WO2009081470A1 - レーザ光源モジュール - Google Patents

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Motoaki Tamaya
Keiichi Fukuda
Shinichi Oe
Chise Nanba
Akira Nakamura
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Mitsubishi Electric Corporation
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Definitions

  • the present invention relates to a laser light source module equipped with a semiconductor laser array in which a plurality of semiconductor laser elements are arranged in an array, and particularly relates to reduction of power consumption of the module and reduction of stress applied to the laser element. Is.
  • the laser light source module described above includes a plurality of semiconductor laser arrays arranged in a direction perpendicular to the optical axis of the laser beam, a submount substrate made of an insulating material and formed with a feed circuit pattern, and a thermal conductivity of copper or the like. It is composed of a heat sink made of a high material and a stem in which a plurality of power supply lead pins are arranged upright.
  • the semiconductor laser array is mounted on the submount substrate, the submount substrate is mounted on the heat sink, and the heat sink is mounted on the stem.
  • the lead pin and the submount substrate, the submount substrate and the array semiconductor laser element are electrically bonded by a method such as wire bonding or solder bonding, respectively, and a current is applied to the lead pin, thereby driving the semiconductor laser array.
  • Laser light can be output.
  • the laser element is stressed when driven and temperature rises due to the difference in coefficient of linear expansion from the mounted submount substrate.
  • the element size is larger than that of a single laser element, and the stress acting on each laser element is also relatively large.
  • the oscillation wavelength of the laser element changes depending on the temperature and the reliability decreases at a high temperature, it is desirable to make the temperature in the semiconductor laser array as uniform as possible at an appropriate temperature.
  • Patent Documents 1 and 2 propose a structure in which a CuW plate member is interposed between a semiconductor laser array and a water cooling structure.
  • a submount material is CuW, and a plate member made of copper (hereinafter referred to as Cu) serving as an insulating substrate and a power feeding path, and a semiconductor laser array are mounted on the submount,
  • Cu a plate member made of copper
  • an electrode of a semiconductor laser array and a power supply path are electrically joined by wire bonding.
  • the laser light source module having such a structure by using a CuW submount having a low electrical resistance and a Cu plate member as a power supply path, even when a large current is passed, the power consumption and the heat generation amount of the power supply path can be reduced. it can.
  • a power feed path is configured by a circuit pattern formed by a method such as vapor deposition or plating on a submount of an insulating material.
  • a heat sink such as CuW
  • the stress applied to the semiconductor laser array is reduced, but the amount of heat generated in the power supply path increases. Therefore, it was necessary to take measures to increase the cooling capacity of the module. Further, since the power consumption in the power supply path is increased, there is a problem that the power consumption of the module is increased.
  • the insulating plate and the Cu plate are stacked and mounted on the submount, and the semiconductor laser array is mounted in parallel with them.
  • the thickness of a semiconductor laser array is about 0.1 mm
  • the thickness of an insulating plate material such as aluminum nitride (hereinafter referred to as AlN) or silicon carbide (hereinafter referred to as SiC) is 0.1 to 1.0 mm. Therefore, when they are mounted on a CuW plate material, the upper surface height of the insulating plate is higher than the height of the upper surface of the semiconductor laser array.
  • the semiconductor laser array is caused by head interference. As a result, the solder for joining the semiconductor laser array is melted by heating when mounting the insulating plate and the Cu plate, and the semiconductor laser is melted. There was also a problem that the mounting position of the user array was shifted.
  • the laser light source module mounted in the CAN package which has a small mounting area and is suitable for high precision and high output applications, has been required to further reduce the space compared to the one mounted in the butterfly package.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and can reduce the stress applied to the semiconductor laser array and reduce the amount of heat generated in a space-saving manner.
  • the laser light source suitable for mounting on a CAN package The purpose is to provide modules.
  • a laser light source module is a laser light source module including a semiconductor laser array in which a plurality of semiconductor laser elements are arranged in an array.
  • It is made of a material having excellent conductivity, and is arranged side by side with the first lead frame on the submount substrate, constitutes a power feeding path of the semiconductor laser array, and is electrically joined to the other lead pins for power feeding. And a second lead frame, and a wire for electrically joining the semiconductor laser array and the second lead frame.
  • the submount substrate made of a material having excellent insulating properties, it is composed of a material having excellent electrical conductivity and thermal conductivity and having a linear expansion coefficient comparable to that of a semiconductor laser array.
  • the first lead frame and the second lead frame made of a material having excellent electrical conductivity are mounted side by side, and the semiconductor laser array is mounted on the first lead frame, and the first lead frame and the second lead are mounted.
  • the effect of reducing the stress applied to the semiconductor laser array due to the difference in linear expansion coefficient between the semiconductor laser array and the submount substrate accompanying the rise in module temperature, on the submount substrate Compared to the case of vapor-deposited circuit patterns, the effect of reducing the power consumption generated in the feed path, and the semiconductor laser array
  • the effect of equalizing the amount of heat generated in 7 can be achieved simultaneously.
  • FIG. 1 is a perspective view of Embodiment 1 of a laser light source module according to the present invention.
  • FIG. 2 is a front view of a main part of the laser light source module according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a side view in which a part of the laser light source module according to the first embodiment viewed from the side surface is shown in cross section.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the main part for explaining the thickness relationship between the members of the laser light source module of the first embodiment.
  • FIG. 5 is a perspective view of Embodiment 2 of the laser light source module according to the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view of a laser light source module according to Embodiment 1 of the present invention.
  • a laser light source module 100 according to the present embodiment is made of a stem 1, two pairs of power supply lead pins 2A, 2A, 2B, and 2B erected on the stem 1, and a material having excellent thermal conductivity.
  • the laser light source module 100 is mounted on the submount substrate 4, the semiconductor laser array 7 is mounted on the upper surface, and either the positive or negative electrode of the semiconductor laser array 7 is connected, A second lead frame 6 that is arranged on the submount substrate 4 along with the first lead frame 5 and to which the other electrode of the semiconductor laser array 7 is connected, and the semiconductor laser array 7 and the second lead frame 6 are electrically connected. And a wire 8 to be joined.
  • the first lead frame 5 is made of a material having excellent electrical conductivity and thermal conductivity and having a linear expansion coefficient comparable to that of the semiconductor laser array 7.
  • the first lead frame 5 is mounted with the semiconductor laser array 7 and is fed with power to the semiconductor laser array 7. Configure the road.
  • the second lead frame 6 is made of a material having excellent electrical conductivity and thermal conductivity, and constitutes a power supply path for the semiconductor laser array 7.
  • the stem 1 is a plate-like member made of a metal material, and power supply lead pins 2A, 2A, 2B, and 2B serving as power supply lines to the semiconductor laser array 7 are fixed by glass sealing.
  • the heat sink 3 is mounted and fixed to the stem 1 by a method such as soldering.
  • a submount substrate 4 made of a material having excellent insulating properties such as AlN and SiC on the upper surface of the heat sink 3 and having an electric circuit pattern formed on the upper surface is mounted and fixed by a method such as soldering.
  • the first lead frame 5 and the second lead frame 6 are mounted on the circuit pattern formed on the submount substrate 4.
  • the first lead frame 5 is made of a material such as CuW, which has a linear expansion coefficient close to that of gallium arsenide (hereinafter, GaAs), which is a material of the semiconductor laser array 7, and has a high thermal conductivity and a low electrical resistance.
  • GaAs gallium arsenide
  • the first lead frame 5 has a shape in which a flat plate is bent into a U-shape, a main portion 5a having a main surface fixed to the submount substrate 4, and a main portion 5a bent at right angles from both ends. It is comprised from the bending parts 5b and 5c to stand.
  • the bent portions 5b and 5c are electrically and mechanically joined to the power supply lead pins 2A and 2A by a method such as soldering.
  • the second lead frame 6 is made of a material such as Cu having high thermal conductivity and low electrical resistance. Like the first lead frame 5, the second lead frame 6 is formed by bending a flat plate into a U-shape. The main surface is composed of a flat plate-like main portion 6a fixed to the submount substrate 4, and bent portions 6b and 6c that are bent at right angles from both ends of the main portion 6a. The second lead frame 6 is electrically and mechanically joined to the power supply lead pins 2B and 2B by soldering the bent portions 6b and 6c.
  • the semiconductor laser array 7 has a structure in which a plurality of semiconductor laser elements are arranged in parallel, and has electrodes on the upper and lower surfaces.
  • the bottom electrode of the semiconductor laser array 7 is electrically and mechanically connected to the first lead frame 5 by a method such as soldering so that the light emission direction is opposite to the stem 1.
  • the upper electrode of the semiconductor laser array 7 is electrically connected to the second lead frame 6 by a method such as wire bonding using a wire 8 made of a material such as gold (hereinafter referred to as Au). .
  • the thicknesses of the first lead frame 5 and the second lead frame 6 are selected so as to satisfy the following formulas.
  • FIG. 2 is a front view of the main part of the laser light source module 100 of the present embodiment.
  • the second lead frame 6 and the lead pins 2B are omitted.
  • the semiconductor laser array 7 generates heat.
  • components other than the semiconductor laser array 7 included in the power supply path also generate heat according to their electric resistance value and current value. As a result, the temperature rises particularly for the parts serving as the power supply path as compared to before power supply.
  • the semiconductor laser array 7 is made of GaAs
  • the first lead frame 5 is made of CuW
  • the submount substrate 4 is made of AlN
  • the heat sink 3 is made of Cu.
  • the semiconductor laser array 7, the first lead frame 5, and the submount substrate 4 tend to expand or contract due to temperature fluctuations.
  • Expansion amount ⁇ X ⁇ ⁇ ⁇ T ⁇ L of the semiconductor laser array 7
  • ⁇ Y ⁇ ⁇ ⁇ T ⁇ L
  • the expansion amounts of the semiconductor laser array 7 and the first lead frame 5 have a difference ⁇ Y ⁇ X corresponding to the linear expansion coefficient of the material, a shear stress is generated at the material joint, and the material itself is Also, tensile or compressive stress is applied.
  • a high stress is applied to the semiconductor laser, a transition occurs in the semiconductor laser substrate during operation, and the phenomenon that the output decreases by reaching the active layer (DLD: Dark Line Defective) occurs, or due to the progress of cracks, etc. A phenomenon occurs in which the semiconductor laser substrate is broken.
  • DLD Dark Line Defective
  • the semiconductor laser array is directly bonded on the submount substrate. Therefore, when the expansion amount of the submount substrate is ⁇ Z, the constituent material of the submount substrate is The difference between the linear expansion coefficient of AlN and the linear expansion coefficient of GaAs, which is a constituent material of the semiconductor laser array 7, is larger than that of CuW. As a result, the difference ⁇ Z ⁇ X in the expansion amount when the temperature fluctuates also increases, so that the laser light source module 100 of this embodiment has a smaller stress applied compared to the conventional semiconductor laser array. As a result, DLD and crack progress are less likely to occur, and reliability is improved.
  • FIG. 3 is a schematic diagram with a part of the laser light source module 100 according to the present embodiment as seen from the side direction showing the state of bonding.
  • the semiconductor laser array 7 is electrically and mechanically joined to the first lead frame 5 with solder or the like.
  • the first lead frame 5 and the second lead frame 6 are mechanically joined to the submount substrate 4 by soldering or the like.
  • these devices are generally joined by an apparatus called a die bonder such as work handling and heating, and supply of solder or the like as a die bond material.
  • a die bonder such as work handling and heating
  • solder or the like as a die bond material.
  • the outer shape of the bonding head 11 is larger than the chip size. Therefore, if there is an object in the vicinity of the workpiece that is the same as or higher than the workpiece height, have a finger in the pie.
  • the plate thickness of the first lead frame 5 is a
  • the plate thickness of the second lead frame 6 is b
  • the plate thickness of the semiconductor laser array 7 is c
  • a ⁇ b Since the thickness satisfies ⁇ a + c, mounting the first lead frame 5, the second lead frame 6, and the semiconductor laser array 7 in this order causes interference between the bonding head 11 and the workpiece even when a general-purpose head is used.
  • the first lead frame 5, the second lead frame 6, and the semiconductor laser array 7 can be mounted without any problem.
  • the semiconductor laser array 7 can be mounted last, solder melting due to heating at the time of mounting and the accompanying mounting position shift do not occur, and the mounting accuracy of the semiconductor laser array 7 can be improved.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the main part viewed from the side surface for explaining the relationship of the thickness between each member of the laser light source module 100 of the present embodiment.
  • the first lead frame 5 and the second lead frame 6 are mounted on the submount substrate 4 as power feeding paths, respectively, and the semiconductor laser array 7 is mounted on the first lead frame 5. Since the height position of the upper surface (electrode surface) of the laser array 7 and the upper surface of the second lead frame 6 can be made substantially equal, the length of the wire 8 can be shortened, and as a result, the laser light source module 100 is supplied with current. It is possible to reduce the power consumption in the wire 8 when the load is applied.
  • the electrical conductivity and thermal conductivity such as CuW are excellent on the submount substrate 4 made of a material having excellent insulating properties, and the same level as the semiconductor laser array 7.
  • a first lead frame 5 made of a material having a linear expansion coefficient and a second lead frame 6 made of a material having excellent electrical conductivity such as Cu are mounted side by side, and further, a semiconductor laser is mounted on the first lead frame 5
  • the effect of reducing the stress applied to the semiconductor laser array 7 by the power supply compared with the circuit pattern deposited on the submount substrate 4 In effect of reducing the power consumption generated, and at the same time to realize the effect of equalizing the amount of heat generated in the semiconductor laser array 7.
  • the power feeding path has a large cross-sectional area as compared with a circuit pattern formed by a general method such as vapor deposition or plating.
  • the power supply path has a small electric resistance, even when a large current is supplied, the power consumption and the heat generation amount in the power supply path can be reduced.
  • the first lead frame 5 on which the semiconductor laser array 7 is mounted is made of a material having a linear expansion coefficient such as CuW made of the same material as that of the semiconductor laser array 7, so that the stress value applied to the semiconductor laser array 7 is set. Can be reduced.
  • the first lead frame 5 is also a material having high thermal conductivity, the heat generated from the semiconductor laser array 7 can be diffused to make the temperature distribution uniform, and the oscillation wavelength and oscillation efficiency of each emitter of the semiconductor laser array 7 can be improved. A stable output with no variation can be obtained.
  • the relationship between the plate thickness a of the first lead frame 5, the plate thickness b of the second lead frame 6, and the substrate thickness c of the semiconductor laser array 7 is selected to satisfy a ⁇ b ⁇ a + c.
  • a general-purpose bonder is used.
  • the bonder pickup tool does not interfere with other members previously mounted. Mounting becomes easy.
  • the semiconductor laser array 7 can be mounted last, the mounting position of the semiconductor laser array 7 does not shift due to heating after mounting the semiconductor laser array 7, and only one heating is required. The reliability of the laser array 7 is improved.
  • the difference in height position between the upper surface electrode of the semiconductor laser array 7 and the upper surface of the second lead frame 6 is set so that the relation of the respective plate thicknesses is b ⁇ a + c.
  • the size can be reduced compared to the case where the second lead frame 6 is not provided.
  • the upper electrode of the semiconductor laser array 7 and the upper surface of the second lead frame 6 are electrically connected by wire bonding, the length of the wire can be shortened as the difference in height position is small, and the electric resistance value is reduced. As a result, power consumption can be reduced.
  • the lead pins 2 are positioned above the semiconductor laser array 7, the first lead frame 5 and the second lead frame 6 are U-shaped, but the lead pins are positioned at the semiconductor laser array.
  • the lead frame may be processed into a shape other than the U-shape, or may be used as a plate shape without being processed.
  • FIG. FIG. 5 is a perspective view of Embodiment 2 of the laser light source module according to the present invention.
  • the first lead frame 5B and the second lead frame 6B have a plate shape instead of a U-shape.
  • the first lead frame 5B and the second lead frame 6B and the lead pin 2 are electrically joined by ribbons 9a, 9b, 9c, 9d.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment, and the description of the configurations given the same numbers is omitted.
  • first lead frame 5B and the second lead frame 6B and the lead pin 2 are joined by the ribbon 9 or the like, they are electrically connected regardless of the mounting accuracy of the first lead frame 5B and the second lead frame 6B. Can be joined together. Thereby, productivity improves.
  • Embodiment 1 and the configuration shown in Embodiment 2 may be applied in combination in two power supply paths.
  • the laser light source module according to the present invention is useful when applied to a laser light source module that requires space saving, and is particularly suitable when applied to a laser light source module mounted on a CAN package. Is.

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Abstract

　熱伝導性に優れた材料で作製され、ステム（１）上に実装されたヒートシンク（３）と、絶縁性に優れた材料で作製され、ヒートシンク（３）上に実装されたサブマウント基板（４）と、電気伝導性及び熱伝導性に優れ且つ半導体レーザアレイ（７）と同程度の線膨張係数の材料で作製され、サブマウント基板（４）上に実装され、半導体レーザアレイ（７）を実装するとともに、半導体レーザアレイ（７）の給電路を構成する第１リードフレーム（５）と、電気伝導性及び熱伝導性に優れた材料で作製され、サブマウント基板（４）上に第１リードフレーム（５）と並べて配設され、半導体レーザアレイ（７）の給電路を構成する第２リードフレーム（６）と、半導体レーザアレイ（７）と第２リードフレーム（６）とを電気的に接合するワイヤ（８）とを備えている。

Description

レーザ光源モジュール
　この発明は、複数の半導体レーザ素子がアレイ状に並べられて成る半導体レーザアレイを搭載するレーザ光源モジュールに関するものであり、特にモジュールの消費電力の低減、及びレーザ素子に負荷される応力の低減に関するものである。
　上述のレーザ光源モジュールは、レーザビームの光軸と直交する方向に複数配列された半導体レーザアレイ、絶縁性材料にて作製され給電回路パターンが形成されたサブマウント基板、銅などの熱伝導率の高い材料にて作製されたヒートシンク、及び複数の給電用リードピンが並んで立設されたステムにより構成される。なお、半導体レーザアレイはサブマウント基板上に実装され、サブマウント基板はヒートシンク上に実装され、ヒートシンクはステム上に実装されている。そして、リードピンとサブマウント基板、サブマウント基板とアレイ半導体レーザ素子とをそれぞれ、ワイヤボンドもしくは半田接合などの方法により電気的に接合し、リードピンに電流を印加することで、半導体レーザアレイが駆動してレーザ光を出力することができる。
　レーザ素子には、実装されているサブマウント基板との線膨張係数の違いにより、駆動して温度上昇すると応力が負荷される。アレイ半導体レーザ素子の場合、レーザ素子が一つであるものと比較して素子寸法が大きく、各レーザ素子に作用する応力も相対的に大きくなる。また、レーザ素子は温度により発振波長が変化すること、高温となると信頼性が低下することから、半導体レーザアレイ内の温度を適正温度にて可能な限り均一にすることが望ましい。
　上記のような理由から、従来、半導体レーザアレイもしくはサブマウント基板を実装するヒートシンク部材の材料として、銅タングステン（以降、ＣｕＷ）をはじめとする、熱伝導性が高く、かつ、半導体レーザアレイと線膨張係数が近い材料を用いることが提案されている。例えば、特許文献１および特許文献２には、半導体レーザアレイと水冷却構造との間にＣｕＷの板部材を介在させる構造が提案されている。
　また、特許文献３には、サブマウント材料をＣｕＷとして、このサブマウント上に、絶縁基板および給電路となる銅（以降、Ｃｕ）にて作製された板部材、及び半導体レーザアレイを実装し、半導体レーザアレイの電極と給電路とをワイヤボンドで電気的に接合する構造が提案されている。このような構造のレーザ光源モジュールにおいては、電気抵抗の小さいＣｕＷサブマウントならびにＣｕ板部材を給電路として用いることにより、大電流を流した場合でも給電路の消費電力および発熱量を小さくすることができる。
特許第３８１６１９４号明細書 特開２００７－２２１１０９号公報 特開２００６－１２８２３６号公報
　しかしながら、上記特許文献１や特許文献２に提案されているものように、絶縁性材料のサブマウント上に、蒸着やめっきなどの方法で形成した回路パターンにて給電路を構成して、サブマウントの下にＣｕＷなどのヒートシンクを配置した場合、半導体レーザアレイに負荷される応力は軽減されるが、給電路における発生熱量が大きくなる。そのため、モジュールの冷却能力を大きくするような措置が必要であった。また、給電路における消費電力が大きくなることから、モジュールの消費電力が大きくなるという問題点もあった。
　一方、特許文献３のものように、サブマウント材料をＣｕＷをとして、サブマウント上に絶縁板とＣｕ板とを積み上げて実装し、また、それらに並設して半導体レーザアレイを実装した場合、一般的に、半導体レーザアレイの厚さは０．１ｍｍ程度であり、また、窒化アルミニウム（以降、ＡｌＮ）、炭化ケイ素（以降、ＳｉＣ）などの絶縁板材の板厚は０．１～１.０ｍｍ程度であることから、ＣｕＷの板材料上にそれらを実装した場合、半導体レーザアレイの上面高さより絶縁板上面高さは高がなり、ダイボンダの汎用ヘッドで実装する場合、ヘッド干渉により半導体レーザアレイの実装順番を最後とすることができず、結果、絶縁板ならびにＣｕ板を実装する際の加熱により半導体レーザアレイを接合している半田が溶融して半導体レーザアレイの実装位置がずれるという問題点もあった。
　また、実装面積が小さく、高精度、高出力用途に向くＣＡＮパッケージに搭載されるレーザ光源モジュールにおいては、バタフライパッケージなどに搭載されるものに比べてさらなる省スペース化が要求されていた。
　この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、半導体レーザアレイに負荷される応力の低減ならびに発熱量の低減を省スペースで実現でき、例えばＣＡＮパッケージへの搭載に適したレーザ光源モジュールを提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するために、本発明に係るレーザ光源モジュールは、複数の半導体レーザ素子がアレイ状に並べられて成る半導体レーザアレイを搭載するレーザ光源モジュールにおいて、ステムと、前記ステムに立設された複数の給電用リードピンと、熱伝導性に優れた材料で作製され、前記ステム上に実装されたヒートシンクと、絶縁性に優れた材料で作製され、前記ヒートシンク上に実装されたサブマウント基板と、電気伝導性及び熱伝導性に優れ且つ前記半導体レーザアレイと同程度の線膨張係数の材料で作製され、前記サブマウント基板上に実装され、前記半導体レーザアレイを実装するとともに、該半導体レーザアレイの給電路を構成し、前記給電用リードピンと電気的に接合された第１リードフレームと、電気伝導性及び熱伝導性に優れた材料で作製され、前記サブマウント基板上に前記第１リードフレームと並べて配設され、前記半導体レーザアレイの給電路を構成し、他の前記給電用リードピンと電気的に接合された第２リードフレームと、前記半導体レーザアレイと前記第２リードフレームとを電気的に接合するワイヤとを備えたことを特徴とする。
　本発明に係るレーザ光源モジュールによれば、絶縁性に優れた材料のサブマウント基板上に、電気伝導性、熱伝導性に優れ、かつ半導体レーザアレイと同程度の線膨張係数を有する材料で構成された第１リードフレームならびに電気伝導性に優れた材料で構成された第２リードフレームを並べて実装し、さらに第１リードフレーム上に半導体レーザアレイを実装して、第１リードフレームおよび第２リードフレームを給電路として使用する構成とすることで、モジュール温度上昇に伴う半導体レーザアレイとサブマウント基板との線膨張係数差による半導体レーザアレイに負荷される応力を低減する効果、サブマウント基板上に蒸着した回路パターンの場合と比較して給電路で発生する消費電力を低減する効果、ならびに半導体レーザアレイ７で発生する熱量を均一化する効果を同時に実現することができる。
図１は、本発明に係るレーザ光源モジュールの実施の形態１の斜視図である。 図２は、実施の形態１のレーザ光源モジュールの要部の正面図である。 図３は、実施の形態１のレーザ光源モジュールのボンディングの様子を示す側面方向から見た一部を断面とする側面図である。 図４は、実施の形態１のレーザ光源モジュールの各部材間の厚さの関係を説明する要部の断面図である。 図５は、本発明に係るレーザ光源モジュールの実施の形態２の斜視図である。
符号の説明
　１　ステム
　２Ａ，２Ｂ　給電用リードピン
　３　ヒートシンク
　４　サブマウント基板
　５，５Ｂ　第１リードフレーム
　６，６Ｂ　第２リードフレーム
　７　半導体レーザアレイ
　８　ワイヤ
　９　リボン
　１１　ダイボンダヘッド
　１００，１０１　レーザ光源モジュール
　以下に、本発明に係るレーザ光源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。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
　図１は本発明に係るレーザ光源モジュールの実施の形態１の斜視図である。図１において、本実施の形態のレーザ光源モジュール１００は、ステム１と、ステム１に立設された２対の給電用リードピン２Ａ，２Ａ，２Ｂ，２Ｂと、熱伝導性に優れた材料で作製されステム１上に実装されたヒートシンク３と、絶縁性に優れた材料で作製されヒートシンク３上に実装されたサブマウント基板４とを有する。
　さらに、レーザ光源モジュール１００は、サブマウント基板４上に実装され、上面に半導体レーザアレイ７を実装して、半導体レーザアレイ７の正負いずれか一方の電極が接続される第１リードフレーム５と、サブマウント基板４上に第１リードフレーム５と並べて配設され、半導体レーザアレイ７の他方の電極が接続される第２リードフレーム６と、半導体レーザアレイ７と第２リードフレーム６とを電気的に接合するワイヤ８とをさらに有する。第１リードフレーム５は、電気伝導性及び熱伝導性に優れ且つ半導体レーザアレイ７と同程度の線膨張係数の材料で作製され、半導体レーザアレイ７を実装するとともに、この半導体レーザアレイ７の給電路を構成する。第２リードフレーム６は、電気伝導性及び熱伝導性に優れた材料で作製され、半導体レーザアレイ７の給電路を構成する。
　ステム１は、金属材料より構成される板状部材であり、半導体レーザアレイ７への給電線となる給電用リードピン２Ａ，２Ａ，２Ｂ，２Ｂが、ガラス封止により固定されている。また、ヒートシンク３は、ステム１に半田付け等の方法により実装固定されている。ヒートシンク３上面にはＡｌＮ、ＳｉＣなどの絶縁性に優れた材料により作製され、上面に電気回路パターンが形成されたサブマウント基板４が、半田付け等の方法により実装固定されている。
　サブマウント基板４に形成された回路パターン上に第１リードフレーム５と第２リードフレーム６とが実装されている。第１リードフレーム５は、半導体レーザアレイ７の材料であるガリウム砒素（以降、ＧａＡｓ）と線膨張係数が近く、熱伝導性が高く、かつ、電気抵抗が小さいＣｕＷなどの材料で作製されている。第１リードフレーム５は、平板をコの字状に折り曲げた形状を成し、主面をサブマウント基板４に固定された平板状の主部５ａと、主部５ａの両端から直角に折れ曲がって立設する折り曲げ部５ｂ，５ｃから構成されている。第１リードフレーム５は、折り曲げ部５ｂ，５ｃを給電用リードピン２Ａ，２Ａに半田付け等の方法により電気的、機械的に接合されている。
　第２リードフレーム６は、熱伝導性が高く、かつ、電気抵抗が小さいＣｕなどの材料で構成され、第１リードフレーム５と同じように、平板をコの字状に折り曲げた形状を成し、主面をサブマウント基板４に固定された平板状の主部６ａと、主部６ａの両端から直角に折れ曲がって立設する折り曲げ部６ｂ，６ｃから構成されている。第２リードフレーム６は、折り曲げ部６ｂ，６ｃを給電用リードピン２Ｂ，２Ｂに半田付け等の方法により電気的、機械的に接合されている。
　半導体レーザアレイ７は、複数の半導体レーザ素子が並列配置された構造を成し、上下面に電極を有している。半導体レーザアレイ７の下面電極は、発光方向がステム１と反対方向となるように第１リードフレーム５に半田付け等の方法により電気的、機械的に接続されている。一方、半導体レーザアレイ７の上面電極は、第２リードフレーム６と、金（以降、Ａｕ）などの材料で作製されたワイヤ８を用いて、ワイヤボンディングなどの方法で電気的に接続されている。
　なお、第１リードフレーム５及び第２リードフレーム６の板厚はそれぞれ下記の式を満たすように選定されている。
　　ａ＜ｂ＜ａ＋ｃ
　　　ａ：第１リードフレーム５の板厚
　　　ｂ：第２リードフレーム６の板厚
　　　ｃ：半導体レーザアレイ７の板厚
　次に動作について説明する。半導体レーザアレイ７が、ジャンクション（アノード(陽極))ダウンで実装されている例について説明する。なお、実装方向がジャンクションアップの場合でも給電経路が逆になるだけで構成および効果が変わるものではない。
　半導体レーザアレイ７がジャンクションダウンで実装されていた場合、リードピン２Ａ→第１リードフレーム５→半導体レーザアレイ７→ワイヤ８→第２リードフレーム６→リードピン２Ｂという給電経路により電流を流すことにより、半導体レーザアレイ７に電流が流れ、レーザ光が発振、放射される。
　図２は本実施の形態のレーザ光源モジュール１００の要部の正面図である。図２において、第２リードフレーム６やリードピン２Ｂは省略している。レーザ光源モジュール１００に電流が負荷されて駆動すると、レーザ光として外部に放出するエネルギ以外は熱として消費され、半導体レーザアレイ７は発熱する。また、前記の給電経路に含まれる半導体レーザアレイ７以外の構成要素についても、各々の電気抵抗値および電流値に応じて発熱する。結果、特に給電経路となっている部品については給電前と比較して温度上昇する。
　ここで、半導体レーザアレイ７はＧａＡｓ、第１リードフレーム５はＣｕＷ、サブマウント基板４はＡｌＮ、ヒートシンク３はＣｕをそれぞれ主成分として作製されている。それぞれの材料の線膨張係数は、ＧａＡｓがα＝６．６３×１０－６［ｍｍ／ｍｍ］、ＣｕＷがβ＝６．５×１０－６［ｍｍ／ｍｍ］、およびＡｌＮがρ＝４．８×１０－６［ｍｍ／ｍｍ］とそれぞれ異なっている。結果、温度変動により前記半導体レーザアレイ７、第１リードフレーム５、及びサブマウント基板４は膨張もしくは収縮しようとする。
　本実施の形態においては、半導体レーザアレイ７は、第１リードフレーム５上に接合されていることから、両者の接合部に着目した場合、半導体レーザアレイ７および第１リードフレーム５は接合部の長さＬに対してそれぞれ下記の量だけ相対的に移動（膨張）しようとする。
　半導体レーザアレイ７の膨張量△Ｘ＝α×△Ｔ×Ｌ
　第１リードフレーム５の膨張量△Ｙ＝β×△Ｔ×Ｌ
　このとき、半導体レーザアレイ７および第１リードフレーム５の膨張量には材料の線膨張係数に応じた差異△Ｙ－△Ｘがあることから、材料接合部にはせん断応力が生じ、材料そのものにも引張りもしくは圧縮応力が負荷される。半導体レーザに高い応力が負荷されると、動作時に半導体レーザ基板に転移が発生、成長して活性層に達することで出力が減じる現象（ＤＬＤ：Ｄａｒｋ　Ｌｉｎｅ　Ｄｉｆｅｃｔ）が生じたり、クラック等の進展により半導体レーザ基板が破断したりする現象が生じる。
　なお、本実施の形態によらない従来のレーザ光源モジュールでは、サブマウント基板上に直接半導体レーザアレイが接合されることから、サブマウント基板の膨張量を△Ｚとすると、サブマウント基板の構成材料であるＡｌＮの線膨張係数は、ＣｕＷと比較して半導体レーザアレイ７の構成材料であるＧａＡｓの線膨張係数との差異が大きくなる。結果、温度変動が生じた際の膨張量の差異△Ｚ－△Ｘも大きくなることから、本実施の形態のレーザ光源モジュール１００は、従来の半導体レーザアレイと比較して負荷される応力が小さくなり、ＤＬＤやクラック進展が生じにくくなって信頼性が向上する。
　図３は本実施の形態のレーザ光源モジュール１００のボンディングの様子を示す側面方向から見た一部を断面とする模式図である。半導体レーザアレイ７は、第１リードフレーム５上に半田等により電気・機械的に接合されている。また、第１リードフレーム５ならびに第２リードフレーム６はサブマウント基板４上に半田等により機械的に接合されている。ここで、これらデバイスの接合は、ダイボンダと呼ばれる装置により、ワークのハンドリングおよび加熱、ダイボンド材となる半田等の供給といった作業を行うのが一般的である。ワーク加熱・加圧用に汎用ヘッドを用いた場合、ボンディングヘッド１１の外形はチップサイズより大きいことから、周囲近傍に実装しようとするワーク高さと同じか、もしくはワーク高さより高い物体がある場合ヘッドが干渉する。
　本実施の形態においては、上述のように、第１リードフレーム５の板厚をａ、第２リードフレーム６の板厚をｂ、半導体レーザアレイ７の板厚をｃとしたとき、ａ＜ｂ＜ａ＋ｃを満たす厚さとしたことから、第１リードフレーム５、第２リードフレーム６、半導体レーザアレイ７の順番で実装することにより、汎用ヘッドを用いた場合でもボンディングヘッド１１とワークの干渉を生じることなく、第１リードフレーム５、第２リードフレーム６、および、半導体レーザアレイ７を実装することができる。また、半導体レーザアレイ７を最後に実装することができることから、実装時の加熱による半田溶融およびそれに伴う実装位置ズレを生じることがなく、半導体レーザアレイ７の実装精度を向上することができる。
　図４は本実施の形態のレーザ光源モジュール１００の各部材間の厚さの関係を説明する側面方向から見た要部の断面図である。本実施の形態においては、サブマウント基板４上に給電路としてそれぞれ第１リードフレーム５および第２リードフレーム６を実装し、第１リードフレーム５上に半導体レーザアレイ７を実装したことから、半導体レーザアレイ７上面（電極面)と第２リードフレーム６上面の高さ位置をほぼ等しい状態とすることができることから、ワイヤ８の長さを短くすることができ、結果、レーザ光源モジュール１００に電流を負荷した場合のワイヤ８部における消費電力を小さくすることができる。
　以上のように本実施の形態のレーザ光源モジュール１００によれば、絶縁性に優れた材料のサブマウント基板４上にＣｕＷなど電気伝導性、熱伝導性に優れ、かつ半導体レーザアレイ７と同程度の線膨張係数を有する材料で構成された第１リードフレーム５ならびにＣｕなど電気伝導性に優れた材料で構成された第２リードフレーム６を並べて実装し、さらに第１リードフレーム５上に半導体レーザアレイ７を実装して、第１リードフレーム５および第２リードフレーム６を給電路として使用する構成とすることで、モジュール温度上昇に伴う半導体レーザアレイ７とサブマウント基板４との線膨張係数差による半導体レーザアレイ７に負荷される応力を低減する効果、サブマウント基板４上に蒸着した回路パターンの場合と比較して給電路で発生する消費電力を低減する効果、ならびに半導体レーザアレイ７で発生する熱量を均一化する効果を同時に実現する。
　また、第１リードフレーム５および第２リードフレーム６を給電路として用いるので、給電路が、通常の蒸着やめっき等の方法により形成した回路パターンで成るものと比較して断面積が大きい。すなわち電気抵抗が小さい給電路となることから、大電流を供給する場合でも給電路における消費電力および発熱量を小さくすることができる。また、半導体レーザアレイ７が実装される第１リードフレーム５は、ＣｕＷ等の線膨張係数が半導体レーザアレイ７と同等の材料で構成されていることから半導体レーザアレイ７に負荷される応力値を低減できる。同時に第１リードフレーム５は熱伝導率が高い材料でもあることから、半導体レーザアレイ７より発生する熱を拡散し温度分布を均一にでき、半導体レーザアレイ７の各エミッタにおいて発振波長ならびに発振効率のばらつきをなくした安定した出力を得ることができる。
　第１リードフレーム５の板厚ａ、第２リードフレーム６の板厚ｂ、半導体レーザアレイ７の基板厚ｃとの関係をａ＜ｂ＜ａ＋ｃとなるように選定したことから、汎用のボンダを使用して、第１リードフレーム５、第２リードフレーム６、半導体レーザアレイ７の順番に実装した場合に、ボンダのピックアップツールが前に実装した他の部材に干渉することがなく、各部材の実装が容易となる。また、半導体レーザアレイ７を最後に実装できることにより、半導体レーザアレイ７の実装後の加熱により半導体レーザアレイ７の実装位置がずれることがなく、かつ、加熱回数が１回のみで済むことから、半導体レーザアレイ７の信頼性が向上する。
　また、第２リードフレーム６を設けられたことにより、半導体レーザアレイ７上面電極と第２リードフレーム６上面の高さ位置の差異を、それぞれの板厚の関係をｂ≒ａ＋ｃとすることにより、第２リードフレーム６がない場合と比較して小さくできる。これにより、半導体レーザアレイ７上面電極と第２リードフレーム６上面とをワイヤボンドで電気的に接続する際、高さ位置の差異が小さい分ワイヤの長さを短くすることができ、電気抵抗値を小さくでき、結果、消費電力を小さくすることができる。
　なお、本実施の形態においては、リードピン２の位置を半導体レーザアレイ７上方としたことから、第１リードフレーム５ならびに第２リードフレーム６をコの字形状としたが、リードピン位置を半導体レーザアレイ７側面方向として、リードフレームをコの字の形状以外に加工する、もしくは加工することなく板形状として使用しても良い。
実施の形態２．
　図５は本発明に係るレーザ光源モジュールの実施の形態２の斜視図である。図５において、本実施の形態のレーザ光源モジュール１０１においえは、第１リードフレーム５Ｂならびに第２リードフレーム６Ｂは、コの字形状ではなく板状を成している。また、第１リードフレーム５Ｂならびに第２リードフレーム６Ｂとリードピン２とは、リボン９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄにより電気的に接合されている。その他の構成は実施の形態１と同一であり、同一番号を付した構成の説明は省略する。
　次に動作について説明する。ただし、実施の形態１と異なる動作のみを説明し、同様の動作については説明を省略する。半導体レーザアレイ７がジャンクションダウンで実装されていた場合、リードピン２Ａ→リボン９ａ，９ｂ→第１リードフレーム５Ｂ→半導体レーザアレイ７→ワイヤ８→第２リードフレーム６Ｂ→リボン９→リードピン２Ｂという給電経路により電流を流すことにより、半導体レーザアレイ７に電流が流れ、レーザ光が発振、放射される。
　本実施の形態においては、リボン９などにより第１リードフレーム５Ｂならびに第２リードフレーム６Ｂとリードピン２を接合する場合、第１リードフレーム５Ｂならびに第２リードフレーム６Ｂの実装精度によらず両者を電気的に接合することができる。これにより、生産性が向上する。
　なお、実施の形態１で示した構成と実施の形態２で示した構成を２つの給電路において組み合わせて適用しても良い。
　以上のように、本発明にかかるレーザ光源モジュールは、省スペース化が要求されるレーザ光源モジュールに適用されて有用なものであり、特にＣＡＮパッケージへ搭載されるレーザ光源モジュールに適用されて好適なものである。

Claims (4)

  1. 　複数の半導体レーザ素子がアレイ状に並べられて成る半導体レーザアレイを搭載するレーザ光源モジュールにおいて、
    　ステムと、
    　前記ステムに立設された複数の給電用リードピンと、
    　熱伝導性に優れた材料で作製され、前記ステム上に実装されたヒートシンクと、
    　絶縁性に優れた材料で作製され、前記ヒートシンク上に実装されたサブマウント基板と、
    　電気伝導性及び熱伝導性に優れ且つ前記半導体レーザアレイと同程度の線膨張係数の材料で作製され、前記サブマウント基板上に実装され、前記半導体レーザアレイを実装するとともに、該半導体レーザアレイの給電路を構成し、前記給電用リードピンと電気的に接合された第１リードフレームと、
    　電気伝導性及び熱伝導性に優れた材料で作製され、前記サブマウント基板上に前記第１リードフレームと並べて配設され、前記半導体レーザアレイの給電路を構成し、他の前記給電用リードピンと電気的に接合された第２リードフレームと、
    　前記半導体レーザアレイと前記第２リードフレームとを電気的に接合するワイヤと
    　を備えたことを特徴とするレーザ光源モジュール。
  2. 　前記第１リードフレームの板厚ａ、前記第２リードフレームの板厚ｂ、及び前記半導体レーザアレイの板厚ｃとの関係が、
    　　ａ＜ｂ＜ａ＋ｃ
    　であることを特徴とする請求項１記載のレーザ光源モジュール。
  3. 　前記第１リードフレームと前記第２リードフレームとが、前記給電用リードピンに直接接合されている
    　ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ光源モジュール。
  4. 　前記第１リードフレームと前記第２リードフレームとが、リボン或いはワイヤを介して前記給電用リードピンに接合されている
    　ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ光源モジュール。
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