WO2019009172A1 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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WO2019009172A1
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semiconductor laser
laser device
electrode block
flow path
lower electrode
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PCT/JP2018/024535
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大森　弘治
康樹 津村
笠井　輝明
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H01S5/02492—CuW heat spreaders

Definitions

  • the technology disclosed herein relates to a semiconductor laser device.
  • the technique disclosed herein has been made in view of such a point, and an object thereof is to provide a semiconductor laser device capable of emitting high-power laser light by enhancing the cooling efficiency on the upper surface side of the semiconductor laser device. It is in.
  • a first heat dissipation member in which a first flow path and a second flow path through which a refrigerant flows is provided independently of each other and a top surface of the first heat dissipation member
  • a second heat dissipating member including an insulating member internally provided with a third flow passage communicating with the first flow passage, and a lower electrode block provided on a part of the upper surface of the second heat dissipating member;
  • a submount made of a conductive material provided on the remaining part of the upper surface of the second heat dissipation member and electrically connected to the lower electrode block, and disposed on the upper surface of the submount, the submount and the lower electrode block Provided so as to sandwich the submount and the semiconductor laser device between the semiconductor laser device electrically connected to the second heat dissipation member and the second heat dissipation member, and while being electrically connected to the semiconductor laser device, Possible insulation layer Wherein a lower electrode block and electrically insulated upper electrode
  • the upper and lower surfaces of the semiconductor laser device can be efficiently cooled, and a high-power semiconductor laser device can be realized.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a semiconductor laser device according to an aspect of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a view for explaining a method of manufacturing a water cooling jacket.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the method of manufacturing the heat sink.
  • FIG. 4A is a view for explaining one step of the method for manufacturing the semiconductor laser device according to one aspect of the present disclosure.
  • FIG. 4B is a view for explaining the process subsequent to FIG. 4A.
  • FIG. 4C is a figure explaining the process of the continuation of FIG. 4B.
  • FIG. 4D is a view for explaining the process subsequent to FIG. 4C.
  • FIG. 4E is a view for explaining the process subsequent to FIG. 4D.
  • FIG. 4F is a view for explaining the process subsequent to FIG. 4E.
  • FIG. 4G is a figure explaining the process of the continuation of FIG. 4F.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor laser device according to the first modification.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of a semiconductor laser device according to a second modification.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor laser device according to the present embodiment.
  • or description is abbreviate
  • the side on which the water cooling jacket 10 is disposed in the semiconductor laser device 1 may be referred to as “down”, and the side on which the upper electrode block 61 is disposed may be referred to as “up”.
  • the side of the heat sink 20 on which the semiconductor laser element 40 is disposed may be referred to as “front”, and the side on which the lower electrode block 60 is disposed may be referred to as “rear”. As shown in FIG.
  • the semiconductor laser device 1 includes, in order from the bottom, a water cooling jacket 10 (first heat radiating member), a heat sink 20 (second heat radiating member), a submount 30, a semiconductor laser element 40 and an upper electrode block 61. Is equipped.
  • the semiconductor laser device 1 further includes a lower electrode block 60 and an insulating layer 70 disposed on the top surface of the heat sink 20 in a region different from the submount 30.
  • the lower electrode block 60 and the upper electrode block 61 have portions stacked in the vertical direction with the insulating layer 70 interposed therebetween.
  • each component of the semiconductor laser device 1 will be described.
  • the water cooling jacket 10 (first heat radiating member) uses a metal block 13 (hereinafter sometimes referred to as a copper block) made of copper as a base material, and cooling water (not shown) inside. It has the flow path 11 (1st flow path) and the flow path 12 (2nd flow path) which let it pass. Further, on the side surface of the metal block 13, an inlet 11 a and an outlet 11 b of the cooling water in the flow passage 11 and an inlet 12 a and an outlet 12 b of the cooling water in the flow passage 12 are provided. That is, the flow path 11 and the flow path 12 are provided independently of each other, and the cooling water passing through the inside of each of the flow paths 11 and 12 is also supplied independently by a chiller or the like (not shown).
  • a chiller or the like not shown
  • the flow passage 11 (first flow passage) and the flow passage 23 (third flow passage) provided inside the heat sink 20 are communicated. Openings 11c and 11d are provided.
  • the constituent material of the metal block 13 is not particularly limited to copper. Other metal-based materials may be used as long as they have high thermal conductivity, withstand pressure when passing cooling water, and have high corrosion resistance, or insulating materials may be used.
  • the heat sink 20 (second heat radiation member) is made of a ceramic plate material or a heat-resistant resin sheet as a base material, and copper layers 22a and 22b as conductive layers are provided on the upper and lower surfaces of the insulating member 21 containing aluminum nitride. It will be Further, as will be described later, the insulating member 21 is formed by laminating a plurality of insulating plates 24 to 26. The copper layer 22 a provided on the lower surface of the insulating member 21 has a function of thermally and mechanically coupling the water cooling jacket 10 and the heat sink 20.
  • the copper layer 22 b provided on the top surface of the insulating member 21 has a function of thermally and mechanically coupling the submount 30 and the lower electrode block 60 provided on the top surface of the heat sink 20 with the heat sink 20. . Furthermore, the copper layer 22 b has a function of electrically connecting the submount 30 and the lower electrode block 60. Copper layers 22a and 22b may be replaced with another conductive material. The copper layers 22a and 22b may be replaced with an insulating material as long as a separate member for electrically connecting the submount 30 and the lower electrode block 60 is provided. However, in that case, it is preferable to use a material having high thermal conductivity, such as aluminum nitride, as the insulating material.
  • the heat sink 20 has a flow path 23 (third flow path) inside.
  • the flow path 23 is provided below the arrangement region S1 (see FIG. 4A) of the submount 30 on which the semiconductor laser 40 is mounted.
  • the flow passage 23 has openings 23 a and 23 b (see FIG. 1) for communicating with the flow passage 11 of the water cooling jacket 10.
  • the heat sink 20 has high thermal conductivity because the insulation member 21 contains aluminum nitride, it is not specifically limited to this.
  • the material constituting the insulating member 21 may be an insulating material having a high thermal conductivity, a thermal expansion coefficient close to that of the semiconductor laser 40, and a high corrosion resistance. For example, it is preferable that the material has a thermal conductivity higher than that of the semiconductor laser 40.
  • the submount 30 is made of, for example, a conductive material such as copper tungsten (Cu: W), and is provided on the upper surface of the heat sink 20 and in the region S1 in front of the heat sink 20 (the remaining part of the upper surface of the heat sink 20).
  • the submount 30 is bonded to the heat sink 20 via the copper layer 22b as described above, and is electrically connected to the lower electrode block 60.
  • a gold-tin (Au-Sn) layer (not shown) is formed on the upper surface of the submount 30 by vapor deposition such as vapor deposition or soldering.
  • the lower electrode (not shown) of the semiconductor laser element 40 and the submount 30 are electrically connected by being bonded to each other by a gold-tin layer.
  • the material of the submount 30 is not particularly limited to copper tungsten.
  • the material of the submount 30 may be any material having conductivity, high thermal conductivity, and a thermal expansion coefficient adjusted to reduce distortion on the semiconductor laser 40 after bonding.
  • a copper-molybdenum alloy (Cu: Mo) may be used, or a metal block surface made of a copper-based material may be coated with a diamond thin film.
  • the gold-tin layer is not necessarily required, and instead of the gold-tin layer, a conductive material having a high thermal conductivity may be used.
  • the semiconductor laser 40 may be directly bonded to the submount 30 without providing a gold-tin layer.
  • the semiconductor laser 40 is an edge-emitting semiconductor laser.
  • the semiconductor laser 40 has a lower electrode on the lower surface and an upper electrode on the upper surface (all not shown).
  • the lower electrode is joined to the submount 30 via the gold-tin layer (not shown) of the submount 30 and is electrically connected to the submount 30.
  • the lower electrode of the semiconductor laser 40 may be in direct contact with the upper surface of the submount 30.
  • a plurality of bumps 50 are provided on the upper surface of the upper electrode.
  • the resonator (not shown) of the semiconductor laser device 40 is provided extending in the front-rear direction, and the front side surface of the semiconductor laser device 40 corresponds to the laser light emission end face 40 a.
  • the semiconductor laser element 40 is provided on the submount 30 so that the laser light emitting end face 40 a and the front side surface of the submount 30 substantially coincide with each other.
  • the lower electrode is the positive electrode (+) and the upper electrode is the negative electrode ( ⁇ ), but their polarities may be reversed.
  • the number of resonators in the semiconductor laser 40 may be plural. For example, a plurality of resonators may be provided spaced apart in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.
  • the bumps 50 are gold bumps formed by melting a wire made of, for example, gold (Au). Since gold is softer than other metals, the bumps 50 are deformed when the semiconductor laser element 40 and the upper electrode block 61 are connected. Therefore, the semiconductor laser 40 and the upper electrode block 61 can be electrically well connected to each other without much mechanical damage.
  • the material of the bumps 50 is not limited to gold, but may be any material that is conductive and can ensure the electrical connection between the upper electrode of the semiconductor laser 40 and the upper electrode block 61. Further, as shown in FIG. 1, a metal sheet 51 such as a gold foil may be inserted between the bump 50 and the upper electrode block 61.
  • the contact area between the bump 50 and the metal sheet 51 can be increased, and the contact resistance between the bump 50 and the upper electrode block 61 can be reduced.
  • the metal sheet 51 is not limited to gold foil, and a sheet made of another conductive material may be used. Also, a plurality of metal sheets 51 may be inserted between the bumps 50 and the upper electrode block 61, and if the electrical connection between the bumps 50 and the upper electrode block 61 is sufficiently good. , And the metal sheet 51 may not be inserted.
  • the lower electrode block 60 is a plate-like conductive member made of, for example, copper.
  • the lower electrode block 60 is disposed on the upper surface of the heat sink 20 and in the rear region S2 (a part of the upper surface of the heat sink 20, see FIG. 4B) at a distance from the submount 30 and the semiconductor laser device 40.
  • a portion of the lower surface of the lower electrode block 60 is bonded to the heat sink 20 via the copper layer 22 b of the heat sink 20, and an insulating layer 70 is provided on a portion of the upper surface of the lower electrode block 60.
  • the upper electrode block 61 is a plate-like conductive member made of, for example, copper.
  • the upper electrode block 61 is provided so as to sandwich the semiconductor laser element 40 and the submount 30 with the heat sink 20.
  • the upper electrode block 61 is electrically connected to the upper electrode of the semiconductor laser 40 through the bumps 50 and the metal sheet 51.
  • the upper electrode block 61 is stacked vertically with the lower electrode block 60 with the insulating layer 70 interposed therebetween.
  • the lower electrode block 60 and the upper electrode block 61 also have a function as a heat radiating member for radiating the heat generated by the semiconductor laser element 40 in the surrounding atmosphere or toward the heat sink 20.
  • the constituent material of the lower electrode block 60 and the upper electrode block 61 is not particularly limited to copper, and may be another metal material or a conductive material.
  • the insulating layer 70 is, for example, a heat-resistant resin sheet containing ceramic powder of aluminum nitride.
  • the insulating layer 70 is provided such that the lower electrode block 60 is in contact with the lower surface and the upper electrode block 61 is in contact with the upper surface.
  • the insulating layer 70 has a function to electrically insulate the lower electrode block 60 and the upper electrode block 61 and a function to thermally couple the both.
  • the constituent material of the insulating layer 70 is not particularly limited to the above, and is preferably a material having a high thermal conductivity, for example, a material having a thermal conductivity higher than that of the semiconductor laser device 40.
  • the operation of the semiconductor laser device 1 configured as described above is performed as follows.
  • a predetermined voltage is applied between the lower electrode block 60 and the upper electrode block 61 in a state where the cooling water is allowed to flow through the flow paths 11 and 12 of the water cooling jacket 10 and the flow path 23 of the heat sink 20. Then, current starts to flow between the lower electrode and the upper electrode of the semiconductor laser 40 through the copper layer 22 b of the heat sink 20, the submount 30, the bumps 50 and the metal sheet 51. When the current exceeds the oscillation threshold current of the semiconductor laser 40, laser oscillation occurs in the resonator, and the laser beam is emitted forward from the laser beam emitting end face 40a.
  • the cooling water supplied into the flow passage 11 from the inlet 11a provided on the rear side surface of the water cooling jacket 10 is located in the lower portion of the flow passage 11 and in the parallel portion 11e extending substantially parallel to the upper surface of the water cooling jacket 10. Flow forward. Furthermore, it flows upward from below the area S1 where the submount 30 is disposed, and is supplied into the flow path 23 in the heat sink 20 communicated with the flow path 11 by the opening 11c. The cooling water flows upward in the flow path 23 toward the laser light emitting end face 40 a of the semiconductor laser element 40 and flows backward in the vicinity of the upper surface of the insulating member 21.
  • the cooling water is further folded back and flows, and is supplied to the flow path 11 through the opening 11d. After flowing downward, the cooling water flows backward in the parallel portion 11f of the flow path 11, which is located above and extends substantially in parallel with the upper surface of the water cooling jacket 10, and is supplied from the discharge port 11b to a chiller or the like (not shown). Ru. Further, the cooling water supplied into the flow path 12 from the inflow port 12 a provided on the rear side surface of the water cooling jacket 10 is parallel to the upper surface of the water cooling jacket 10 in the flow path 12 along the parallel portion 12 c. It flows forward to the lower part near the laser beam emitting end face 40 a of the semiconductor laser 40.
  • Cooling water flows along the flow path 12 which is folded back in the direction of the back of the drawing below the vicinity of the laser light emitting end face 40a. Further, the cooling water flows in the parallel portion 12d along the flow path 12 folded back at a predetermined position, and is supplied from the discharge port 12b to another chiller or the like (not shown).
  • the extending direction of the parallel portions 11e and 11f of the flow path 11 and the parallel portions 12c and 12d of the flow path 12 is not particularly limited to the above, and a portion inclined at a predetermined angle with respect to the upper surface of the water cooling jacket 10 You may have.
  • the heat generated by the semiconductor laser 40 is mainly discharged to the outside through four paths.
  • the first heat discharge path T1 is a path discharged from the lower surface side of the semiconductor laser 40 through the submount 30 and the heat sink 20 to the flow path 23 located below the arrangement area S1 of the submount 30.
  • the second heat discharge path T2 is a path discharged from the upper electrode block 61 into the surrounding atmosphere.
  • the third heat discharge path T3 is a path discharged from the upper electrode block 61 connected to the upper surface side of the semiconductor laser device 40 to the water cooling jacket 10 through the insulating layer 70, the lower electrode block 60, and the heat sink 20.
  • the fourth heat discharge path T4 is a path discharged to the water cooling jacket 10 via the lower electrode block 60 and the heat sink 20.
  • the heat passing through the first heat discharge path T1 is discharged from the semiconductor laser device 1 to the outside by the cooling water flowing through the flow paths 11 and 23.
  • the heat flowing from the semiconductor laser element 40 into the upper electrode block 61 is discharged to the outside through the second heat discharge path T2, but the amount thereof is small, the upper electrode block It was easy to collect in 61.
  • a portion of the upper electrode block 61 and a portion of the lower electrode block 60 are laminated with the insulating layer 70 having high thermal conductivity interposed therebetween, and a portion of the lower surface of the lower electrode block 60 Is in contact with the heat sink 20.
  • a flow passage 12 is provided in the water cooling jacket 10 below the arrangement region S2 of the lower electrode block 60 in the heat sink 20, and the heat sink 20 is efficiently driven by the cooling water supplied independently of the flow passage 11. It is cooling well.
  • heat is discharged to the outside of the semiconductor laser device 1 by the cooling water flowing in the flow path 12.
  • heat passing through the fourth heat discharge path T4 is also discharged to the outside of the semiconductor laser device 1 by the cooling water flowing in the flow path 12 via the heat sink 20.
  • the upper electrode block 61 connected to the upper surface side of the semiconductor laser 40 is thermally coupled to the heat sink 20 and the water cooling jacket 10 via the lower electrode block 60.
  • the flow path 11 mainly cooling the lower surface side of the semiconductor laser element 40, that is, the arrangement area S1 of the submount 30 on the heat sink 20, and the arrangement of the lower electrode block 60 on the heat sink 20
  • Two flow paths are provided independently of the flow path 12 that mainly cools the region S2.
  • the cooling water in the flow path 11 can be supplied at a short distance to the lower side of the laser light emitting end face 40 a of the semiconductor laser element 40.
  • the largest amount of heat generation is in the vicinity of the laser light emitting end face 40a. Therefore, in order to cool this portion efficiently, it reaches below the laser light emitting end face 40a from the cooling water inlet 11a.
  • the flow path to be used is preferably as short as possible.
  • the parallel portions 12c and 12d of the flow path 12 shown in FIG. 1 are preferably provided above the parallel portions 11e and 11f of the flow path 11, that is, on the side closer to the heat sink 20. More preferably, it is provided above.
  • the cooling water in the flow path 23 is warmed most when passing under the laser light emitting end face 40a, and hence the cooling efficiency of the heat sink 20 by the cooling water in the subsequent flow paths including the parallel portion 11f. Will decline.
  • the unheated coolant supplied from the coolant inlet 12a can flow to a position close to the heat sink 20 .
  • the lower electrode block 60 can be cooled more efficiently by the cooling water passing through the flow path 12, and the cooling efficiency of the semiconductor laser device 1 can be enhanced. By this, the output of the semiconductor laser device 1 can be increased.
  • FIG. 2 is a view for explaining the method of manufacturing the water cooling jacket 10.
  • the water cooling jacket 10 is formed by bonding a copper block 13 and a copper plate 16.
  • the copper block 13 has a flow path 11 including a refrigerant inlet 11a and an outlet 11b, holes 14a and 14b, and grooves 15a and 15b.
  • the holes 14a and 14b correspond to the openings 11c and 11d of the water cooling jacket 10, and the grooves 15a and 15b correspond to the parallel portions 12c and 12d of the flow passage 12 of the water cooling jacket 10.
  • the copper plate 16 also has through holes 17 a and 17 b corresponding to the openings 11 c and 11 d of the flow path 11 of the water cooling jacket 10.
  • the copper block 13 and the copper plate 16 are pasted together so that the hole 14a and the through hole 17a overlap, and so that the hole 14b and the through hole 17b overlap.
  • the flow path 12 including the inlet 12a and the outlet 12b of the refrigerant is formed by bonding them, and the parallel portions 12c and 12d are positioned in the vicinity of the upper surface of the water cooling jacket 10 by adjusting the thickness of the copper plate 16.
  • the constituent material of the adhesive is not particularly limited to this, and a thin foil of metal or the like may be used.
  • FIG. 3 is a view for explaining the method of manufacturing the heat sink 20.
  • the heat sink 20 is formed by laminating and bonding insulating plates 24 to 26 and copper layers 22a and 22b so that the grooves 28 and the holes 29 are provided at predetermined positions. .
  • the insulating plates 24 to 26 are a ceramic plate material made of aluminum nitride or a heat-resistant resin sheet containing aluminum nitride. These insulating plates are pasted together so that the grooves 28a, 28b and 28c overlap each other at corresponding positions, and so that the holes 29a and 29b overlap at corresponding positions.
  • An insulating member 21 having a passage 23 therein is formed.
  • the groove 28a provided in the insulating plate 24 is provided at a position corresponding to the opening 23a of the flow passage 23, and the hole 29a is provided at a position corresponding to the opening 23b.
  • the copper layers 22a and 22b are made of a copper foil or a conductive resin sheet containing a predetermined amount of copper powder. Through holes 22c and 22d corresponding to the openings 23a and 23b of the flow path 23 are provided in the copper layer 22a.
  • the order of bonding the copper layers 22a and 22b to the insulating member 21 may be different from the above.
  • the constituent materials of the insulating plates 24 to 26 are not particularly limited to the above, and may be other insulating materials.
  • the material forming the insulating plates 24 to 26 may be any material having high thermal conductivity, close thermal expansion coefficient to the semiconductor laser element 40, and high corrosion resistance. For example, it is preferable that the material has a thermal conductivity higher than that of the semiconductor laser 40.
  • the bonding between the insulating plates 24 to 26 or the bonding between the insulating member 21 and the copper layers 22a and 22b is performed, for example, by an adhesive made of an organic material, but the constituent material of the adhesive is particularly not particularly limited. It is not limited to.
  • the connection between the grooves 28a and the holes 29a of the insulating plate 24 corresponding to the openings 23a and 23b of the flow path 23 and the through holes 22c and 22d of the copper layer 22a is a connection portion to prevent water leakage of cooling water.
  • a sealing member such as an O-ring may be provided.
  • 4A to 4G are diagrams for explaining the method of manufacturing the semiconductor laser device 1.
  • the submount 30 is disposed in the region S1 of the upper surface of the heat sink 20 formed by the method shown in FIG. 3 via the copper layer 22b, and the heat sink 20 and the submount 30 are joined (FIG. 4A).
  • the lower electrode block 60 is disposed in the region S2 of the upper surface of the heat sink 20 via the copper layer 22b, and the heat sink 20 and the lower electrode block 60 are connected (FIG. 4B).
  • a gold-tin layer is provided on the upper surface of the submount 30, and the semiconductor laser 40 is disposed such that the lower electrode is in contact with the gold-tin layer, thereby joining the submount 30 and the semiconductor laser 40 (FIG. 4C).
  • Bumps 50 are formed on the upper electrode of the semiconductor laser 40 (FIG. 4D).
  • a gold wire is bonded to the upper electrode of the semiconductor laser 40 while applying ultrasonic waves.
  • the gold wire is broken leaving the tip joined to the upper electrode, and the bump 50 having a sharp tip is formed.
  • the bump 50 may be formed by transferring an electrode having a sharpened tip to the upper electrode, for example.
  • the insulating layer 70 is provided on the upper surface of the lower electrode block 60 (FIG. 4E).
  • the insulating layer 70 is a resin sheet, for example, the insulating layer 70 is attached to the lower electrode block 60 using an adhesive made of an organic material.
  • the upper electrode block 61 is disposed on the upper surface of the bump 50, the semiconductor laser element 40 and the insulating layer 70.
  • the upper electrode block 61 is bonded to the metal sheet 51 and the bumps 50 and fixed to the insulating layer 70 (FIG. 4F).
  • the adhesion to the insulating layer 70 is performed using, for example, an adhesive made of an organic material.
  • the heat sink 20 is disposed on the upper surface of the water cooling jacket 10 formed by the method shown in FIG.
  • the water cooling jacket 10 and the heat sink 20 are connected so that the openings 11 c and 11 d provided on the upper surface of the water cooling jacket 10 overlap the openings 23 a and 23 b provided on the lower surface of the heat sink 20.
  • the flow path 11 and the flow path 23 are communicated with each other to complete the semiconductor laser device 1 (FIG. 4F).
  • the semiconductor laser device 1 mainly cools the flow paths 11 and 23 for cooling the semiconductor laser 40 and the upper electrode block 61 connected to the semiconductor laser 40. 12 were independently provided to the water cooling jacket 10 and the heat sink 20.
  • the semiconductor laser device 1 is provided in contact with the water cooling jacket 10 in which the flow path 11 through which the refrigerant flows and the flow path 12 are provided independently of each other and the upper surface of the water cooling jacket 10
  • a heat sink 20 including an insulating member 21 having a flow path 23 communicating with the first flow path 11, a lower electrode block 60 provided on a part of the upper surface of the heat sink 20, and a remaining part of the upper surface of the heat sink 20;
  • a submount 30 made of a conductive material electrically connected to the lower electrode block 60, and a semiconductor laser device 40 disposed on the upper surface of the submount 30 and electrically connected to the submount 30 and the lower electrode block 60
  • the heat sink 20 so as to sandwich the submount 30 and the semiconductor laser device 40, and are electrically connected to the semiconductor laser device 40. That one, and an upper electrode block 61 is electrically insulated from the lower electrode block 60 by thermally conductive insulating layer 70, the channel 12 is provided below the arrangement region of the lower electrode block 60.
  • the upper electrode block 61 connected to the upper surface side of the semiconductor laser element 40 is thermally coupled to the lower electrode block 60 and the water cooling jacket 10 and the heat sink 20 with the heat transferable insulating layer 70 interposed therebetween. It can be done. Further, by separately providing two systems of flow paths of the flow path 11 and the flow path 12 for cooling the lower side of the arrangement region of the lower electrode block 60 in the water cooling jacket 10, the lower electrode block 60 can be obtained. Heat accumulated in the upper electrode block 61 can be efficiently discharged. As a result, the amount of current flowing through the semiconductor laser 40 can be increased, and the output of the semiconductor laser 1 can be increased.
  • the flow path 23 is preferably provided below the arrangement area S1 of the submount 30.
  • heat accumulated in the lower surface side of the submount 30 and the semiconductor laser element 40 can be efficiently discharged through the refrigerant flowing through the flow path 11 and the flow path 23.
  • the flow paths 11 and 12 have parallel portions 11 e, 11 f, 12 c and 12 d extending substantially parallel to the upper surface of the water cooling jacket 10, and the parallel portions 12 c and 12 d of the flow path 12 are parallel to the flow path 11. It is preferable to be provided on the side closer to the heat sink 20 than the portions 11 e and 11 f.
  • the lower electrode block 60 and the upper electrode block 61 can be cooled without being affected by the temperature rise of the refrigerant flowing through the flow paths 11 and 23 mainly cooling the semiconductor laser element 40.
  • the water cooling jacket 10 is preferably formed by laminating a plurality of members 13 and 16 in which parts of the flow paths 11 and 12 are provided.
  • the processing of the flow paths 11 and 12 in the water cooling jacket 10 can be simplified. It is preferable that the heat sink 20 be formed by laminating a plurality of members 24, 25 and 26 in which a part of the flow path 23 is provided.
  • the processing of the flow path 23 in the heat sink 20 can be simplified.
  • the insulating member 21 and the insulating layer 70 preferably have a thermal conductivity higher than that of the semiconductor laser 40.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor laser device 2 according to the first modification.
  • the lower electrode block 60a of this modification has an extension portion extending downward along the rear side surface of the heat sink 20 and in contact with the upper surface of the water cooling jacket 10. It is in the point provided.
  • the distance between the lower electrode block 60a and the flow path 12, particularly the parallel portions 12c and 12d is reduced, and the cooling water flowing in the flow path 12 lowers the lower electrode block 60a. It is cooled more efficiently. Further, the cooling efficiency of the upper electrode block 61 stacked on the lower electrode block 60a with the insulating layer 70 interposed therebetween can also be enhanced. Thereby, the output of the semiconductor laser device 1 of the embodiment can be further increased.
  • the semiconductor laser device 40 is a multi-emitter type having several tens of resonators, a large current of 100 A to several hundreds A flows between the lower electrode block 60 a and the upper electrode block 61. In such a case, since it is necessary to sufficiently cool both the lower electrode block 60a and the upper electrode block 61 to suppress the temperature rise of the semiconductor laser 40, the configuration shown in this modification is effective.
  • an insulating layer may be provided on the side surface of the submount 30 facing the lower electrode block 60a. Also, an insulating layer (not shown) may be provided between the upper surface of the water cooling jacket 10 and the lower surface of the lower electrode block 60a.
  • the thickness of the insulating layer is appropriately selected within a range that does not significantly inhibit the heat discharge from the lower electrode block 60a. Further, it is needless to say that the material forming the insulating layer is high in thermal conductivity and high in corrosion resistance. For example, it is preferable that the material has a thermal conductivity higher than that of the semiconductor laser 40.
  • the lower electrode block 60 a preferably has an extension that extends along the side surface of the heat sink 20 and contacts the upper surface of the water cooling jacket 10.
  • the lower electrode block 60a is directly cooled by the refrigerant flowing through the flow path 12, and the cooling efficiency of the lower electrode block 60a and the upper electrode block 61 can be enhanced.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of a semiconductor laser device 3 according to a second modification.
  • the difference between the configuration shown in the embodiment and the configuration shown in the present modification is that the flow channel 27 (fourth flow channel) is provided independently of the flow channel 23 inside the insulating member of the heat sink 20a of the present modification. The point is that the flow passage 27 is in communication with the flow passage 19 (second flow passage) in the water cooling jacket 10a of the present modification.
  • a flow passage 27 is provided below the arrangement region S2 of the lower electrode block 60 in the heat sink 20a, and is communicated with the flow passage 19 of the water cooling jacket 10a. You can reduce the distance. As a result, the lower electrode block 60 is more efficiently cooled by the cooling water flowing through the flow paths 19 and 27, and the cooling efficiency of the upper electrode block 61 stacked on the lower electrode block 60 with the insulating layer 70 interposed therebetween is also enhanced. be able to. Thereby, the output of the semiconductor laser device 1 of the embodiment can be further increased. As in the first modification, when the semiconductor laser 40 is a multi-emitter type having several tens of resonators, the configuration shown in the present modification is effective in suppressing the temperature rise of the semiconductor laser 40. .
  • the water cooling jacket 10a and the heat sink 20a in the semiconductor laser device 2 can also be formed by the same method as shown in the embodiment. That is, by forming the water cooling jacket 10a by laminating members provided with a part of the flow paths 11 and 19, the processing of the flow paths 11 and 19 can be simplified. Similarly, by forming the heat sink 20a by laminating members provided with parts of the flow paths 23, 27, processing of the flow paths 23, 27 can be simplified.
  • the flow path 27 communicating with the flow path 19 be provided independently of the flow path 23 inside the insulating member of the heat sink 20 a.
  • the flow path 27 is preferably provided below the arrangement region S2 of the lower electrode block 60. According to this configuration, since the distance between the lower electrode block 60 and the flow path 27 communicating with the flow path 19 becomes short, the cooling efficiency of the lower electrode block 60 and the upper electrode block 61 can be enhanced.
  • the shape and arrangement of the lower electrode block 60 may be the same as that of the semiconductor laser device 2 shown in FIG.
  • the cooling efficiency of the semiconductor laser device 1 of the embodiment can be further enhanced.
  • the inlet 11a and the outlet 11b of the refrigerant in the flow passage 11 are provided on the rear side surface of the water cooling jacket 10, but may be provided on other surfaces.
  • the inlet 11a and the outlet 11b of the refrigerant are provided on the front side on the same side as the laser light emission direction, there is a possibility that the installation location of the cooling water pipe (not shown) connected thereto may be restricted. There is. The same applies to the arrangement of the inlets 12 a and 19 a and the outlets 12 b and 19 b of the refrigerant in the flow paths 12 and 19.
  • refrigerant other than water for example, antifreeze liquid may be used.
  • refrigerant other than water, for example, antifreeze liquid may be used.
  • the semiconductor laser element 40 is excessively cooled, for example, to several degrees C., condensation may occur on the laser light emitting end face 40 a or the like. When such dew condensation occurs, laser oscillation may not occur, and in some cases, the semiconductor laser device 1 may be damaged.
  • the temperature of the semiconductor laser 40 greatly exceeds 60 ° C., the light output characteristic may change, and a desired output may not be obtained. Therefore, it is preferable to select the type of refrigerant or to control the temperature of the refrigerant so that the temperature of the semiconductor laser 40 in operation can be maintained at about 10 ° C. to 40 ° C.
  • both of the upper and lower surfaces of the semiconductor laser device can be efficiently cooled, and a high-output semiconductor laser device can be obtained.

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Abstract

冷媒が流れる第１流路（１１）と第２流路（１２）とが内部に互いに独立して設けられた第１放熱部材（１０）と、その上面に接触して設けられ、第１流路（１１）に連通する第３流路（２３）を内部に有する絶縁部材を含む第２放熱部材（２０）と、その上面の一部に設けられた下部電極ブロック（６０）と、第２放熱部材（２０）の上面の残部に設けられた導電材料からなるサブマウント（３０）と、サブマウント（３０）の上面に配設された半導体レーザ素子（４０）と、第２放熱部材（２０）とでサブマウント（３０）及び半導体レーザ素子（４０）を挟持するように設けられた上部電極ブロック（６１）とを備え、第２流路（１２）は下部電極ブロック（６０）の配設領域の下方に設けられている。

Description

半導体レーザ装置
　ここに開示する技術は、半導体レーザ装置に関する。
　近年、レーザ光を用いた金属加工の需要が高まっている。また、レーザ装置の高出力化が要求されており、光－電気変換効率の高い半導体レーザ素子を用いた半導体レーザ装置が注目されている。しかし、半導体レーザ装置を高出力化すると、半導体レーザ素子に流れる電流量が大きくなる。そうすると、ジュール熱により半導体レーザ素子の温度が上昇し、性能の低下や素子の劣化、故障等を引き起こすおそれがある。
　そこで、従来、半導体レーザ素子とサブマウントとが配設されるヒートシンク内に冷却水を流すための流路を設け、半導体レーザ素子を冷却する構造が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開２００８－１７２１４１号公報 特許第３９５１９１９号公報
　しかし、上記従来の構成において、冷却水によって冷却されるのは、サブマウントとこれに実装される半導体レーザ素子の下面側であり、半導体レーザ素子の上面側を冷却することは難しかった。
　ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、半導体レーザ素子の上面側の冷却効率を高めて、高出力のレーザ光が出射可能な半導体レーザ装置を提供することにある。
　本開示の一態様に係る半導体レーザ装置は、冷媒が流れる第１流路と第２流路とが内部に互いに独立して設けられた第１放熱部材と、該第１放熱部材の上面に接触して設けられ、前記第１流路に連通する第３流路を内部に有する絶縁部材を含む第２放熱部材と、該第２放熱部材の上面の一部に設けられた下部電極ブロックと、前記第２放熱部材の上面の残部に設けられ、該下部電極ブロックに電気的に接続された導電材料からなるサブマウントと、該サブマウントの上面に配設され、前記サブマウント及び前記下部電極ブロックに電気的に接続された半導体レーザ素子と、前記第２放熱部材とで前記サブマウント及び前記半導体レーザ素子を挟持するように設けられ、前記半導体レーザ素子に電気的に接続される一方、伝熱可能な絶縁層によって前記下部電極ブロックと電気的に絶縁された上部電極ブロックとを備え、前記第２流路は前記下部電極ブロックの配設領域の下方に設けられていることを特徴とする。
　本開示の一態様にかかる半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子の上下面を効率良く冷却し、高出力の半導体レーザ装置を実現できる。
図１は、本開示の一態様に係る半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。 図２は、水冷ジャケットの製造方法を説明する図である。 図３は、ヒートシンクの製造方法を説明する図である。 図４Ａは、本開示の一態様に係る半導体レーザ装置の製造方法の一工程を説明する図である。 図４Ｂは、図４Ａの続きの工程を説明する図である。 図４Ｃは、図４Ｂの続きの工程を説明する図である。 図４Ｄは、図４Ｃの続きの工程を説明する図である。 図４Ｅは、図４Ｄの続きの工程を説明する図である。 図４Ｆは、図４Ｅの続きの工程を説明する図である。 図４Ｇは、図４Ｆの続きの工程を説明する図である。 図５は、変形例１に係る半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。 図６は、変形例２に係る半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。
　以下、本実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
　（実施形態）
　［半導体レーザ装置１の構成及び動作］
　図１は、本実施形態に係る半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。なお、説明の便宜上、いくつかの部材については図示ないし説明を省略している。また、以降の説明において、半導体レーザ装置１における水冷ジャケット１０が配置された側を「下」と、上部電極ブロック６１が配置された側を「上」と呼ぶことがある。また、ヒートシンク２０における半導体レーザ素子４０が配設された側を「前」と、下部電極ブロック６０が配設された側を「後」と呼ぶことがある。図１に示すように、半導体レーザ装置１は、下から順に、水冷ジャケット１０（第１放熱部材）とヒートシンク２０（第２放熱部材）とサブマウント３０と半導体レーザ素子４０と上部電極ブロック６１とを備えている。また、半導体レーザ装置１は、ヒートシンク２０の上面にサブマウント３０とは別の領域に配設された下部電極ブロック６０と絶縁層７０とを備えている。下部電極ブロック６０と上部電極ブロック６１とは絶縁層７０を挟んで上下方向に積層された部分を互いに有する。以下、半導体レーザ装置１の各構成部材について説明する。
　図２に示すように、水冷ジャケット１０（第１放熱部材）は、銅からなる金属ブロック１３（以下、銅ブロックと呼ぶことがある）を母材とし、内部に冷却水（図示せず）を通過させる流路１１（第１流路）及び流路１２（第２流路）を有している。また、金属ブロック１３の側面には、流路１１における冷却水の流入口１１ａ及び排出口１１ｂと、流路１２における冷却水の流入口１２ａ及び排出口１２ｂと、を有している。つまり、流路１１と流路１２とは互いに独立して設けられており、各々の内部を通過する冷却水も図示しないチラー等により独立して供給される。また、図１に示すように、水冷ジャケット１０の上面には、流路１１（第１流路）とヒートシンク２０の内部に設けられた流路２３（第３流路）とを連通するための開口１１ｃ，１１ｄが設けられている。なお、金属ブロック１３の構成材料は銅に特に限定されない。熱伝導率が高く、冷却水通過時の圧力に耐え、耐腐食性の高い材料であれば、他の金属系材料でもよいし、あるいは絶縁材料を用いてもよい。
　図３に示すように、ヒートシンク２０（第２放熱部材）は、セラミック板材あるいは耐熱樹脂シートを母材とし、窒化アルミニウムを含む絶縁部材２１の上下面に導電層である銅層２２ａ，２２ｂが設けられてなる。また、後述するように、絶縁部材２１は複数の絶縁板２４～２６が積層されてなる。絶縁部材２１の下面に設けられた銅層２２ａは、水冷ジャケット１０とヒートシンク２０と熱的及び機械的に結合させる機能を有している。また、絶縁部材２１の上面に設けられた銅層２２ｂは、ヒートシンク２０の上面に設けられたサブマウント３０及び下部電極ブロック６０をヒートシンク２０と熱的及び機械的に結合させる機能を有している。さらに、銅層２２ｂは、サブマウント３０と下部電極ブロック６０とを電気的に接続する機能を有している。なお、銅層２２ａ，２２ｂは別の導電材料に置き換えられてもよい。また、サブマウント３０と下部電極ブロック６０とを電気的に接続する部材を別に有していれば、銅層２２ａ，２２ｂは絶縁材料に置き換えられてもよい。ただし、その場合は、絶縁材料として熱伝導率の高い材料、例えば窒化アルミニウム等を用いることが好ましい。
　図４Ａ～図４Ｇに示すように、ヒートシンク２０は、流路２３（第３流路）を内部に有している。流路２３は、半導体レーザ素子４０が載置されたサブマウント３０の配設領域Ｓ１（図４Ａ参照）の下方に設けられている。また、流路２３は、水冷ジャケット１０の流路１１と連通するための開口２３ａ，２３ｂ（図１参照）を有している。なお、ヒートシンク２０は、絶縁部材２１が窒化アルミニウムを含むことにより高い熱伝導性を有しているが、特にこれに限定されない。絶縁部材２１を構成する材料は、絶縁性であって熱伝導率が高く、半導体レーザ素子４０と熱膨張係数が近く、耐腐食性の高いものであればよい。例えば、半導体レーザ素子４０よりも熱伝導率が高い材料であるのが好ましい。
　サブマウント３０は、例えば銅タングステン（Ｃｕ：Ｗ）等の導電材料からなり、ヒートシンク２０の上面かつ前方の領域Ｓ１（ヒートシンク２０の上面の残部）に設けられている。サブマウント３０は、前述したとおり銅層２２ｂを介してヒートシンク２０に接合され、また、下部電極ブロック６０に電気的に接続されている。サブマウント３０の上面には、金スズ（Ａｕ－Ｓｎ）層（図示せず）が蒸着等の気相成長法あるいはハンダ付けによって形成されている。半導体レーザ素子４０の下側電極（図示せず）とサブマウント３０とは、金スズ層により互いに接合されることで電気的に接続されている。
　なお、サブマウント３０の材料は銅タングステンに特に限定されない。サブマウント３０の材料は、導電性であって、熱伝導率が高く、接合後に半導体レーザ素子４０への歪が小さくなるように熱膨張係数が調整されたものであればよい。例えば、銅モリブデン合金（Ｃｕ：Ｍｏ）を用いてもよいし、銅系材料からなる金属ブロック表面をダイヤモンド薄膜でコーティングした構成であってもよい。また、金スズ層は、必ずしも必要ではなく、金スズ層の代わりに導電性であって、熱伝導率の高い材料を用いても構わない。また、金スズ層を設けずに、半導体レーザ素子４０を直接、サブマウント３０に接合してもよい。
　半導体レーザ素子４０は端面放射型の半導体レーザ素子である。また、半導体レーザ素子４０は下面に下側電極を、上面に上側電極をそれぞれ有している（いずれも図示せず）。下側電極は、サブマウント３０の金スズ層（図示せず）を介してサブマウント３０に接合され、サブマウント３０に電気的に接続されている。なお、前述したように、サブマウント３０の上面に半導体レーザ素子４０の下側電極が直接接するようにしてもよい。また、上側電極の上面には複数のバンプ５０が設けられている。半導体レーザ素子４０の共振器（図示せず）は、前後方向に延びて設けられており、半導体レーザ素子４０の前方の側面が、レーザ光出射端面４０ａに相当する。また、半導体レーザ素子４０は、レーザ光出射端面４０ａとサブマウント３０の前方側面とがほぼ一致するようにサブマウント３０上に設けられている。なお、本実施形態において、下側電極が正極（＋）であり、上側電極が負極（－）であるが、これらの極性は反対であってもよい。また、半導体レーザ素子４０における共振器の数は複数であってもよい。例えば、図１における紙面と垂直な方向に離間して設けられた複数の共振器を有していてもよい。
　バンプ５０は、例えば金（Ａｕ）を材料とするワイヤを溶融させて形成した金バンプである。金は他の金属に比べて柔らかいため、半導体レーザ素子４０と上部電極ブロック６１とを接続する際にバンプ５０が変形する。そのため、半導体レーザ素子４０と上部電極ブロック６１とに機械的なダメージをあまり与えることなく、両者の間を電気的に良好に接続することができる。なお、バンプ５０の材料は金に限らず、導電性であって、半導体レーザ素子４０の上側電極と上部電極ブロック６１との電気的接続を確保できる材料であればよい。また、図１に示すように、バンプ５０と上部電極ブロック６１との間に金箔等の金属シート５１を挿入してもよい。金属シート５１を挿入することにより、バンプ５０と金属シート５１との接触面積を増加させることができ、バンプ５０と上部電極ブロック６１との間の接触抵抗を減少させることができる。なお、金属シート５１は金箔に限らず、他の導電材料からなるシートを用いてもよい。また、バンプ５０と上部電極ブロック６１との間に挿入される金属シート５１は複数枚であってもよいし、バンプ５０と上部電極ブロック６１との間の電気的接続が十分に良好であれば、金属シート５１を挿入しなくてもよい。
　下部電極ブロック６０は、例えば銅からなる板状の導電部材である。下部電極ブロック６０は、ヒートシンク２０の上面かつ後方の領域Ｓ２（ヒートシンク２０の上面の一部、図４Ｂ参照）に、サブマウント３０及び半導体レーザ素子４０と離間して配設されている。下部電極ブロック６０の下面の一部は、ヒートシンク２０の銅層２２ｂを介してヒートシンク２０に接合されており、下部電極ブロック６０の上面の一部には絶縁層７０が設けられている。
　上部電極ブロック６１は、例えば銅からなる板状の導電部材である。上部電極ブロック６１は、ヒートシンク２０とで半導体レーザ素子４０及びサブマウント３０を挟持するように設けられている。上部電極ブロック６１は、半導体レーザ素子４０の上側電極にバンプ５０及び金属シート５１を介して電気的に接続されている。また、上部電極ブロック６１は、絶縁層７０を挟んで下部電極ブロック６０と上下方向に積層されている。なお、後述するように、下部電極ブロック６０及び上部電極ブロック６１は半導体レーザ素子４０で発生した熱を周囲の雰囲気中あるいはヒートシンク２０に向けて放熱する放熱部材としての機能も有している。また、下部電極ブロック６０及び上部電極ブロック６１の構成材料は特に銅に限定されず、他の金属材料や導電材料であってもよい。
　絶縁層７０は、例えば、窒化アルミニウムのセラミック粉末を含む耐熱樹脂シートである。絶縁層７０は、下面に下部電極ブロック６０が、上面に上部電極ブロック６１がそれぞれ接するように設けられている。絶縁層７０は、下部電極ブロック６０と上部電極ブロック６１を電気的に絶縁する機能及び両者を伝熱可能に結合する機能を有している。なお、絶縁層７０の構成材料は、上記に特に限定されず、高い熱伝導率を有する材料であることが好ましく例えば、半導体レーザ素子４０よりも熱伝導率が高い材料であるのが好ましい。
　以上のように構成された半導体レーザ装置１の動作は以下のように行われる。
　まず、水冷ジャケット１０の流路１１，１２及びヒートシンク２０の流路２３に冷却水を流した状態で、下部電極ブロック６０と上部電極ブロック６１との間に所定の電圧を印加する。すると、ヒートシンク２０の銅層２２ｂとサブマウント３０とバンプ５０と金属シート５１とを介して、半導体レーザ素子４０の下側電極と上側電極との間に電流が流れ始める。当該電流が半導体レーザ素子４０の発振しきい値電流を越えると、共振器内でレーザ発振が起こり、レーザ光出射端面４０ａからレーザ光が前方に出射される。
　［半導体レーザ装置１の熱排出について］
　次に、半導体レーザ装置１の冷却水（冷媒）の流れについて説明する。
　水冷ジャケット１０の後方側面に設けられた流入口１１ａから流路１１内に供給された冷却水は、流路１１のうち、下方に位置し水冷ジャケット１０の上面と略平行に延びる平行部１１ｅ内を前方に流れる。さらに、サブマウント３０が配設された領域Ｓ１の下方から上方向に向かって流れ、開口１１ｃにより流路１１に連通されたヒートシンク２０内の流路２３内に供給される。冷却水は、流路２３内を半導体レーザ素子４０のレーザ光出射端面４０ａに向けて上方に流れ、絶縁部材２１の上面近傍で後方に折り返して流れる。下部電極ブロック６０の前方の側面近傍で冷却水はさらに下に折り返して流れ、開口１１ｄを通じて流路１１に供給される。冷却水は下方向に流れた後、流路１１のうち、上方に位置し水冷ジャケット１０の上面と略平行に延びる平行部１１ｆ内を後方に流れ、排出口１１ｂから図示しないチラー等に供給される。また、水冷ジャケット１０の後方側面に設けられた流入口１２ａから流路１２内に供給された冷却水は、流路１２のうち、水冷ジャケット１０の上面と略平行に延びる平行部１２ｃに沿って半導体レーザ素子４０のレーザ光出射端面４０ａ近傍の下方まで前方に流れる。レーザ光出射端面４０ａ近傍の下方で紙面の奥側方向に折り返された流路１２に沿って冷却水が流れる。さらに、所定の位置で後方に折り返された流路１２に沿って、平行部１２ｄ内を冷却水が流れ、排出口１２ｂから図示しない別のチラー等に供給される。
　なお、流路１１の平行部１１ｅ，１１ｆと流路１２の平行部１２ｃ，１２ｄとの延在方向は特に上記に限定されず、水冷ジャケット１０の上面に対して所定の角度で傾斜する部分を有していてもよい。
　次に、半導体レーザ装置１の熱排出経路について説明する。
　図１に示すように、半導体レーザ素子４０で発生した熱は、主に４つの経路から外部に排出される。第１の熱排出経路Ｔ１は、半導体レーザ素子４０の下面側からサブマウント３０及びヒートシンク２０を介して、サブマウント３０の配設領域Ｓ１の下方に位置する流路２３に排出される経路である。第２の熱排出経路Ｔ２は、上部電極ブロック６１から周囲の雰囲気中に排出される経路である。第３の熱排出経路Ｔ３は、半導体レーザ素子４０の上面側に接続される上部電極ブロック６１から絶縁層７０と下部電極ブロック６０とヒートシンク２０とを介して水冷ジャケット１０に排出される経路である。第４の熱排出経路Ｔ４は下部電極ブロック６０及びヒートシンク２０を介して水冷ジャケット１０に排出される経路である。
　このうち、第１の熱排出経路Ｔ１を通る熱は、流路１１及び２３を流れる冷却水により半導体レーザ装置１から外部に排出される。一方、上部電極ブロック６１の近傍に冷却水が流れる流路は設けられていない。前述したように、従来の構成では、半導体レーザ素子４０から上部電極ブロック６１に流入する熱が、第２の熱排出経路Ｔ２を通って外部に排出されるが、その量が小さく、上部電極ブロック６１内に溜まりやすかった。そこで、本実施形態においては、熱伝導性の高い絶縁層７０を挟んで上部電極ブロック６１の一部と下部電極ブロック６０の一部とを積層するようにし、下部電極ブロック６０の下面の一部をヒートシンク２０と接するようにしている。また、ヒートシンク２０における下部電極ブロック６０の配設領域Ｓ２の下方には、水冷ジャケット１０内に流路１２が設けられており、流路１１とは独立に供給された冷却水によりヒートシンク２０を効率良く冷却している。このような構成とすることで、第３の熱排出経路Ｔ３に示すように、半導体レーザ素子４０で発生して上部電極ブロック６１内に溜まった熱が絶縁層７０及び下部電極ブロック６０を介してヒートシンク２０に排出される。さらに上記のように流路１２内を流れる冷却水によって半導体レーザ装置１の外部に熱が排出される。第４の熱排出経路Ｔ４を通る熱も同様に、ヒートシンク２０を介して、流路１２内を流れる冷却水によって半導体レーザ装置１の外部に排出される。
　以上説明したように、本実施形態によれば、半導体レーザ素子４０の上面側に接続される上部電極ブロック６１を、下部電極ブロック６０を介してヒートシンク２０及び水冷ジャケット１０に熱的に結合させる。また、水冷ジャケット１０内に、半導体レーザ素子４０の下面側、つまりヒートシンク２０上のサブマウント３０の配設領域Ｓ１を主に冷却する流路１１と、ヒートシンク２０上の下部電極ブロック６０の配設領域Ｓ２を主に冷却する流路１２との２系統の流路を独立して設ける。このことにより、半導体レーザ素子４０から排出される熱、特に半導体レーザ素子４０の上面側に接続された上部電極ブロック６１に溜まる熱を効率的に排出することができる。この結果、半導体レーザ素子４０に流す電流量を増やすことができ、半導体レーザ装置１を高出力化できる。
　また、流路１１において、上記のように冷却水の流れを規定することにより、半導体レーザ素子４０のレーザ光出射端面４０ａの下方に対して短い距離で冷却水を供給することができる。半導体レーザ装置１において、最も発熱量が大きいのは、レーザ光出射端面４０ａ近傍であるため、この部分を効率良く冷却するために、冷却水の流入口１１ａからレーザ光出射端面４０ａの下方に到達する流路はできるだけ短い方が好ましい。
　また、図１に示す流路１２の平行部１２ｃ，１２ｄは、流路１１の平行部１１ｅ，１１ｆよりも上方、つまり、ヒートシンク２０に近い側に設けられているのが好ましく、特に平行部１１ｆよりも上方に設けられているのがより好ましい。上記のように、流路２３内の冷却水は、レーザ光出射端面４０ａの下方を通過する際、最も暖められるため、平行部１１ｆを含む以降の流路において、冷却水によるヒートシンク２０の冷却効率は低下してしまう。一方、流路１２の平行部１２ｃ，１２ｄの配置を上記のように設定することで、冷却水の流入口１２ａから供給され熱せられていない冷却水をヒートシンク２０に対し近い位置に流すことができる。流路１２を通る冷却水によって、下部電極ブロック６０がより効率良く冷却され、半導体レーザ装置１の冷却効率を高めることができる。このことにより、半導体レーザ装置１を高出力化できる。
　［半導体レーザ装置１及びその構成部材の製造方法］
　図２は、水冷ジャケット１０の製造方法を説明する図である。図２に示すように、水冷ジャケット１０は、銅ブロック１３と銅板１６とが貼り合わせて形成される。銅ブロック１３は、冷媒の流入口１１ａ、排出口１１ｂを含む流路１１と孔１４ａ，１４ｂと溝１５ａ，１５ｂとを有する。孔１４ａ，１４ｂは、水冷ジャケット１０の開口１１ｃ，１１ｄに相当し、溝１５ａ，１５ｂは、水冷ジャケット１０の流路１２の平行部１２ｃ，１２ｄに相当する。
　また、銅板１６は、水冷ジャケット１０の流路１１の開口１１ｃ，１１ｄに相当する貫通孔１７ａ，１７ｂを有する。銅ブロック１３と銅板１６とは、孔１４ａと貫通孔１７ａとが重なり合うように、また孔１４ｂと貫通孔１７ｂとが重なり合うように貼り合わされる。また、これらを貼り合わせることにより、冷媒の流入口１２ａ、排出口１２ｂを含む流路１２が形成され、銅板１６の厚みを調整することにより平行部１２ｃ，１２ｄを水冷ジャケット１０の上面近傍に位置するように設けることができる。なお、銅ブロック１３と銅板１６とは、例えば、ロウ付けにより貼り合わされるが、接着材の構成材料は特にこれに限定されず、金属の薄箔等であってもよい。なお、冷媒の流入口１１ａ，１２ａ、排出口１１ｂ，１２ｂにおいては冷却水の水漏れを防止するためにＯリング等のシール部材を設けてもよい。
　図３は、ヒートシンク２０の製造方法を説明する図である。図３に示すように、ヒートシンク２０は、所定の位置に溝２８や孔２９が設けられるように、絶縁板２４～２６と銅層２２ａ，２２ｂとを積層して貼り合わせることにより形成されている。
　絶縁板２４～２６は窒化アルミニウムからなるセラミック板材あるいは窒化アルミニウムを含む耐熱樹脂シートである。これらの絶縁板をそれぞれに設けられた溝２８ａと溝２８ｂと溝２８ｃとが対応する位置で重なり合うように、また、孔２９ａと孔２９ｂとが対応する位置で重なり合うように貼り合わせることにより、流路２３を内部に有する絶縁部材２１が形成される。なお、絶縁板２４に設けられている溝２８ａは、流路２３の開口２３ａに対応する位置に、孔２９ａは、開口２３ｂに対応する位置に設けられている。
　銅層２２ａ，２２ｂは銅箔あるいは銅粉末を所定量含有する導電性樹脂シートからなる。銅層２２ａには流路２３の開口２３ａ，２３ｂに相当する貫通孔２２ｃ，２２ｄが設けられている。
　絶縁板２４～２６が上記の方法で積層されてなる絶縁部材２１と銅層２２ａとを、絶縁板２４の溝２８ａと銅層２２ａの貫通孔２２ｃとが重なり合うように、また絶縁板２４の孔２９ａと銅層２２ａの貫通孔２２ｄとが重なり合うように貼り合わせる。さらに、絶縁部材２１に銅層２２ｂを貼り合わせてヒートシンク２０が完成する。
　なお、銅層２２ａ，２２ｂをそれぞれ絶縁部材２１に貼り合わせる順番は上記と異なっていてもよい。また、絶縁板２４～２６の構成材料は上記に特に限定されず、他の絶縁材料であってもよい。絶縁板２４～２６を構成する材料は、熱伝導率が高く、半導体レーザ素子４０と熱膨張係数が近く、耐腐食性の高いものであればよい。例えば、半導体レーザ素子４０よりも熱伝導率が高い材料であるのが好ましい。
　なお、絶縁板２４～２６の間の貼り合わせ、または絶縁部材２１と銅層２２ａ，２２ｂとの貼り合わせは、例えば、有機系材料からなる接着材により行うが、接着材の構成材料は特にこれに限定されない。なお、流路２３の開口２３ａ，２３ｂに対応する絶縁板２４の溝２８ａ及び孔２９ａと銅層２２ａの貫通孔２２ｃ，２２ｄとの接続においては冷却水の水漏れを防止するために接続部分にＯリング等のシール部材を設けてもよい。
　以上のように、水冷ジャケット１０を流路１１，１２の一部が設けられた部材を積層して形成することにより、流路１１，１２の加工を簡素化することができる。同様に、ヒートシンク２０を流路２３の一部が設けられた部材を積層して形成することにより、流路２３の加工を簡素化することができる。
　図４Ａ～図４Ｇは、半導体レーザ装置１の製造方法を説明する図である。
　図３に示す方法で形成されたヒートシンク２０の上面の領域Ｓ１に銅層２２ｂを介してサブマウント３０を配置し、ヒートシンク２０とサブマウント３０とを接合する（図４Ａ）。
　ヒートシンク２０の上面の領域Ｓ２に銅層２２ｂを介して下部電極ブロック６０を配置し、ヒートシンク２０と下部電極ブロック６０とを接続する（図４Ｂ）。サブマウント３０の上面に金スズ層を設け、さらに半導体レーザ素子４０を下側電極が金スズ層に接するように配置して、サブマウント３０と半導体レーザ素子４０とを接合する（図４Ｃ）。半導体レーザ素子４０の上側電極にバンプ５０を形成する（図４Ｄ）。
　ここで、バンプ５０の形成方法について説明する。
　例えば、超音波を与えつつ金ワイヤを半導体レーザ素子４０の上側電極に接合する。超音波を与えた状態で金ワイヤに所定の張力を付与することで、上側電極に接合された先端を残して金ワイヤを破断し、先端が尖った形状のバンプ５０を形成する。ただし、他の方法、例えば、先端が尖った形状の電極を上側電極に転写してバンプ５０を形成してもよい。
　次に、下部電極ブロック６０の上面に絶縁層７０を設ける（図４Ｅ）。絶縁層７０が樹脂シートである場合は、例えば、有機系材料からなる接着材を用いて下部電極ブロック６０に絶縁層７０を貼り付ける。バンプ５０及び半導体レーザ素子４０の上面に金属シート５１を設けた後、上部電極ブロック６１をバンプ５０及び半導体レーザ素子４０と絶縁層７０の上面に配置する。上部電極ブロック６１を金属シート５１及びバンプ５０に接合するとともに、絶縁層７０に固着する（図４Ｆ）。絶縁層７０への固着は例えば、有機系材料からなる接着材を用いて行う。
　次に、図２に示す方法で形成された水冷ジャケット１０の上面に、ヒートシンク２０を配置する。水冷ジャケット１０の上面に設けられた開口１１ｃ，１１ｄとヒートシンク２０の下面に設けられた開口２３ａ，２３ｂとが重なり合うようにして水冷ジャケット１０とヒートシンク２０とを接続する。流路１１と流路２３とを連通させて半導体レーザ装置１が完成する（図４Ｆ）。なお、冷却水の水漏れを防止するために開口１１ｃ，２３ａの接続部分及び開口１１ｄ，２３ｂの接続部分にＯリング等のシール部材を設けてもよい。
　［効果等］
　以上のように、本実施形態において、半導体レーザ装置１は、半導体レーザ素子４０を主に冷却する流路１１，２３と半導体レーザ素子４０に接続される上部電極ブロック６１を主に冷却する流路１２とを、独立して水冷ジャケット１０やヒートシンク２０に設けるようにした。具体的には、半導体レーザ装置１は、冷媒が流れる流路１１と流路１２とが内部に互いに独立して設けられた水冷ジャケット１０と、水冷ジャケット１０の上面に接触して設けられ、第１流路１１に連通する流路２３を内部に有する絶縁部材２１を含むヒートシンク２０と、ヒートシンク２０の上面の一部に設けられた下部電極ブロック６０と、ヒートシンク２０の上面の残部に設けられ、下部電極ブロック６０に電気的に接続された導電材料からなるサブマウント３０と、サブマウント３０の上面に配設され、サブマウント３０及び下部電極ブロック６０に電気的に接続された半導体レーザ素子４０と、ヒートシンク２０とでサブマウント３０及び半導体レーザ素子４０を挟持するように設けられ、半導体レーザ素子４０に電気的に接続される一方、伝熱可能な絶縁層７０によって下部電極ブロック６０と電気的に絶縁された上部電極ブロック６１とを備え、流路１２は下部電極ブロック６０の配設領域の下方に設けられている。
　この構成によれば、半導体レーザ素子４０の上面側に接続される上部電極ブロック６１を、伝熱可能な絶縁層７０を挟んで下部電極ブロック６０、さらに水冷ジャケット１０及びヒートシンク２０に熱的に結合させることができる。また、水冷ジャケット１０に、流路１１と、下部電極ブロック６０の配設領域の下方を冷却する流路１２との２系統の流路を独立して設けることにより、下部電極ブロック６０を介して上部電極ブロック６１に溜まる熱を効率的に排出することができる。このことにより、半導体レーザ素子４０に流す電流量を増やすことができ、半導体レーザ装置１を高出力化できる。
　また、流路２３は、サブマウント３０の配設領域Ｓ１の下方に設けられているのが好ましい。
　この構成によれば、流路１１及び流路２３を流れる冷媒を通じて、サブマウント３０及び半導体レーザ素子４０の下面側を溜まる熱を効率的に排出することができる。
　流路１１，１２は、それぞれ、水冷ジャケット１０の上面と略平行に延びる平行部１１ｅ，１１ｆ，１２ｃ，１２ｄを有しており、流路１２の平行部１２ｃ，１２ｄは、流路１１の平行部１１ｅ，１１ｆよりもヒートシンク２０に近い側に設けられているのが好ましい。
　この構成によれば、半導体レーザ素子４０を主に冷却する流路１１，２３を流れる冷媒の温度上昇の影響を受けずに、下部電極ブロック６０及び上部電極ブロック６１を冷却することができる。
　水冷ジャケット１０は、流路１１，１２の一部が設けられた複数の部材１３，１６を積層してなるのが好ましい。
　この構成によれば、水冷ジャケット１０における流路１１，１２の加工を簡素化できる。ヒートシンク２０は、流路２３の一部が設けられた複数の部材２４，２５，２６を積層してなるのが好ましい。
　この構成によれば、ヒートシンク２０における流路２３の加工を簡素化できる。また、絶縁部材２１及び絶縁層７０は、半導体レーザ素子４０よりも熱伝導率が高いのが好ましい。
　（変形例１）
　［半導体レーザ装置２の構成］
　図５は、変形例１に係る半導体レーザ装置２の構成を示す断面図である。
　実施形態に示す構成と本変形例に示す構成との違いは、本変形例の下部電極ブロック６０ａには、ヒートシンク２０の後方側面に沿って下方に延び、水冷ジャケット１０の上面に接する延長部が設けられている点にある。
　図５に示すように下部電極ブロック６０ａを設けることで、下部電極ブロック６０ａと流路１２、特に平行部１２ｃ，１２ｄとの距離を縮められ、流路１２を流れる冷却水によって下部電極ブロック６０ａがより効率的に冷却される。また、絶縁層７０を挟んで下部電極ブロック６０ａに積層された上部電極ブロック６１の冷却効率も高めることができる。これにより、実施形態の半導体レーザ装置１をより高出力化できる。特に半導体レーザ素子４０が数十本の共振器を有するマルチエミッタタイプである場合、下部電極ブロック６０ａと上部電極ブロック６１との間には１００Ａ～数百Ａの大電流が流れる。このような場合、下部電極ブロック６０ａ、上部電極ブロック６１ともに十分に冷却して半導体レーザ素子４０の温度上昇を抑える必要があるため、本変形例に示す構成は有効である。
　なお、図示しないが、図５に示す構成において、下部電極ブロック６０ａと水冷ジャケット１０とが直接接している。そのため、下部電極ブロック６０ａと上部電極ブロック６１との絶縁を強化するために、下部電極ブロック６０ａと対向するサブマウント３０の側面に絶縁層を設けてもよい。また、水冷ジャケット１０の上面と下部電極ブロック６０ａの下面との間に絶縁層（図示せず）を設けてもよい。絶縁層の厚みは、下部電極ブロック６０ａからの熱排出を大きく阻害しない範囲で適宜選択される。また、この絶縁層を構成する材料は、熱伝導率が高く、耐腐食性の高いものがよいことはいうまでもない。例えば、半導体レーザ素子４０よりも熱伝導率が高い材料であるのが好ましい。
　［効果等］
　以上のように、下部電極ブロック６０ａは、ヒートシンク２０の側面に沿って延びて水冷ジャケット１０の上面に接する延長部を有するのが好ましい。
　この構成によれば、下部電極ブロック６０ａが直接、流路１２を流れる冷媒によって冷却され、下部電極ブロック６０ａ及び上部電極ブロック６１の冷却効率を高められる。
　（変形例２）
　図６は、変形例２に係る半導体レーザ装置３の構成を示す断面図である。
　実施形態に示す構成と本変形例に示す構成との違いは、本変形例のヒートシンク２０ａの絶縁部材の内部には、流路２３と独立して流路２７（第４流路）が設けられ、当該流路２７と本変形例の水冷ジャケット１０ａ内の流路１９（第２流路）とが連通している点にある。
　図６に示すようにヒートシンク２０ａ内の下部電極ブロック６０の配置領域Ｓ２の下方に流路２７を設け、水冷ジャケット１０ａの流路１９と連通させることにより、下部電極ブロック６０と流路２７との距離を縮められる。その結果、流路１９，２７を流れる冷却水によって下部電極ブロック６０がより効率的に冷却され、また、絶縁層７０を挟んで下部電極ブロック６０に積層された上部電極ブロック６１の冷却効率も高めることができる。これにより、実施形態の半導体レーザ装置１をより高出力化できる。変形例１と同様に、半導体レーザ素子４０が数十本の共振器を有するマルチエミッタタイプである場合、本変形例に示す構成は、半導体レーザ素子４０の温度上昇を抑制する点で有効である。
　なお、半導体レーザ装置２における水冷ジャケット１０ａ及びヒートシンク２０ａも実施形態に示したのと同様の方法で形成することができる。つまり、水冷ジャケット１０ａを流路１１，１９の一部が設けられた部材を積層して形成することにより、流路１１，１９の加工を簡素化することができる。同様に、ヒートシンク２０ａを流路２３，２７の一部が設けられた部材を積層して形成することにより、流路２３，２７の加工を簡素化することができる。
　［効果等］
　以上のように、ヒートシンク２０ａの絶縁部材の内部には、流路１９に連通する流路２７が流路２３と独立に設けられているのが好ましい。
　また、流路２７は、下部電極ブロック６０の配設領域Ｓ２の下方に設けられているのが好ましい。この構成によれば、下部電極ブロック６０と流路１９に連通する流路２７との距離が近くなるため、下部電極ブロック６０及び上部電極ブロック６１の冷却効率を高められる。
　（その他の実施形態）
　図６に示す半導体レーザ装置３において、下部電極ブロック６０の形状及び配置を図５に示す半導体レーザ装置２と同様にしてもよい。実施形態の半導体レーザ装置１の冷却効率をさらに高めることができる。
　なお、変形例１，２を含む上記の実施形態において、流路１１における冷媒の流入口１１ａ及び排出口１１ｂを水冷ジャケット１０の後方側面に設けたが、それ以外の面に設けてもよい。ただし、レーザ光の出射方向と同じ側である前方側面に冷媒の流入口１１ａ及び排出口１１ｂを設けると、これらに接続される冷却水配管（図示せず）の設置場所に制約を受ける可能性がある。流路１２，１９における冷媒の流入口１２ａ，１９ａ及び排出口１２ｂ，１９ｂの配置についても同様である。
　また、冷媒として冷却水を用いる例を示したが、水以外の冷媒、例えば、不凍液等を用いてもよい。なお、半導体レーザ素子４０を過度に冷却する、例えば、数℃まで冷却すると、レーザ光出射端面４０ａ等で結露するおそれがある。このような結露が生じると、レーザ発振が起こらなくなったり、場合によっては半導体レーザ装置１が破損したりするおそれがある。また、半導体レーザ素子４０の温度が６０℃を大きく越えると光出力特性が変化し、所望の出力が得られない場合がある。よって、動作中の半導体レーザ素子４０を１０℃～４０℃程度の温度に維持できるように冷媒の種類を選択するか、冷媒の温度管理をするのが好ましい。
　本開示の半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子の上下面の両方を効率良く冷却でき、高出力の半導体レーザ装置が得られるため、レーザ加工装置等に適用する上で産業上有用である。
　１～３　　半導体レーザ装置
　１０，１０ａ　　水冷ジャケット
　１１　　流路（第１流路）
　１１ａ，１２ａ，１９ａ　　冷媒の流入口
　１１ｂ，１２ｂ，１９ｂ　　冷媒の排出口
　１１ｅ，１１ｆ　　流路１１の平行部
　１２，１９　　流路（第２流路）
　１２ｃ，１２ｄ　　流路１２の平行部
　１３　　金属ブロック（銅ブロック）
　１６　　銅板
　２０，２０ａ　　ヒートシンク
　２１　　絶縁部材
　２３　　流路（第３流路）
　２４～２６　　絶縁板
　２７　　流路（第４流路）
　３０　　サブマウント
　４０　　半導体レーザ素子
　５０　　バンプ
　５１　　金属シート
　６０，６０ａ　　下部電極ブロック
　６１　　上部電極ブロック
　７０　　絶縁層
　Ｓ１　　サブマウント３０の配設領域
　Ｓ２　　下部電極ブロック６０，６０ａの配設領域

Claims (9)

  1. 　冷媒が流れる第１流路と第２流路とが内部に互いに独立して設けられた第１放熱部材と、
    　該第１放熱部材の上面に接触して設けられ、前記第１流路に連通する第３流路を内部に有する絶縁部材を含む第２放熱部材と、
    　該第２放熱部材の上面の一部に設けられた下部電極ブロックと、
    　前記第２放熱部材の上面の残部に設けられ、該下部電極ブロックに電気的に接続された導電材料からなるサブマウントと、
    　該サブマウントの上面に配設され、前記サブマウント及び前記下部電極ブロックに電気的に接続された半導体レーザ素子と、
    　前記第２放熱部材とで前記サブマウント及び前記半導体レーザ素子を挟持するように設けられ、前記半導体レーザ素子に電気的に接続される一方、伝熱可能な絶縁層によって前記下部電極ブロックと電気的に絶縁された上部電極ブロックとを備え、
    　前記第２流路は前記下部電極ブロックの配設領域の下方に設けられていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 　請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記第３流路は、前記サブマウントの配設領域の下方に設けられていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  3. 　請求項１または２に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記下部電極ブロックは、前記第２放熱部材の側面に沿って延びて前記第１放熱部材の上面に接する延長部を有することを特徴とする半導体レーザ装置。
  4. 　請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記第１及び第２流路は、それぞれ、前記第１放熱部材の上面と略平行に延びる平行部を有しており、
    　前記第２流路の平行部は、前記第１流路の平行部よりも前記第２放熱部材に近い側に設けられていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  5. 　請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記第２放熱部材の絶縁部材の内部には、前記第２流路に連通する第４流路が前記第３流路と独立に設けられていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  6. 　請求項５に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記第４流路は、前記下部電極ブロックの配設領域の下方に設けられていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  7. 　請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記第１放熱部材は、前記第１及び第２流路の一部が設けられた複数の部材を積層してなることを特徴とする半導体レーザ装置。
  8. 　請求項１ないし７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記第２放熱部材は、前記第３流路の一部が設けられた複数の部材を積層してなることを特徴とする半導体レーザ装置。
  9. 　請求項１ないし８のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記絶縁部材及び前記絶縁層は、前記半導体レーザ素子よりも熱伝導率が高いことを特徴とする半導体レーザ装置。
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