(57)【要約】  ＬＤアレイを低応力かつ適切な温度で駆動することが可能な安価なモジュール構造を得る。  接触する部材からの熱を放熱するヒートシンク３と、ヒートシンク３上に配置され、絶縁材料で構成されたサブマウント基板４と、サブマウント基板４上に配置される給電層５Ａと、給電層５Ａの上に並列配置される複数の発光部を有する半導体レーザアレイ６とを備え、サブマウント基板４の線膨張係数を半導体レーザアレイ６の線膨張係数よりも小さくし、半導体レーザアレイ６よりも大きい線膨張係数を有するヒートシンク３と接続された状態でのサブマウント基板４の線膨張係数が、半導体レーザアレイ６の線膨張係数を含む所定の範囲内となるようにした。
2011074262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触する部材からの熱を放熱するヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に配置され、絶縁材料で構成されたサブマウント基板と、
前記サブマウント基板上に配置される給電層と、
前記給電層の上に並列配置される複数の発光部を有する半導体レーザアレイと
を備え、
前記半導体レーザアレイの線膨張係数は、前記サブマウント基板の線膨張係数よりも大きく、前記給電層及び前記ヒートシンクの線膨張係数よりも小さく、
前記ヒートシンクと接続された状態での前記サブマウント基板の線膨張係数が、前記半導体レーザアレイの線膨張係数を含む所定の範囲内となるように構成されてなるレーザモジュール。
【請求項２】
接触する部材からの熱を放熱するヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に配置され、絶縁材料で構成されたサブマウント基板と、
前記サブマウント基板上に配置される給電層と、
前記給電層の上に並列配置される複数の発光部を有する半導体レーザアレイと
を備え、
前記半導体レーザアレイの線膨張係数は、前記サブマウント基板の線膨張係数よりも大きく、前記給電層及び前記ヒートシンクの線膨張係数よりも小さく、
前記ヒートシンクと前記サブマウント基板との接合幅を、前記半導体レーザアレイの幅を下限とし、前記半導体レーザアレイに働く応力と前記接続幅との関係が線形近似できる範囲を上限となるよう構成されているレーザモジュール。
【請求項３】
接触する部材からの熱を放熱するヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に配置され、絶縁材料で構成されたサブマウント基板と、
前記サブマウント基板上に配置される給電層と、
前記給電層の上に並列配置される複数の発光部を有する半導体レーザアレイと
を備え、
前記サブマウント基板の材料はＡＩＮまたはＳｉＣであり、
前記ヒートシンクの材料はＣｕであり、
前記半導体レーザアレイの材料はＧａＡｓであり、
前記給電層の材料はＣｕであり、
前記半導体レーザアレイの幅寸法をＢとすると、
前記サブマウント基板の前記ヒートシンクとの接合幅寸法ＡはＢ≦Ａ≦Ｂ＋４ｍｍであることを特徴とするレーザモジュール。
【請求項４】
前記サブマウント基板の材料はＡＩＮもしくはＳｉＣであり、
前記ヒートシンクの材料はＣｕであり、
前記半導体レーザアレイの材料はＧａＡｓであり、
前記給電層の材料はＣｕであり、
前記給電層の厚さは１０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザモジュール。
【請求項５】
前記サブマウント基板の材料はＡＩＮもしくはＳｉＣであり、
前記ヒートシンクの材料はＣｕであり、
前記半導体レーザアレイの材料はＧａＡｓであり、
前記給電層の材料はＣｕであり、
前記給電層の厚さは３０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザモジュール。
【請求項６】
前記サブマウント基板の材料はＡＩＮもしくはＳｉＣであり、
前記ヒートシンクの材料はＣｕであり、
前記半導体レーザアレイの材料はＧａＡｓであり、
前記給電層はめっきにより形成されたＣｕであり、
前記給電層の厚さは1０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体レーザアレイ素子を用いたレーザモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体レーザ(Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ)は加工、光源といった用途において高出力化の要求が強くなっている。ＬＤの高出力化の技術として、同一チップ内に複数の発光スポット(エミッタ)をアレイ上に並列配置した半導体レーザアレイ素子(以下、ＬＤアレイ)を用いる方法が知られている。【０００３】
ＬＤアレイは１つの発光スポットを有する素子を複数並列配置したことと実質的に違いがないことから、並列配置するエミッタ数に比例して素子サイズが大型化し、かつ総発熱量が増大する。素子サイズが大型化すると実装時および駆動時において接合相手部材との線膨張係数のミスマッチによる応力増大を招き、素子内に欠陥が発生・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  Ｄｅｆｅｃｔ）が生じたり、クラック等の進展により素子が破断する現象が生じたりする場合がある。また、素子温度が高いと、前記欠陥の進展が速くなり、その結果として素子寿命が低下する。以上のことからＬＤアレイを低応力かつ適切な温度で駆動することが可能なモジュール構造が求められている。【０００４】
このような問題を解決する方法として、ＬＤアレイと冷却構造部材との間にサブマウントとして、ＬＤと線膨張係数が近く、比較的熱伝導率が高いＣｕＷの板部材を介在させたもの（特許文献１、特許文献２）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１７２１４１号公報
【特許文献２】特開２００６−３４４７４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＣｕＷは他のＣｕなどの一般的な導体材料と比較して高価であり、ＣｕＷで構成される部品を使用する場合、製造コストの増大を招くという問題点があった。【０００７】
そこで本発明では、ＣｕＷなどの高価な材料を使用することなく、ＬＤアレイに働く応力を低減し、安価なレーザモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に関わるレーザモジュールは、接触する部材からの熱を放熱するヒートシンクと、前記ヒートシンク上に配置され、絶縁材料で構成されたサブマウント基板と、前記サブマウント基板上に配置される給電層と、前記給電層の上に並列配置される複数の発光部を有する半導体レーザアレイとを備え、前記半導体レーザアレイの線膨張係数は、前記サブマウント基板の線膨張係数よりも大きく、前記給電層及び前記ヒートシンクの線膨張係数よりも小さく、前記ヒートシンクと接続された状態での前記サブマウント基板の線膨張係数が、前記半導体レーザアレイの線膨張係数を含む所定の範囲内となるように構成されてなるものである。
また、本発明に関わるレーザモジュールは、接触する部材からの熱を放熱するヒートシンクと、前記ヒートシンク上に配置され、絶縁材料で構成されたサブマウント基板と、前記サブマウント基板上に配置される給電層と、前記給電層の上に並列配置される複数の発光部を有する半導体レーザアレイとを備え、前記半導体レーザアレイの線膨張係数は、前記サブマウント基板の線膨張係数よりも大きく、前記給電層及び前記ヒートシンクの線膨張係数よりも小さく、前記ヒートシンクと前記サブマウント基板との接合幅を、前記半導体レーザアレイの幅を下限とし、前記半導体レーザアレイに働く応力と前記接続幅との関係が線形近似できる範囲を上限となるよう構成されているものである。
さらに、本発明に関わるレーザモジュールは、接触する部材からの熱を放熱するヒートシンクと、前記ヒートシンク上に配置され、絶縁材料で構成されたサブマウント基板と、前記サブマウント基板上に配置される給電層と、前記給電層の上に並列配置される複数の発光部を有する半導体レーザアレイとを備え、前記サブマウント基板の材料はＡＩＮまたはＳｉＣであり、前記ヒートシンクの材料はＣｕであり、前記半導体レーザアレイの材料はＧａＡｓであり、前記給電層の材料はＣｕであり、前記半導体レーザアレイの幅寸法をＢとすると、前記サブマウント基板の前記ヒートシンクとの接合幅寸法ＡはＢ≦Ａ≦Ｂ＋４ｍｍである。
【発明の効果】
【０００９】
本願発明によれば、ＬＤアレイに加えられる応力を低減し、安価なレーザモジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールの全体構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールの構成を示す正面図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールの構成を示す側面図である。
【図４】レーザモジュールの各素子を半田付けした後の冷却過程におけるヒートシンク、サブマウント基板、めっき層、ＬＤアレイの変形挙動を表す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールのサブマウント基板とヒートシンクとの接合幅ＡとＬＤアレイ幅方向に働く応力との関係を、ＬＤアレイの幅ごとに示したグラフである。
【図６】本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールのサブマウント基板とヒートシンクとの接合幅ＡとＬＤアレイ幅方向に働く応力との関係を、サブマウント基板の厚さごとに示したグラフである。
【図７】本発明の実施の形態１におけるＬＤアレイとめっき層の回路構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールのＬＤアレイのエミッタ配置と印加電流との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールのめっき層の導体厚さ寸法とエミッタ間電流ばらつきとの関係およびめっき層の導体厚さ寸法とめっき表面粗さの関係を表したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下、図１〜３を用いて本実施の形態に係るレーザモジュール１００の構造について説明する。図１は本実施の形態に係るレーザモジュール１００の斜視図、図２は本実施の形態に係わるレーザモジュール１００の正面図、図３は本実施の形態に係わるレーザモジュール１００の側面図である。なお、レーザモジュール１００からレーザ光が出射される側を正面とする。
【００１２】
レーザモジュール１００は、ステム１、リードピン２、ヒートシンク３、めっき層５Ａ、５Ｂ、５Ｃを有するサブマウント基板４、ＬＤアレイ６、ワイヤ配線７、リボン配線８から構成されている。
【００１３】
ステム１はＦｅなどの金属材料より構成される板状部材であり、リードピン２Ａ〜２Ｄが貫通する４つの開口が形成されている。
【００１４】
リードピン２Ａ〜２Ｄは導電性材料で構成されており、図示しない電源からＬＤアレイ６への電力を供給する給電線である。リードピン２Ａ〜２Ｄとステム１との間にはガラスなどの絶縁部材からなる封止部９Ａ〜９Ｄが形成されており、当該封止部９Ａ〜９Ｄによってリードピン２Ａ〜２Ｄとステム１とは電気的に絶縁されている。このように、リードピン２Ａ〜２Ｄはステム１に貫通した状態でガラス封止により絶縁固定されている。
【００１５】
ヒートシンク３はＣｕやＦｅなど高熱伝導の金属材料で構成され、接触する部材から熱を放出する放熱部材であり、ステム１に半田や銀ろうなどにより接合されている。もしくは、冷間鍛造等の方法によりステム１と一体の構造として形成されている。
【００１６】
サブマウント基板４は、ヒートシンク３とＬＤアレイ６との間に介在し、ＡｌＮやＳｉＣなどの高熱伝導絶縁材料により構成された絶縁基板である。ヒートシンク３側の下面及びＬＤアレイ６側の上面には、Ｃｕなどの高導電であり高熱伝導かつ剛性の小さい金属材料からなるめっき層５Ａ、５Ｂ、及び５Ｃが形成されている。サブマウント基板４はヒートシンク３に対しめっき層５Ｃを介して半田付けなどにより実装固定されている。サブマウント基板４をヒートシンク３に対し半田付けにより実装固定する場合には、接合材料としてＡｕＳｎ半田を用いることができる。
【００１７】
ＬＤアレイ６は、並列配置・配線された複数のエミッタ（発光部）から構成される半導体素子である。ＬＤアレイ６は、サブマウント基板４側の下面及び上面に電極を有しており、当該２つの電極間に電流が印加されることにより、正面部６ａからレーザ光を出射する。ＬＤアレイ６の下面は、サブマウント基板４のめっき層５Ａと半田付けなどにより接合されており、これにより、ＬＤアレイ６の下面の電極とめっき層５Ａとが電気的に接続されている。ＬＤアレイ６とめっき層５Ａとを半田付けにより接合する場合には、接合材料としてＡｕＳｎ半田を用いることができる。ＬＤアレイ６の上面の電極は、サブマウント基板４のめっき層５Ｂと複数本の金属細線からなるワイヤ配線７により電気的に接続されている。
【００１８】
電力をＬＤアレイ６へ供給する給電層であるめっき層５Ａの上面両端部は、リボン配線８Ａ及び８Ｄにより、リードピン２Ａ及び２Ｄと電気的に接合されている。電力をＬＤアレイ６へ供給する給電層であるめっき層５Ｂの上面両端部は、リボン配線８Ｂ及び８Ｃにより、リードピン２Ｂ及び２Ｃと電気的に接合されている。
【００１９】
図１においては、ＬＤアレイ６はアノード(陽極)が下面に位置するように配置する状態、すなわちジャンクションダウンで実装されている。そのため、リードピン２Ａ〜２Ｄが図示しない電源に接続されると、リードピン２Ａ及び２Ｄ→リボン配線８Ａ及び８Ｄ→めっき層５Ａ→ＬＤアレイ６→ワイヤ配線７→めっき層５Ｂ→リボン配線８Ｂ及び８Ｃ→リードピン２Ｂ及び２Ｃという給電経路により電流が流れる。ＬＤアレイ６に電流を流すことで、ＬＤアレイ６の内部に並列配置・配線された各エミッタに電流が流れるので、各エミッタが発振し、発光することにより正面部６ａからレーザ光が出射する。
【００２０】
次に、ＬＤアレイ６に働く応力について説明する。以下では、ＬＤアレイ６とめっき層５Ａとの接合、及びヒートシンク３とめっき層５Ｃとの接合は、あらかじめめっき層５Ａ上ならびにめっき層５Ｃに蒸着により配置したＡｕＳｎ半田を用いた半田付けにより行うものとする。
【００２１】
接合の順序としては、まず、ヒートシンク３上にサブマウント基板４をめっき層５Ｃがヒートシンク３と接するように配置し、さらに、ＬＤアレイ６をめっき層５Ａ上に配置する。その後、３００〜４００℃まで加熱してＡｕＳｎ半田を溶融させ、冷却してＡｕＳｎ半田を固化させる。このようにして、ヒートシンク３とめっき層５ＣならびにＬＤアレイ６とめっき層５Ａを接合し、ヒートシンク３とサブマウント基板４ならびにサブマウント基板４とＬＤアレイ６は接合される。
【００２２】
上記のような加熱及び冷却のプロセス中は接合対象の部品はほぼ同一温度となっている。しかし、例えばＬＤアレイ６をＧａＡｓで構成し、サブマウント基板４をＳｉＣまたはＡｌＮで構成し、めっき層５Ｃ及びヒートシンク３をＣｕで構成したとすると、ＧａＡｓの線膨張係数αは６．６×１０−６［ｍｍ／（ｍｍ・Ｋ）］であり、サブマウント基板４の線膨張係数βはＡｌＮの場合４．８×１０−６［ｍｍ／（ｍｍ・Ｋ）］ＳｉＣの場合３．７×１０−５［ｍｍ／（ｍｍ・Ｋ）］であり、Ｃｕの線膨張係数ρは１６．７×１０−６[ｍｍ/(ｍｍ・Ｋ)]であるため、ＡｕＳｎ半田を溶融させるための加熱過程において、ＬＤアレイ６、サブマウント基板４、めっき層５Ｃ、及びヒートシンク３には、温度が上昇するにつれ各材料の線膨張係数に応じた熱膨張が生じる。また、ＡｕＳｎ半田を固化するための冷却過程においても、ＬＤアレイ６、サブマウント基板４、めっき層５Ｃ、及びヒートシンク３には、温度が低下するにつれ各材料の線膨張係数に応じた熱収縮が生じる。
【００２３】
ＬＤアレイ６とサブマウント基板４は、冷却過程においてＡｕＳｎ半田（共晶）の場合には融点である２８０℃に達した時点で半田が固化して接合されるが、接合された状態で融点から室温まで冷却されると、ＬＤアレイ６にはサブマウント基板３とＬＤアレイ６の熱収縮量の差異に応じた応力が働くことになる。サブマウント基板３とＬＤアレイ６の熱収縮量の違いが大きければ大きいほどＬＤアレイ６に加えられる応力は大きくなり、ＬＤアレイ６に加えられる応力が大きくなると前述のＤＬＤが発生したりクラック等が進展したりすることにより、ＬＤアレイ６の駆動寿命が低下してしまう。
【００２４】
図４は加熱および冷却過程におけるヒートシンク３、サブマウント基板４、めっき層５Ａ、５Ｃ、及びＬＤアレイ６の温度変化による膨張と収縮を表す模式図である。図４において、加熱時におけるヒートシンク３ａ、サブマウント基板４ａ、めっき層５Ａａ、５Ｃａ、及びＬＤアレイ６ａの形状を破線で示し、冷却後におけるヒートシンク３ｂ、サブマウント基板４ｂ、めっき層５Ａｂ、５Ｃｂ、及びＬＤアレイ６ｂの形状を実線で示す。以下では、サブマウント基板４とヒートシンク３との接合幅寸法をＡ、サブマウント基板４とＬＤアレイ６との接合幅寸法をＢとする。
【００２５】
図４に示すように、温度の変化により各層は膨張または収縮するが、ヒートシンク３とめっき層５ＣはいずれもＣｕで構成されているため収縮量の差は生じない。そのため、サブマウント基板４とめっき層５Ｃとの間の応力に関しては、めっき層５Ｃの収縮はヒートシンク３の収縮と同視して考えることができる。また、めっき層５Ａの収縮についても、例えば、サブマウント基板４の厚さを３００μｍ程度とし、めっき層５Ａの厚さを１００μｍ以下程度とすれば、ＳｉＣのヤング率が４４０ＧＰａ（ＡｌＮは３２０ＧＰａ）であるのに対してＣｕのヤング率は１／３以下の１３０ＧＰａと、ＳｉＣに対してＣｕの剛性が小さいことからＬＤアレイ６に働く応力に対するめっき層５Ａの影響が小さくなるため、ＬＤアレイ６とサブマウント基板４との間の応力に関しては、めっき層５Ａは無視することができる。
【００２６】
冷却過程においてＡｕＳｎ半田の温度が融点まで降下し、ＡｕＳｎ半田が固化した時点では、各部品に熱膨張は生じているものの、寸前まで半田が溶融状態にあったことから、隣接する部品からストレスを受けない。しかし、さらに冷却が進み温度が半田融点よりΔＴだけ低下すると、ヒートシンク３とサブマウント基板４の接合部では、Ｃｕで構成されるヒートシンク３はρＡΔＴの長さだけ収縮しようとするのに対し、ＡｌＮまたはＳｉＣで構成されるサブマウント基板４はβＡΔＴだけ収縮しようとする。ヒートシンク３とサブマウント基板４はそれぞれ接合拘束されているが、ρ＞βであり、かつ、ヒートシンク３の厚さはサブマウント基板４の厚さに対して十分大きいことから、サブマウント基板４は、ヒートシンク３との接合面においてヒートシンク３から幅を短くする向きの応力を受け、サブマウント基板４単体が単に収縮する場合と比較してより大きく収縮変形する。
【００２７】
一方、ＬＤアレイ６の厚さは一般的に１００μｍ程度であり、かつ主材料であるＧａＡｓのヤング率は８３ＧＰａ程度とサブマウント基板４のヤング率に対して小さいことから、ＬＤアレイ６の接合面においてはサブマウント基板４はＬＤアレイ６から熱収縮の影響をさほど受けない。そのため、サブマウント基板４は、ヒートシンク３との接合面においてヒートシンク３の熱収縮の影響により最大の収縮変形を生じるが、ＬＤアレイ６との接合面においては熱収縮の影響をさほど受けていないことから、ヒートシンク３の熱収縮の影響はＬＤアレイ６との接合面に近づくにつれて緩和されていき、ＬＤアレイ６との接合面において収縮量が最小となる。
【００２８】
サブマウント基板４のＬＤアレイ６との接合面における収縮量をΔＸとすると、収縮量ΔＸはヒートシンク３単体の収縮量より小さく、サブマウント基板４単体の収縮量より大きくなるからβＢΔＴ＜ΔＸ＜ρＢΔＴの関係を満たす。また、ＬＤアレイ６単体の収縮量αＢΔＴもβ＜α＜ρであることからβＢΔＴ＜αＢΔＴ＜ρＢΔＴの関係を満たす。ここで、収縮量ΔＸがＬＤアレイの収縮量αＢΔＴに近いほど、ＬＤアレイ６とサブマウント基板４等の他の部品との熱膨張の差異によりＬＤアレイ６に加えられる応力は緩和されることになる。
【００２９】
図５、６は本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールのサブマウント基板４の接合幅寸法Ａと、ＬＤアレイ６に負荷される応力の平均値（ＬＤ負荷応力）との関係についての計算結果を示したグラフである。図５はサブマウント基板４の厚さが３００μｍかつＬＤアレイ６の幅が２、４、６ｍｍである場合について示している。図５において、ＬＤアレイ６の幅が２ｍｍである場合のデータを三角で示し、ＬＤアレイ６の幅が４ｍｍである場合のデータをひし形で示し、ＬＤアレイ６の幅が６ｍｍである場合のデータを四角で示している。また、図６はＬＤアレイ６の幅が４ｍｍかつサブマウント基板４の厚さが２００、３００、４００μｍである場合について示している。図６において、サブマウント基板４の厚さが２００μｍである場合のデータを三角で示し、サブマウント基板４の厚さが３００μｍである場合のデータをひし形で示し、サブマウント基板４の厚さが４００μｍである場合のデータを四角で示している。なおＬＤ負荷応力の値はＬＤアレイ６の幅が４ｍｍ、サブマウント基板４の厚さが３００μｍ、サブマウント基板４の幅が４ｍｍの場合を１として正規化している。
【００３０】
サブマウント基板４の接合幅寸法をＡ、ＬＤアレイ６の幅寸法をＢとすると、ＬＤアレイに負荷される応力は、ＬＤアレイ６の幅ならびにサブマウント基板４の厚さによらず、およそＡ＝Ｂであるときに最小となり、Ｂ≦Ａ≦Ｂ＋４ｍｍの範囲において急激に上昇し、その後は緩やかに上昇する。
ここで、ＬＤアレイ６の収縮量およびサブマウント基板４の収縮量はともに幅方向中央部では０であり、幅方向端部で最大となる分布を持つ。ＬＤアレイ６に負荷される応力は、サブマウント基板４の収縮量とＬＤアレイ６の収縮量との差に依存するため、ＬＤアレイ６の幅方向中央部で０であり、ＬＤアレイ６の幅方向端部で最大となる分布を持つ。そこで、ＬＤアレイ６に負荷される応力が最大となるＬＤアレイ６の幅方向端部で、ＬＤアレイ６の収縮量とサブマウント基板４の収縮量とを近い値にできれば、ＬＤアレイ６に負荷される応力を低減することができ、ＬＤアレイ６の信頼性を確保できる。ＬＤアレイ６の幅方向端部において、ＬＤアレイ６の収縮量とサブマウント基板４の収縮量とを近い値にするためには、ＬＤアレイ６の幅寸法Ｂよりもサブマウント基板４の接合幅ＡのＬＤアレイ６からのはみ出し量であるＡ−Ｂの値が支配的になる。そのため、Ａ−Ｂの値が所定値以下となるよう、ＬＤアレイ６の幅寸法Ｂからサブマウント基板のＡの寸法を決めればよい。
また、ＬＤアレイ６に負荷される応力によってＬＤアレイ６から出力されるレーザ光の波長が異なる。このため、ＬＤアレイ６に負荷される応力がサブマウント基板４の接合幅Ａによって線形に変化する範囲でサブマウント基板４の接合幅Ａを決定すれば、ＬＤアレイ６に負荷される応力を低減できるとともに、レーザ光の波長を所望の波長に調整できるという効果を得られる。
従って、サブマウント基板４の接合幅Ａは、Ｂ≦Ａ≦Ｂ＋４ｍｍの範囲、すなわち、ＬＤアレイの幅寸法を下限とし、ＬＤアレイ６に負荷される応力がサブマウント基板４の接合幅Ａによって線形近似できる範囲を上限として選定すればよい。
【００３１】
サブマウント基板４の線膨張係数βはＬＤアレイ６の線膨張係数αよりも小さい。そのため、冷却過程においてヒートシンク３を考慮しない場合には、サブマウント基板４の収縮量がＬＤアレイ６の収縮量よりも小さくなり、ＬＤアレイ６はサブマウント基板４との接合面で幅長さを長くするような応力を受けることになる。しかし、本実施の形態においては、サブマウント基板４を当該サブマウント基板４よりも線膨張係数の大きいヒートシンク３上に配置しており、冷却過程においては、サブマウント基板４はヒートシンク３から圧縮を受ける。そのため、ヒートシンク３から圧縮する向きの応力を受けた上での、サブマウント基板４のＬＤアレイ６との境界面における収縮量と、ＬＤアレイ６のサブマウント基板４との境界面における収縮量との差が所定範囲となるように、各部品の線膨張係数及びサブマウント基板４とヒートシンク３との接合幅を調整すればよい。従って、ヒートシンク３と接合された状態でのサブマウント基板４の線膨張係数である「サブマウント基板４のみなし線膨張係数」をＬＤアレイ６の線膨張係数とほぼ同程度とする、すなわち「サブマウント基板４のみなし線膨張係数」をＬＤアレイ６の線膨張係数を含む所定の範囲内となるようにすることにより、ＬＤアレイ６に生じる応力を低減させることができる。ここで、ヒートシンク３と接続された状態でのサブマウント基板４の線膨張係数である「サブマウント基板４のみなし線膨張係数」は、ヒートシンク３と接合された状態でのサブマウント基板４にかかる変形量を構造解析によって求めることによって得ることができる。
【００３２】
次に、図７及び図８を用いて、本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールのＬＤアレイ６における電流のばらつきについて説明する。図７はＬＤアレイ６とめっき層５Ａ、５Ｂの回路構成を示す図であり、図８は本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールのＬＤアレイ６のエミッタ配置と印加電流との関係を示すグラフである。図８に示す最大と最小のエミッタ電流の差Ｅを、以下電流ばらつきと呼ぶ。
【００３３】
レーザ光源モジュール１００に電流が流されると、リボン配線８を経由してＬＤアレイ６の両側面より各エミッタ２１へ給電される。リボン配線８Ａ及び８Ｄはめっき層５Ａの両端部に接続されている一方で、ＬＤアレイ６の各エミッタはリボン配線８Ａ及び８Ｄの接続部間に一定間隔で並列配置されていることから、図７に示すようにエミッタ２１間には導体抵抗２２が存在する。この導体抵抗２２の影響により、リボン配線８Ａ及び８Ｄの接続部に近い位置（ＬＤアレイ６の外側）に配置されたエミッタ２１には電流が流れやすいが、リボン配線８Ａ及び８Ｄの接続部から離れた位置（ＬＤアレイ６の内側）に配置されたエミッタ２１には電流は流れにくい。そのため、従来のレーザモジュールは、各エミッタ２１に流れる電流、および電流に応じて出力される光の強度にばらつきが発生し、外側のエミッタ２１に過剰な電流が流れることから長期信頼性が低下していた。
【００３４】
これに対し本実施の形態のレーザモジュールは、めっき層５Ａ及び５Ｂの層厚を調整することにより対応している。図９は、本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールのＬＤアレイが１５個のエミッタを２００μｍピッチで配置した場合の、電流のばらつきとめっき層５Ａ及び５Ｂの厚さとの相関とめっき層５Ａの導体厚さ寸法とめっき層５Ａの表面粗さの相関とを示すグラフである。図９の電流ばらつきの値はめっき層５Ａ、５Ｂ厚さが１００μｍの場合を１として正規化している。図９から、めっき層５Ａ、５Ｂの厚さが３０μｍ以下となると急激に電流ばらつきが大きくなるため、めっき層５Ａ、５Ｂの厚さを３０μｍ以上とすることで電流ばらつきを低レベルに抑制できることがわかる。これは、めっき層５Ａ、５Ｂの厚さが増加することが、エミッタ２１間を電気的に接続する配線が太くなることに対応しており、めっき層５Ａ、５Ｂの厚さの増加に伴ってエミッタ２１間の導体抵抗２２が減少することになるため、外側に配置されたエミッタ２１に流れる電流と内側に配置されたエミッタ２１に流れる電流との差異である電流ばらつきが小さくなるからである。一方、めっき層５Ａ、５Ｂの厚さが１００μｍ以上となると、ＬＤアレイ６に及ぶ応力におけるめっき層５Ａの影響が大きくなり、めっき層を無視した前述の検討が不適切となる。そのため、好ましくはサブマウント基板４上のめっき層５Ａ、５Ｂの厚さＣは３０［μｍ］≦Ｃ≦１００［μｍ］となるように設定すればよい。また、図９に示すように、めっき層５Ａ、５Ｂの厚さを１０μｍ以上とすることで電流ばらつきを実用できるレベルには抑制できることから、少なくともめっき層５Ａ、５Ｂの厚さＣを１０［μｍ］≦Ｃ≦１００［μｍ］となるように設定すればよい。このように、めっき層５Ａ、５Ｂの層厚を電流ばらつきが発生しにくい厚さ以上に保つことで、各エミッタ間の導体抵抗２２を低減することができ、ばらつきのない光出力を得ることができる。
【００３５】
また、めっきは基板面より厚さ方向に結晶を成長させるプロセスであることから、面内の成長度合いにばらつきが存在する。通常、添加剤等により面内のばらつきを抑制することが行われるが、その場合においてもめっき厚さが大きくなるにつれめっき表面の面粗さは大きくなる。図９から、めっき層５Ａの表面粗さＲｙ（最薄部と最厚部の差）は、めっき層５Ａの厚さを２０μｍとした場合で１μｍ程度、めっき層５Ａの厚さを７５μｍとした場合で３μｍ程度となる。実装時の加重によりめっき層５Ａ表面の凸部においてＬＤアレイ６に対して応力が集中して負荷されると、欠陥の発生による信頼性の低下、および応力による光学特性の変動による偏光特性などのレーザ性能の劣化が生じることが知られている。一般的にＬＤアレイ６とサブマウント基板４との間のはんだ層の厚さはＬＤ実装後で２〜３μｍ程度であることから、めっき層５Ａの表面粗さはおよそ２μｍ以下とすることが望ましい。図９より、ＬＤアレイ６が実装されるめっき層５Ａの厚さＣを１０μｍ以上５０μｍ以下とすることで、めっき層５Ａの表面粗さＲｙを２μｍ以下に抑えることができ、偏光特性、信頼性を損ねることなく、ＬＤアレイ６の電流ばらつきを小さくしたレーザモジュールを構成することができる。なお、レーザモジュール１００の製造コストの増加はあるものの、めっき後に研磨などの加工により面粗さを小さくする処理をした場合は上記の限りではない。
【００３６】
また、めっき層５Ａの層厚を３０μｍ以上と厚くすることで、ＣｕＷのヤング率は２５５ＧＰａであるのに対してＣｕのヤング率は１／２程度の１３０ＧＰａと剛性が小さいことから、熱膨張や接合時の荷重等によりＬＤアレイ６に負荷が生じた場合においてもめっき層５Ａが干渉層として働き、応力を低減することができる。
【００３７】
以上のように、本願発明に係る実施の形態１のレーザモジュールは、ヒートシンク３とサブマウント基板４との接合幅寸法Ａを調整して、ヒートシンク３、サブマウント基板４、めっき層５Ａ、５Ｃからなる複合材料におけるＬＤアレイ６接合面の熱膨張量とＬＤアレイ６の熱膨張量との差が所定範囲内にあるようにする、すなわち、ヒートシンク３と接続された状態でのサブマウント基板４のみなし線膨張係数が、ＬＤアレイ６の線膨張係数を含む所定の範囲内となるようにしているので、ＬＤアレイ６のはんだ接合時ならびにＬＤアレイ６駆動時にＬＤアレイ６に負荷される応力を低減し、熱伝導性能の良い、安価なレーザモジュールを得ることができる。
【００３８】
また、サブマウント基板４上に厚さ３０μｍ以上のめっき層５Ａ，５Ｂを設け、給電導体として用いることで、大電流を供給する場合でも給電導体におけるＬＤアレイ６のエミッタ２１間の電圧降下を小さくできる。結果、ＬＤアレイ６の各エミッタ２１に流れる電流量が均一となり、電流が一部のエミッタ２１に集中して、過剰な発光ならびに温度上昇を生じることがなく長期寿命特性が向上する。
【００３９】
また、従来、サブマウント基板４の材料として用いられていたＣｕＷの体積抵抗率は５．４［μΩ・ｃｍ］であるのに対し、給電層に体積低効率がＣｕＷのおよそ１／３の１．７［μΩ・ｃｍ］であるＣｕを用いているので、同一構造において導体抵抗による各エミッタ２１間の印加電流ばらつきをおよそ１／３に抑制することができる。これにより、従来の応力緩和構造かつ給電導体としてＣｕＷをサブマウント基板４の材料として用いた場合と比較して、外側のエミッタ２１への電流集中を抑制し寿命の向上を図ることができる。
【００４０】
また、ＬＤアレイ６が発振・発光する際、発光に寄与しない電力は熱として消費されるが、ＬＤアレイ６は温度が高いほど内部欠陥の進展が促進しやすく寿命が低下することになる。ＬＤアレイ６で発生した熱は、ステム１を冷却器に熱的に結合することによりサブマウント基盤４→ヒートシンク３→ステム１という経路でレーザモジュール１００の外部に輸送されるため、熱輸送経路の熱抵抗値がＬＤアレイ６の温度に大きく関わってくる。実施の形態１に係るレーザモジュールにおいては、熱伝導率が１７０［Ｗｍ・Ｋ］程度のＣｕＷに代えて、熱伝導率がおよそ２．３倍の３９８［Ｗｍ・Ｋ］であるＣｕを用いていることから、ＣｕＷの場合と比較して導体部の熱抵抗は半分以下となり、ＬＤアレイ６の温度を低く適切な温度範囲にすることができる。そのため、ＬＤアレイ６の寿命を向上することができる。
【００４１】
また、実施の形態１に記載の構造では、サブマウント基板４上にめっきにより給電層を一体構成することから、サブマウント基板４上にＣｕＷ基板を実装する場合と比較して部品点数が少なくでき、部品組立コストを削減できる。給電層はめっきでなく板部材をＡｕＳｎはんだ等ではんだ付けする構成であっても良い。この場合、ＬＤアレイ６実装面の板部材の面粗さは板部材の厚さによらないことから、板部材の厚さを大きくすることによるレーザ特性および信頼性の低下については考慮する必要がない。
【００４２】
なお、実施の形態１においては、サブマウント基板４の上面にめっき層５Ａ、５Ｂが形成され、下面にめっき層５Ｃが形成されるものとしたが、下面のめっき層５Ｃは必ずしも形成する必要はない。
【００４３】
なお、上述ではＬＤアレイ６の実装方向がジャンクションダウンである場合について説明したが、実装方向がジャンクションアップである場合でも電流が流れる向きが逆になるだけで構成および効果には影響を与えない。
【符号の説明】
【００４４】
１００  レーザ光源モジュール、１  ステム、２  リードピン、３  ヒートシンク、４  サブマウント基板、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ  めっき層、６  ＬＤアレイ、７  ワイヤ配線、８  リボン配線、２１  エミッタ、２２  導体抵抗。
【図１】
2011074262.tif 000003
【図２】
2011074262.tif 000004
【図３】
2011074262.tif 000005
【図４】
2011074262.tif 000006
【図５】
2011074262.tif 000007
【図６】
2011074262.tif 000008
【図７】
2011074262.tif 000009
【図８】
2011074262.tif 000010
【図９】
2011074262.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成24年1月30日(2012.1.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体レーザアレイ素子を用いたレーザモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体レーザ(Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ)は加工、光源といった用途において高出力化の要求が強くなっている。ＬＤの高出力化の技術として、同一チップ内に複数の発光スポット(エミッタ)をアレイ上に並列配置した半導体レーザアレイ素子(以下、ＬＤアレイ)を用いる方法が知られている。
【０００３】
ＬＤアレイは１つの発光スポットを有する素子を複数並列配置したことと実質的に違いがないことから、並列配置するエミッタ数に比例して素子サイズが大型化し、かつ総発熱量が増大する。素子サイズが大型化すると実装時および駆動時において接合相手部材との線膨張係数のミスマッチによる応力増大を招き、素子内に欠陥が発生・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  Ｄｅｆｅｃｔ）が生じたり、クラック等の進展により素子が破断する現象が生じたりする場合がある。また、素子温度が高いと、前記欠陥の進展が速くなり、その結果として素子寿命が低下する。以上のことからＬＤアレイを低応力かつ適切な温度で駆動することが可能なモジュール構造が求められている。
【０００４】
このような問題を解決する方法として、ＬＤアレイと冷却構造部材との間にサブマウントとして、ＬＤと線膨張係数が近く、比較的熱伝導率が高いＣｕＷの板部材を介在させたもの（特許文献１、特許文献２）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１７２１４１号公報
【特許文献２】特開２００６−３４４７４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＣｕＷは他のＣｕなどの一般的な導体材料と比較して高価であり、ＣｕＷで構成される部品を使用する場合、製造コストの増大を招くという問題点があった。
【０００７】
そこで本発明では、ＣｕＷなどの高価な材料を使用することなく、ＬＤアレイに働く応力を低減し、安価なレーザモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に関わるレーザモジュールは、熱を放熱し、Ｃｕから構成されるヒートシンクと、前記ヒートシンク上に配置され、ＡｌＮまたはＳｉＣである絶縁材料で構成されたサブマウント基板と、前記サブマウント基板上に配置され、Ｃｕから構成される給電層と、
前記給電層の上に並列配置される複数の発光部を有し、ＧａＡｓから構成される半導体レーザアレイとを備え、  前記半導体レーザアレイの幅寸法をＢとすると、前記サブマウント基板の前記ヒートシンクとの接合幅寸法ＡはＢ≦Ａ≦Ｂ＋４ｍｍである。
【発明の効果】
【０００９】
本願発明によれば、ＬＤアレイに加えられる応力を低減し、安価なレーザモジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールの全体構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールの構成を示す正面図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールの構成を示す側面図である。
【図４】レーザモジュールの各素子を半田付けした後の冷却過程におけるヒートシンク、サブマウント基板、めっき層、ＬＤアレイの変形挙動を表す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールのサブマウント基板とヒートシンクとの接合幅ＡとＬＤアレイ幅方向に働く応力との関係を、ＬＤアレイの幅ごとに示したグラフである。
【図６】本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールのサブマウント基板とヒートシンクとの接合幅ＡとＬＤアレイ幅方向に働く応力との関係を、サブマウント基板の厚さごとに示したグラフである。
【図７】本発明の実施の形態１におけるＬＤアレイとめっき層の回路構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールのＬＤアレイのエミッタ配置と印加電流との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールのめっき層の導体厚さ寸法とエミッタ間電流ばらつきとの関係およびめっき層の導体厚さ寸法とめっき表面粗さの関係を表したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下、図１〜３を用いて本実施の形態に係るレーザモジュール１００の構造について説明する。図１は本実施の形態に係るレーザモジュール１００の斜視図、図２は本実施の形態に係わるレーザモジュール１００の正面図、図３は本実施の形態に係わるレーザモジュール１００の側面図である。なお、レーザモジュール１００からレーザ光が出射される側を正面とする。
【００１２】
レーザモジュール１００は、ステム１、リードピン２、ヒートシンク３、めっき層５Ａ、５Ｂ、５Ｃを有するサブマウント基板４、ＬＤアレイ６、ワイヤ配線７、リボン配線８から構成されている。
【００１３】
ステム１はＦｅなどの金属材料より構成される板状部材であり、リードピン２Ａ〜２Ｄが貫通する４つの開口が形成されている。
【００１４】
リードピン２Ａ〜２Ｄは導電性材料で構成されており、図示しない電源からＬＤアレイ６への電力を供給する給電線である。リードピン２Ａ〜２Ｄとステム１との間にはガラスなどの絶縁部材からなる封止部９Ａ〜９Ｄが形成されており、当該封止部９Ａ〜９Ｄによってリードピン２Ａ〜２Ｄとステム１とは電気的に絶縁されている。このように、リードピン２Ａ〜２Ｄはステム１に貫通した状態でガラス封止により絶縁固定されている。
【００１５】
ヒートシンク３はＣｕやＦｅなど高熱伝導の金属材料で構成され、接触する部材から熱を放出する放熱部材であり、ステム１に半田や銀ろうなどにより接合されている。もしくは、冷間鍛造等の方法によりステム１と一体の構造として形成されている。
【００１６】
サブマウント基板４は、ヒートシンク３とＬＤアレイ６との間に介在し、ＡｌＮやＳｉＣなどの高熱伝導絶縁材料により構成された絶縁基板である。ヒートシンク３側の下面及びＬＤアレイ６側の上面には、Ｃｕなどの高導電であり高熱伝導かつ剛性の小さい金属材料からなるめっき層５Ａ、５Ｂ、及び５Ｃが形成されている。サブマウント基板４はヒートシンク３に対しめっき層５Ｃを介して半田付けなどにより実装固定されている。サブマウント基板４をヒートシンク３に対し半田付けにより実装固定する場合には、接合材料としてＡｕＳｎ半田を用いることができる。
【００１７】
ＬＤアレイ６は、並列配置・配線された複数のエミッタ（発光部）から構成される半導体素子である。ＬＤアレイ６は、サブマウント基板４側の下面及び上面に電極を有しており、当該２つの電極間に電流が印加されることにより、正面部６ａからレーザ光を出射する。ＬＤアレイ６の下面は、サブマウント基板４のめっき層５Ａと半田付けなどにより接合されており、これにより、ＬＤアレイ６の下面の電極とめっき層５Ａとが電気的に接続されている。ＬＤアレイ６とめっき層５Ａとを半田付けにより接合する場合には、接合材料としてＡｕＳｎ半田を用いることができる。ＬＤアレイ６の上面の電極は、サブマウント基板４のめっき層５Ｂと複数本の金属細線からなるワイヤ配線７により電気的に接続されている。
【００１８】
電力をＬＤアレイ６へ供給する給電層であるめっき層５Ａの上面両端部は、リボン配線８Ａ及び８Ｄにより、リードピン２Ａ及び２Ｄと電気的に接合されている。電力をＬＤアレイ６へ供給する給電層であるめっき層５Ｂの上面両端部は、リボン配線８Ｂ及び８Ｃにより、リードピン２Ｂ及び２Ｃと電気的に接合されている。
【００１９】
図１においては、ＬＤアレイ６はアノード(陽極)が下面に位置するように配置する状態、すなわちジャンクションダウンで実装されている。そのため、リードピン２Ａ〜２Ｄが図示しない電源に接続されると、リードピン２Ａ及び２Ｄ→リボン配線８Ａ及び８Ｄ→めっき層５Ａ→ＬＤアレイ６→ワイヤ配線７→めっき層５Ｂ→リボン配線８Ｂ及び８Ｃ→リードピン２Ｂ及び２Ｃという給電経路により電流が流れる。ＬＤアレイ６に電流を流すことで、ＬＤアレイ６の内部に並列配置・配線された各エミッタに電流が流れるので、各エミッタが発振し、発光することにより正面部６ａからレーザ光が出射する。
【００２０】
次に、ＬＤアレイ６に働く応力について説明する。以下では、ＬＤアレイ６とめっき層５Ａとの接合、及びヒートシンク３とめっき層５Ｃとの接合は、あらかじめめっき層５Ａ上ならびにめっき層５Ｃに蒸着により配置したＡｕＳｎ半田を用いた半田付けにより行うものとする。
【００２１】
接合の順序としては、まず、ヒートシンク３上にサブマウント基板４をめっき層５Ｃがヒートシンク３と接するように配置し、さらに、ＬＤアレイ６をめっき層５Ａ上に配置する。その後、３００〜４００℃まで加熱してＡｕＳｎ半田を溶融させ、冷却してＡｕＳｎ半田を固化させる。このようにして、ヒートシンク３とめっき層５ＣならびにＬＤアレイ６とめっき層５Ａを接合し、ヒートシンク３とサブマウント基板４ならびにサブマウント基板４とＬＤアレイ６は接合される。
【００２２】
上記のような加熱及び冷却のプロセス中は接合対象の部品はほぼ同一温度となっている。しかし、例えばＬＤアレイ６をＧａＡｓで構成し、サブマウント基板４をＳｉＣまたはＡｌＮで構成し、めっき層５Ｃ及びヒートシンク３をＣｕで構成したとすると、ＧａＡｓの線膨張係数αは６．６×１０−６［ｍｍ／（ｍｍ・Ｋ）］であり、サブマウント基板４の線膨張係数βはＡｌＮの場合４．８×１０−６［ｍｍ／（ｍｍ・Ｋ）］ＳｉＣの場合３．７×１０−５［ｍｍ／（ｍｍ・Ｋ）］であり、Ｃｕの線膨張係数ρは１６．７×１０−６[ｍｍ/(ｍｍ・Ｋ)]であるため、ＡｕＳｎ半田を溶融させるための加熱過程において、ＬＤアレイ６、サブマウント基板４、めっき層５Ｃ、及びヒートシンク３には、温度が上昇するにつれ各材料の線膨張係数に応じた熱膨張が生じる。また、ＡｕＳｎ半田を固化するための冷却過程においても、ＬＤアレイ６、サブマウント基板４、めっき層５Ｃ、及びヒートシンク３には、温度が低下するにつれ各材料の線膨張係数に応じた熱収縮が生じる。
【００２３】
ＬＤアレイ６とサブマウント基板４は、冷却過程においてＡｕＳｎ半田（共晶）の場合には融点である２８０℃に達した時点で半田が固化して接合されるが、接合された状態で融点から室温まで冷却されると、ＬＤアレイ６にはサブマウント基板３とＬＤアレイ６の熱収縮量の差異に応じた応力が働くことになる。サブマウント基板３とＬＤアレイ６の熱収縮量の違いが大きければ大きいほどＬＤアレイ６に加えられる応力は大きくなり、ＬＤアレイ６に加えられる応力が大きくなると前述のＤＬＤが発生したりクラック等が進展したりすることにより、ＬＤアレイ６の駆動寿命が低下してしまう。
【００２４】
図４は加熱および冷却過程におけるヒートシンク３、サブマウント基板４、めっき層５Ａ、５Ｃ、及びＬＤアレイ６の温度変化による膨張と収縮を表す模式図である。図４において、加熱時におけるヒートシンク３ａ、サブマウント基板４ａ、めっき層５Ａａ、５Ｃａ、及びＬＤアレイ６ａの形状を破線で示し、冷却後におけるヒートシンク３ｂ、サブマウント基板４ｂ、めっき層５Ａｂ、５Ｃｂ、及びＬＤアレイ６ｂの形状を実線で示す。以下では、サブマウント基板４とヒートシンク３との接合幅寸法をＡ、サブマウント基板４とＬＤアレイ６との接合幅寸法をＢとする。
【００２５】
図４に示すように、温度の変化により各層は膨張または収縮するが、ヒートシンク３とめっき層５ＣはいずれもＣｕで構成されているため収縮量の差は生じない。そのため、サブマウント基板４とめっき層５Ｃとの間の応力に関しては、めっき層５Ｃの収縮はヒートシンク３の収縮と同視して考えることができる。また、めっき層５Ａの収縮についても、例えば、サブマウント基板４の厚さを３００μｍ程度とし、めっき層５Ａの厚さを１００μｍ以下程度とすれば、ＳｉＣのヤング率が４４０ＧＰａ（ＡｌＮは３２０ＧＰａ）であるのに対してＣｕのヤング率は１／３以下の１３０ＧＰａと、ＳｉＣに対してＣｕの剛性が小さいことからＬＤアレイ６に働く応力に対するめっき層５Ａの影響が小さくなるため、ＬＤアレイ６とサブマウント基板４との間の応力に関しては、めっき層５Ａは無視することができる。
【００２６】
冷却過程においてＡｕＳｎ半田の温度が融点まで降下し、ＡｕＳｎ半田が固化した時点では、各部品に熱膨張は生じているものの、寸前まで半田が溶融状態にあったことから、隣接する部品からストレスを受けない。しかし、さらに冷却が進み温度が半田融点よりΔＴだけ低下すると、ヒートシンク３とサブマウント基板４の接合部では、Ｃｕで構成されるヒートシンク３はρＡΔＴの長さだけ収縮しようとするのに対し、ＡｌＮまたはＳｉＣで構成されるサブマウント基板４はβＡΔＴだけ収縮しようとする。ヒートシンク３とサブマウント基板４はそれぞれ接合拘束されているが、ρ＞βであり、かつ、ヒートシンク３の厚さはサブマウント基板４の厚さに対して十分大きいことから、サブマウント基板４は、ヒートシンク３との接合面においてヒートシンク３から幅を短くする向きの応力を受け、サブマウント基板４単体が単に収縮する場合と比較してより大きく収縮変形する。
【００２７】
一方、ＬＤアレイ６の厚さは一般的に１００μｍ程度であり、かつ主材料であるＧａＡｓのヤング率は８３ＧＰａ程度とサブマウント基板４のヤング率に対して小さいことから、ＬＤアレイ６の接合面においてはサブマウント基板４はＬＤアレイ６から熱収縮の影響をさほど受けない。そのため、サブマウント基板４は、ヒートシンク３との接合面においてヒートシンク３の熱収縮の影響により最大の収縮変形を生じるが、ＬＤアレイ６との接合面においては熱収縮の影響をさほど受けていないことから、ヒートシンク３の熱収縮の影響はＬＤアレイ６との接合面に近づくにつれて緩和されていき、ＬＤアレイ６との接合面において収縮量が最小となる。
【００２８】
サブマウント基板４のＬＤアレイ６との接合面における収縮量をΔＸとすると、収縮量ΔＸはヒートシンク３単体の収縮量より小さく、サブマウント基板４単体の収縮量より大きくなるからβＢΔＴ＜ΔＸ＜ρＢΔＴの関係を満たす。また、ＬＤアレイ６単体の収縮量αＢΔＴもβ＜α＜ρであることからβＢΔＴ＜αＢΔＴ＜ρＢΔＴの関係を満たす。ここで、収縮量ΔＸがＬＤアレイの収縮量αＢΔＴに近いほど、ＬＤアレイ６とサブマウント基板４等の他の部品との熱膨張の差異によりＬＤアレイ６に加えられる応力は緩和されることになる。
【００２９】
図５、６は本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールのサブマウント基板４の接合幅寸法Ａと、ＬＤアレイ６に負荷される応力の平均値（ＬＤ負荷応力）との関係についての計算結果を示したグラフである。図５はサブマウント基板４の厚さが３００μｍかつＬＤアレイ６の幅が２、４、６ｍｍである場合について示している。図５において、ＬＤアレイ６の幅が２ｍｍである場合のデータを三角で示し、ＬＤアレイ６の幅が４ｍｍである場合のデータをひし形で示し、ＬＤアレイ６の幅が６ｍｍである場合のデータを四角で示している。また、図６はＬＤアレイ６の幅が４ｍｍかつサブマウント基板４の厚さが２００、３００、４００μｍである場合について示している。図６において、サブマウント基板４の厚さが２００μｍである場合のデータを三角で示し、サブマウント基板４の厚さが３００μｍである場合のデータをひし形で示し、サブマウント基板４の厚さが４００μｍである場合のデータを四角で示している。なおＬＤ負荷応力の値はＬＤアレイ６の幅が４ｍｍ、サブマウント基板４の厚さが３００μｍ、サブマウント基板４の幅が４ｍｍの場合を１として正規化している。
【００３０】
サブマウント基板４の接合幅寸法をＡ、ＬＤアレイ６の幅寸法をＢとすると、ＬＤアレイに負荷される応力は、ＬＤアレイ６の幅ならびにサブマウント基板４の厚さによらず、およそＡ＝Ｂであるときに最小となり、Ｂ≦Ａ≦Ｂ＋４ｍｍの範囲において急激に上昇し、その後は緩やかに上昇する。
ここで、ＬＤアレイ６の収縮量およびサブマウント基板４の収縮量はともに幅方向中央部では０であり、幅方向端部で最大となる分布を持つ。ＬＤアレイ６に負荷される応力は、サブマウント基板４の収縮量とＬＤアレイ６の収縮量との差に依存するため、ＬＤアレイ６の幅方向中央部で０であり、ＬＤアレイ６の幅方向端部で最大となる分布を持つ。そこで、ＬＤアレイ６に負荷される応力が最大となるＬＤアレイ６の幅方向端部で、ＬＤアレイ６の収縮量とサブマウント基板４の収縮量とを近い値にできれば、ＬＤアレイ６に負荷される応力を低減することができ、ＬＤアレイ６の信頼性を確保できる。ＬＤアレイ６の幅方向端部において、ＬＤアレイ６の収縮量とサブマウント基板４の収縮量とを近い値にするためには、ＬＤアレイ６の幅寸法Ｂよりもサブマウント基板４の接合幅ＡのＬＤアレイ６からのはみ出し量であるＡ−Ｂの値が支配的になる。そのため、Ａ−Ｂの値が所定値以下となるよう、ＬＤアレイ６の幅寸法Ｂからサブマウント基板のＡの寸法を決めればよい。
また、ＬＤアレイ６に負荷される応力によってＬＤアレイ６から出力されるレーザ光の波長が異なる。このため、ＬＤアレイ６に負荷される応力がサブマウント基板４の接合幅Ａによって線形に変化する範囲でサブマウント基板４の接合幅Ａを決定すれば、ＬＤアレイ６に負荷される応力を低減できるとともに、レーザ光の波長を所望の波長に調整できるという効果を得られる。
従って、サブマウント基板４の接合幅Ａは、Ｂ≦Ａ≦Ｂ＋４ｍｍの範囲、すなわち、ＬＤアレイの幅寸法を下限とし、ＬＤアレイ６に負荷される応力がサブマウント基板４の接合幅Ａによって線形近似できる範囲を上限として選定すればよい。
【００３１】
サブマウント基板４の線膨張係数βはＬＤアレイ６の線膨張係数αよりも小さい。そのため、冷却過程においてヒートシンク３を考慮しない場合には、サブマウント基板４の収縮量がＬＤアレイ６の収縮量よりも小さくなり、ＬＤアレイ６はサブマウント基板４との接合面で幅長さを長くするような応力を受けることになる。しかし、本実施の形態においては、サブマウント基板４を当該サブマウント基板４よりも線膨張係数の大きいヒートシンク３上に配置しており、冷却過程においては、サブマウント基板４はヒートシンク３から圧縮を受ける。そのため、ヒートシンク３から圧縮する向きの応力を受けた上での、サブマウント基板４のＬＤアレイ６との境界面における収縮量と、ＬＤアレイ６のサブマウント基板４との境界面における収縮量との差が所定範囲となるように、各部品の線膨張係数及びサブマウント基板４とヒートシンク３との接合幅を調整すればよい。従って、ヒートシンク３と接合された状態でのサブマウント基板４の線膨張係数である「サブマウント基板４のみなし線膨張係数」をＬＤアレイ６の線膨張係数とほぼ同程度とする、すなわち「サブマウント基板４のみなし線膨張係数」をＬＤアレイ６の線膨張係数を含む所定の範囲内となるようにすることにより、ＬＤアレイ６に生じる応力を低減させることができる。ここで、ヒートシンク３と接続された状態でのサブマウント基板４の線膨張係数である「サブマウント基板４のみなし線膨張係数」は、ヒートシンク３と接合された状態でのサブマウント基板４にかかる変形量を構造解析によって求めることによって得ることができる。
【００３２】
次に、図７及び図８を用いて、本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールのＬＤアレイ６における電流のばらつきについて説明する。図７はＬＤアレイ６とめっき層５Ａ、５Ｂの回路構成を示す図であり、図８は本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールのＬＤアレイ６のエミッタ配置と印加電流との関係を示すグラフである。図８に示す最大と最小のエミッタ電流の差Ｅを、以下電流ばらつきと呼ぶ。
【００３３】
レーザ光源モジュール１００に電流が流されると、リボン配線８を経由してＬＤアレイ６の両側面より各エミッタ２１へ給電される。リボン配線８Ａ及び８Ｄはめっき層５Ａの両端部に接続されている一方で、ＬＤアレイ６の各エミッタはリボン配線８Ａ及び８Ｄの接続部間に一定間隔で並列配置されていることから、図７に示すようにエミッタ２１間には導体抵抗２２が存在する。この導体抵抗２２の影響により、リボン配線８Ａ及び８Ｄの接続部に近い位置（ＬＤアレイ６の外側）に配置されたエミッタ２１には電流が流れやすいが、リボン配線８Ａ及び８Ｄの接続部から離れた位置（ＬＤアレイ６の内側）に配置されたエミッタ２１には電流は流れにくい。そのため、従来のレーザモジュールは、各エミッタ２１に流れる電流、および電流に応じて出力される光の強度にばらつきが発生し、外側のエミッタ２１に過剰な電流が流れることから長期信頼性が低下していた。
【００３４】
これに対し本実施の形態のレーザモジュールは、めっき層５Ａ及び５Ｂの層厚を調整することにより対応している。図９は、本発明の実施の形態１におけるレーザモジュールのＬＤアレイが１５個のエミッタを２００μｍピッチで配置した場合の、電流のばらつきとめっき層５Ａ及び５Ｂの厚さとの相関とめっき層５Ａの導体厚さ寸法とめっき層５Ａの表面粗さの相関とを示すグラフである。図９の電流ばらつきの値はめっき層５Ａ、５Ｂ厚さが１００μｍの場合を１として正規化している。図９から、めっき層５Ａ、５Ｂの厚さが３０μｍ以下となると急激に電流ばらつきが大きくなるため、めっき層５Ａ、５Ｂの厚さを３０μｍ以上とすることで電流ばらつきを低レベルに抑制できることがわかる。これは、めっき層５Ａ、５Ｂの厚さが増加することが、エミッタ２１間を電気的に接続する配線が太くなることに対応しており、めっき層５Ａ、５Ｂの厚さの増加に伴ってエミッタ２１間の導体抵抗２２が減少することになるため、外側に配置されたエミッタ２１に流れる電流と内側に配置されたエミッタ２１に流れる電流との差異である電流ばらつきが小さくなるからである。一方、めっき層５Ａ、５Ｂの厚さが１００μｍ以上となると、ＬＤアレイ６に及ぶ応力におけるめっき層５Ａの影響が大きくなり、めっき層を無視した前述の検討が不適切となる。そのため、好ましくはサブマウント基板４上のめっき層５Ａ、５Ｂの厚さＣは３０［μｍ］≦Ｃ≦１００［μｍ］となるように設定すればよい。また、図９に示すように、めっき層５Ａ、５Ｂの厚さを１０μｍ以上とすることで電流ばらつきを実用できるレベルには抑制できることから、少なくともめっき層５Ａ、５Ｂの厚さＣを１０［μｍ］≦Ｃ≦１００［μｍ］となるように設定すればよい。このように、めっき層５Ａ、５Ｂの層厚を電流ばらつきが発生しにくい厚さ以上に保つことで、各エミッタ間の導体抵抗２２を低減することができ、ばらつきのない光出力を得ることができる。
【００３５】
また、めっきは基板面より厚さ方向に結晶を成長させるプロセスであることから、面内の成長度合いにばらつきが存在する。通常、添加剤等により面内のばらつきを抑制することが行われるが、その場合においてもめっき厚さが大きくなるにつれめっき表面の面粗さは大きくなる。図９から、めっき層５Ａの表面粗さＲｙ（最薄部と最厚部の差）は、めっき層５Ａの厚さを２０μｍとした場合で１μｍ程度、めっき層５Ａの厚さを７５μｍとした場合で３μｍ程度となる。実装時の加重によりめっき層５Ａ表面の凸部においてＬＤアレイ６に対して応力が集中して負荷されると、欠陥の発生による信頼性の低下、および応力による光学特性の変動による偏光特性などのレーザ性能の劣化が生じることが知られている。一般的にＬＤアレイ６とサブマウント基板４との間のはんだ層の厚さはＬＤ実装後で２〜３μｍ程度であることから、めっき層５Ａの表面粗さはおよそ２μｍ以下とすることが望ましい。図９より、ＬＤアレイ６が実装されるめっき層５Ａの厚さＣを１０μｍ以上５０μｍ以下とすることで、めっき層５Ａの表面粗さＲｙを２μｍ以下に抑えることができ、偏光特性、信頼性を損ねることなく、ＬＤアレイ６の電流ばらつきを小さくしたレーザモジュールを構成することができる。なお、レーザモジュール１００の製造コストの増加はあるものの、めっき後に研磨などの加工により面粗さを小さくする処理をした場合は上記の限りではない。
【００３６】
また、めっき層５Ａの層厚を３０μｍ以上と厚くすることで、ＣｕＷのヤング率は２５５ＧＰａであるのに対してＣｕのヤング率は１／２程度の１３０ＧＰａと剛性が小さいことから、熱膨張や接合時の荷重等によりＬＤアレイ６に負荷が生じた場合においてもめっき層５Ａが干渉層として働き、応力を低減することができる。
【００３７】
以上のように、本願発明に係る実施の形態１のレーザモジュールは、ヒートシンク３とサブマウント基板４との接合幅寸法Ａを調整して、ヒートシンク３、サブマウント基板４、めっき層５Ａ、５Ｃからなる複合材料におけるＬＤアレイ６接合面の熱膨張量とＬＤアレイ６の熱膨張量との差が所定範囲内にあるようにする、すなわち、ヒートシンク３と接続された状態でのサブマウント基板４のみなし線膨張係数が、ＬＤアレイ６の線膨張係数を含む所定の範囲内となるようにしているので、ＬＤアレイ６のはんだ接合時ならびにＬＤアレイ６駆動時にＬＤアレイ６に負荷される応力を低減し、熱伝導性能の良い、安価なレーザモジュールを得ることができる。
【００３８】
また、サブマウント基板４上に厚さ３０μｍ以上のめっき層５Ａ，５Ｂを設け、給電導体として用いることで、大電流を供給する場合でも給電導体におけるＬＤアレイ６のエミッタ２１間の電圧降下を小さくできる。結果、ＬＤアレイ６の各エミッタ２１に流れる電流量が均一となり、電流が一部のエミッタ２１に集中して、過剰な発光ならびに温度上昇を生じることがなく長期寿命特性が向上する。
【００３９】
また、従来、サブマウント基板４の材料として用いられていたＣｕＷの体積抵抗率は５．４［μΩ・ｃｍ］であるのに対し、給電層に体積低効率がＣｕＷのおよそ１／３の１．７［μΩ・ｃｍ］であるＣｕを用いているので、同一構造において導体抵抗による各エミッタ２１間の印加電流ばらつきをおよそ１／３に抑制することができる。これにより、従来の応力緩和構造かつ給電導体としてＣｕＷをサブマウント基板４の材料として用いた場合と比較して、外側のエミッタ２１への電流集中を抑制し寿命の向上を図ることができる。
【００４０】
また、ＬＤアレイ６が発振・発光する際、発光に寄与しない電力は熱として消費されるが、ＬＤアレイ６は温度が高いほど内部欠陥の進展が促進しやすく寿命が低下することになる。ＬＤアレイ６で発生した熱は、ステム１を冷却器に熱的に結合することによりサブマウント基盤４→ヒートシンク３→ステム１という経路でレーザモジュール１００の外部に輸送されるため、熱輸送経路の熱抵抗値がＬＤアレイ６の温度に大きく関わってくる。実施の形態１に係るレーザモジュールにおいては、熱伝導率が１７０［Ｗｍ・Ｋ］程度のＣｕＷに代えて、熱伝導率がおよそ２．３倍の３９８［Ｗｍ・Ｋ］であるＣｕを用いていることから、ＣｕＷの場合と比較して導体部の熱抵抗は半分以下となり、ＬＤアレイ６の温度を低く適切な温度範囲にすることができる。そのため、ＬＤアレイ６の寿命を向上することができる。
【００４１】
また、実施の形態１に記載の構造では、サブマウント基板４上にめっきにより給電層を一体構成することから、サブマウント基板４上にＣｕＷ基板を実装する場合と比較して部品点数が少なくでき、部品組立コストを削減できる。給電層はめっきでなく板部材をＡｕＳｎはんだ等ではんだ付けする構成であっても良い。この場合、ＬＤアレイ６実装面の板部材の面粗さは板部材の厚さによらないことから、板部材の厚さを大きくすることによるレーザ特性および信頼性の低下については考慮する必要がない。
【００４２】
なお、実施の形態１においては、サブマウント基板４の上面にめっき層５Ａ、５Ｂが形成され、下面にめっき層５Ｃが形成されるものとしたが、下面のめっき層５Ｃは必ずしも形成する必要はない。
【００４３】
なお、上述ではＬＤアレイ６の実装方向がジャンクションダウンである場合について説明したが、実装方向がジャンクションアップである場合でも電流が流れる向きが逆になるだけで構成および効果には影響を与えない。
【符号の説明】
【００４４】
１００  レーザ光源モジュール、１  ステム、２  リードピン、３  ヒートシンク、４  サブマウント基板、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ  めっき層、６  ＬＤアレイ、７  ワイヤ配線、８  リボン配線、２１  エミッタ、２２  導体抵抗。 
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を放熱し、Ｃｕから構成されるヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に配置され、ＡｌＮまたはＳｉＣである絶縁材料で構成されたサブマウント基板と、
前記サブマウント基板上に配置され、Ｃｕから構成される給電層と、
前記給電層の上に並列配置される複数の発光部を有し、ＧａＡｓから構成される半導体レーザアレイと
を備え、
前記半導体レーザアレイの幅寸法をＢとすると、
前記サブマウント基板の前記ヒートシンクとの接合幅寸法ＡはＢ≦Ａ≦Ｂ＋４ｍｍであることを特徴とするレーザモジュール。
【請求項２】
前記給電層の厚さは１０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項３】
前記給電層の厚さは1０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザモジュール。  
【国際調査報告】
2011074262.tif 000012
2011074262.tif 000013