JP2015505163A - 伝導冷却型高出力半導体レーザーおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

伝導冷却型高出力半導体レーザーおよびその製造方法である。当該伝導冷却型高出力半導体レーザーは、放熱器（２）と一または二以上の半導体レーザーユニット（１）を備える。半導体レーザーユニットはチップ（３）、チップに溶接され、放熱・導電の作用を果す基板（４）、及び基板に溶接され、絶縁・放熱の作用を果す絶縁シート（５）からなり、半導体レーザーユニットは絶縁シートを介して放熱器に溶接されている。半導体レーザーユニットに対して、事前にテスト、エージング、選別を行うことで、レーザーの歩留まりを向上させ、製造コストを節約することができる。当該レーザーは、放熱性がよく、信頼性が高く、高温などの複雑で変化の多い環境に適用する。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体レーザーに関し、伝導冷却型高出力半導体レーザーおよびその製造方法であり、レーザー技術の分野に属する。

半導体レーザーは、ダイオードレーザー（ＤＬ）とも呼ばれる。高出力半導体レーザーは、小型、軽量、高電気−光変換効率、高信頼性、長寿命などの利点を有し、且つ電気駆動を用いるため、さまざまな場面で使いやすいので、高出力半導体レーザーは、例えばレーザー加工、レーザー通信、医療、美容、科学研究、軍事防衛、レーザーエンターテイメントショーなどの幅広い分野に適用できる。多くの適用される場合において、半導体レーザーが長寿命、高い安定性、高い信頼性および長期保存という特徴を有することが求められている。半導体レーザーに長期間にわたる使用において効率的な働きをどのように維持させるかは、半導体レーザー自体とパッケージング技術にとって大きな課題になる。

伝導冷却方式や硬質はんだパッケージング技術を用いることで、軟質はんだパッケージングに起因するエレクトロマイグレーションと電熱マイグレーションによる失効を回避する一方、長期保存及び極端な環境下でも安定して働く要件を満たすことができるため、伝導冷却型半導体レーザーは航空・宇宙、自由空間通信、加工、高温ポンピング固体/光ファイバーレーザーなどの分野で広く用いられることが期待されている。

図１は、複数のチップと複数の銅タングステンとを同時に溶接してから、全体として絶縁導熱シートに溶接してなるモジュールを、放熱器に溶接することで得られる従来の伝統的な伝導冷却型半導体レーザースタックアレイの製造プロセスである。この構造には以下の欠点がある。
（１）歩留まりが低い。複数のチップと複数の銅タングステンシートとを同時に溶接する際に、そのうちの一つのチップが破損すると、その製品が使用できなくなるため、製品の歩留まりは非常に低い。
（２）放熱性と信頼性に劣る。溶接した複数のチップと複数の銅タングステンを絶縁導熱シートに溶接する際に、溶接プロセスが複雑であるため、中間に位置する銅タングステンシートを絶縁導熱シートに溶接しにくいので、この構造を有する製品は放熱性と信頼性に劣る。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を克服し、従来技術における伝導冷却型高出力半導体レーザーの歩留まりが低く、放熱性と信頼性に劣るなどの課題を解決できる、伝導冷却型高出力半導体レーザー及びその製造方法を提供することにある。

本発明の目的は、以下の技術案で実現される。

放熱器と一又は二以上の半導体レーザーユニットを備える伝導冷却型高出力半導体レーザーであって、前記半導体レーザーユニットは、チップと、該チップに溶接され、放熱・導電の作用を果す基板と、該基板に溶接され、絶縁・放熱の作用を果す絶縁シートとからなり、前記半導体レーザーユニットは前記絶縁シートを介して放熱器に溶接されていることを特徴とする。

前記半導体レーザーユニットは、テスト、エージング及び選別を経た半導体レーザーユニットである。

前記チップは単管チップ（シングルエミッタ）、ショートアレイ（例えば、ミニバーとハーフバー、標準センチメートルバー）又は複数の単管チップセットである。

前記基板の材質が導電性を有し、かつ熱伝導率が１７０Ｗ/（ｍ^２・Ｋ）より高い材料（例えば、銅、銅タングステン、モリブデン銅、銅ダイヤモンドなどの金属材料又は金属基複合材料）である。

前記絶縁シートの熱伝導率が１２０Ｗ/（ｍ^２・Ｋ）より高く、セラミック（例えば、ＡｌＮ、ＢｅＯ）、ダイヤモンドなどの材料であってもよい。

前記放熱器は水冷、空冷、電子冷却、又はそのうちの二種以上の放熱方式を組み合わせる放熱構造である。

上記放熱器の数は一つでもよく、二以上であってもよい。

前記伝導冷却高出力半導体レーザーを製造する方法は、以下のステップを含む。即ち、
単管チップ又はショートアレイ（例えば、ミニバーとハーフバーまたは標準センチメートルバー）を放熱・導電の作用を有する基板に実装し、前記基板を絶縁・放熱の作用を有する絶縁シートに実装して、半導体レーザーユニットを製造するステップ１、
半導体レーザーユニットに対して、テスト、エージング、選別を行うステップ２、
選別を経て合格した複数の半導体レーザーユニットを、絶縁シートを介して放熱器に実装して、伝導冷却型高出力半導体レーザーを製造するステップ３
を含む。

上記伝導冷却高出力半導体レーザーを製造するほかの方法として、以下のステップを含む。即ち、
単管チップ又はショートアレイ（例えば、ミニバーとハーフバーまたは標準センチメートルバー）を放熱・導電の作用を有する基板に実装し、前記基板を絶縁・放熱の作用を有する絶縁シートに実装して、半導体レーザーユニットを製造するステップ１、
前記半導体レーザーユニットに対して、テスト、エージング及び選別を行うステップ２、
選別を経て合格した複数の前記半導体レーザーユニット同士を溶接してから、溶接によって一体になった複数の前記半導体レーザーユニットを、前記絶縁シートを介して放熱器に実装して、伝導冷却型高出力半導体レーザーを製造するステップ３
を含む。

本発明は、以下の有益な効果を有する。
（１）低コスト。半導体レーザーユニットは、事前にそれぞれテスト、エージング、選別を行うため、製造過程における歩留まりを向上させ、コストを大いに節約する。
（２）良好な放熱性。半導体レーザーユニットは、それぞれ放熱器に溶接されるため、各半導体レーザーユニットと放熱器との接触がよいことを確保できるため、放熱性を著しく向上させ、放熱効率が高い。
（３）半導体レーザーユニットのそれぞれに対して、単独にテスト、エージングを行ってから、性能に合格したことがわかった半導体レーザーユニットを選別し、それを放熱器に実装するため、製造された伝導冷却型高出力半導体レーザーが既知の良好な性能を有することを保証できる。
（４）高い信頼性。高温などの複雑で変化の多い環境に適用する。

従来の伝導冷却高出力半導体レーザーの製造方法の概略図である。 本発明の伝導冷却型高出力半導体レーザーの第１の製造方法の概略図である。 本発明の伝導冷却型高出力半導体レーザーの第２の製造方法の概略図である。 本発明の伝導冷却型高出力半導体レーザーの構造の概略図である。 製造された伝導冷却型高出力半導体レーザーに対して、５０℃で出力をテストした結果を示すグラフである。 製造された伝導冷却型高出力半導体レーザーに対して、５０℃で光強度をテストした結果を示すグラフである。

１ 半導体レーザーユニット
２ 放熱器
３ チップ
４ 基板
５ 絶縁シート

以下、図面を参照して、本発明をさらに詳しく説明する。

図２は、本発明の伝導冷却型高出力半導体レーザーの第１の製造方法を示す概略図である。
（１）半導体レーザーチップを放熱・導電の作用を果す基板に実装し、当該基板を絶縁シートに実装して、半導体レーザーユニットを製造する。
（２）半導体レーザーユニットに対して、テスト、エージング、選別を行う。
（３）選別を経て合格した複数の半導体レーザーユニットを、絶縁層を介して放熱器に実装して、伝導冷却型高出力半導体レーザーを製造する。

図３は、本発明の伝導冷却型高出力半導体レーザーの第２の製造方法を示す概略図である。
（１）半導体レーザーチップを放熱・導電の作用を果す基板に実装し、当該基板を絶縁シートに実装して、半導体レーザーユニットを製造する。
（２）半導体レーザーユニットに対して、テスト、エージング、選別を行う。
（３）選別を経て合格した複数の半導体レーザーユニット同士を溶接してから、溶接によって一体になった複数の半導体レーザーユニットを、絶縁シートを介して放熱器に実装して、伝導冷却型高出力半導体レーザーを製造する。

図４は本発明の伝導冷却型高出力半導体レーザーの概略図であって、当該伝導冷却型高出力半導体レーザーは、半導体レーザーユニット１と放熱器２を備える。

当該半導体レーザーユニット１は放熱器２に溶接されている。

半導体レーザーユニット１はチップ３と、チップ３に溶接され、放熱・導電の作用を果す基板４と、基板４に溶接された絶縁シート５とからなり、半導体レーザーユニット１は絶縁シート５を介して放熱器２に溶接されている。

半導体レーザーユニット１の数は一又は二以上である。

半導体レーザーユニット１は、テスト、エージング、選別を経て選ばれた、性能に合格したことがわかった半導体レーザーユニットである。

チップ３は、単管チップや、例えば、ミニバーとハーフバー、標準センチメートルバーといったショートアレイであってよく、或は、複数の単管チップセットであってもよい。

基板４の材質は導電性を有し、かつ高い熱伝導率性能を有する材料であって、銅、銅タングステン、モリブデン銅、銅ダイヤモンドなどの金属材料または金属基複合材料であってよい。

絶縁シート５の材質は絶縁で高い熱伝導率を有する材料であって、セラミック（例えば、ＡｌＮ、ＢｅＯ）、ダイヤモンドなどの材料であってよい。

放熱器２は高い熱伝導率を有する材料を用いて冷却するものであってよく、水冷、空冷、電子冷却、またはそのうちの２種以上の方式を組み合わせることで放熱してもよい。

本発明の原理は、以下の通りである。

外部電源を通じて電流を半導体レーザーチップに印加し、半導体レーザーチップにおいて発生した熱は基板を通して絶縁シートに伝導して、さらに放熱器に伝導して放熱される。

本発明では、チップを基板に溶接してから、基板に絶縁シートを溶接することで、半導体レーザーユニットを製造する。半導体レーザーユニットに対して、単独にエージング、テスト、選別を行い、且つ、異なる波長のチップを使用できるため、スペクトルレンジが広く、多波長の出力が実現される。

本発明の伝導冷却型高出力半導体レーザーを製造する方法によれば、伝導冷却型高出力半導体レーザーが製造される。図４に示すように、出力が２００ワットであるバーチップを６個使用して、その６個のバーチップを直列接続する構造となる。図５は、製造された伝導冷却型高出力半導体レーザーに対して、５０℃で出力をテストした結果を示すグラフである。図５から分かるように、５０℃で、当該伝導冷却型半導体レーザーの出力ピークが１１９４ワットであり、変換効率は５２％に達した。図６は、製造された伝導冷却型高出力半導体レーザーに対して、５０℃で光強度をテストした結果を示すグラフである。図６から分かるように、５０℃で、当該伝導冷却型半導体レーザーの半値全幅が非常に狭く、２．９３ｎｍである。これで分かるように、当該伝導冷却型半導体レーザーは、放熱性が良好で、デューティ比の高い環境および高温環境に適用可能である。

Claims (9)

1. 放熱器と一又は二以上の半導体レーザーユニットを備える伝導冷却型高出力半導体レーザーであって、前記半導体レーザーユニットは、チップと、該チップに溶接され、放熱・導電の作用を果す基板と、該基板に溶接され、絶縁・放熱の作用を果す絶縁シートとからなり、前記半導体レーザーユニットは前記絶縁シートを介して放熱器に溶接されていることを特徴とする伝導冷却型高出力半導体レーザー。
2. 前記半導体レーザーユニットは、テスト、エージング及び選別を経た半導体レーザーユニットであることを特徴とする請求項１に記載の伝導冷却型高出力半導体レーザー。
3. 前記チップは、単管チップ、ショートアレイまたは複数の単管チップセットであることを特徴とする請求項１に記載の伝導冷却型高出力半導体レーザー。
4. 前記基板の材質が導電性を有し、かつ熱伝導率が１７０Ｗ/（ｍ^２・Ｋ）より高い材料であることを特徴とする請求項１に記載の伝導冷却型高出力半導体レーザー。
5. 前記絶縁シートの熱伝導率が１２０Ｗ/（ｍ^２・Ｋ）より高いことを特徴とする請求項１に記載の伝導冷却型高出力半導体レーザー。
6. 前記放熱器は水冷、空冷、電子冷却、又はそのうちの二種以上の放熱方式を組み合わせた放熱構造であることを特徴とする請求項１に記載の伝導冷却型高出力半導体レーザー。
7. 前記放熱器の数は一又は二以上であることを特徴とする請求項６に記載の伝導冷却型高出力半導体レーザー。
8. 請求項１に記載の伝導冷却型高出力半導体レーザーを製造する方法であって、
   単管チップ又はショートアレイを放熱・導電の作用を有する基板に実装し、前記基板を絶縁・放熱の作用を有する絶縁シートに実装して、半導体レーザーユニットを製造するステップ１と、
   前記半導体レーザーユニットに対して、テスト、エージング及び選別を行うステップ２と、
   選別を経て合格した複数の前記半導体レーザーユニットを、前記絶縁シートを介して放熱器に実装して、伝導冷却型高出力半導体レーザーを製造するステップ３と、を含む方法。
9. 請求項１に記載の伝導冷却型高出力半導体レーザーを製造する方法であって、
   単管チップ又はショートアレイを放熱・導電の作用を有する基板に実装し、前記基板を絶縁・放熱の作用を有する絶縁シートに実装して、半導体レーザーユニットを製造するステップ１と、
   前記半導体レーザーユニットに対して、テスト、エージング及び選別を行うステップ２と、
   選別を経て合格した複数の前記半導体レーザーユニット同士を溶接してから、溶接によって一体になった複数の前記半導体レーザーユニットを、前記絶縁シートを介して放熱器に実装して、伝導冷却型高出力半導体レーザーを製造するステップ３と、を含む方法。

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