(57)【要約】 【課題】            レーザ光を長期的に安定して出力することができるレーザダイオードモジュール、そのレーザダイオードモジュールを使用したレーザ装置、及びレーザ加工装置を提供する。【解決手段】        レーザダイオード６０１の両面に夫々ハードソルダー６０３を介してサブマウント基板６０２が接合されている。下方のサブマウント基板６０２とヒートシンク６０５とは、ソフトソルダー６０５により接合されている。ヒートシンク６０５と押さえ電極６０８とは絶縁スペーサ６０９を介して所定の間隔に固定されている。この押さえ電極６０８のＶ字状溝内にはコイル電極６０７が嵌合され、コイル電極６０７は、若干弾性的に変形することにより、上方のサブマウント基板６０２に押圧されている。【選択図】          図１
2005108907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザダイオードと、このレーザダイオードの両電極面に夫々第１のソルダー層を介して接合された第１の基板及び第２の基板と、前記第１の基板に第２のソルダー層を介して接合されたヒートシンクと、このヒートシンクに対して所定間隔に配置された押さえ電極と、前記第２の基板と前記押さえ電極との間にその軸方向を前記第２の基板に平行にして設けられたコイル電極と、を有し、前記押さえ電極及び前記コイル電極により前記コイル電極が前記第２の基板に押圧されることを特徴とするレーザダイオードモジュール。
【請求項２】
前記押さえ電極は前記ヒートシンクに対し絶縁性スペーサを介して所定の間隔で固定されており、前記コイル電極が弾性的に変形することにより前記コイル電極が前記第２の基板に押圧されることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオードモジュール。
【請求項３】
前記コイル電極は、コイル素線の周面に、金膜が被覆されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザダイオードモジュール。
【請求項４】
前記第１の基板及び第２の基板は、前記レーザダイオードの前記電極面の全域で接合されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の、レーザダイオードモジュール。
【請求項５】
前記第１のソルダー層は、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｇｅからなる群から選択された元素を主成分とするハードソルダーを使用したものであり、前記第２のソルダー層は、Ｐｂ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｓｂ，Ｂｉからなる群から選択された元素を主成分とするソフトソルダーを使用したものであり、前記ハードソルダーは、前記ソフトソルダーよりも、融点が高いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュール。
【請求項６】
前記レーザダイオードの前記第１及び第２の基板との間の接合面には金膜が被覆されており、前記第１及び第２の基板の前記レーザダイオードとの間の接合面に金膜が被覆されていて、前記第１のソルダー層は、ＡｕＳｎ合金からなるハードソルダーを使用したものであることを特徴とする請求項５に記載のレーザダイオードモジュール。
【請求項７】
前記ヒートシンクと前記第１の基板との対向面には、夫々第１の金属膜が形成されており、前記第１の金属膜と、前記第２のソルダー層との界面に合金相が形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュール。
【請求項８】
前記第２のソルダー層は、その表面に前記合金相が形成された後に、前記前記第１の基板と前記ヒートシンクとの間の熱膨張の差により生じる歪みを緩和するのに十分な厚さになるように、前記合金相と合金化されずに残存する前記第２のソルダー層との比率が制御されていることを特徴とする請求項７に記載のレーザダイオードモジュール。
【請求項９】
前記ヒートシンクと前記第１の基板との対向面には、夫々金膜が形成されており、前記第２のソルダー層は、Ｉｎからなるソフトソルダーを使用したものであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュール。
【請求項１０】
前記ヒートシンクと前記第１の基板との対向面に形成された金膜と、前記第２のソルダー層のＩｎ層との間で、前記Ｉｎ層に前記金膜の金が拡散して合金相が形成されていることを特徴とする請求項９に記載のレーザダイオードモジュール。
【請求項１１】
前記Ｉｎ層は、その表面に前記合金相が形成された後に、前記第１の基板と前記ヒートシンクとの間の熱膨張の差により生じる歪みを緩和するのに十分な厚さになるように、前記合金相と合金化されずに残存する前記Ｉｎ層との比率が制御されていることを特徴とする請求項１０に記載のレーザダイオードモジュール。
【請求項１２】
前記レーザダイオードはＧａＡｓ基板上に形成されており、前記第１及び第２の基板は銅タングステン合金により形成されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュール。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュールが２個以上横方向に並んでいるアレイ状のレーザダイオードモジュールであって、前記押さえ電極の前記コイル電極上の部分ではない部分が、隣接するレーザダイオードモジュールのヒートシンクに接続されていることを特徴とするアレイ状のレーザダイオードモジュール。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュールを固体レーザ結晶の励起光源に使用することを特徴とするレーザ装置。
【請求項１５】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュールを内蔵したレーザ装置と、このレーザ装置から発生する光を誘導するための光ファイバーと、光ファイバーから出力する光を集光するためのレンズと、所定の位置に集光されたレーザ光を照射する照射系とを有することを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザダイオードを内蔵したモジュール、そのモジュールを搭載したレーザ装置、及びレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体レーザの励起用の光源及びレーザ光による加工用の光源に、高出力のレーザダイオードが使用されている。レーザダイオードを発光させるための電気エネルギから光エネルギへの変換効率は高くても５０％程度である。このため、レーザダイオードからレーザ光を出射する際に、レーザ光の光出力と同等以上の熱がレーザダイオードで発生する。例えば、５０Ｗの光を発生するレーザダイオードは５０Ｗ以上の熱を発生することになる。レーザダイオードの温度が上昇すると、電気から光への変換効率は低下し、発光寿命も短くなってしまう。また、温度により発振波長がシフトしてしまうので、励起光現に用いる場合はレーザダイオードの温度上昇が支障となる。このため、レーザダイオードは発生した熱による温度上昇を抑制する手段を講じることが必須となる。
【０００３】
このレーザダイオードを内蔵したモジュールは、主として、レーザダイオード、レーザダイオードを冷却するためのヒートシンク、レーザダイオードに通電するための電極の３つの部材から構成されている。ヒートシンクは、レーザダイオードの電極を兼ねる場合が多い。
【０００４】
近年、金属等の材料の溶接及び溶断、穴あけ、並びにアニールを効率よく行うための光源用として、高出力のレーザ光を発生することができるレーザダイオードモジュールが求められている。このニーズに応えるために、レーザダイオードの高出力化が進んでいる。この高出力化の手段として、レーザ光を発生する活性領域をひとつのチップの中に横方向に並べて形成したレーザダイオードバーが開発されている。
【０００５】
図１９はこのレーザダイオードバー１０１を示す斜視図である。このレーザダイオードバー１０１の大きさは、一般的に１０ｍｍ（幅）×（１．０〜１．５）ｍｍ（共振器長）×（１００〜１５０）μｍ（厚さ）程度である。このレーザダイオードバー１０１の上下面は電極面１０４であり、このレーザダイオードバーの側面の一方がレーザ光を出力する発光面１０２となっている。この発光面１０２の上に、発光領域１０３が幅方向に一列に配置されており、この発光領域１０２の個数及び幅は必要な出力により最適化されて設計される。電流は上下の電極面１０４を介して注入され、発光領域１０３が発光する。出力は１０Ｗから１００Ｗ程度のものが市販されている。レーザダイオードバーを形成するための基板として、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）が主として使用されている。
【０００６】
次に、従来の高出力光を発生するレーザダイオードを実装したレーザダイオードモジュールについて説明する。図２０は特許文献１に示されているレーザダイオードバーを実装したモジュールを示す。このモジュールは、ヒートシンクにレーザダイオードを実装したものを、縦方向に積層した積層体２０１である。モジュールの基本構成は、下部電極を兼ねる水冷のヒートシンク２０２にレーザダイオードバー２０３がソルダー層を介して実装されており、レーザダイオードの上部電極と、ヒートシンク２０２との絶縁のために設けられたラバーシート２０４上に設置された金属シート２０５は、ボンディングワイヤー２０６で配線されている。各層のヒートシンク２０２には冷却水通路２０７を通して冷却水が供給される。ボンディングワイヤーの代わりに、リボンボンディング、金属板、又は金属フィルムが配線として用いられる場合もある。また、従来、レーザダイオードとヒートシンクとの間に、レーザダイオードと同程度の熱膨張率を持った基板を設けたタイプのモジュールも提案されている。
【０００７】
図２１は特許文献２に開示されたレーザダイオードモジュールを示す。レーザダイオード３０１を、このレーザダイオード３０１と同程度の熱膨張率を有する端子板３０２、３０４で挟み、レーザダイオードの上面とレーザダイオードの下面をハードソルダー層３０３，３０５で固定し、下部の端子板３０２はヒートシンク３０８に弾性接着剤又はソフトソルダー層３０６により固定されている。上下の端子板３０２、３０４にはリード端子３０７が接続されており、このリード端子で電気配線される。端子板３０２とレーザダイオード３０１は同程度の熱膨張率を持っているため、レーザダイオードの温度が上下変動しても接合界面に劣化が生じることは無く、また、端子板３０２の下面とヒートシンク３０８との間の熱膨張率差は弾性接着剤又はソフトソルダー層３０６で緩和されるため、接合部分の冷却性能の劣化を抑制することが可能となることが示されている。レーザダイオードの側面には鏡面層３１０（レーザ発光の反射膜）が設けられている。ヒートシンク３０８には冷却体３１１が設けられ、その冷却媒体案内部３１２には冷却水３１４が導かれており、これにより、レーザダイオードが冷却される。
【０００８】
図２２は特許文献３に開示されたレーザモジュール４０１を示す。レーザダイオード第１面４１５は第１のソルダー４０２で吸熱体４０７の内面４０３に固定され、レーザダイオード第２面４１６は第２のソルダー４０４で蓋４０８の内面４０５に固定されていて、レーザダイオードは吸熱体４０７と蓋４０８との間にサンドイッチされている。吸熱体４０７の底面４０６は蓄熱体に接続されており、レーザダイオードは吸熱体の熱伝導により冷却される。吸熱体４０７と蓋４０８は塑性変形が可能な金属からなり、吸熱体の外面４０９、蓋の外面４１０及び蓋の下面４１７は堅固なパッケージ体に実装されていないので、レーザダイオードモジュール４０１が熱膨張で反っても、それに吸熱体４０７及び蓋４０８の形状は追随するため、歪みは生じず、接合界面の冷却性能の劣化は生じないことが示されている。レーザダイオードの放出面４１１は吸熱体４０７の頂面４１３及び蓋の上端４１４と同じ面上にある。吸熱体の上部外面には、いくつかのモジュールを並べて接合する際にソルダーを供給するための溝４１８が形成されている。
【０００９】
図２３は、特許文献４に開示されたレーザダイオードモジュールの構造を示す。このモジュールは、上部電極を兼ねる固定部５０１と、ヒートシンク及び下部電極を兼ねるベース５０２との間に、複数のレーザダイオードと熱消散シートを交互に挟んだレーザダイオードスタック５０３が設置されており、レーザダイオードスタック５０３と固定部５０１との間にはバネ５０４が介装されて、レーザダイオードスタック５０３が固定部５０１とベース５０２との間にばね５０４を介して挟まれている。なお、特許文献４には、バネ５０４の代わりにネジを用いることも示されている。上下の電極（固定部５０１，ベース５０２）は絶縁シート５０５で絶縁されている。このモジュールの特徴は、レーザダイオードと熱消散シート、及び上下の電極との間にソルダーを用いないことであり、電気的接触は上下方向からのばね５０４による押圧だけで行われている。熱消散シートはＳｉ、ＳｉＣ、又は銅タングステンが使用されており、レーザダイオードの素材であるＧａＡｓ基板よりも熱伝導率の良いものが選択されている。この従来技術の構造はソルダーを用いないため、組み立てが容易であり、１００μｓのパルスでレーザ発振する場合が例として示されている。
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−２０９５３１
【特許文献２】特開平９−１２９９８６
【特許文献３】特開平１０−４１５８０
【特許文献４】特表平１０−５０７３１８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の特許文献１〜４に開示されている従来の技術は、レーザダイオードモジュールから出力される平均パワーが１０Ｗ未満であれば、問題は生じない。しかし、平均パワーが２０Ｗ以上の高出力レーザダイオードバーの場合は、出力が徐々に低下してしまい、最終的には電極が断線してしまうような不具合が生じる確率が高くなってしまう。特に、レーザダイオードの発振光を数秒間隔程度のオン−オフを繰り返して用いる場合に、出力低下、断線、発振波長のシフトの不具合の発生確率が高くなり、寿命が短くなるという問題点が顕在化している。これらの課題を解決するめには、モジュール中のレーザダイオードを長時間安定して冷却することが必要であり、そのためには、レーザダイオードの冷却に関連した以下の３つの問題点を改善しなければならない。
（１）ヒートシンクとレーザダイオードを接合するソルダー層の変質
（２）レーザダイオードと上部電極の接点の変質
（３）レーザダイオードの反り及び変形
【００１２】
（１）の問題点を詳細に説明する。従来、レーザダイオード又はレーザダイオードが実装されたレーザダイオードと同等の熱膨張率を持ったサブマウント基板は、ソフトソルダーを使用してヒートシンクに実装されている。このソフトソルダーは実装界面の金属、例えば金と合金化することによって、ヒートシンクとレーザダイオード又はサブマウント基板に接合する。この合金化された相はグレイン化しており、合金化されていないソフトソルダー層の中に散在する。この合金化相と、合金化されていないソフトソルダー層は熱膨張率が異なる。レーザダイオードを所定のパワーでオンした時のレーザダイオードの温度をＴ１、オフした時の温度をＴ２とした場合、レーザダイオードの温度は最大でＴ１とＴ２との間を上下する。温度の上下が繰り返されると、この合金化相とソフトソルダー相との界面の歪みが大きくなり、その界面に微視的なクラックが生じる。このクラックが生じた場所は熱抵抗が高くなるので、局所的に温度が上昇する。温度が上昇すると、ソフトソルダー中への実装界面の金属原子の拡散が加速し、合金化したグレインの成長又は金属拡散で生じるカーケンドール効果によるボイドの発生確率も高くなる。これらのクラック又はボイドの成長がソルダー層全体の熱抵抗をさらに高くしてしまい、レーザダイオードの温度が上昇して出力が低下するとともに、発振波長もシフトしてしまう。最終的には、接合部分に大きなクラックが生じる。クラック又はボイドが成長してくると、レーザダイオード又はレーザダイオードを実装したサブマウントは、ソフトソルダー層でヒートシンクに接合していることができなくなり、一部が剥がれてしまう。一部が剥がれると、剥がれた部分の温度が上昇して周辺の合金化及び金属拡散をさらに促進し、剥がれる部分を大きくすると共に、更にチップの温度が上昇するため、ソフトソルダーは融解して流れ落ちたり、酸化したりして、ヒートシンクと絶縁された状態になってしまう場合もある。図２１に示した従来のモジュールでは、このソフトソルダー層の変質を抑制するための手段が無い。図２３の従来技術のように、ソルダーを使用しないモジュールの場合は、ソルダー部分の劣化は無いので（１）の問題は生じないが、ソルダー無しで圧力を加えただけでは、平均パワーが１０Ｗ以上の連続する光を出力するために必要なヒートシンクとレーザダイオードとの間の低熱抵抗を得ることは極めて困難である。
【００１３】
次に、（２）の問題を詳細に説明する。レーザダイオードのオン−オフが頻繁に繰り返されると、レーザダイオード上部の電極面との接合部分は、（１）の場合と同様の理由で、温度が上下変動する。レーザダイオードの上部電極の配線は、従来、図２０のように、主としてボンディングワイヤー又はボンディングリボンにより接続され、又は、板電極がソルダーで融着又は熱圧着されて接続されている。レーザダイオードの上部電極と同一素材のボンディングワイヤ又はリボンを使用した場合、合金は存在しないが、接続の際に、瞬間的に融解固化する影響で、固化した部分は結晶方位が異なるグレインのマトリックスが存在する、また、ソルダーを使用した場合は、表面金属との合金化により合金化したグレインが存在する。この接続部分は歪みが大きく、温度が上下変動することにより、熱膨張の異方性又は違いにより、グレイン界面にクラックが入り、最終的に断線してしまう。接続部分の歪み又はクラックの増加に伴う電気抵抗の増加で、接続部分に熱が発生してしまうこともある。電極に部分的な剥がれが生じると、残った接続部分へ電流が集中するため、接続部分の負荷が更に増して熱が発生し、最終的に殆ど全ての電極の接合部分が剥がれてしまう場合もある。
【００１４】
次に、（３）の問題点について詳細に説明する。レーザダイオードはＧａＡｓを基板に使用して、その基板上に成膜することにより形成される。成膜は基板の片面にしかされていないため、レーザダイオードには厚さ方向の組成の対象性が無い。そのため、厚さ方向に僅かではあるが、熱膨張率の差があるため、レーザダイオードに反りが生じてしまうことがある。特に、図１９に示したレーザダイオードバーの場合は共振器長と幅の比が大きいので、長さの長い幅方向に反りやすい傾向にある。実装時にレーザダイオードの反りは無くても、レーザ光出力中に温度が上昇して反りを生じさせる力が大きくなる。そうすると、レーザダイオードと、ヒートシンク又はサブマウントとの接合界面にクラックが生じ、熱的に断絶した部分が生じてレーザダイオードは加熱されてしまう。その結果として、（１）及び（２）の問題が生じてしまう場合がある。図２２の従来技術のように、高出力のレーザダイオードが塑性変形可能な吸熱体と蓋に挟まれ、吸熱体の底面から冷却する場合、レーザダイオードの反りは許容されるが、吸熱体による熱伝導方式の冷却では２０Ｗ以上の熱を冷却することは極めて困難である。また、レーザダイオードが反ってしまうと、出力される光の方向も変化してしまうので、応用上の問題が生じてしまう。
【００１５】
以上のように、レーザダイオードモジュールからの平均出力が高出力になると、従来のレーザダイオードモジュールの構造及び実装形態では、長期的に安定した出力を得ることが難しくなる。
【００１６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、レーザ光を長期的に安定して出力することができるレーザダイオードモジュール、そのレーザダイオードモジュールを使用したレーザ装置、及びレーザ加工装置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】
【００１７】
本発明に係るレーザダイオードモジュールは、レーザダイオードと、このレーザダイオードの両電極面に夫々第１のソルダー層を介して接合された第１の基板及び第２の基板と、前記第１の基板に第２のソルダー層を介して接合されたヒートシンクと、このヒートシンクに対して所定間隔に配置された押さえ電極と、前記第２の基板と前記押さえ電極との間にその軸方向を前記第２の基板に平行にして設けられたコイル電極と、を有し、前記押さえ電極及び前記コイル電極により前記コイル電極が前記第２の基板に押圧されることを特徴とする。
【００１８】
このレーザダイオードモジュールにおいて、例えば、前記押さえ電極は前記ヒートシンクに対し絶縁性スペーサを介して所定の間隔で固定されており、前記コイル電極が弾性的に変形することにより前記コイル電極が前記第２の基板に押圧されることを特徴とする。
【００１９】
また、前記コイル電極は、コイル素線の周面に、金膜が被覆されていることが好ましい。更に、前記第１の基板及び第２の基板は、前記レーザダイオードの前記電極面の全域で接合されていることが好ましい。
【００２０】
前記第１のソルダー層は、例えば、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｇｅからなる群から選択された元素を主成分とするハードソルダーを使用したものであり、前記第２のソルダー層は、Ｐｂ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｓｂ，Ｂｉからなる群から選択された元素を主成分とするソフトソルダーを使用したものであり、前記ハードソルダーは、前記ソフトソルダーよりも、融点が高いことを特徴とする。
【００２１】
前記レーザダイオードの前記第１及び第２の基板との間の接合面には金膜が被覆されており、前記第１及び第２の基板の前記レーザダイオードとの間の接合面に金膜が被覆されていて、前記第１のソルダー層は、ＡｕＳｎ合金からなるハードソルダーを使用したものであることが好ましい。
【００２２】
例えば、前記ヒートシンクと前記第１の基板との対向面には、夫々第１の金属膜が形成されており、前記第１の金属膜と、前記第２のソルダー層との界面に合金相が形成されている。
【００２３】
また、前記第２のソルダー層は、その表面に前記合金相が形成された後に、前記前記第１の基板と前記ヒートシンクとの間の熱膨張の差により生じる歪みを緩和するのに十分な厚さになるように、前記合金相と合金化されずに残存する前記第２のソルダー層との比率が制御されていることが好ましい。
【００２４】
更に、例えば、前記ヒートシンクと前記第１の基板との対向面には、夫々金膜が形成されており、前記第２のソルダー層は、Ｉｎからなるソフトソルダーを使用したものである。この場合に、例えば、前記ヒートシンクと前記第１の基板との対向面に形成された金膜と、前記第２のソルダー層のＩｎ層との間で、前記Ｉｎ層に前記金膜の金が拡散して合金相が形成されている。そして、前記Ｉｎ層は、その表面に前記合金相が形成された後に、前記第１の基板と前記ヒートシンクとの間の熱膨張の差により生じる歪みを緩和するのに十分な厚さになるように、前記合金相と合金化されずに残存する前記Ｉｎ層との比率が制御されていることが好ましい。更にまた、例えば、前記レーザダイオードはＧａＡｓ基板上に形成されており、前記第１及び第２の基板は銅タングステン合金により形成されている。
【００２５】
更にまた、本発明は、前記レーザダイオードモジュールが２個以上横方向に並んでいるアレイ状のレーザダイオードモジュールであって、前記押さえ電極の前記コイル電極上の部分ではない部分が、隣接するレーザダイオードモジュールのヒートシンクに接続されているように構成することもできる。
【００２６】
また、本発明に係るレーザ装置は、前記レーザダイオードモジュールを固体レーザ結晶の励起光源に使用することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明に係るレーザ加工装置は、上述のレーザダイオードモジュールを内蔵したレーザ装置と、このレーザ装置から発生する光を誘導するための光ファイバーと、光ファイバーから出力する光を集光するためのレンズと、所定の位置に集光されたレーザ光を照射する照射系とを有することを特徴とする。
【００２８】
本発明は上述の従来技術の課題（１）乃至（３）を以下のようにして解決する。
（１）ヒートシンクとレーザダイオードとを接合するソルダー層の変質
接合時に界面の金属とソフトソルダーとの合金化で形成されたグレインが原因で、その後のレーザダイオードの発光中にクラック又はボイドが発生するが、このクラック又はボイドの発生を抑制して、ソフトソルダーの役割であるヒートシンクとレーザダイオードの熱膨張の違いを緩和するための可塑性を維持させ、ソフトソルダー層の高熱抵抗化を抑制する。
（２）レーザダイオードと上部電極の接点の変質
上部電極として接触型のコイル電極を使用することにより、レーザダイオードのサンドイッチ体と電極界面との歪みを緩和する。
（３）レーザダイオードの反り及び変形
レーザダイオードの上下をレーザダイオードと同程度の熱膨張率を持った基板２枚でサンドイッチすることにより、反り及び変形を抑制する。
【００２９】
上記（１）、（２）、（３）の課題を解決するための手段による効果には相関があるため、以下に上記手段による効果を関連させながら説明する。
（１）の課題であるヒートシンクとレーザダイオードを接合するソルダー層の変質を抑制し、熱膨張率差を緩和するための層としての機能を維持するためには、第１に、実装時に接合表面の金属とソフトソルダーが合金化する割合を抑制することである。実装後に合金化していないソフトソルダー部分を長期間残存させることにより、応力緩和層としての機能を維持できる。合金化の割合はレーザダイオードを実装前のヒートシンク上のソフトソルダー層の厚さで制御することが可能である。接触する表面の金属の種類と、実装する温度、融解時間の実装条件を固定し、ソフトソルダー層の実装前の厚さをパラメータとして、図１０に示すようにソフトソルダー層の厚さとモジュールの故障確率を調べることで、ソフトソルダーの必要な厚さを規定することができる。
【００３０】
第２に、レーザダイオードの出力中に、ソフトソルダー層中で生じる合金化したグレインの成長及び新たな生成を抑制し、クラックやボイドの発生を抑制することである。そのためには、ソフトソルダー層中に微視的なクラック及びボイドが発生することを抑制し、また微視的なクラック及びボイドが発生してしまっても、それらの成長を抑制することが必要である。レーザダイオードの実装面をヒートシンクに押し付けることで、ソルダー層の熱抵抗を維持することが可能となり、もし、微視的なボイド及びクラックが発生しても、その空間にソフトソルダーが入り込んで熱抵抗の上昇を抑制してくれるため、グレイン、クラック及びボイドの成長は抑制され、結果的に安定した接合界面を維持することができる。押し付ける圧力を実装面全体にわたり均一にすることで、面内全体にわたり劣化の抑制が均一化される。
【００３１】
以上に述べたように、（１）の問題を解決するためには、レーザダイオードをヒートシンクに均一な力で押し付けて、ソフトソルダー層の劣化を抑制することが重要であるが、レーザダイオードを、直接ソフトソルダーを介してヒートシンクに押し付けると、レーザダイオードは割れてしまう。また、レーザダイオードの面全体を均一に加圧することは困難である。そこで、レーザダイオードの上下に、レーザダイオードよりも押し付ける力に耐えることができるサブマウント基板を設ければ、レーザダイオードを保護することが可能となる。サブマウント基板には、レーザダイオードの熱膨張率と同程度の熱膨張率のものを選択する。また、サブマウント基板の大きさは、レーザダイオードの大きさと同程度以上のものを使用し、ハードソルダーを用いてレーザダイオードの上下電極面前面をサブマウント基板と接合してサンドイッチ構造に実装する。このとき、レーザダイオードから発生する光がサブマウント基板にぶつからないような配置でサンドイッチする。上下のサブマウント基板は熱膨張時の対称性を良好にする観点から、同じ大きさであることが望ましい。サブマウント基板は、レーザダイオードが温度変化で反ってしまう力に対して変形することが無い厚さにする。この構造をとることで、レーザダイオードが発光して熱膨張しても、サブマウント基板も同じように熱膨張するため接合界面の歪みは殆ど無く、レーザダイオードの反りも抑制されるため、（３）の課題も解決される。また、レーザダイオードで発生する熱が上下のサブマウント基板に分散されるため、温度均一性もよくなり、発振波長の安定性もよい。このサンドイッチ体は構造的に外部から力を加えても変形しない。
【００３２】
このサンドイッチ体をソフトソルダーによりヒートシンクに実装する。その後、サンドイッチ体のヒートシンク側の面全体を均一な力で上部からヒートシンク面に対して垂直な力で押しつけるために、金属線を螺旋状に巻くことで得られるコイルを用いる。コイル電極の長さをサンドイッチ体の長手方向の長さとほぼ一致させ、サンドイッチ体の長手方向のほぼ中心線に沿って垂直にヒートシンクに押し付けることで、サンドイッチ体の実装面の均一な加圧が可能となる。
【００３３】
コイルを上部電極として使用することにより、（２）の課題であるレーザダイオードと上部電極の接点の変質の問題も解決することが可能である。その理由を以下に述べる。コイル電極は径方向に適度な弾力性を持っている。ソフトソルダー層中の合金化が進んでソフトソルダー部分の平均密度が変化しソフトソルダー層が僅かに薄くなっても、その変化する可能性のある厚さ分だけの弾力性を有することにより、サンドイッチ体を継続してヒートシンクに押し付けることが可能となる。また、サンドイッチ体又はソフトソルダー部分が熱膨張等により厚さが増した場合にも、コイルの巻き径が変形することで、必要以上に押し付ける力が加わることは無い。押し付ける力の限度はコイル電極の塑性限界（変形して形が元に戻らない力）以内の強さとなる。このコイルの塑性限界の力に耐えるサブマウント基板を用いれば、サンドイッチ体はコイルを押さえる力で変形することは無い。
【００３４】
コイルの弾力性は材質、線の径、及び巻き径等を変更することにより調整できる。コイルにはレーザダイオードを発光させるために必要な電流を流すのに必要な接触面積を保持するため、コイルに用いる金属ワイヤーの太さを制御してサンドイッチ体及び押さえ電極との接点の面積を確保する。コイルとコイルが接触するサブマウント基板及びコイル押さえ電極は接触しているだけで融着されていない。そのため、レーザダイオードがオン−オフして温度が上下しても歪み応力の蓄積による接合部分が劣化することは無く、断線も生じない。なお、コイル押さえ電極は銅等の金属で剛性の有る構造で作製する。
【００３５】
コイル電極を用いたレーザダイオードモジュールの場合、レーザダイオードの不具合、又はソルダー層の不具合でレーザダイオードが異常発熱し、レーザダイオードの故障と共に、ソフトソルダーが融解したりする場合でも、電流が流れなくなることは無い。これは、レーザダイオードモジュールを横方向に並べたアレイモジュールに本発明を適用した場合に極めて有効となるので、その理由を説明する。通常、アレイモジュールのうち１個のレーザダイオードモジュールに不具合が生じて電気回路の一部がオープンになった場合、アレイモジュールの全てのレーザダイオードの発振は停止する。しかし、コイル電極を使用した場合、常にレーザダイオードはサブマウントを介して下部電極であるヒートシンクに押し付けられているので、電気回路はオープンになることはない。その結果、１個のモジュールに不具合が生じても、他のモジュールは発光し続ける。このため、本発明のアレイレーザダイオードモジュールを用いたレーザ装置、及び、レーザ加工装置の動作はモジュール電極の断線が原因で突然停止することは無く、信頼性が高いレーザ装置及びレーザ加工装置を実現する。また、コイル電極はサンドイッチ体にも押さえ電極にも溶着しないので、故障した１モジュールだけの交換が容易であり、メンテナンス性の高いレーザ装置及びレーザ加工装置が実現される。また、コイルの押さえ電極を、隣のモジュールとの電気的な接続を兼ねることで、電極間を絶縁するためのスペーサが必要なくなるので、部品コスト及び組み立てコストが低減される。
【００３６】
なお、本発明のハードソルダーとは、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｇｅを主成分とするソルダー、ソフトソルダーとは、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉを主成分とするソルダーと定義する。また、本発明では、ハードソルダーの融点はソフトソルダーよりも高いものを使用する必要がある。
【発明の効果】
【００３７】
本レーザダイオードモジュールの第１の効果は、高出力のレーザダイオードバーを冷却するためのヒートシンクとの接合領域における熱抵抗の経時変化を抑制できることにある。特に、レーザダイオードのオン−オフが頻繁に行われてレーザダイオードの温度の上昇下降が激しい分野に適用する場合でも、接合界面の熱抵抗の変化を長期間にわたって抑制することが可能となるため、安定したレーザ光出力が可能となる。また、電気から光への変換効率が高い状態を長期間にわたって保つことが可能となり、レーザダイオードの寿命を延ばすことができる。
【００３８】
第２の効果は、コイル電極はレーザダイオード、サブマウント基板及び押さえ電極のいずれにも融着されていないので、容易に低コストで組み立てすることが可能となることにある。
【００３９】
第３の効果は、本モジュールを横方向に並べたアレイモジュールに関し、コイルの押さえ電極が隣のモジュールとの電気的な接続を兼ね、コイル電極と隣のヒートシンクだけに接続されていることにより、モジュールの組立に絶縁材料を必要としなくなるため、部品点数が大幅に削減され、低コストで高性能なアレイレーザダイオードモジュールが実現されることにある。
【００４０】
第４の効果は、本モジュールを直列に配線した場合、アレイ中のひとつのモジュールのレーザダイオードが故障しても、電気回路がオープンになることが無いので、このモジュールを内蔵したレーザ装置及びレーザ加工装置はオープンによる故障が無い。その結果、長期信頼性及びランニングコスト低減に優れたレーザ装置及びレーザ加工装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
次に、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係るレーザダイオードモジュールを示す模式図である。レーザダイオード６０１の上下の電極面とサブマウント基板６０２はハードソルダー６０３で接合されている。このサンドイッチ体６０４をヒートシンク６０５にソフトソルダー６０６で接合してある。接合前のソフトソルダー層６０６の厚さの制御により、接合後にサンドイッチ体６０４とヒートシンク６０５の熱膨張差を緩和できるように接合界面金属とソフトソルダーとの合金化された相の割合が調整されている。上部電極として金属のワイヤーを密着巻きしたコイル電極６０７を用い、このコイルは押さえ電極６０８のＶ字の部分で位置が固定される。コイル電極６０７及びサンドイッチ体６０４はヒートシンク６０５と押さえ電極６０８との間に挟まれている。ヒートシンク６０５と押さえ電極６０８との絶縁は絶縁スペーサ６０９で行っている。コイル電極６０７を押え電極６０８で押す力は、コイル電極６０７が塑性変形しない範囲となるように絶縁スペーサ６０９の厚さで調整されている。絶縁された止めネジ６１０により、ヒートシンク６０５と押さえ電極６０８は固定されている。ヒートシンク６０５及び押さえ電極６０８には電流を流すための端子線６１１が接続されている。
【００４２】
図２はコイル電極６０７の例として円形の金属線を密着巻きしたものを示す。コイル素線の表面には金膜を被覆することが望ましい。図３に示すように、コイル電極６０７のコイル径８０２と、このコイル電極６０７が変形されて、塑性変形を開始するときの直径８０３との間の可動範囲８０４が、コイル電極６０７が弾性的に変形できる範囲である。このコイル電極６０７がコイルの半径方向に弾力性を示す可動範囲８０４内で、コイル電極６０７を加圧すれば、加圧をやめることによりコイル電極６０７は元の径８０１に戻ることができる。図１のモジュールはコイルの径の変化が可変範囲８０４内となるように変形するように、上部から押さえ電極６０８で押し付けられている。なお、コイル電極６０７は、レーザダイオードの長手方向と同程度の長さを有している。
【００４３】
次に、図１の第１の実施の形態に係るレーザダイオードモジュールの製造方法について説明する。先ず、レーザダイオードの上下電極面に金属膜、例えば金を成膜する。サブマウント基板６０２はＧａＡｓ基板により製造されたレーザダイオードの熱膨張率（５．６〜６．２ｐｐｍ／Ｋ）と同程度の熱膨張率を有する材料、例えば銅タングステンを使用し、レーザダイオードの上下電極部分の面積と同等以上の面積に加工する。サブマウント基板６０２の表面にも金属膜、例えば金を成膜する。サブマウント基板６０２の片面には、レーザダイオード６０１を実装するための例えば金錫からなるハードソルダー６０３を成膜する。
【００４４】
そして、図７に示すように、ハードソルダー６０３を成膜した側のサブマウント基板６０２の面でレーザダイオード６０１の上下面を挟み込み、ハードソルダー６０３の融点まで加熱することで、サブマウント基板６０２にサンドイッチされたレーザダイオードのサンドイッチ体６０４を作製する。
【００４５】
次に、図８に示すように、このサンドイッチ体６０４を、ヒートシンク６０５に接合する。ヒートシンク６０５は、例えば銅を主な組成として内部に水路が形成されている水冷タイプのものを使用することができる。ヒートシンク６０５の表面には、例えば金膜が成膜されている。図８のように、サンドイッチ体６０４を実装するヒートシンク６０５の面に、予めソフトソルダー６０６として、例えばＩｎの蒸着膜を成膜しておく。そして、ヒートシンク６０５を加熱してＩｎを融解し、サンドイッチ体６０４を接合する。
【００４６】
図９は接合前後のＩｎソルダー層界面の拡大図を示す。ヒートシンク６０５の表面の金属１４０２上に成膜されたソフトソルダー６０６は２枚のサブマウント基板６０２とレーザダイオードで構成されるサンドイッチ体６０４の下部接合表面のサブマウント基板上金属１４０５との間に挟まれて実装される。ソフトソルダー６０６の温度が融点まで上昇すると、先ずソフトソルダー６０６に表面金属が拡散して合金を形成した領域１４０６が形成される。その後、ソフトソルダー６０６を融解させて温度を保持することにより、合金化されたグレインはソルダー層全体に分散され、ソルダー層を固化した後は、ソルダー層全体に合金化されたグレインが分散された領域１４０７が形成される。
【００４７】
次に、図１に示すように、コイル電極６０７をサンドイッチ体６０４の上部に置き、絶縁スペーサー６０９をヒートシンク６０５の上に置く。例えば銅で形成され表面に金が成膜された押さえ電極６０８でコイル電極６０７を押さえ、絶縁された止めネジ６１０でスペーサーを介してヒートシンク６０５に固定することにより、本実施形態のモジュールが完成する。
【００４８】
図４は本発明の第２の実施の形態に係るレーザダイオードモジュールを横方向に並べたアレイモジュールを示す斜視図である。図５は図４の渡り押さえ電極９０１を取り出して示す斜視図、図６は、図４のアレイレーザモジュールのＡ−Ａ′線による断面図を示す。上部のコイル電極９０３を固定してサブマウント基板９０４で挟まれたレーザダイオード９０５のサンドイッチ体９０６を押さえるための渡り押さえ電極９０１は、隣のモジュールのヒートシンク９０２にしか接続されておらず、止めネジ９０７で固定されている。図４の最も右側の渡り押さえ電極９０１は固定台９０８に固定され、端子線９０９に接続されている。各モジュールには上部電極と下部電極との間を絶縁するための材料は必要としない。そして、渡り押さえ電極９０１のヒートシンク接触部分の高さ１００２を調整することにより、コイル電極を押す力を調整することが可能な構造となっている。ひとつのヒートシンクに接触している別々の渡り押さえ電極９０１はコイル電極９０３とヒートシンク９０２に接触しており、ヒートシンク９０２に接触している渡り押さえ電極９０１は止めネジ９０７によりヒートシンク９０２に固定されている。ヒートシンク９０２側から供給された電流はソフトソルダー１１０５を介してサンドイッチ体９０５中のレーザダイオード９０５に通電される。渡り押さえ電極９０１におけるコイル電極９０３の上部は、隣のヒートシンク９０２に接続される。
【００４９】
図４に示したアレイモジュールも、図７、１３と同様に、レーザダイオードのサンドイッチ体を作製した後にヒートシンクに実装し、サンドイッチ体上にコイルバネを置いた後に剛性のある渡り押さえ電極９０１で押さえてネジ９０７によりネジ止めすることにより製造できる。また、渡り押さえ電極９０１を固定するためのネジ９０７は絶縁する必要は無く、通常のネジでヒートシンク９０２に固定することができる。
【００５０】
なお、サブマウント基板は、銅タングステン以外の素材として、銅モリブデン、モリブデン等、熱膨張率がＧａＡｓ基板の値（５．６〜６．２ｐｐｍ／Ｋ）と±２０％以内で一致し、電気抵抗が低く、熱伝導率の高い材料を用いることができる。
【００５１】
ハードソルダーには、金錫合金以外にＡｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｇｅを主成分とするソルダーを用いることができる。また、ソフトソルダーにはＩｎ以外に、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉを主成分とするソルダーを用いることができる。モジュールに用いるソフトソルダーとハードソルダーの融点については、ハードソルダーの方が融点が高いことが必要である。また、ソルダー層とは、ソルダーで接合する両物質との間の２界面間の領域を示し、ソルダーが表面金属の拡散により生じた合金相のグレインと混在した領域も含む。即ち、ソルダー層としてＩｎを使用して実装した場合、ソルダー層は以下に示すように変化する。先ず、実装前は、Ｉｎだけで形成される層である。次に、実装の初期には、接合界面近傍に、表面金属の金と反応していないＩｎの相の中に、Ｉｎと金とが反応して生じた合金のグレイン（結晶粒）が点在する層が形成され、中央のＩｎのみからなる層とで、３層構造となる。そして、所定の時間経過後は、Ｉｎの相全体に、合金化した結晶粒が点在した層となる。
【００５２】
ヒートシンクとしては、内部に水路が形成してある水冷式のもの以外に、ペルチエ素子を用いたもの、ヒートパイプ方式のもの、及び熱伝導型のもの等がある。
【００５３】
コイル電極の素材は銅を主成分にしたもので密着巻きが適しているが、径方向に少なくてもソフトソルダー層の変質による厚さの変化及びサンドイッチ体の熱膨張等による厚さの変化を合計した厚さの変化量の最大値以上に弾力性があり、電気伝導性が銅及び銅の化合物と同程度のものであれば良い。また、所定の電流を流すための接点が確保できれば、コイルは密着巻きで無くても良い。コイル素線の表面は金の膜で覆われていることが望ましいが、金膜以外にも空気中で腐食しにくい金属であれば代替が可能である。
【００５４】
押さえ電極６０８は、コイル電極６０７を押さえる部分として、Ｖ字の溝が形成されているが、この押さえる部分としては、Ｖ字溝以外に、半円の溝又は台形の溝等種々の形状がある。本モジュールはレーザダイオードバーを主な適用用途として説明しているが、発光領域が１個のレーザダイオードでも有効である。
【００５５】
サブマウント基板、ヒートシンク、コイル電極、押さえ電極の表面は、腐食に強い金以外に、ニッケル膜等の腐食に強い金属膜を用いることができる。ニッケルの場合は、ソルダーと合金が形成しにくいので、通常は密着性の点で問題が生じる。しかし、コイル電極で界面が押さえつけられている場合は、化学反応的な密着性が弱くても、物理的に密着性を保つことが可能であるため、界面の熱抵抗を保つことが可能となる。
【実施例１】
【００５６】
次に、本発明の効果を示すために、本発明の範囲に入る実施例と本発明から外れる比較例の特性について、説明する。幅１０ｍｍ、共振器長１．２ｍｍ、厚さ１００μｍの５０Ｗの出力が可能なレーザダイオードアレイバーと、幅１０ｍｍ、長さ１．２ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍのＣｕＷでできたサブマウント基板を用意した。レーザダイオードの上下の電極面の最表面に金膜を１μｍ形成した。また、サブマウント基板には最表面に金メッキを両面とも１μｍ成膜し、片面には金錫ソルダーを２μｍ成膜した。レーザダイオードバーの上下面に金錫ソルダーの面を向けた２枚のサブマウント基板で前記レーザダイオードバーの発光面の面位置がサブマウント基板と一致するようにレーザダイオードバーをサンドイッチした後、金錫ソルダーの融解温度まで温度を上昇させてレーザダイオードをサブマウント基板に接合し、レーザダイオードをサブマウント基板でサンドイッチしたサンドイッチ体を作製した。ヒートシンクは銅を母体として内部に水路が形成してある水冷式のもので、縦２５ｍｍ、横１２ｍｍ、厚さ２．０ｍｍのものを用いた。ヒートシンクの最表面には金膜が１μｍ成膜されている。サンドイッチ体をこのヒートシンクに実装する面に、ソフトソルダーとしてＩｎ膜をサブマウント基板の面積と同じ１０×１．２ｍｍの領域に１μｍから１０μｍまで１μｍ間隔で蒸着したものをそれぞれ用意した。この蒸着面上にサンドイッチ体を乗せた後、ヒートシンクの温度をＩｎが融解する温度まで上昇させ、所定の時間保持した後に、冷却して、サンドイッチ体をヒートシンクに接合した。ヒートシンクに実装されたサンドイッチ体の上部に、外径が１．５ｍｍで０．２ｍｍの太さの銅線を密着巻きした長さ１０ｍｍのコイル表面に金メッキを施したコイル電極を置き、上部から銅で形成して表面に金メッキを施した押さえ電極で押さえ、窒化アルミ製の絶縁スペーサを介してセラミックネジでヒートシンクに固定した。コイル電極の直径の塑性変形しない可変範囲は３０μｍであったため、コイルの径を約２０μｍ程度つぶれるようにスペーサの厚さを調整した。このようにして作製したレーザダイオードモジュールの寿命試験を行った。試験の条件としては、モジュールから５０Ｗの連続光を０．５秒間隔でオン−オフさせて３０００時間ランニングさせた場合の、Ｉｎ膜ソルダーの厚さとモジュールが故障する確率を調べた。
【００５７】
その結果を図１０に示す。図１０は横軸にＩｎ膜厚をとり、縦軸に故障確率をとって両者の関係を示すグラフ図である。故障とは、出力が初期出力に対して２０％以上低下した場合、又は電極の少なくても一部に断線が生じた場合を示す。Ｉｎと接触するヒートシンクとサブマウント基板の表面に金が１μｍ成膜されている場合、Ｉｎ膜ソルダーの厚さを５μｍ以上成膜してサンドイッチ体を成膜することで、故障確率を製品化の目安となる０．１％以下にすることができた。この結果は、上記で説明したモジュールの構成及び実装条件で、銅タングステン製のサブマウントと銅製のヒートシンクの熱膨張率の差による歪みをＩｎソルダー層が緩和するために必要なＩｎ層の厚さは５μｍ以上であることを示す。
【００５８】
次に、本発明のモジュール（実施例）と従来のモジュール（比較例）の出力特性を比較した。従来のモジュールには、銅タングステンのサブマウント上にハードソルダーでレーザダイオードバーが実装され、ソフトソルダーでヒートシンク上に実装され、通常のボンディングワイヤーを用いて上部電極を形成しているものを用いた。
【００５９】
図１１は両モジュールに電流を流し、出力変化を比較した結果を示す。図１１において、横軸は電流（Ａ）、縦軸は出力（Ｗ）である。コイル電極を用いた場合の方が約１０％の出力向上が見られた。これは、上部からコイル電極で押さえているため、ソフトソルダー層の熱抵抗がボンディングワイヤーの電極を用いた場合と比較して低くなったためである。
【００６０】
図１２はこの２つのモジュールに約６０Ａの電流を流して５０Ｗの出力を１秒間のインターバルでオン−オフを繰り返した場合の出力変動を１万時間測定した結果を示す。図１２において、横軸は時間（時）、縦軸は出力（Ｗ）である。本発明の実施例のモジュールは、１万時間経過後の出力低下率は１０％であったが、従来のモジュールは出力が徐々に低下した後、１０００時間経過したときに、数本のワイヤーに断線が生じて出力が急激に低下したため、評価を中断した。
【００６１】
故障した従来のモジュールを観察すると、図１３に示すように、レーザダイオードバー１８０１の端部分が反っていて、ボンディングワイヤ１８０７に断線が発生しており、その下部のハードソルダー層１８０３との実装界面が剥がれてしまっていた。このはがれ１８０２部分の下部のヒートシンク１８０４とサブマウント基板１８０５との界面のソフトソルダー層１８０６の部分も観察した。
【００６２】
その結果を、図１４の断面図に示す。インジウムソルダー層１９０１にはクラック１９０２と、ボイド１９０３と、剥がれ１９０４とが生じていることが判明した。また、金インジウム合金のグレイン１９０５は実装直後よりも成長していた。一方、本発明のモジュールのインジウムソルダー層は、１万時間経過しても、巨視的なクラック及びボイドは無く、金インジウムの状態変化はわずかであった。
【実施例２】
【００６３】
実施例１と同様の部材を使用し、ヒートシンクのみ、最表面にニッケル膜を１μｍ厚で成膜したものを使用し、Ｉｎ膜の厚さを１μｍから１０μｍまで変化させて、レーザダイオードモジュールの寿命試験を実施例１と同様に実施した。図１０と同じ実験を行った結果、Ｉｎの厚さが３μｍ以上の場合に、０．１％以下の故障確率となった。これは、ニッケルの場合は、Ｉｎとの合金化が進みにくいため、金の場合よりもＩｎソルダーが薄くても信頼性が得られるためである。また、図１２と同じ実験を行った結果、６４Ａの電流を流したときに５０Ｗの出力が得られ、接合界面の熱抵抗は金の場合と比較して僅かに大きいことがわかった、しかし、金膜の場合と同様に１万時間の出力低下率は約１０％であり、実用上、問題がないことがわかった。
【実施例３】
【００６４】
図１５は本発明の実施例３のアレイレーザモジュールを示す斜視図である。このアレイレーザモジュールは、実施例１で作製したモジュールを横方向に５個並べたものである。ヒートシンク２００１に実装されたレーザダイオードバーとサブマウント基板で形成されるサンドイッチ体２００２及びコイル電極２００３は実施例１と同様のものを使用し、同じソフトソルダーを用いてサンドイッチ体２００２をヒートシンク２００１に実装した。５個のヒートシンクに水を流すための絶縁材料で形成されたホルダー２００４を作製し、各ヒートシンクをホルダーの所定の位置に固定した。そして、各渡り押さえ電極２００５を図１５に示すように配置した。４個の渡り押さえ電極は同じ形状のものを用い、左端はヒートシンクと電極端子２００７を結ぶための渡り押さえ電極２００５を使用し、右端はヒートシンクの後ろにある電極端子２００７をヒートシンクに接触しないように渡すことが可能な渡り押さえ電極を使用した。各ヒートシンクへの水の供給は、ホルダー２００４の横の冷却水導入口から行う。アレイモジュール全体を電極露出防止及びコイル電極の均等押し付け化のために絶縁材料で形成した押さえ板２００９をかぶせて、止めネジ２０１０で電極に形成したネジ穴を通してホルダー２００４に固定した。このアレイモジュールを用いて、実施例１と同様に１個あたりの出力を５０Ｗとして合計２５０Ｗの出力の長期ランニング実験を行った結果、本実施例の場合は、１万時間にわたり出力変動が１０％以内であった。
【００６５】
また、図１６は、２５０Ｗでランニングを開始してから５００時間経過後、１個のレーザダイオードモジュールを故意に加熱してレーザダイオードモジュールを故障させる実験を試みた結果を示す。１個のレーザダイオードは活性層の温度が上昇して電流のリークパスが生じ、発光しなくなったが、電極はショートすることがなく、電流は流れ続けた。そのため、アレイ中の他のレーザダイオードモジュールには電流は継続して流れるので、発振は継続し、約２００Ｗの出力が得られた。そこで、スタートしてから２０００時間後に、更にもう一つのレーザダイオードモジュールを同様に故意に故障させたところ、出力は約１４０Ｗ程度となったが、その後他の３個のモジュールは図１６のように４０００時間まで安定して出力することを確認した。その後、故障した２個のレーザダイオードモジュールを、ヒートシンクに実装したサンドイッチ体の部分だけを交換して再出力させたところ、レーザの出力は２４０Ｗに復活した。このモジュールはヒートシンクとサンドイッチ体以外は溶接されていないので容易に交換することが可能であり、交換に要した時間は１０分であった。
【実施例４】
【００６６】
図１７は、本発明の実施例４のレーザ装置を示す斜視図である。このレーザ装置は、実施例３で作製した２５０Ｗ出力の５連のモジュール２２０１を２個使用したものである。アレイレーザダイオードモジュール２２０１から発生する光の波長はヒートシンクに流す水温により、ネオジウムの吸収波長である８０８ｎｍに調整した。直径が５ｍｍで長さが１０ｃｍのネオジウムが１％ドープされたＮｄ：ＹＡＧレーザロッド２２０２をその両側から、モジュール２２０１からの出力レーザ光で励起した。この励起光全てがレーザロッド２２０２に照射されるように、モジュール２２０１をレーザロッド２２０２に近接して配置した。８０８ｎｍの光はＹＡＧロッド２２０２中のＮｄに吸収され、波長が１０６４ｎｍの光が出力ミラー２００３とリアミラー２００４との間を共振し、これにより、レーザロッド２２０２から３００Ｗの出力光２００５が得られた。このＹＡＧレーザの出力を、レーザモジュール２２０１の０．５秒間のインターバルによりオン−オフさせて長期ランニング試験を行ったところ、ＹＡＧレーザの出力は１万時間にわたり出力を継続し、１万時間後の出力は２７０Ｗで低下率は１０％以下となった。この程度の出力低下はレーザダイオードに流す電流値を上げることにより回復が可能であるため、装置の仕様としては問題が無い。従来の上部電極にボンディングワイヤー又は板電極を用いた２５０Ｗの５連モジュール２個で励起したレーザ装置で同じランニング試験を試みたところ、５００時間程度でレーザモジュールに故障が生じ、発振しなくなってしまった。原因を調べたところ５連モジュールの中の１個のレーザダイオードバーの上部電極部に断線が生じていた。
【実施例５】
【００６７】
図１８は、本発明の実施例５のレーザ装置を示す図である。レーザ装置２３０１は実施例４で作製したものであり、アレイレーザダイオードモジュール２２０１と、Ｎｄ：ＹＡＧレーザロッド２２０２と、出力ミラー２２０３と、リアミラー２２０４とを含むものである。レーザ装置２３０１から発生するレーザ光２３０２を光ファイバー２３０３に結合し、この光ファイバー２３０３の端部に対物レンズ２３０４を接合した。そして、厚さが１ｍｍの１対の鉄板２３０５を突き合わせ、この突き合わせ面からなる溶接線２３０６に、対物レンズ２３０４によりレーザ光２３０２を集光照射し、この溶接線２３０６に沿ってレーザ光２３０２スキャンさせることにより、２枚の鉄板２３０５を溶接した。複数箇所の溶接を効率良く行うためには、レーザ光の出力をオン−オフさせることが重要となる。本実施例のレーザダイオードモジュールはオン−オフさせても長時間安定した動作が可能であり、仮に１個のレーザダイオードバーに不具合が生じても、断線することなく動作するので、本実施例のモジュールを搭載したレーザ加工装置は長期間安定した溶接が可能となる。従来の高出力レーザダイオードモジュールは、オン−オフで長時間安定して動作できないので、従来のモジュールを使用したレーザ装置を搭載したレーザ加工装置は、レーザ装置から発生する光を物理的なシャッターを使用してオン−オフさせていた。しかし、レーザ光が高出力化するに伴い、シャッターの耐熱性、反射光の影響及びシャッタースピードの点で問題点が生じ、その対策に多大のコストを要し、シャッターでのオン−オフは限界に近づいていた。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るレーザダイオードモジュールを示す正面図である。
【図２】同じくそのレーザダイオードモジュールに使用するコイル電極を示す斜視図である。
【図３】同じくそのレーザダイオードモジュールに使用するコイル電極の可変範囲を示す模式図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るレーザダイオードモジュールを示す斜視図である。
【図５】同じくそのレーザダイオードモジュールに使用する渡り押さえ電極を取り出して示す斜視図である。
【図６】図４のＡ−Ａ′線による断面図である。
【図７】同じくそのレーザダイオードモジュールにおいて、レーザダイオードが第１のソルダー層を介して２枚のサブマウント基板に接合されたサンドイッチ体を形成する方法を示す図である。
【図８】図６に示したサンドイッチ体をヒートシンクに第２のソルダー層を使用して実装する方法を示す図である。
【図９】第２のソルダー層によりサブマウント基板をヒートシンクに実装する際の実装前と実装後の状態を示す断面図である。
【図１０】第２のソルダーにインジウムを使用したモジュールをランニング試験した場合のインジウムの膜厚と故障確率との関係を示すグラフ図である。
【図１１】本発明のレーザダイオードモジュールと従来のボンディングワイヤーを使用したレーザダイオードモジュールに電流を流したときの電流と光出力との関係を示すグラフ図である。
【図１２】本発明のレーザダイオードモジュールと従来のボンディングワイヤーを使用したレーザダイオードモジュールの出力の経時変化を示すグラフ図である。
【図１３】従来の方法であるボンディングワイヤーを用いて上部の電極を形成したレーザダイオードモジュールのランニング評価後の状態をモジュールの光を出力する面から見た図である。
【図１４】従来の発明のモジュールで、図１３の剥がれがあった部分の下部のソフトソルダー領域の断面図である。
【図１５】本発明のレーザダイオードモジュールの第２の実装形態で５個のレーザダイオードモジュールをアレイ化したものの斜視図である。
【図１６】本発明のアレイレーザダイオードモジュールでアレイ中のレーザダイオードを故意に故障させた場合のアレイモジュールの出力の経時変化を示すグラフ図である。
【図１７】本発明のレーザダイオードモジュールを励起光源に用いたレーザ装置の模式図である。
【図１８】本発明のレーザダイオードモジュールを励起光源に使用したレーザ装置から出力されるレーザ光によるレーザ溶接装置を示す模式図である。
【図１９】従来のレーザダイオードバーを示す斜視図である。
【図２０】ボンディングワイヤーを上部電極に用いている縦方向にスタックされた従来のレーザダイオードモジュールを示す斜視図である。
【図２１】２枚の端子板に第１のソルダーで接合されたレーザダイオードを冷却体に第２のソルダーで接合した従来のレーザダイオードモジュールを示す正面図である。
【図２２】塑性変形が可能な吸熱体と蓋で挟まれた従来のレーザダイオードモジュールを示す平面図である。
【図２３】レーザダイオードと熱消散シートを、ソルダーを用いずに交互にスタックしたものを固定部に固定されたバネでベースに押さえつけた従来のレーザダイオードモジュールを示す平面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０１  電極
１０２  発光面
１０３  発光領域
１０４  電極面
２０１  積層体
２０２  冷却ヒートシンク
２０３  レーザダイオードバー
２０４  ラバーシート
２０５  金属シート
２０６  ボンディングワイヤー
２０７  冷却水通路
３０１  レーザダイオード
３０２  端子板
３０３  ハードソルダー
３０４  端子板
３０５  ハードソルダー
３０６  ソフトソルダー・弾性接着剤
３０７  リード端子
３０８  ヒートシンク
３０９  側面
３１０  鏡面層
３１１  冷却体
３１２  冷却媒体案内部
３１３  端子板下部
３１４  冷却水
４０１  レーザダイオードモジュール
４０２  第一のソルダー
４０３  吸熱体の内面
４０４  第２のソルダー
４０５  蓋の内面
４０６  吸熱体の底面
４０７  吸熱体
４０８  蓋
４０９  吸熱体の外面
４１０  蓋の外面
４１１  放出面
４１２  反射面
４１３  吸熱体の頂面
４１４  蓋の上端
４１５  レーザダイオード第１面
４１６  レーザダイオード第２面
４１７  蓋の下面
５０１  固定部
５０２  ベース
５０３  レーザダイオードスタック
５０４  バネ
５０５  絶縁シート
６０１  レーザダイオード
６０２  サブマウント基板
６０３  ハードソルダー層
６０４  サンドイッチ体
６０５  ヒートシンク
６０６  ソフトソルダー層
６０７  コイル電極
６０８  押さえ電極
６０９  絶縁スペーサ
６１０  止めネジ
６１１  端子線
８０２  コイル径
８０３  塑性変形が開始するときのコイル径
８０４  可動範囲
９０１  渡り押さえ電極
９０２  ヒートシンク
９０３  コイル電極
９０４  サブマウント
９０５  レーザダイオード
９０６  サンドイッチ体
９０７  止めネジ
９０８  固定台
９０９  端子線
１００２  高さ
１４０５  サブマウント基板上金属
１４０６  ソフトソルダー層に表面金属が拡散して合金を形成した層
１４０７  ソフトソルダー層全体に合金化されたグレインが分散された層
１８０１  レーザダイオードバー
１８０２  はがれ
１８０３  ハードソルダー
１８０４  ヒートシンク
１８０５  サブマウント基板
１８０６  ソフトソルダー
１８０７  ボンディングワイヤー
１９０１  インジウムソルダー実装部分
１９０２  クラック
１９０３  ボイド
１９０４  はがれ
１９０５  ＩｎＡｕ合金グレイン
２００１  ヒートシンク
２００２  サンドイッチ体
２００３  コイル電極
２００４  ホルダー
２００５  渡り押さえ電極
２００６  渡り電極
２００７  電極端子
２００８  冷却水導入口
２００９  押さえ板
２０１０  止めネジ
２０１１  ネジ穴
２２０１  アレイレーザダイオードモジュール
２２０２  Ｎｄ：ＹＡＧレーザロッド
２２０３  ファイバー
２２０４  リアミラー
２２０５  出力光
２３０１  レーザ装置
２３０２  レーザ光
２３０３  ファイバー
２３０４  対物レンズ
２３０５  鉄板
２３０６  界面
【図１】
2005108907.tif 000003
【図２】
2005108907.tif 000004
【図３】
2005108907.tif 000005
【図４】
2005108907.tif 000006
【図５】
2005108907.tif 000007
【図６】
2005108907.tif 000008
【図７】
2005108907.tif 000009
【図８】
2005108907.tif 000010
【図９】
2005108907.tif 000011
【図１０】
2005108907.tif 000012
【図１１】
2005108907.tif 000013
【図１２】
2005108907.tif 000014
【図１３】
2005108907.tif 000015
【図１４】
2005108907.tif 000016
【図１５】
2005108907.tif 000017
【図１６】
2005108907.tif 000018
【図１７】
2005108907.tif 000019
【図１８】
2005108907.tif 000020
【図１９】
2005108907.tif 000021
【図２０】
2005108907.tif 000022
【図２１】
2005108907.tif 000023
【図２２】
2005108907.tif 000024
【図２３】
2005108907.tif 000025