KR20120102759A - 반도체 레이저 모듈 - Google Patents

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Abstract

유리 밀봉 시의 냉각 과정에서 파손되지 않고, 자기 왜곡 변형을 허용할 수 있는 범위에서 대전류를 흘릴 수 있는 반도체 레이저 모듈을 얻는다.
전류가 공급되어 발광하는 반도체 레이저 소자(10)와, 관통 구멍(1A)을 갖는 패키지 베이스(1)와, 관통 구멍(1A)을 관통하여 반도체 레이저 소자(10)에 전류를 공급하는 리드 핀(2)과, 리드 핀(2)이 관통된 관통 구멍(1A)을 밀봉한 유리재(3)와, 반도체 레이저 소자(10)가 발광하는 광이 방출되는 창(31)을 갖고, 패키지 베이스(1)와 기밀하게 접합된 내부에 반도체 레이저 소자(10)를 갖는 캡(30)을 구비하며, 리드 핀(2)은, 선팽창 계수가 유리재(3)와의 차이가 소정 비율 이하이고, 포화 자기 왜곡 상수가 소정 값 이하이며, 체적 저항률이 소정률 이하인 철·니켈계 합금이다.

Description

반도체 레이저 모듈{SEMICONDUCTOR LASER MODULE}
본 발명은, 전류가 공급되어 발광하는 반도체 레이저 소자가 기밀 밀봉된 반도체 레이저 모듈에 관한 것이다.
가공 분야 등에서 사용되는 반도체 레이저에 있어서 고출력화의 요구가 강하게 되어 있다. 고출력화는 일반적으로 다수의 반도체 레이저를 1 소자 내에 다수 배열하는 어레이·스택화, 또는 발광 영역을 넓히는 광역화에 의해 실현하는 예가 많다. 이러한 구조의 반도체 레이저에 있어서 각 레이저 소자는 전기적으로 병렬로 배치되어 있는 것이 일반적이므로, 고출력화가 진행됨에 따라서 레이저 소자에 흘리는 전류도 커져, 최근에는 수십 A 정도의 전류치로 되는 예도 있다.
반도체 레이저 모듈은, 외기에 접촉하면, 습기 등에 의해 소자 단면의 열화나 와이어 본딩부의 열화를 촉진하므로 기밀 밀봉된 패키지 내에 수납되는 것이 많다. 이러한 패키지는, 베이스부와 리드 핀으로 이루어지는 일반적으로 스템(stem)이라고 불리는 부품과, 레이저광을 취출하는 창(window)이 설치된 캡으로 구성된다. 베이스부에 리드 핀이 유리 등의 절연성 밀봉 재료에 의해 접합 고정되고, 캡은 베이스부에 대하여 저항 용접에 의해 접합 고정되는 경우가 많다.
캡과 스템의 베이스부는 용접성을 고려하여 탄소강 또는 철·니켈 합금으로 구성되는 것이 일반적이다. 또한, 리드 핀의 재료에 관해서는, 유리 밀봉 공정 시에 유리가 녹는 1000℃ 정도의 온도로부터 상온으로 되돌아가기까지의 냉각 과정, 또는 사용 시 등의 온도 변화가 생겼을 때에, 선팽창 계수의 차이에 의한 유리부의 파괴를 방지하기 위해, 베이스부와 리드 핀은 가능한 한 유리 부재와 선팽창 계수가 근접한 재료를 이용할 필요가 있다. 그 때문에, 리드 핀의 재료로서 철·니켈 합금을 사용하는 경우에는, 선팽창 계수가 베이스부와 근접한 니켈 함유량 50% 질량 정도의 철·니켈 합금이 사용되고 있다.
또한, 반도체 레이저 모듈에 대전류를 공급하는 경우, 리드 핀이 자성 재료이면 리드 핀에 흐르는 전류에 의해 생기는 자계의 영향에 의한 자기 왜곡 변형이 생긴다. 특히 교류 전류나 펄스 전류를 공급하는 경우에는, 리드 핀에 자기 왜곡에 의한 반복 변형이 생기므로, 피로에 의해 리드 핀과 유리재와 계면 또는 유리재 그 자체에 균열을 발생하는 경우가 있다. 또한, 교류 전류나 펄스 전류의 주파수가 인간의 가시 대역인 경우에는 반도체 레이저 모듈이 설치되는 하우징이나 설치 방법에 따라서는, 리드 핀의 반복 변형이 음원으로 되어, 그것이 주위의 하우징 등에서 증폭됨으로써 소음으로 되는 경우가 있다고 하는 문제가 있었다.
상기의 문제를 해결하기 위해서, 리드 핀을 비자성 재료로 하는 것을 생각할 수 있다. 특허 문헌 1에서는, 리드 핀 재료로서 구리, 알루미늄, 티탄, 오스테나이트계(austenitic) 스테인레스 및 그들의 합금을 들고 있다. 특허 문헌 2에서는, 리드 핀 재료로서 니켈-몰리브덴 합금(해스텔로이(hastelloy)) 또는니켈­ 크롬­ 몰리브덴 합금을 들고 있다.
(선행기술문헌)
(특허 문헌)
특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 제2003-216887호 공보
특허 문헌 2 : 일본 특허 공개 제2005-353291호 공보
그러나, 특허 문헌 1에 열거되어 있는 구리, 알루미늄, 오스테나이트계 스테인레스의 재료의 선팽창 계수는 각각 구리가 19×10-6[/K], 알루미늄이 23×10-6[/K], 티탄이 8.4×10-6[/K], 오스테나이트계 스테인레스가 16.4×10-6[/K]이며, 티탄을 제외한 모든 재료의 계수가, 밀봉용 유리로서 사용되는 봉규산염(borosilicate) 유리나 소다계 유리의 선팽창 계수 9.5×10-6[/K]에 대하여 차이가 크고, 유리 밀봉 시의 냉각 과정에서 열 수축량의 차이에 의해 리드 핀과 유리재와의 경계부 또는 유리재에 균열이 생겨, 기밀을 충분하게 유지할 수 없는 경우가 있다고 하는 문제점이 있었다. 티탄은, 정련이나 가공이 어렵고 고가이다.
특허 문헌 1에 열거되어 있는 티탄과 오스테나이트계 스테인레스, 특허 문헌 2에 열거되어 있는 니켈·몰리브덴계 합금, 니켈·크롬·몰리브덴계 합금은, 체적 저항률에 대해 티탄이 53[μΩ·cm], 오스테나이트계 스테인레스가 74[μΩ·cm], 니켈·몰리브덴계 합금, 및 니켈·크롬·몰리브덴계 합금이 110[μΩ·cm]으로, 일반적으로 대전류용 배선으로서 사용되는 구리의 1.7[μΩ·cm]와 비교하여 10배 이상 크고, 대전류를 흘렸을 때에, 배선 부분에서의 줄(joule)열에 의한 온도 상승에 의해 선재에 신축이 생기고, 리드 핀과 유리재 사이에 균열이 발생하는 등, 기밀을 충분하게 유지할 수 없는 경우가 있다고 하는 문제점이 있었다.
상기와 같은 리드 핀의 발열에 기인하는 문제를 회피하기 위해서 전류를 흘리는 리드 핀의 직경을 크게 하여 리드 핀의 선 저항을 낮추는 방법도 생각할 수 있지만, 리드 핀의 직경을 1mmφ 정도 이상으로 크게 하면 기밀 밀봉 자체가 어렵게 되기 때문에, 최대 1mmφ 정도의 직경의 리드 핀에 대전류를 흘릴 필요가 있었다.
본 발명은, 이러한 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 유리 밀봉 시의 냉각 과정에서 파손하는 것이 없이, 자기 왜곡 변형을 허용할 수 있는 범위에서 대전류를 흘릴 수 있는 기밀 단자를 사용한 반도체 레이저 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 레이저 모듈은, 전류가 공급되어 발광하는 반도체 레이저 소자와, 관통 구멍을 갖는 패키지 베이스와, 상기 관통 구멍을 관통하여 상기 반도체 레이저 소자에 전류를 공급하는 리드 핀과, 상기 리드 핀이 관통된 상기 관통 구멍을 밀봉한 유리재와, 상기 반도체 레이저 소자가 발광하는 광이 방출되는 창을 갖고, 상기 패키지 베이스와 기밀하게 접합된 내부에 상기 반도체 레이저 소자를 갖는 캡을 구비하며, 상기 리드 핀은, 상기 유리재와의 선팽창 계수의 차이가 소정 비율 이하이고, 포화 자기 왜곡 상수(saturation magneto-striction constant)가 소정 값 이하이며, 체적 저항률이 소정률 이하인 철·니켈계 합금인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 따른 반도체 레이저 모듈은, 전류가 공급되어 발광하는 반도체 레이저 소자와, 관통 구멍을 갖는 패키지 베이스와, 상기 관통 구멍을 관통하여 상기 반도체 레이저 소자에 전류를 공급하는 리드 핀과, 상기 리드 핀이 관통된 상기 관통 구멍을 밀봉한 유리재와, 상기 반도체 레이저 소자가 발광하는 광이 방출되는 창을 갖고, 상기 패키지 베이스와 기밀하게 접합된 내부에 상기 반도체 레이저 소자를 갖는 캡을 구비하며, 상기 리드 핀은, 상기 유리재와의 선팽창 계수의 차이가 소정 비율 이하이고, 포화 자기 왜곡 상수가 소정 값 이하이며, 체적 저항률이 소정률 이하인 철·니켈계 합금인 것을 특징으로 하는 것이기 때문에, 유리 밀봉 시의 냉각 과정에서 파손하는 것이 없이, 자기 왜곡 변형을 허용할 수 있는 범위에서 대전류를 흘릴 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서의 반도체 레이저 모듈의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 철·니켈 합금의 니켈 함유량과 포화 자기 왜곡 상수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 철·니켈 합금의 니켈 함유량과 선팽창 계수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 철·니켈 합금의 니켈 함유량과 체적 저효율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 철·니켈 합금의 니켈 함유량과 열 전도율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 리드 핀 후보 재료 및 그외의 재료의 재료 특성을 설명하는 도면이다.
본 발명의 본 실시 형태의 반도체 레이저 모듈에 대하여, 도면을 참조하면서 이하에 설명한다.
(실시 형태 1)
도 1은, 본 실시 형태에 있어서의 반도체 레이저 모듈(100)의 구성을 나타내는 단면도이다. 도 1에 있어서, 반도체 레이저 모듈(100)은, 전류가 공급되어 발광하는 반도체 레이저 소자(10)가 고정된 패키지 베이스(1)에, 반도체 레이저 소자(10)가 발광하는 광이 방출되는 유리창(31)이 설치된 캡(30)이 기밀하게 접합되어 있다.
패키지 베이스(1)에는 소정 수의 원형의 관통 구멍(1A)이 설치되어 있고, 관통 구멍(1A)의 각각은 1개의 리드 핀(2)이 관통하고 있으며, 리드 핀(2)의 주위의 관통 구멍(1A)에는 유리재(3)가 매립되어 있다. 리드 핀(2)이 관통하여 고정된 패키지 베이스(1)가, 스템이라고 불리는 기밀 단자(20)이다.
패키지 베이스(1) 및 캡(30)의 재료로서는, 탄소강 또는 니켈 함유량 50% 질량 정도의 철·니켈계 합금을 이용하고, 유리재(3)로서는 소다계 유리를 이용한다. 또한, 리드 핀(2)의 재료는, 「JIS C 2531,1999 : 철 니켈 연질 자성 재료」로 규정되는 니켈 함유량이 70 내지 85% 질량의 철·니켈계 합금(PC 퍼멀로이(permalloy)) 중, 특히 포화 자기 왜곡 상수가 제로(zero)에 가깝고 초기 투자율이 최대로 되는 니켈 함유량이 78.5% 질량인 철·니켈계 합금(78 퍼멀로이 또는 퍼멀로이 A)으로 한다.
유리재(3)의 재료인 소다계 유리의 선팽창 계수는 9.5×10-6[/K]이지만, 패키지 베이스(1)의 재료인 탄소강이나 니켈 함유량 50% 질량의 철·니켈계 합금의 선팽창 계수도 11.1×10-6[/K]로 소다계 유리의 그것에 근접한 값을 갖는다. 또한, 리드 핀(2)의 재료인 퍼멀로이 A도 12×10-6[/K] 정도로 소다계 유리의 그것에 대략 근접한 값을 갖는다.
여기서, 본 실시 형태에 있어서의 반도체 레이저 모듈(100)에서 이용하는 기밀 단자(20)의 제조 방법을 간단히 설명한다. 우선, 패키지 베이스(1)의 소정의 위치에 관통 구멍(1A)을 형성한다. 계속해서, 관통 구멍(1A)의 중심에 리드 핀(2)을 배치한다. 리드 핀(2)의 주위의 관통 구멍(1A)에, 녹인 유리재(3)를 유입하여, 관통 구멍(1A)을 밀봉한다. 유리재(3)가 고화하여 상온으로 되면, 기밀 단자(20)가 완성된다.
패키지 베이스(1)의 소정의 위치에 반도체 레이저 소자(10)를 접착제 등으로 고정하여, 리드 핀(2)과 반도체 레이저 소자(10) 사이를 배선으로 연결한다. 그 후, 캡(30)을 덮어, 건조 공기 등을 봉입하여, 패키지 베이스(1)와 캡(30)을 저항 용접에 의해 접합한다. 이렇게 해서, 반도체 레이저 모듈(100)이 완성된다.
이와 같이, 기밀 단자(20)의 제조 시의 유리재(3)의 용융 시에, 유리재(3)를 녹이기 위해서 1000℃ 정도의 고온을 거치기 때문에, 패키지 베이스(1)와 유리재(3)와 리드 핀(2)의 선팽창 계수가 가까울수록 상온 시의 응력이 작게 된다.
본 실시 형태의 반도체 레이저 모듈(100)은, 선팽창 계수의 차이가 작은 패키지 베이스(1)와 유리재(3)와 리드 핀(2)에 의해 구성되어 있기 때문에, 유리 밀봉 공정에서 발생하는 응력이 작고, 유리재(3)와 리드 핀(2)의 사이, 및 유리재(3)와 패키지 베이스(1)의 사이에 균열이 발생하기 어렵다.
다음에, 리드 핀(2)에 교류 전류 또는 펄스 전류를 인가하여, 반도체 레이저 모듈(100)을 구동하는 경우에 대하여 설명한다.
리드 핀(2)에 전류를 흘리면, 리드 핀(2)의 내부에서는 전류에 의해 자계가 발생한다. 리드 핀(2)에는 자계의 영향으로 재료가 갖는 포화 자기 왜곡 상수에 따른 변형이 발생한다. 본 실시 형태에 있어서의 리드 핀(2)의 재료는, 포화 자기 왜곡 상수가 작은 퍼멀로이 A로 하고 있기 때문에, 거의 자기 왜곡 변형이 생기는 경우가 없다. 그 결과, 변형에 의한 유리 밀봉부의 피로 파괴, 및 소음의 발생이 생기는 경우가 없다.
또한, 본 실시 형태의 리드 핀(2)은 퍼멀로이 A이므로, 종래 일반적으로 사용되어 온 니켈 함유량 50% 질량 정도의 철·니켈 합금과 비교하여, 체적 저항률은 15[μΩ·cm]으로 약 42%로 작게 할 수 있다. 따라서, 리드 핀(2)에 큰 전류를 흘린 경우이더라도, 리드 핀(2)의 발열량을 작게 할 수 있어, 리드 핀(2)의 발열에 의한 신축량을 작게 할 수 있다. 그 결과, 레이저 모듈 구동 시에 있어서 유리 밀봉부의 피로 파괴가 생기는 일이 없이 신뢰성이 높은 기밀 패키지를 얻을 수 있다.
본 실시 형태에 의하면, 예컨대, 1mmφ의 리드 핀(2)에 평균 5A의 대전류를 계속해서 흘린 경우에도 균열 발생에 의해 기밀 밀봉이 분해되는 것이 거의 없어, 높은 신뢰성을 갖는 반도체 레이저 모듈을 얻을 수 있다.
리드 핀(2)의 재료에 퍼멀로이 A를 채용한 이유를 설명한다. 도 2는, 철·니켈 합금에 있어서의 니켈 함유량과 포화 자기 왜곡 상수의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 3은, 철·니켈 합금에 있어서의 니켈 함유량과 선팽창 계수의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 4는, 철·니켈 합금에 있어서의 니켈 함유량과 체적 저효율의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 5는, 철·니켈 합금에 있어서의 니켈 함유량과 열 전도율의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 6은, 리드 핀 후보 재료 및 그외의 재료의 재료 특성을 설명하는 도면이다.
퍼멀로이 A는, 선팽창 계수가 12×10-6[/K]이며, 패키지 베이스(1)의 재료인 철의 10.8×10-6[/K] 및 소다 유리의 9.5×10-6[/K]에 대하여, 그 차이는 각각 11.1% 증가, 26.3% 증가를 허용할 수 있는 범위로 되어 있다. 그 때문에, 용융한 유리재가 고화할 때에, 선팽창 계수의 차이에 의해 발생하는 유리재의 응력을 균열 등이 발생하지 않는 레벨로 낮출 수 있다. 퍼멀로이 A의 포화 자기 왜곡 상수는, 5×10-6 정도이며, 니켈 함유량이 50% 질량(Fe-50% wt Ni 합금)인 경우의 약 20×10-6에 대하여, 약 4분의 1로 되어 있다. 퍼멀로이 A의 체적 저항률은 15[μΩ·cm]이며, Fe-50% wt Ni 합금의 경우의 약 35[μΩ·cm]에 대하여, 약 42%으로 되어 있다. 퍼멀로이 A의 열 전도율은 33.5[W/m·K]이며, Fe-50% wt Ni 합금인 경우의 14[W/m·K]에 대하여, 약 2.39배로 되어 있다.
도 2 내지 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 포화 자기 왜곡 상수가 제로에 근접하고, 선팽창 계수가 유리재의 값에 근접하며, 체적 저항률이 가능한 한 작은 철 니켈 합금은, 니켈 함유량이 약 80% 질량 정도의 경우이다. 니켈 함유량이 78.5% 질량인 퍼멀로이 A를 리드 핀(2)의 재료에 채용한 이유는, 퍼멀로이 A가, 압연, 절단 등의 기계 가공성이 우수하고, 재료 입수나 핀 형상으로의 가공이 용이하며, 저렴하게 제조가 가능하기 때문이다.
퍼멀로이 A가 아니더라도, JIS나 IEC 등의 규격에 의해 규정되어 있는 철 니켈 합금이면, 규격 외의 합금보다도 입수가 용이하다. JIS이면, 「JIS C 2531,1999 : 철 니켈 연질 자성 재료」에 의해 규정되는 니켈 함유량이 70 내지 85% 질량의 철·니켈계 합금(PC 퍼멀로이)이 좋다. IEC이면, 「IEC60404-8-6, 1999 : 연질 금속 자성 재료」에서 종류가 E 11로서 규정되는 니켈 함유량이 72 내지 83% 질량의 철·니켈계 합금이 좋다.
리드 핀의 재료로서, 밀봉하는 유리재와의 선팽창 계수의 차이가 소정 비율 이하이고, 포화 자기 왜곡 상수가 소정 값 이하이며, 체적 저항률이 소정률 이하인 철·니켈계 합금이 바람직하다. 리드 핀에서의 줄열, 반도체 레이저 소자에서의 발광에 수반하는 발열을 패키지 외부로 이동할 수 있도록, 열 전도율은 큰 쪽이 좋다. 철 니켈계 합금에 있어서, 부가 기능을 갖게 하기 위해서, 상기 철·니켈의 재료에 대하여 몰리브덴, 크롬, 구리, 니오븀 등의 원소를 10% 질량 정도까지 첨가한 재료를 이용하더라도 좋다.
또, 니켈 함유량이 30% 질량 근방인 철·니켈 합금에 대해서도 포화 자기 왜곡 상수가 거의 제로로 되므로 마찬가지의 효과를 얻을 수 있지만, 체적 저항률은 75[μΩ·cm]이므로 대전류를 인가하는 경우에, 리드 핀 직경을 크게 할 수 있거나, 또는 리드 핀 길이를 짧게 할 수 있는 경우 이외에는 바람직하지 않다.
100 : 반도체 레이저 모듈 10 : 반도체 레이저 소자
1 : 패키지 베이스 1A : 관통 구멍
2 : 리드 핀 3 : 유리재
20 : 기밀 단자 30 : 캡
31 : 유리창

Claims (4)

  1. 전류가 공급되어 발광하는 반도체 레이저 소자와,
    관통 구멍을 갖는 패키지 베이스와,
    상기 관통 구멍을 관통하여 상기 반도체 레이저 소자에 전류를 공급하는 리드 핀(lead pin)과,
    상기 리드 핀이 관통한 상기 관통 구멍을 밀봉한 유리재와,
    상기 반도체 레이저 소자가 발광하는 광이 방출되는 창(window)을 갖고, 상기 패키지 베이스와 기밀하게 접합된 내부에 상기 반도체 레이저 소자를 갖는 캡(cap)을 구비하며,
    상기 리드 핀은, 상기 유리재와의 선팽창 계수의 차이가 소정 비율 이하이고, 포화 자기 왜곡 상수가 소정 값 이하이며, 체적 저항률이 소정률 이하인 철·니켈계 합금인
    것을 특징으로 하는 반도체 레이저 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 리드 핀은, 니켈 함유량이 규격에 의해 정해진 범위 내인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 리드 핀은, 니켈 함유량이 70% 질량 이상 85% 질량 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 모듈.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 리드 핀은, 니켈 함유량이 72% 질량 이상 83% 질량 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 모듈.
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