WO2003049087A2 - Lasermodul für optischen lese/schreibkopf und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Lasermodul für optischen lese/schreibkopf und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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WO2003049087A2
WO2003049087A2 PCT/CH2002/000668 CH0200668W WO03049087A2 WO 2003049087 A2 WO2003049087 A2 WO 2003049087A2 CH 0200668 W CH0200668 W CH 0200668W WO 03049087 A2 WO03049087 A2 WO 03049087A2
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laser module
laser
semiconductor laser
electronic components
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Atanas Zafirov
Philipp Philipov
Robert Hoffmann
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Interaxia Ag
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    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
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    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/125—Optical beam sources therefor, e.g. laser control circuitry specially adapted for optical storage devices; Modulators, e.g. means for controlling the size or intensity of optical spots or optical traces
    • G11B7/127—Lasers; Multiple laser arrays
    • G—PHYSICS
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    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/123—Integrated head arrangements, e.g. with source and detectors mounted on the same substrate
    • G—PHYSICS
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    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/22—Apparatus or processes for the manufacture of optical heads, e.g. assembly

Definitions

  • the invention relates to a laser module for an optical read / write head according to the preamble of the first independent claim and a method for producing the module according to the preamble of the corresponding independent claim.
  • Optical read / write heads are used to read out data that is stored on an optical data carrier, for example on a CD, CD-R, DVD or DVD-R, and / or data on such a data carrier, for example on a CD-R or DVD -R to write.
  • Such read / write heads have a micro-optical system with which a laser beam is generated and focused on the data carrier and with which light reflected by the data carrier is registered by a photodetector.
  • the micro-optical system of the read / write head has two or more than two semiconductor lasers that generate laser light of different wavelengths, for example laser light with wavelengths of 780 nm and 650nm.
  • the beam paths of the light of different wavelengths are usually at least partially the same.
  • a monitor diode and a corresponding control circuit are provided to keep the light output of the semiconductor laser constant.
  • the photodetector usually consists of an arrangement of light-sensitive diodes, the signals of which are evaluated on the one hand as read signals and on the other hand serve to control a tracking and a focusing drive.
  • the beam path between the laser source and the photodetector has a plurality of optical elements with different functions (grating, collimator lens, beam splitter, object lens, etc.).
  • a laser / detector module of the type mentioned is known, for example, from US Pat. No. 6,211,511.
  • the laser / detector module described in this publication has semiconductor lasers which are mounted on a heat absorber block, the heat absorber block in turn being arranged on a flat carrier.
  • the photoreceiver matrices are also mounted on the carrier, for precise focusing, if necessary, on correspondingly high assembly documents.
  • the carrier with the components mounted thereon is accommodated in a housing, which housing has connections for signals and for the electrical supply and a window equipped with a holographic element and aligned parallel to the carrier for has the passage of the laser light.
  • the holographic element directs light reflected by the data carrier onto the detector matrices.
  • the semiconductor lasers used in the module according to US-6211511 are so-called edge-emitting lasers.
  • they are either mounted on surfaces of the heat absorber block oriented perpendicular to the support or on surfaces aligned parallel to the support, in which case the laser light is deflected by a prism.
  • the prism has at least one reflecting surface forming an angle of 45 ° with the support and is also positioned on the support.
  • a module which comprises both an edge-emitting semiconductor laser and a surface-emitting laser (vertical cavity surface emitting laser or VCSEL), a two-layer carrier is used, the upper carrier layer having an opening with an edge surface, which forms an angle of 45 ° to the support surfaces.
  • the surface-radiating laser is mounted on the upper support layer.
  • the edge-radiating laser is mounted in the opening of the upper carrier layer on the lower carrier layer and the light emitted by it is reflected on the 45 ° edge surface in a direction perpendicular to the carrier layers.
  • the module according to US-5936929 includes only the laser.
  • the detectors are arranged on a main carrier.
  • the pit wall which is at least partially gold-plated, serves to reflect the laser light in a direction perpendicular to the substrate surface.
  • pits produced in silicon crystals by means of wet etching have a geometry that is precisely predetermined by the crystal structure. In other words, this means that pit walls used as mirrors can only be flat and that the angle between the pit wall and the pit floor cannot be freely selected and cannot be 45 ° in the case of silicon. This means that for a reflection in a direction perpendicular to the substrate surface, the semiconductor laser must not be mounted flat but crooked on the pit floor, which is complex and can only be achieved with limited accuracy.
  • the object of the invention is to create a laser module or, if appropriate, a laser / detector module for a read / write head, which laser module has at least one edge-emitting semiconductor laser and a means for deflecting light emitted by the semiconductor laser, and advantageously those for the regulation of the laser power necessary monitor diode and possibly photodetectors for the detection of the light reflected from an optical data carrier and integrated circuits for preamplification, signal generation etc.
  • the laser module according to the invention should be constructed in such a way that it can be manufactured completely using known, highly automated processes and is therefore very inexpensive to manufacture , It is also the object of the invention to demonstrate a method for producing the aforementioned laser module. The above-mentioned objects are achieved by the laser module and the method for its production as defined in the patent claims.
  • the laser module according to the invention has a carrier with a flat primary carrier surface and a reflecting surface rising from the primary carrier surface at a predetermined, freely selectable angle (e.g. 45 °).
  • the edge-radiating semiconductor laser is mounted on the primary carrier surface and the light emitted by it is reflected on the reflecting surface in a predetermined direction (e.g. perpendicular to the primary carrier surface).
  • the further optical / electronic components are likewise mounted on the primary carrier surface or on secondary carrier surfaces which are aligned parallel to the primary carrier surface and have different levels suitable for the corresponding components from the level of the primary carrier surface.
  • the primary carrier surface, the reflecting surface and, if appropriate, the secondary carrier surfaces are surface regions of a single, one-piece carrier consisting of a metal foil, which has regions which correspond to these surfaces and are preferably made of copper or a copper alloy.
  • the positions and levels of the further optical / electronic components are advantageously chosen such that the connection pads of all of these components are in one plane, if possible. This makes it possible to contact these components in a TAB process (tape automated bonding) with conductors on a film circuit board. Wire bonds may be necessary for electrical connections between components with different connection levels.
  • the carrier, the optical / electronic components positioned thereon and the corresponding part of the film circuit board are packaged in a housing with a window or sealed in a correspondingly transparent packaging material.
  • Step 1 Production of the carrier with a primary carrier surface and reflecting surface and optionally with secondary carrier surfaces by deforming a correspondingly pre-punched copper foil;
  • Step 2 Gold plating of the surface area of the carrier used as a reflecting surface
  • Step 3 assembly of the optical / electronic components on the primary carrier surface of the carrier and optionally on secondary carrier surfaces, preferably in a multichip process;
  • Step 4 if necessary, making electrical connections of optical / electronic components to one another by means of wire connections (wire bonding);
  • Step 5 contacting the optical / electronic components with the conductor tracks of a film circuit board in a TAB process
  • Step 6 Create a packaging that is transparent to the laser light at the appropriate point.
  • a type of lead frame is advantageously punched from a copper foil by punching, in the central part of which the carrier to be produced is flat Form is given.
  • This central part of the punched form is then subjected to a mechanical deformation step, for which two mutually coordinated deformation matrices are used, which act on the copper foil from two sides.
  • the deformation matrices are advantageously produced using the LIGA process (lithographic galvanoforming).
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the one-piece carrier for a laser module according to the invention
  • Figure 2 shows the carrier according to Figure 1 with optical / electronic components mounted thereon;
  • FIG. 3 shows the successive steps of an exemplary embodiment of the method for producing a laser module according to the invention
  • FIG. 4 shows the successive steps of an exemplary embodiment of a method for producing matrices for deforming a metal foil into a carrier for a laser module according to the invention.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the one-piece carrier 1 for an inventive laser module for a read / write head.
  • the carrier 1 has one primary support surface 2, three secondary support surfaces 3, 4 and 5 and a reflective surface 6.
  • the reflective surface 6 adjoins the primary support surface 2 and has an incline of, for example, 45 °. It can be flat or hollow cylindrical.
  • the primary carrier surface 2 and the secondary carrier surfaces 3, 4 and 5 are parallel to one another, the secondary carrier surfaces 3, 4 and 5 being raised or, if appropriate, being deepened relative to the primary carrier surface 2.
  • the secondary carrier surfaces 3 and 5 shown in FIG. 1 are arranged by d1 above the primary wing, the secondary wing 4 by d.2.
  • the carrier 1 is produced by deformation from a piece of a metal foil, thus in one piece and has flat regions corresponding to the carrier surfaces 2, 3, 4 and 5 and the reflecting surface 6, the thickness of which corresponds to the thickness of the foil originally used and is adapted to the material used and to the strength conditions set for the processing of the carrier.
  • the carrier preferably consists of copper or a copper alloy and the flat regions have a thickness of 0.1 to 0.5 mm.
  • the reflective surface 6 is treated or coated, for example gold-plated, for optimum reflection.
  • the dimensions of the primary and secondary support surfaces are matched to the optical / electronic components to be applied thereon and will usually not be larger than a few millimeters.
  • FIG. 2 shows the carrier 1 according to FIG. 1 with optical / electronic components mounted thereon, for example two edge-emitting semiconductor lasers 10 and 11 for generating laser light of two wavelengths (for example 780 nm for reading and writing on CDs and 650 nm for reading and writing on DVDs) , Photodetectors 12 and 13 in the form of photodiode arrays, optionally with integrated circuits 14 and 15 for preamplification and error signal generation and monitor diodes 16 and 17 assigned to the semiconductor lasers 10 and 11.
  • optical / electronic components mounted thereon, for example two edge-emitting semiconductor lasers 10 and 11 for generating laser light of two wavelengths (for example 780 nm for reading and writing on CDs and 650 nm for reading and writing on DVDs) , Photodetectors 12 and 13 in the form of photodiode arrays, optionally with integrated circuits 14 and 15 for preamplification and error signal generation and monitor diodes 16 and 17 assigned to the semiconductor lasers 10 and 11.
  • the level differences d.l and d.2 indicated in FIG. 1 are to be matched to the thickness of the components and to the requirements of the TAB process or, if appropriate, to the optical function of the components in connection with the semiconductor lasers 10 and 11.
  • a possibly hollow cylindrical configuration of the reflecting surface 6 is to be matched to the properties of the semiconductor lasers 10 and 11.
  • the carrier 1 advantageously consists of copper or a copper alloy, it can also take on the function of the heat absorber.
  • a temperature sensor 18 for example a Peltier element, can be arranged on the side of the carrier 1 opposite the semiconductor lasers 10 and 11.
  • FIG. 3 shows the successive stages (shown as schematic sections) of the production of a laser module according to the invention.
  • the carrier 1 is produced by mechanical deformation of a pre-punched metal foil 20 (preferably made of copper or a copper alloy).
  • Two mutually coordinated matrices 21 and 22 are used for the deformation, which are preferably produced with the required accuracy using a LIGA method (see FIG. 4 and corresponding parts of the description).
  • the piece of copper foil to be deformed is advantageously the central area of a type of leadframe, the outer parts of which are used for conveying and holding during manufacture and are separated from the central part during the manufacturing process, advantageously after the positioning of the optical / electronic components.
  • the optical / electronic components in particular the semiconductor lasers on the primary carrier surface and optionally the photodetectors 12 and 13 and monitor diodes 16 and 17 are then advantageously positioned on the carrier 1 in a multichip process on the secondary carrier surfaces.
  • the carrier with the optical / electronic components is applied to a film circuit board 23 with a corresponding circuit, and the optical / electronic components are connected to the conductor tracks of the film circuit board. Then at least the part of the film circuit board carrying the carrier is accommodated in a packaging 24, preferably by melting in a correspondingly transparent packaging material.
  • FIG. 4 schematically shows a preferably usable method for producing matrices which can be used for deforming the copper foil for producing the carrier for the laser module according to the invention.
  • LIGA process lithographic galvanoforming
  • a correspondingly thick (millimeter range) layer of an X-ray-sensitive plastic (resist) is exposed through a mask with X-rays from an electron synchrotron (extremely parallel X-ray radiation with a quantum energy of several keV).
  • the radiation absorbed in the resist leads to a chemical change in such a way that irradiated areas of the resist can be selectively extracted with a suitable solvent. This creates plastic structures corresponding to the mask.
  • metal eg nickel, copper, gold, nickel / iron or nickel / cobalt
  • the metal structure produced in this way can be used as such or can be used for further molding with plastic, ceramic or metal foil.
  • Structures produced according to the LIGA process are characterized by very low surface roughness and a very low conicity of the structures, that is to say by very high geometric accuracy.
  • a resist layer 31 is applied to a conductive carrier substrate 30.
  • a mask carrier 32 (as transparent as possible for X-rays) with an absorber pattern 33 (material with high X-ray absorption, for example gold) is positioned on the resist layer 31.
  • the mask carrier is then exposed to the X-rays at one or more angles that point toward the creating structure are coordinated. For the deformation die 21, for example, exposure in four directions is necessary, each with an angle of 45 ° with respect to the plane spanned by the carrier substrate.
  • the exposed part of the resist is then removed by development.
  • the remaining, unexposed part 34 of the resist is molded by means of electrodeposition of, for example, nickel 35 and then removed, as a result of which the die 21 is completed.
  • the use of the matrices produced according to the LIGA process for the production of the carrier makes it possible to take the mirror surface without special measures to compensate for the different divergences of the laser light perpendicular to the primary support surface to be hollow cylindrical.
  • positions can be created on the carrier such that all can be contacted using the TAB method (using a highly developed process with the shortest cycle times).
  • the copper support acts as a heat absorber.
  • the copper carrier provides thermal contact with the semiconductor lasers and allows easy temperature monitoring.
  • the copper carrier enables the use of electromagnetic drive chips for the definitive adjustment of the laser module to the optical axis of the read / write head.

Abstract

Das Lasermodul für einen optischen Lese/Schreibkopf weist mindestens einen Kanten-strahlenden Halbleiterlaser (10, 11) auf, der auf einem Träger (1) angeordnet ist. Der Träger ist durch Verformung einer Kupferfolie hergestellt und weist zusätzlich zu einer primären Trägerfläche (2), auf der der Halbleiterlaser (10, 11) angeordnet ist, eine reflektierende Fläche (6) auf, die unter einem vorgegebenen Winkel von beispielsweise 45° an die primäre Trägerfläche (2) anschliesst und das vom Halbleiterlaser (10, 11) ausgestrahlte Licht in eine vorgegebene Richtung umlenkt. Ferner kann der Träger (1) sekundäre Trägerflächen (3, 4, 5) aufweisen, auf denen weitere optisch/elektronische Komponenten aufgebracht sind, derart, dass die Kontaktflächen möglichst aller Komponenten in einer Ebene liegen und in einem TAB-Prozess mit den Leiterbahnen einer Film-Leiterplatte kontaktiert werden können. Für die Verformung der Metallfolie zum Träger (1) werden nach dem LIGA-Verfahren hergestellte Matrizen verwendet. Das Lasermodul ist universell anwendbar und dank Anwendbarkeit von durchwegs etablierten und hoch automatisierten Verfahrensschritten günstig herstellbar.

Description

LASERMODUL FÜR OPTISCHEN LESE/SCHREIBKOPF UND VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG
Die Erfindung betrifft ein Lasermodul für einen optischen Lese/Schreibkopf nach dem Oberbegriff des ersten unabhängigen Patentanspruchs sowie ein Verfahren zur Herstellung des Moduls nach dem Oberbegriff des entsprechenden unabhängigen Patentanspruchs.
Optische Lese/Schreibköpfe dienen dazu, Daten, die auf einem optischen Datenträger, beispielsweise auf einer CD, CD-R, DVD oder DVD-R gespeichert sind, auszulesen und/oder Daten auf einen solchen Datenträger, beispielsweise auf eine CD-R oder DVD-R zu schreiben. Derartige Lese/Schreibköpfe weisen ein mikrooptisches System auf, mit dem ein Laserstrahl erzeugt und auf den Datenträger fokussiert wird und mit dem durch den Datenträger reflektiertes Licht von einem Photodetektor registriert wird.
Für multifunktionale Geräte (Geräte, die mehr als einen Typus von Datenträger auslesen und/oder beschreiben können) weist das mikrooptische System des Lese/Schreibkopfes zwei oder mehr als zwei Halbleiterlaser auf, die Laserlicht ver- schiedener Wellenlängen erzeugen, beispielsweise Laserlicht mit Wellenlängen von 780nm und 650nm. Die Strahlengänge des Lichtes verschiedener Wellenlängen sind dabei üblicherweise mindestens teilweise dieselben. Zur Konstanthaltung der Lichtleistung der Halbleiterlaser ist eine Monitordiode vorgesehen und eine entsprechende Steuerschaltung. Der Photodetektor besteht üblicherweise aus einer Anordnung von lichtempfindlichen Dioden, deren Signale einerseits als Lesesignale ausgewertet werden und andererseits zur Steuerung eines Trak- king- und eines Fokussierantriebs dienen. Der Strahlengang zwischen Laserquelle und Photodetektor weist eine Mehrzahl von optischen Elementen mit verschiedenen Funktionen auf (Gitter, Kollimatorlinse, Strahlenteiler, Objektlinse etc.).
Es ist bekannt, dass es in Lese/Schreibköpfen, wie sie oben beschrieben sind, zu weniger Störungen kommt, wenn der oder die Halbleiterlaser, die ihnen zugeordneten Monitordioden und die Photodetektoren nicht in separaten Gehäusen angeordnet sind, sondern wenn sie im Sinne eines sogenannten Multichip-Moduls zu einer Untereinheit zusammengefasst, das heisst auf einem gemeinsamen Träger und in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. In einem solchen Laser/Detektor-Modul wirken sich Temperaturausdehnungen und Deformationen der grösseren, das ganze mikrooptische System tragenden Hauptkonstruktion nicht auf die relativen Positionen von Halbleiterlaser und Photodetektor aus und auch Vibrationen dieser Hauptkonstruktion während des Betriebs führen zu weniger Störungen als in Anordnungen, in denen Laserquelle und Photodetektoren mehr voneinander getrennt sind.
Ein Laser/Detektor-Modul der genannten Art ist beispielsweise bekannt aus US- 6211511. Das in dieser Publikation beschriebene Laser/Detektor-Modul weist Halbleiterlaser auf, die auf einem Wärmeabsorberblock montiert sind, wobei der Wärmeabsorberblock seinerseits auf einem flachen Träger angeordnet ist. Auf dem Träger sind auch die Photoempfängermatrizen montiert, für eine genaue Fokussierung gegebenenfalls auf entsprechend hohen Montageunterlagen. Der Träger mit den dar- auf montierten Komponenten ist in einem Gehäuse untergebracht, welches Gehäuse Anschlüsse für Signale und für die elektrische Versorgung und ein mit einem holographischen Element ausgerüstetes, parallel zum Träger ausgerichtetes Fenster für den Durchtritt des Laserlichtes aufweist. Durch das holographische Element wird durch den Datenträger reflektiertes Licht auf die Detektormatrizen gelenkt.
Die im dem Modul gemäss US-6211511 verwendeten Halbleiterlaser sind sogenannte Kanten-strahlende Laser (edge emitting laser). Sie werden für eine Lichtab- strahlung senkrecht zum Träger entweder an senkrecht zum Träger ausgerichteten Flächen des Wärmeabsorberblocks montiert oder an parallel zum Träger ausgerichteten Flächen, wobei im letzteren Fall das Laserlicht durch ein Prisma umgelenkt wird. Das Prisma weist mindestens eine, mit dem Träger einen Winkel von 45° bildende, reflektierende Fläche auf und ist ebenfalls auf dem Träger positioniert.
Aus der obigen Beschreibung des Laser/Detektor-Moduls gemäss US-6211511 geht hervor, dass es recht aufwendig ist, ein derartiges Modul zu fabrizieren. Insbesondere ist die Kontaktierung von senkrecht zum Träger montierten Halbleiterlasern in hochautomatisierten Bonding-Prozessen nicht möglich und erfordert die Positionierung und Montage von Prisma und Komponenten mit Montageunterlage aufwendige Verfahren.
Gemäss US-5936929 wird in einem Modul, das sowohl einen Kanten-strahlenden Halbleiterlaser als auch einen Flächen-strahlenden Laser (vertical cavity surface emitting laser oder VCSEL) umfasst, ein zweischichtiger Träger verwendet, wobei die obere Trägerschicht eine Öffnung aufweist mit einer Kantenfläche, die zu den Trägerflächen einen Winkel von 45° bildet. Der Flächen-strahlende Laser ist auf der oberen Trägerschicht montiert. Der Kanten-strahlende Laser ist in der Öffnung der oberen Trägerschicht auf der unteren Trägerschicht montiert und das von ihm ausgestrahlte Licht wird an der 45°-Kantenfläche in eine zu den Trägerschichten senkrechte Richtung reflektiert. Das Modul gemäss US-5936929 umfasst nur die Laser. Die Detektoren sind auf einem Hauptträger angeordnet.
Es ist auch bekannt, Detektoren, Vorverstärker und andere elektronische Komponenten eines Lese/Schreibkopfes als integrierte Schaltungen auf einem einzigen Halbleitersubstrat zu realisieren und einen Kanten-strahlenden Halbleiterlaser in einer dafür vorgesehenen, geätzten Grube auf der Chipoberfläche zu positionieren. Die Grubenwand, die mindestens teilweise vergoldet ist, dient zur Reflexion des Laserlichtes in eine Richtung senkrecht zur Substratoberfläche. Bekannterweise haben in Siliziumkristallen mittels Nassätzen hergestellte Gruben eine durch die Kristall- Struktur genau vorgegebene Geometrie. Das heisst mit anderen Worten, dass als Spiegel verwendete Grubenwände nur eben sein können und dass der Winkel zwischen Grubenwand und Grubenboden nicht frei wählbar ist und im Falle von Silizium nicht 45° sein kann. Dies bedeutet, dass für eine Reflexion in eine Richtung senkrecht zur Substratoberfläche der Halbleiterlaser nicht flach sondern schief auf dem Grubenboden zu montieren ist, was aufwendig und nur mit beschränkter Genauigkeit realisierbar ist.
Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, ein Lasermodul oder gegebenenfalls ein Laser/Detektor-Modul für einen Lese/Schreibkopf zu schaffen, welches Lasermodul mindestens einen Kanten-strahlenden Halbleiterlaser und ein Mittel zur Umlenkung von vom Halbleiterlaser ausgestrahltem Licht aufweist, sowie vorteilhafterweise die für die Regulierung der Laserleistung notwendige Monitordiode und gegebenenfalls Photodetektoren zur Detektion des von einem optischen Datenträger reflektierten Lichts und integrierte Schaltungen für Vorverstärkung, Signalerzeugung etc. Dabei soll das erfindungsgemässe Lasermodul derart konstruiert sein, dass es vollständig mit bekannten, hochautomatisierbaren Prozessen und dadurch sehr kostengünstig herstellbar ist. Es ist auch die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung des genannten Lasermoduls aufzuzeigen. Die genannten Aufgaben werden gelöst durch das Lasermodul und das Verfahren zu seiner Herstellung, wie sie in den Patentansprüchen definiert sind.
Das erfindungsgemässe Lasermodul weist einen Träger mit einer ebenen primären Trägerfläche und einer unter einem vorgegebenen, frei wählbaren Winkel (z.B. 45°) von der primären Trägerfläche aufsteigenden, reflektierenden Fläche auf. Der Kanten-strahlende Halbleiterlaser ist auf der primären Trägerfläche montiert und das von ihm ausgestrahlte Licht wird an der reflektierenden Fläche in eine vorgegebene Richtung (z.B. senkrecht zur primären Trägerfläche) reflektiert. Die weiteren optisch/elektronischen Komponenten sind ebenfalls auf der primären Trägerfläche montiert oder auf sekundären Trägerflächen, die parallel zur primären Trägerfläche ausgerichtet sind und vom Niveau der primären Trägerfläche verschiedene, für die entsprechenden Komponenten geeignete Niveaus haben.
Die primäre Trägerfläche, die reflektierende Fläche und gegebenenfalls die sekundären Trägerflächen sind Oberflächenbereiche eines einzigen aus einer Metallfolie be- stehenden, einstückigen Trägers, der diesen Flächen entsprechende gegeneinander winklig stehende Bereiche aufweist und der vorzugsweise aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung besteht. Die Positionen und Niveaus der weiteren optisch/elektronischen Komponenten sind vorteilhafterweise derart gewählt, dass die Anschluss-Pads möglichst aller dieser Komponenten in einer Ebene liegen. Auf diese Art wird es möglich, diese Komponenten in einem TAB-Prozess (tape automated bonding) mit Leitern einer Film-Leiterplatte zu kontaktieren. Drahtverbindungen (wire bonds) sind gegebenenfalls notwendig für elektrische Verbindungen zwischen Komponenten mit verschiedenen Anschlussniveaus. Der Träger, die darauf positionierten optische/elektronischen Komponenten und der entsprechende Teil der Film-Leiterplatte sind in einem Gehäuse mit Fenster verpackt oder in einem entsprechend transparenten Verpackungsmaterial eingeschmolzen.
Eine besonders vorteilhafte Herstellung des erfindungsgemässen Lasermoduls wird also in den folgenden Schritten durchgeführt:
Schritt 1: Herstellung des Trägers mit primärer Trägerfläche und reflektierender Fläche sowie gegebenenfalls mit sekundären Trägerflächen durch Verformung einer entsprechend vorgestanzten Kupferfolie;
Schritt 2: Vergoldung des als reflektierende Fläche verwendeten Oberöächenberei- ches des Trägers;
Schritt 3: Montage der optisch/elektronischen Komponenten auf der primären Trägerfläche des Trägers und gegebenenfalls auf sekundären Trägerflächen, vorzugsweise in einem Multichip-Prozess;
Schritt 4: gegebenenfalls Herstellung von elektrischen Verbindungen von op- tisch/elektronischen Komponenten untereinander mittels Drahtverbindungen (wire bonding);
Schritt 5: Kontaktierung der optisch/elektronischen Komponenten mit den Leiterbahnen einer Film-Leiterplatte in einem TAB-Prozess;
Schritt 6: Erstellen einer Verpackung, die an der entsprechenden Stelle für das La- serlicht durchlässig ist.
Für Schritt 1 wird vorteilhafterweise von einer Kupferfolie durch Stanzen eine Art Leadframe gesanzt, in dessen zentralem Teil der herzustellende Träger in flacher Form vorgegeben ist. Dieser zentrale Teil der gestanzten Form wird dann einem mechanischen Verformungsschritt unterzogen, für den zwei aufeinander abgestimmte Verformungsmatrizen verwendet werden, die von zwei Seiten auf die Kupferfolie wirken. Die Verformungsmatrizen werden vorteilhafterweise nach dem LIGA- Verfahren (lithographic galvanoforming) hergestellt.
Aus dem obigen kurzen Beschrieb der Herstellung des erfindungsgemässen Lasermoduls geht hervor, dass dieses Modul sehr einfach herzustellen ist und trotzdem die für die Anwendung geforderte, hohe Präzision ohne Probleme erreichen kann.
Das erfindungsgemässe Lasermodul für einen Lese/Schreibkopf und das Verfahren zu dessen Herstellung werden im Zusammenhang mit den folgenden Figuren im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
Figur 1 eine beispielhafte Ausführungsforrn des einstückigen Trägers für ein erfin- dungsgemässes Lasermodul;
Figur 2 der Träger gemäss Figur 1 mit darauf montierten, optisch/elektronischen Komponenten;
Figur 3 die aufeinanderfolgenden Schritte einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemässen Lasermoduls;
Figur 4 die aufeinanderfolgenden Schritte einer beispielhaften Ausführungsforrn eines Verfahrens zur Herstellung von Matrizen für die Verformung einer Metallfolie zu einem Träger für ein erfindungsgemässes Lasermodul.
Figur 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsforrn des einstückigen Trägers 1 für ein erfindungsgemässes Lasermodul für einen Lese/Schreibkopf. Der Träger 1 weist eine primäre Trägerfläche 2, drei sekundäre Trägerflächen 3, 4 und 5 und eine reflektierende Fläche 6 auf. Die reflektierende Fläche 6 schliesst an die primäre Trägerfläche 2 an und weist gegenüber dieser eine Steigung von beispielsweise 45° auf. Sie kann eben oder hohlzylinderförmig sein. Die primäre Trägerfläche 2 und die sekundären Trägerflächen 3, 4 und 5 sind parallel zueinander, wobei die sekundären Trägerflächen 3, 4 und 5 relativ zur primären Trägerfläche 2 erhöht oder gegebenenfalls vertieft sind. Die in der Figur 1 dargestellten sekundären Trägerflächen 3 und 5 sind um d.l über der primären Tragfläche angeordnet, die sekundäre Tragfläche 4 um d.2.
Der Träger 1 ist durch Verformung aus einem Stück einer Metallfolie hergestellt, al- so einstückig und weist den genannten Trägerflächen 2, 3, 4 und 5 und der reflektierenden Fläche 6 entsprechende, flache Bereiche auf, deren Dicke der Dicke der ursprünglich verwendeten Folie entspricht und an das verwendete Material und an die für die Verarbeitung des Trägers gestellten Festigkeitsbedingungen angepasst ist. Vorzugsweise besteht der Träger aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung und die flachen Bereiche haben eine Dicke von 0,1 bis 0,5mm. Die reflektierende Fläche 6 ist für eine optimale Reflexion behandelt oder beschichtet, beispielsweise vergoldet.
Die Abmessungen der primären und sekundären Trägerflächen sind auf die darauf aufzubringenden, optisch/elektronischen Komponenten abgestimmt und werden üblicherweise nicht grösser sein als einige Millimeter.
Figur 2 zeigt den Träger 1 gemäss Figur 1 mit darauf montierten optisch/elektronischen Komponenten, beispielsweise zwei Kanten-strahlende Halbleiterlaser 10 und 11 zur Erzeugung von Laserlicht zweier Wellenlängen (z.B. 780nm zum Lesen und Schreiben auf CDs und 650nm zum Lesen und Schreiben auf DVDs), Photodetektoren 12 und 13 in Form von Photodioden-Matrizen, gegebenenfalls mit integrierten Schaltungen 14 und 15 für Vorverstärkung und Fehlersignalerzeugung und den Halbleiterlasern 10 und 11 zugeordnete Monitordioden 16 und 17.
Die in der Figur 1 angegebenen Niveaudifferenzen d.l und d.2 sind auf die Dicken der Komponenten und auf die Anforderungen des TAB-Prozesses oder gegebenenfalls auf die optische Funktion der Komponenten im Zusammenhang mit den Halbleiterlasern 10 und 11 abzustimmen. Eine gegebenenfalls hohlzylinderförmige Ausgestaltung der reflektierenden Fläche 6 ist auf die Eigenschaften der Halbleiterlaser 10 und 11 abzustimmen.
Da der Träger 1 vorteilhafterweise aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung be~ steht, kann er auch die Funktion des Wärmeabsorbers übernehmen. Zur Überwachung der Temperatur der Halbleiterlaser 10 und 11 kann auf der den Halbleiterlasern 10 und 11 gegenüberliegenden Seite des Trägers 1 ein Temperatursensor 18, beispielsweise ein Peltier-Element angeordnet werden.
Figur 3 zeigt die aufeinanderfolgenden Stadien (als schematische Schnitte darge- stellt) der Herstellung eines erfindungsgemässen Lasermoduls. In einem ersten Schritt wird durch mechanische Verformung einer vorgestanzten Metallfolie 20 (vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung) der Träger 1 hergestellt. Für die Verformung werden zwei aufeinander abgestimmte Matrizen 21 und 22 verwendet, die in der geforderten Genauigkeit vorzugsweise mit einem LIGA- Verfahren herge- stellt werden (siehe Figur 4 und entsprechende Beschreibungsteile). Das zu verformende Stück der Kupferfolie ist vorteilhafterweise der zentrale Bereich einer Art Leadframe, dessen äussere Teile während der Herstellung zum Fördern und Festhalten dienen und während des Herstellungsprozesses, vorteilhafterweise nach der Positionierung der optisch/elektronischen Komponenten vom zentralen Teil abgetrennt werden. Auf dem Träger 1 werden dann vorteilhafterweise in einem Multichip-Prozess die optisch/elektronischen Komponenten, insbesondere die Halbleiterlaser auf der primären Trägerfläche und gegebenenfalls die Photodetektoren 12 und 13 und Monitordioden 16 und 17 auf den sekundären Trägerflächen positioniert.
In einem TAB-Prozess wird der Träger mit den optisch/elektronischen Komponenten auf einer Film-Leiterplatte 23 mit einer entsprechenden Schaltung aufgebracht und dabei die optisch/elektronischen Komponenten mit den Leiterbahnen der Film- Leiterplatte verbunden. Dann wird mindestens der den Träger tragende Teil der Film-Leiterplatte in einer Verpackung 24 untergebracht, vorzugsweise durch Ein- schmelzen in einem entsprechend transparenten Verpackungsmaterial.
Figur 4 zeigt schematisch ein vorzugsweise einsetzbares Verfahren zur Herstellung von Matrizen, die für die Verformung der Kupferfolie zur Herstellung des Trägers für das erfindungsgemässe Lasermödul verwendbar sind. Es handelt sich dabei um das an sich bekannte LIGA- Verfahren (lithographic galvanoforming). Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt eine entsprechend dicke (Millimeterbereich) Schicht eines röntgenempfindlichen Kunststoffes (Resist) durch eine Maske mit Röntgenstrahlung aus einem Elektronensynchroton belichtet (extrem parallele Röngenstrah- lung mit einer Quantenenergie von mehreren keV). Die im Resist absorbierte Strahlung führt zu einer chemischen Veränderung derart, dass bestrahlte Bereiche des Re- sists mit einem geeigneten Lösungsmittel selektiv herausgelöst werden können. Damit entstehen der Maske entsprechende Kunststoff- Strukturen. In einem zweiten Verfahrensschritt wird zwischen den entwickelten Resiststrukturen galvanisch Metall (z.B. Nickel, Kupfer, Gold, Nickel/Eisen oder Nickel/Kobalt) abgeschieden und der unbestrahlte Resist entfernt. Die derart hergestellte Metallstruktur kann als solche verwendet werden oder zur weiteren Abformung mit Kunststoff, Keramik oder Metallfolie dienen. Gemäss dem LIGA- Verfahren hergestellte Strukturen zeichnen sich aus durch sehr geringe Oberflächenrauhigkeit und eine sehr geringe Konizität der Strukturen, also durch sehr hohe geometrische Genauigkeiten.
Zur Herstellung der in der Figur 3 dargestellten konkaven Matrize 21 für die Ver- formung der Kupferfolie 20 wird so gegangen, wie dies schematisch in der Figur 4 dargestellt ist.
Auf einem leitenden Trägersubstrat 30 wird eine Resistschicht 31 aufgebracht. Auf der Resistschicht 31 wird ein Maskenträger 32 (für Röntgenstrahlen möglichst transparent) mit einem Absorbermuster 33 (Material mit hoher Röntgenabsorption, z.B. Gold) positioniert.. Dann wird der Maskenträger mit den Röntgenstrahlen belichtet und zwar unter einem oder mehreren Winkeln, die auf die zu erstellende Struktur abgestimmt sind. Für die Verformungsmatrize 21 ist beispielsweise eine Belichtung in vier Richtungen notwendig, mit je einem Winkel von 45° gegenüber der durch das Trägersubstrat aufgespannten Ebene. Durch Entwickeln wird dann der belichtete Teil des Resists entfernt. Der verbleibende, nicht belichtete Teil 34 des Resist wird mittels galvanischer Abscheidung von beispielsweise Nickel 35 abgeformt und dann entfernt, wodurch die Matrize 21 fertiggestellt ist.
Für die Herstellung der konvexen Matrize 22 (Figur 3) wird in analoger Weise vorgegangen, wobei ein weiterer Abformungsschritt folgt und wobei die Materialien entsprechend zu wählen sind.
Die Verwendung der nach dem LIGA- Verfahren hergestellten Matrizen zur Herstellung des Trägers macht es ohne spezielle Massnahmen möglich, die Spiegelfläche zur Kompensierung der verschiedenen Divergenzen des Laserlichtes senkrecht zur primären Trägerfläche hohlzylindrisch auszugestalten.
Die wichtigsten Vorteile des erfindungsgemässen Lasermoduls sind die folgenden:
9 Für die optisch/elektronischen Komponenten können auf dem Träger derar- tige Positionen geschaffen werden, dass alle nach dem TAB -Verfahren kontaktiert werden können (Verwendung eines hochentwickelten Prozesses mit kürzesten Zykluszeiten).
a Der Träger aus Kupfer übernimmt die Funktion eines Wärmeabsorbers.
. Der Träger aus Kupfer stellt einen Wärmekontakt zu den Halbleiterlasern dar und erlaubt eine einfache Temperaturüberwachung.
• Der Träger aus Kupfer ermöglicht die Verwendung von elektromagnetischen Antriebschips für die definitive Einstellung des Lasermoduls auf die optische Achse des Lese/Schreibkopfes.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Lasermodul für einen optischen Lese/Schreibkopf, welches Lasermodul mindestens einen auf einer primären Trägerfläche (2) angeordneten Halbleiterlaser (10, 11) aufweist sowie mindestens eine reflektierende Fläche (6), die unter einem vorgegebenen Winkel zur primären Trägerfläche derart angeordnet ist, dass sie durch den mindestens einen Halbleiterlaser (10, 11) erzeugtes Licht in eine vorgegebene Richtung reflektiert, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Tragfläche (2) und die reflektierende Fläche (6) Oberflächenbereiche eines einstückigen Trägers (1) sind, der aus einer Metallfolie (20) besteht.
2. Lasermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Halbleiterlaser (10, 11) ein Kanten-strahlender Halbleiterlaser ist, der flach auf der primären Trägerfläche (2) angeordnet ist und dass der vorgegebene Winkel 45° beträgt.
3. Lasermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ein- stückige Träger (1) aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung besteht und im
Bereiche der reflektierenden Fläche (6) vergoldet ist.
4. Lasermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Fläche (6) hohlzylinderförmig ist.
5. Lasermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der einstückige Träger (1) zusätzlich mindestens eine sekundäre Trägerfläche (3, 4, 5) aufweist, die parallel zur primären Trägerfläche (2) ausgerichtet ist und gegenüber dieser einen Niveauunterschied (d.l, d.2) aufweist.
6. Lasermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf den sekundären Trägerflächen (3, 4, 5) weitere optisch/elektronische Komponenten an- geordnet sind.
7. Lasermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Halbleiterlaser (10, 11) und die weiteren optisch/elektronischen Komponenten direkt mit den Leiterbahnen einer Film-Leiterplatte (23) kontaktiert sind.
8. Lasermodul nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren optisch/elektronischen Komponenten Photodetektoren (12, 13), Monitordioden (16, 17) oder integrierte Schaltungen (14, 15) für Vorverstärkung und Fehlersignalerzeugung sind.
9. Lasermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der primären Trägerfläche (2) gegenüberliegenden Seite des Trägers (1) ein Temperatursensor (18) angeordnet ist.
10. Lasermodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (8) ein Peltier-Element ist.
11. Verfahren zur Herstellung eines Lasermoduls für einen optischen Le- se/Schreibkopf , welches Lasermodul mindestens einen auf einer primären Trä- gerfläche (2) angeordneten Halbleiterlaser (10, 11) aufweist sowie eine reflektierende Fläche (6) zur Umlenkung von durch den Halbleiterlaser (10, 11) erzeugtem Licht in eine vorgegebene Richtung, in welchem Verfahren ein Träger (1) hergestellt wird, optisch/elektronische Komponenten auf dem Träger auf- gebracht werden, die optisch/elektronischen Komponenten mit Leiterbahnen kontaktiert und dann in eine gemeinsame Verpackung eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung des Trägers (1) eine Metallfolie (20) vorgestanzt und dann derart verformt wird, dass der Träger (1) die primäre Trägerfläche (2) für die Positionierung des mindestens einen Halbleiterla- sers (10, 11) aufweist und einen daran unter einem vorgegebenen Winkel an- schliessenden Bereich, der die reflektierende Fläche (6) trägt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Fläche (6) des Trägers (1) vergoldet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) zusätzlich zur primären Trägerfläche (2) mindestens eine sekundäre Trägerfläche (3, 4, 5) aufweist, dass auf den sekundären Trägerflächen weitere optisch/elektronische Komponenten angebracht werden und dass der mindestens eine Halbleiterlaser (10, 11) und die weiteren optisch/elektronischen Komponenten in einem TAB-Prozess mit den Leiterbah- nen einer Film-Leiterplatte verbunden werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie (20) in der Art eines Leadframes vorgestanzt wird, wobei der zentrale Teil der Leadframes für den Träger (1) vorgesehen ist und der pe- riphere Teil des Leadframes nach der Aufbringung der optisch/elektronischen Komponenten entfernt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie (20) zwischen zwei Matrizen (21, 22) zum Träger (1) geformt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrizen (21, 22) zur Verformung der Metallfolie (20) nach einem LIGA- Verfahren hergestellt werden.
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