レーザ素子２とを電気的に接続させる。

このように、半導体レーザモジュール１では、半導体レーザ素子２のジャンクション面２４がサブマウント材４に接合材３にて全面接合され、基板面２３が、導電ワイヤ構造体９を介して電極体７に電気的に接続されている。これにより、半導体レーザ素子２は、ジャンクション面２４および基板面２３の両方から放熱することができる。また、半導体レーザモジュール１は、熱抵抗が小さいジャンクション面２４側の接触面積を大きくしておくことで、高い排熱性能を実現し、出力に関連する初期特性の劣化を抑制するとともに寿命を長期化することができる。

半導体基材２１の製造プロセスでは、半導体基材２１の片面に層を成長させるので、半導体レーザ素子２における発光点２２の位置は、半導体レーザ素子２の厚み方向（Ｙ方向）で偏る。このため、半導体レーザ素子２の上面側と下面側とで、発光点２２つまり発熱源から電極面までの熱抵抗に差異が生じる。すなわち、発光点２２からサブマウント材４の上面（後述する搭載面４１）までの熱抵抗が、発光点２２からコンタクト面７１までの熱抵抗よりも大きくなる。

実施の形態１では、発熱源に近い側の電極面である搭載面４１と冷却源である冷却ブロック６との接触面積を優先させて大きくしている。例えば、搭載面４１に複数の突起を設けることによって半導体レーザ素子２と搭載面４１との接触面積を、搭載面４１の３０～８０％に低減させてしまうと、排熱性の点で不利となる。実施の形態１では、半導体レーザ素子２と搭載面４１との接触面積を低減させていないので、数の突起を設ける場合よりも排熱性の点で有利となっている。

次に、半導体レーザモジュール１を組み立てる際の一連の組み立て工程について説明する。図８は、実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールが備える半導体レーザ素子の搭載方法を説明するための図である。図８では、半導体レーザモジュール１をＹＺ平面で切断した場合の、半導体レーザ素子２などの断面構成を示している。図８では、図１に示した半導体レーザ素子２の周辺を模式的に拡大して示している。

サブマウント材４は、搭載面４１と、端面４２と、接合面４３とを有している。半導体レーザ素子２は、半導体基材２１と、基板面２３と、ジャンクション面２４と、出射端面２５とを有している。冷却ブロック６は、搭載面６３と、端面６４とを有している。

搭載面４１、接合面４３、基板面２３、ジャンクション面２４、および搭載面６３は、ＸＺ平面に平行な面である。出射端面２５および端面４２，６４は、ＸＹ平面に平行な面である。

搭載面４１が、サブマウント材４の上面であり、接合面４３がサブマウント材４の下面であり、端面４２がサブマウント材４の側面である。基板面２３が、半導体レーザ素子２の上面であり、ジャンクション面２４が、半導体レーザ素子２の下面であり、出射端面２５が、半導体レーザ素子２の側面である。搭載面６３が、冷却ブロック６の上面であり、端面６４が、冷却ブロック６の側面である。

端面４２，６４および出射端面２５は、ＸＹ平面に平行な面である。端面４２は、サブマウント材４が有するＸＹ平面に平行な面のうち＋Ｚ方向に配置されている面である。端面６４は、冷却ブロック６が有するＸＹ平面に平行な面のうち＋Ｚ方向に配置されている面である。出射端面２５は、半導体レーザ素子２が有するＸＹ平面に平行な面のうち＋Ｚ方向に配置されている面である。

半導体レーザモジュール１を組み立てる際には、サブマウント材４の搭載面４１に、接合材３が載せられ、接合材３の上面に半導体レーザ素子２が載せられる。半導体レーザ素子２の位置は、サブマウント材４の端面４２を基準に、出射端面２５の位置がＺ方向に調整されることで決定される。

半導体レーザ素子２の位置合わせが完了した後、接合材３が溶融され、半導体レーザ素子２とサブマウント材４とが接合される。接合材３は、サブマウント材４の搭載面４１上に予め蒸着手法を用いて形成しておいてもよい。

次に、冷却ブロック６の搭載面６３上に、接合材５が載せられ、接合材５の上面に半導体レーザ素子２とサブマウント材４とが接合された半導体レーザサブアセンブリ１０が載せられる。半導体レーザサブアセンブリ１０の位置は、冷却ブロック６の端面６４を基準に、サブマウント材４の端面４２の位置がＺ方向に調整されることで決定される。図８では、半導体レーザサブアセンブリ１０の位置合わせ途中の状態を示している。

半導体レーザサブアセンブリ１０の位置合わせが完了した後、接合材５が溶融されて、半導体レーザサブアセンブリ１０と冷却ブロック６とが接合される。以上より、半導体レーザ素子２を冷却ブロック６に対して、Ｚ方向に位置決めして搭載することが可能となる。接合材５は、冷却ブロック６の搭載面６３上に予め蒸着手法を用いて形成しておいてもよい。また、接合材５は、接合材３の後に溶融されるので、接合材５は、接合材３よりも融点が低いことが望ましい。

次に、電極体７に複数の導電ワイヤ９１が固定され、これにより導電ワイヤ構造体９が形成される。導電ワイヤ構造体９が形成された電極体７は、絶縁板８を挟んで、冷却ブロック６に固定される。このとき、導電ワイヤ９１の湾曲部分が基板面２３に接触するよう電極体７が冷却ブロック６に載せられて冷却ブロック６に固定される。例えば、電極体７の絶縁板８への固定は、ねじを使った締結方法が用いられてもよいし、接合材が用いられてもよい。

このように、半導体レーザモジュール１は、半導体レーザ素子２とサブマウント材４と冷却ブロック６とが固定された後に、電極体７に固定された導電ワイヤ構造体９が、半導体レーザ素子２に対して電気的に接続される。半導体レーザ素子２は、冷却ブロック６上に固定されているので、電極体７を絶縁板８へ固定する際に半導体レーザ素子２の位置がずれることはない。

次に、半導体レーザモジュール１の発振動作について説明する。図９は、実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールの発振動作を説明するための図である。図９では、半導体レーザモジュール１をＹＺ平面で切断した場合の断面図を示している。図９の各構成要素のうち図１に示す半導体レーザモジュール１と同一機能を達成する構成要素については同一符号を付している。

半導体レーザモジュール１は、電極体７に電源１１の一端が接続され、冷却ブロック６に電源１１の他端が接続される。電源１１が、半導体レーザモジュール１に電位をかけることで、冷却ブロック６、接合材５、サブマウント材４、接合材３、半導体レーザ素子２、導電ワイヤ構造体９、電極体７の順番で電流が流れ、半導体レーザ素子２が発振する。

また、冷却ブロック６の水路６２に、冷却チラー１２を用いて冷却水が流される。これにより、半導体レーザ素子２から発生した熱は、一方は、接合材３、サブマウント材４、接合材５、冷却ブロック６の経路で、他方は、導電ワイヤ構造体９、電極体７、絶縁板８、冷却ブロック６の経路で排熱される。すなわち、冷却ブロック６は、基板面２３側から半導体レーザ素子２を冷却するとともに、ジャンクション面２４側から半導体レーザ素子２を冷却する。

このように実施の形態１によれば、半導体レーザモジュール１が有している半導体レーザ素子２は、接合材３および接合材５を介して、冷却ブロック６に固定されている。このため、導電ワイヤ構造体９および電極体７が冷却ブロック６に取り付けられる際に、半導体レーザ素子２が動くことはない。したがって、半導体レーザモジュール内での半導体レーザ素子２の位置を精度良く決めることができる。

また、半導体レーザ素子２は、接合材３および接合材５を介して、冷却ブロック６に固定されているので、高い排熱性能を実現できる。したがって、半導体レーザモジュール１は、半導体レーザ素子２からの排熱性を向上させつつ、半導体レーザ素子２の実装位置の位置ずれを防止できる。

また、半導体レーザモジュール１では、導電ワイヤ構造体９を介して半導体レーザ素子２と電極体７とが接続されているので、半導体レーザ素子２と電極体７との接続箇所の劣化を抑制することができる。

また、半導体レーザモジュール１では、導電ワイヤ９１が高い柔軟性を有しているので、導電ワイヤ構造体９および電極体７が冷却ブロック６に取り付けられる際に、半導体レーザ素子２にかかる力を低減することができる。すなわち、半導体レーザ素子２とサブマウント材４との間の応力を抑制することができる。

実施の形態２．
つぎに、図１０から図１２を用いて実施の形態２について説明する。実施の形態２では、導電ワイヤ９１の代わりに導電リボンが用いられる。

図１０は、実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す断面図である。図１０の各構成要素のうち図１に示す実施の形態１の半導体レーザモジュール１と同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

半導体レーザモジュール１Ａは、実施の形態１の半導体レーザモジュール１と比較して、導電ワイヤ構造体９の代わりに、導電リボン構造体９Ａが用いられている点で半導体レーザモジュール１と異なっている。具体的には、半導体レーザモジュール１Ａでは、導電ワイヤ９１の代わりに導電リボン（後述する導電リボン９１Ａ）が配置されている。

図１１は、実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールが備える導電リボン構造体の構成を説明するための図である。図１１では、図１０に示した導電リボン構造体９Ａの周辺を模式的に拡大して示している。図１１の各構成要素のうち図５に示す実施の形態１の半導体レーザモジュール１と同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

導電リボン９１Ａは、電気抵抗が比較的小さい金属で形成される。導電リボン９１Ａの電極体７への固定には、例えば、金属間の拡散接合が用いられる。導電リボン９１Ａは、例えば、金、銅、または銀で形成される。導電リボン９１Ａは、厚み５０μｍ～２００μｍの帯状をなしている。導電リボン９１Ａの断面は、例えば、幅０．５ｍｍ～２．０ｍｍ、高さ５０μｍ～２００μｍの長方形である。すなわち、導電リボン９１Ａを長手方向に垂直な面で切断した場合、導電リボン９１Ａの断面は矩形である。

導電リボン構造体９Ａは、複数の導電リボン９１Ａのそれぞれが、電極体７のコンタクト面７１にループ状に固定されることで構成される。具体的には、導電リボン９１Ａの一端９１０（図１２参照）および他端９１１（図１２参照）が異なる位置でコンタクト面７１に接合される。導電リボン９１Ａは、Ｕ字形状に曲げられており、湾曲部分の一部が基板面２３に接触している。すなわち、導電リボン９１Ａは、一端９１０がコンタクト面７１に接合された状態でコンタクト面７１から湾曲するよう延設され、導電リボン９１Ａの一端９１０でも他端９１１でもない湾曲箇所で基板面２３に接触し、他端９１１がコンタクト面７１に接合されている。

なお、導電リボン構造体９Ａは、複数の導電リボン９１Ａのそれぞれが、基板面２３にループ状に固定されてもよい。この場合、導電リボン９１Ａの一端９１０および他端９１１が異なる位置で基板面２３に接合され、導電リボン９１Ａの一端９１０でも他端９１１でもない湾曲箇所でコンタクト面７１に接触する。

図１２は、実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールが備える導電リボン構造体の配置例を示す断面図である。図１２は、図１１におけるＸＩＩ―ＸＩＩ矢視図である。

導電リボン９１Ａは、Ｘ方向から見た場合に長手方向がＺ方向となるよう配置される。導電リボン９１Ａでは、一端９１０から他端９１１に向かう方向が長手方向である。導電リボン構造体９Ａでは、例えば、図１２に示すように、導電リボン９１ＡがＸ方向およびＺ方向に整列配置されている。具体的には、Ｘ方向に並ぶ各導電リボン９１ＡのＺ軸座標が同じになるよう、Ｘ方向に等間隔で導電リボン９１Ａが配置されている。また、Ｚ方向に並ぶ各導電リボン９１ＡのＸ軸座標が同じになるよう、Ｚ方向に等間隔で導電リボン９１Ａが配置されている。すなわち、導電リボン９１Ａは、ＰおよびＱを自然数としてＰ行×Ｑ列に並べられている。このように、導電リボン９１Ａは、導電ワイヤ９１と同様の位置に配置される。

なお、導電リボン構造体９Ａでは、図７に示したように、Ｘ方向に隣り合う導電リボン９１ＡがＺ方向にずらされて配置されてもよい。この場合、Ｘ方向に対して１行おきに並ぶ各導電リボン９１ＡのＺ軸座標が同じになるよう、Ｘ方向に等間隔で導電リボン９１Ａが配置される。また、Ｚ方向に並ぶ各導電リボン９１ＡのＸ軸座標が同じになるよう、Ｚ方向に等間隔で導電リボン９１Ａが配置される。

半導体レーザモジュール１Ａの図１０から図１２で説明した以外のその他の構成は、実施の形態１における半導体レーザモジュール１の構成と同一であり説明を省略する。また、半導体レーザモジュール１Ａを組み立てる一連の組み立て工程、および発振動作についても、実施の形態１の半導体レーザモジュール１と同様であるため説明は省略する。

このように、実施の形態２でも実施の形態１と同様に、半導体レーザモジュール１Ａが有している半導体レーザ素子２は、接合材３および接合材５を介して、冷却ブロック６に固定されている。そのため、半導体レーザモジュール１Ａは、半導体レーザモジュール１と同様の効果を有する。

実施の形態３．
つぎに、図１３から図１５を用いて実施の形態３について説明する。実施の形態３では、導電ワイヤ９１と同様の導電ワイヤが、半導体レーザ素子２の基板面２３上にも追加されている。

図１３は、実施の形態３にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す断面図である。図１３の各構成要素のうち図１に示す実施の形態１の半導体レーザモジュール１と同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

半導体レーザモジュール１Ｂは、実施の形態１の半導体レーザモジュール１と比較して、第１の構造体である導電ワイヤ構造体９とともに、第２の構造体である導電ワイヤ構造体９Ｂが用いられている点で半導体レーザモジュール１と異なっている。具体的には、半導体レーザモジュール１Ｂでは、導電ワイヤ９１とともに、後述する導電ワイヤ９１Ｂが配置されている。

なお、図１３および後述する図１４では、導電ワイヤ９１および導電ワイヤ９１Ｂを模式的に図示している。このため、図１３および後述する図１４では、半導体レーザモジュール１ＢをＸ方向から見た場合に、導電ワイヤ９１および導電ワイヤ９１Ｂが交互に並んでいる場合を示しているが、実際には、半導体レーザモジュール１ＢをＸ方向から見た場合に、導電ワイヤ９１および導電ワイヤ９１ＢのＸ座標が同じになるよう並べられている。導電ワイヤ構造体９Ｂの配置例については、後述の図１５で説明する。

図１４は、実施の形態３にかかる半導体レーザモジュールが備える導電ワイヤ構造体の構成を説明するための図である。図１４では、図１３に示した導電ワイヤ構造体９，９Ｂの周辺を模式的に拡大して示している。図１４の各構成要素のうち図５に示す実施の形態１の半導体レーザモジュール１と同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

導電ワイヤ構造体９は、複数の導電ワイヤ９１を有し、導電ワイヤ構造体９Ｂは、複数の導電ワイヤ９１Ｂを有している。導電ワイヤ９１Ｂの仕様は、導電ワイヤ９１と同様である。すなわち、導電ワイヤ９１Ｂは、導電ワイヤ９１と同様の部材で形成されており、同様の形状を有している。

導電ワイヤ構造体９Ｂは、複数の導電ワイヤ９１Ｂのそれぞれが、半導体レーザ素子２の基板面２３にループ状に固定されることで構成される。具体的には、導電ワイヤ９１Ｂの一端および他端が異なる位置で基板面２３に接合されている。導電ワイヤ９１Ｂは、Ｕ字形状に曲げられており、湾曲部分の一部がコンタクト面７１に接触している。すなわち、導電ワイヤ９１Ｂは、一端が基板面２３に接合された状態で基板面２３から湾曲するよう延設され、導電ワイヤ９１Ｂの一端でも他端でもない湾曲箇所でコンタクト面７１に接触し、他端が基板面２３に接合されている。

図１５は、実施の形態３にかかる半導体レーザモジュールが備える導電ワイヤ構造体の配置例を示す断面図である。図１５は、図１４におけるＸＶ―ＸＶ矢視図である。

導電ワイヤ９１，９１Ｂは、Ｘ方向から見た場合に長手方向がＺ方向となるよう配置される。導電ワイヤ構造体９では、例えば、図１５に示すように、導電ワイヤ９１がＸ方向およびＺ方向に整列配置されている。同様に、導電ワイヤ構造体９Ｂでは、例えば、図１５に示すように、導電ワイヤ９１ＢがＸ方向およびＺ方向に整列配置されている。導電ワイヤ９１Ｂは、Ｘ方向に並ぶ導電ワイヤ９１，９１の間に配置されている。換言すると、導電ワイヤ９１は、Ｘ方向に並ぶ導電ワイヤ９１Ｂ，９１Ｂの間に配置されている。

すなわち、Ｘ方向に並ぶ各導電ワイヤ９１，９１ＢのＺ軸座標が同じになるよう、Ｘ方向に等間隔で導電ワイヤ９１と導電ワイヤ９１Ｂとが順番に配置されている。また、Ｚ方向に並ぶ各導電ワイヤ９１のＸ軸座標が同じになるよう、Ｚ方向に等間隔で導電ワイヤ９１が配置されている。同様に、Ｚ方向に並ぶ各導電ワイヤ９１ＢのＸ軸座標が同じになるよう、Ｚ方向に等間隔で導電ワイヤ９１Ｂが配置されている。すなわち、導電ワイヤ９１は、Ｎ行×Ｍ列に並べられ、導電ワイヤ９１Ｂは、Ｎ行×Ｍ列に並べられている。

このように、半導体レーザモジュール１Ｂでは、複数の導電ワイヤ９１が電極体７のコンタクト面７１に固定されるとともに、複数の導電ワイヤ９１Ｂが、半導体レーザ素子２の基板面２３に固定されている。導電ワイヤ形成プロセス上、すなわちワイヤボンディングの際には、ボンディングツールと隣接するワイヤとの干渉を避けるため、ワイヤ同士の隙間がワイヤ径以上に空けられる。

このため、半導体レーザモジュール１Ｂのように、コンタクト面７１に複数の導電ワイヤ９１を固定し、基板面２３に複数の導電ワイヤ９１Ｂを固定することで、導電ワイヤ９１間に導電ワイヤ９１Ｂを配置し、導電ワイヤ９１Ｂ間に導電ワイヤ９１を配置することが可能となる。これにより、半導体レーザモジュール１Ｂは、半導体レーザモジュール１と比較して、同一面積上で２倍近くの導電ワイヤを配置することが可能となっている。この結果、半導体レーザモジュール１Ｂは、排熱性能が向上する。

また、導電ワイヤ構造体９と導電ワイヤ構造体９Ｂとが部分的に干渉する場合であっても、干渉した導電ワイヤ構造体９と導電ワイヤ構造体９Ｂとで熱の受け渡しが発生し、結果的に半導体レーザモジュール１と比較して、排熱経路が増えるので、排熱性能が向上する。なお、図１５では、導電ワイヤ構造体９，９Ｂの配置を模式的に示しており、実際には、図６に示した導電ワイヤ構造体９の配置数よりも多数の導電ワイヤ構造体９，９Ｂが配置される。

なお、導電ワイヤ構造体９，９Ｂでは、図７に示したように、導電ワイヤ９１または導電ワイヤ９１ＢがＺ方向にずらされて配置されてもよい。例えば、導電ワイヤ構造体９，９Ｂでは、導電ワイヤ９１Ｂと導電ワイヤ９１とがＸＺ平面上で互い違いとなるよう配置されてもよい。この場合、図１５に示した導電ワイヤ９１の位置を維持したまま、導電ワイヤ９１ＢのそれぞれをＺ軸方向にずらしてもよいし、図１５に示した導電ワイヤ９１Ｂの位置を維持したまま、導電ワイヤ９１のそれぞれをＺ軸方向にずらしてもよい。

半導体レーザモジュール１Ｂの図１３から図１５で説明した以外のその他の構成は、実施の形態１における半導体レーザモジュール１の構成と同一であり説明を省略する。また、半導体レーザモジュール１Ｂの発振動作についても、実施の形態１の半導体レーザモジュール１と同様であるため説明は省略する。

半導体レーザモジュール１Ｂを組み立てる一連の組み立て工程のうち、半導体レーザモジュール１を組み立てる一連の組み立て工程と異なる工程について説明する。半導体レーザサブアセンブリ１０と冷却ブロック６とが接合されるまでの工程は、実施の形態１と同じである。

この後、半導体レーザ素子２の基板面２３上に複数の導電ワイヤ９１Ｂが固定され、これにより導電ワイヤ構造体９Ｂが形成される。また、電極体７に複数の導電ワイヤ９１が固定され、これにより導電ワイヤ構造体９が形成される。そして、実施の形態１と同様の処理によって電極体７が冷却ブロック６に固定される。

このように、実施の形態３でも実施の形態１と同様に、半導体レーザモジュール１Ｂが有している半導体レーザ素子２は、接合材３および接合材５を介して、冷却ブロック６に固定されている。そのため、半導体レーザモジュール１Ｂは、半導体レーザモジュール１と同様の効果を有する。

さらに、半導体レーザ素子２の基板面２３から電極体７のコンタクト面７１までの排熱経路が、導電ワイヤ構造体９および導電ワイヤ構造体９Ｂとなり、導電ワイヤ構造体９を介した熱伝導に加えて導電ワイヤ構造体９Ｂを介した熱伝導も加わる。これにより、実施の形態１の半導体レーザモジュール１よりも、排熱性能が向上する。

実施の形態４．
つぎに、図１６および図１７を用いて実施の形態４について説明する。実施の形態４では、冷却ブロック６の代わりに冷却ブロックの他の例である電気絶縁ヒートシンク６Ｃが用いられる。

図１６は、実施の形態４にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す断面図である。図１６の各構成要素のうち図１に示す実施の形態１の半導体レーザモジュール１と同一機能を達成する構成要素については同一符号を付しており、重複する説明は省略する。

半導体レーザモジュール１Ｃは、実施の形態１の半導体レーザモジュール１と比較して、冷却ブロック６の代わりに冷却ブロックの他の例である電気絶縁ヒートシンク６Ｃが用いられている点で半導体レーザモジュール１と異なっている。

電気絶縁ヒートシンク６Ｃは、トップレイヤ６６Ｃ、絶縁レイヤ６５Ｃａ、センターレイヤ６１Ｃ、絶縁レイヤ６５Ｃｂ、およびボトムレイヤ６７Ｃの５層で構成されており、センターレイヤ６１Ｃ内に水路６２Ｃを有している。水路６２Ｃは、図１で説明した水路６２と同様の水路である。

ボトムレイヤ６７Ｃの上層側には、下層側の絶縁レイヤ６５Ｃｂが配置され、この下層側の絶縁レイヤ６５Ｃｂの上層側には、センターレイヤ６１Ｃが配置されている。また、センターレイヤ６１Ｃの上層側には、上層側の絶縁レイヤ６５Ｃａが配置され、この上層側の絶縁レイヤ６５Ｃａの上層側には、トップレイヤ６６Ｃが配置されている。

トップレイヤ６６Ｃと水路６２Ｃとは、上層側の絶縁レイヤ６５Ｃａによって、電気的に絶縁されている。また、ボトムレイヤ６７Ｃと水路６２Ｃとは、下層側の絶縁レイヤ６５Ｃｂによって、電気的に絶縁されている。

トップレイヤ６６Ｃ、センターレイヤ６１Ｃ、およびボトムレイヤ６７Ｃには、何れも熱伝導率が高く、導電性を有した材料が用いられる。トップレイヤ６６Ｃ、センターレイヤ６１Ｃ、およびボトムレイヤ６７Ｃには、例えば、銅、銅タングステン、銅ダイヤモンドが用いられる。絶縁レイヤ６５Ｃａ，６５Ｃｂには、熱伝導率が高く、電気絶縁性を有している材料が用いられる。絶縁レイヤ６５Ｃａ，６５Ｃｂには、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素が用いられる。

半導体レーザモジュール１Ｃの図１６で説明した以外のその他の構成は、実施の形態１における半導体レーザモジュール１の構成と同一であり説明を省略する。また、半導体レーザモジュール１Ｃを組み立てる一連の組み立て工程についても、実施の形態１の半導体レーザモジュール１と同様であるため説明は省略する。

次に、半導体レーザモジュール１Ｃの発振動作について説明する。図１７は、実施の形態４にかかる半導体レーザモジュールの発振動作を説明するための図である。図１７では、半導体レーザモジュール１ＣをＹＺ平面で切断した場合の断面図を示している。図１７の各構成要素のうち図１６に示す半導体レーザモジュール１Ｃと同一機能を達成する構成要素については同一符号を付している。

半導体レーザモジュール１Ｃは、電極体７に電源１１の一端が接続され、電気絶縁ヒートシンク６Ｃのトップレイヤ６６Ｃに電源１１の他端が接続される。電源１１が、半導体レーザモジュール１Ｃに電位をかけることで、トップレイヤ６６Ｃ、接合材５、サブマウント材４、接合材３、半導体レーザ素子２、導電ワイヤ構造体９、電極体７の順番で電流が流れ、半導体レーザ素子２が発振する。

また、電気絶縁ヒートシンク６Ｃの冷却ブロック６の水路６２Ｃに、冷却チラー１２を用いて冷却水が流される。これにより、半導体レーザ素子２から発生した熱は、一方は、接合材３、サブマウント材４、接合材５、電気絶縁ヒートシンク６Ｃの経路で、他方は、導電ワイヤ構造体９、電極体７、絶縁板８、電気絶縁ヒートシンク６Ｃの経路で排熱される。

このように、実施の形態４でも実施の形態１と同様に、半導体レーザモジュール１Ｃが有している半導体レーザ素子２は、接合材３および接合材５を介して、電気絶縁ヒートシンク６Ｃに固定されている。そのため、半導体レーザモジュール１Ｃは、半導体レーザモジュール１と同様の効果を有する。

さらに、半導体レーザモジュール１Ｃは、電気絶縁ヒートシンク６Ｃを備えているので、水路６２Ｃには電位がかからない。このため、水路６２Ｃに冷却水を流した際に生じる電食を抑制することができ、電気絶縁ヒートシンク６Ｃの寿命を長期化することができる。この結果、半導体レーザモジュール１Ｃの寿命を長期化することができ、実施の形態１の半導体レーザモジュール１よりも、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、変更することも可能である。

１，１Ａ～１Ｃ 半導体レーザモジュール、２ 半導体レーザ素子、３，５ 接合材、４ サブマウント材、６ 冷却ブロック、６Ｃ 電気絶縁ヒートシンク、７ 電極体、８ 絶縁板、９，９Ｂ 導電ワイヤ構造体、９Ａ 導電リボン構造体、１０ 半導体レーザサブアセンブリ、１１ 電源、１２ 冷却チラー、２１ 半導体基材、２２ 発光点、２３ 基板面、２４ ジャンクション面、２５ 出射端面、４１，６３ 搭載面、４２，６４ 端面、４３ 接合面、５０ レーザ光、６１ 母材、６１Ｃ センターレイヤ、６２，６２Ｃ 水路、６５Ｃａ，６５Ｃｂ 絶縁レイヤ、６６Ｃ トップレイヤ、６７Ｃ ボトムレイヤ、７１ コンタクト面、９１，９１Ｂ 導電ワイヤ、９１Ａ 導電リボン、９１０ 一端、９１１ 他端。

Claims (15)

1. レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、
   導電性を有するとともに前記半導体レーザ素子の第１面に接合されるサブマウント材と、
   導電性を有するとともに前記半導体レーザ素子の前記第１面に対向する第２面に接続される電極体と、
   導電性を有した複数の線状部材で前記電極体と前記第２面とを電気的に接続する導電構造体と、
   前記電極体に接合される絶縁板と、
   前記サブマウント材に接合されて前記半導体レーザ素子を前記第１面側から冷却するとともに、前記絶縁板に接合されて前記半導体レーザ素子を前記第２面側から冷却する冷却ブロックと、
   を備え、
   前記第１面は、前記第２面よりも前記半導体レーザ素子の発光点に近い側の面であり、導電性の第１の接合材を介して前記サブマウント材に固定され、
   前記サブマウント材は、導電性の第２の接合材を介して前記冷却ブロックに固定され、
   前記半導体レーザ素子と前記サブマウント材と前記冷却ブロックとが固定された後に、前記電極体に固定された前記導電構造体が、前記半導体レーザ素子に対して電気的に接続され、
   前記導電構造体は、前記線状部材が湾曲した状態で一端および他端が前記電極体に接合されることで前記線状部材が前記電極体にループ状に固定され且つ前記電極体に固定された前記線状部材の湾曲箇所で前記第１面に接触する第１の構造体を有する、
   ことを特徴とする半導体レーザモジュール。
2. 前記線状部材が接合される前記電極体のコンタクト面は、第１の方向の辺および前記第１の方向に垂直な第２の方向の辺を有した矩形状の領域を有し、
   前記線状部材は、前記矩形状の領域内で、前記第１の方向および前記第２の方向に並ぶようマトリクス状に整列配置されている、
   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. 前記線状部材は、金、銅、または銀である、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザモジュール。
4. 前記線状部材を軸方向に垂直な面で切断した場合の断面の直径が２０μｍから１００μｍの円形である、
   ことを特徴とする請求項１から３の何れか１つに記載の半導体レーザモジュール。
5. 前記導電構造体は、前記線状部材が湾曲した状態で一端および他端が前記第１面に接合されることで前記線状部材が前記第１面にループ状に固定され且つ前記第１面に固定された前記線状部材の湾曲箇所で前記電極体に接触する第２の構造体を有する、
   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。
6. 前記線状部材が接合される前記電極体のコンタクト面は、第１の方向の辺および前記第１の方向に垂直な第２の方向の辺を有した矩形状の領域を有し、
   前記線状部材は、前記矩形状の領域内で、前記第１の方向および前記第２の方向に並び、且つ前記第１の方向で隣り合う線状部材同士は、前記第２の方向での配置座標が異なるよう配置されている、
   ことを特徴とする請求項１または５に記載の半導体レーザモジュール。
7. 前記冷却ブロックは、冷却水を流す水路と、前記サブマウント材が配置されるトップレイヤと、前記水路と前記トップレイヤとの間を絶縁する第１の絶縁レイヤと、を有した電気絶縁ヒートシンクである、
   ことを特徴とする請求項１から６の何れか１つに記載の半導体レーザモジュール。
8. 前記電気絶縁ヒートシンクは、ボトムレイヤと、第２の絶縁レイヤとを有し、
   前記第２の絶縁レイヤは、前記水路と前記ボトムレイヤとの間を絶縁し、
   前記第１の絶縁レイヤと前記第２の絶縁レイヤとの間に前記水路が配置されている、
   ことを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザモジュール。
9. 前記電気絶縁ヒートシンクは、前記第１の絶縁レイヤと前記第２の絶縁レイヤとの間に配置されたセンタレイヤをさらに有し、
   前記水路は、前記センタレイヤに配置されている、
   ことを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザモジュール。
10. 前記線状部材は、ワイヤである、
    ことを特徴とする請求項１から９の何れか１つに記載の半導体レーザモジュール。
11. 前記線状部材は、帯状のリボンである、
    ことを特徴とする請求項１から９の何れか１つに記載の半導体レーザモジュール。
12. 前記電極体のコンタクト面と前記第２面との間の距離が前記線状部材の高さよりも短くなるよう、前記絶縁板の厚みが設定されている、
    ことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザモジュール。
13. 前記電極体が前記絶縁板に固定される際に加わる応力による前記絶縁板の厚みの変動量が、前記電極体と前記半導体レーザ素子との間の距離よりも小さくなるような剛性を有した材料で前記絶縁板が形成されている、
    ことを特徴とする請求項１から１２の何れか１つに記載の半導体レーザモジュール。
14. 前記絶縁板は、窒化アルミ、窒化ケイ素、またはシリコンを用いて構成されている、
    ことを特徴とする請求項１から１３の何れか１つに記載の半導体レーザモジュール。
15. 前記電極体は、前記冷却ブロックに対し、前記絶縁板を介してねじを用いた締結で固定されている、
    ことを特徴とする請求項１から１４の何れか１つに記載の半導体レーザモジュール。

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