JP2017028044A - Semiconductor laser device and method for manufacturing semiconductor laser device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レーザ装置及び半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser device and a method for manufacturing a semiconductor device.
従来の半導体レーザ装置として、例えば特許文献1に記載の半導体レーザ装置がある。この半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子に電気的に並列な半絶縁性部材とを、絶縁部材又は金属部材からなるサブマウントで挟んだ積層構造体を絶縁基板上に配置している。この半導体レーザ装置は、レーザ光の発振方向の反対側で冷却がなされる背面冷却構造となっており、レーザ発振時に半導体レーザ素子で発生した熱が、絶縁部材又は金属部材を介して絶縁基板(及び絶縁基板に接続されるヒートシンク)に放熱されるようになっている。
As a conventional semiconductor laser device, for example, there is a semiconductor laser device described in
また、例えば特許文献2に記載の半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子の両電極面を一対のヒートシンクで挟んだ積層構造体が絶縁体セラミック基板上に配置している。この特許文献2では、導体又は絶縁体からなるサブマウントに搭載した半導体レーザ素子を一対のヒートシンクで挟んで積層構造体を構成する例も開示されている。
For example, in the semiconductor laser device described in
上述した特許文献1では、積層構造体と絶縁基板との接合、及び積層構造体における半導体レーザ素子とサブマウントとの接合の詳細については言及されていない。しかしながら、上記のような半導体レーザ装置では、これらの接合が重要となっている。例えばサブマウントの製造公差に起因して、半導体レーザ素子及び絶縁基板に対するサブマウントの端部位置が不揃いになると、半導体レーザ素子とサブマウントとの間の接触面積が不十分になることや、サブマウントと絶縁基板とに接続不良が生じてしまうことが考えられる。このような不具合が生じると、半導体レーザ素子からヒートシンクへの放熱性が低下してしまうおそれがある。
In
また、上述した特許文献2では、サブマウントと絶縁体セラミック基板とが接続されておらず、半導体レーザから絶縁体セラミック基板への放熱性に改善の余地がある。また、特許文献2の構成では、各構成要素の接合に多くの工程を要する。接合の工程数が増加すると半導体レーザ装置の製造コストの増大の要因となる。
In
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、接合工程を簡単化できると共に、半導体レーザ素子からヒートシンクへの放熱性を向上できる半導体レーザ装置及び半導体レーザ装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and provides a semiconductor laser device and a method for manufacturing the semiconductor laser device that can simplify the joining process and improve the heat dissipation from the semiconductor laser element to the heat sink. For the purpose.
上記課題の解決のため、本発明の一側面に係る半導体レーザ装置は、ヒートシンクと、ヒートシンクの一面側に設けられ、表面に導体パターンが形成された伝熱性の絶縁基板と、絶縁基板の一面側に設けられ、半導体レーザ素子がサブマウントに搭載されたレーザユニットを絶縁基板の面内方向に積層してなる積層構造体と、レーザユニット同士、及びサブマウントの他端側と絶縁基板上の導体パターンとを接合する第1のハンダ層と、ヒートシンクと絶縁基板とを接合する第2のハンダ層と、を備え、第1のハンダ層は、第2のハンダ層を構成するハンダよりも高融点のハンダによって構成され、少なくともサブマウントの一端側から他端側まで延在している。 In order to solve the above problems, a semiconductor laser device according to one aspect of the present invention includes a heat sink, a heat conductive insulating substrate provided on one surface side of the heat sink, and having a conductor pattern formed on the surface, and one surface side of the insulating substrate. A laminated structure in which laser units each having a semiconductor laser element mounted on a submount are stacked in the in-plane direction of the insulating substrate, the laser units, the other end of the submount, and a conductor on the insulating substrate A first solder layer that joins the pattern; and a second solder layer that joins the heat sink and the insulating substrate. The first solder layer has a higher melting point than the solder constituting the second solder layer. And extends at least from one end side of the submount to the other end side.
この半導体レーザ装置では、レーザユニット同士、及びサブマウントの他端側と絶縁基板上の導体パターンとの接合に第1のハンダ層が用いられ、ヒートシンクと絶縁基板との接合に第2のハンダ層が用いられている。第1のハンダ層は、第2のハンダ層を構成するハンダよりも高融点のハンダによって構成されている。かかる構成により、この半導体レーザ装置では、レーザユニット同士の接合、及びサブマウントの他端側と絶縁基板上の導体パターンとの接合を同時に実施できるので、接合工程を簡単化できる。また、この半導体レーザ装置では、第1のハンダ層が少なくともサブマウントの一端側から他端側まで延在している。したがって、サブマウントの製造公差に起因して、半導体レーザ素子及び絶縁基板に対するサブマウントの端部位置が不揃いになったとしても、接合の際に第1のハンダ層がサブマウントの一端側の端面及び他端側の端面に回り込むことで、半導体レーザ素子とサブマウントとの間の接触面積の確保及びサブマウントと絶縁基板との間の熱的な接続の担保が可能となる。したがって、半導体レーザ素子からヒートシンクへの放熱性を向上できる。 In this semiconductor laser device, the first solder layer is used for joining the laser units and the other end of the submount to the conductor pattern on the insulating substrate, and the second solder layer is used for joining the heat sink and the insulating substrate. Is used. The first solder layer is composed of solder having a melting point higher than that of the solder constituting the second solder layer. With this configuration, in this semiconductor laser device, since the laser units can be bonded together and the other end side of the submount and the conductor pattern on the insulating substrate can be simultaneously bonded, the bonding process can be simplified. In the semiconductor laser device, the first solder layer extends from at least one end side of the submount to the other end side. Therefore, even if the end position of the submount with respect to the semiconductor laser element and the insulating substrate becomes uneven due to the manufacturing tolerance of the submount, the first solder layer is attached to the end face on one end side of the submount at the time of bonding. Further, the contact area between the semiconductor laser element and the submount and the thermal connection between the submount and the insulating substrate can be ensured by wrapping around the end face on the other end side. Therefore, the heat dissipation from the semiconductor laser element to the heat sink can be improved.
また、レーザユニットは、半導体レーザ素子を一対のサブマウントで挟み込んで構成されていてもよい。この場合、絶縁基板に対する積層構造体の接合をより強固なものにすることができる。また、積層構造体中のサブマウントの体積が増加することで、半導体レーザ素子からヒートシンクへの放熱経路が拡大される。これにより、半導体レーザ素子からヒートシンクへの放熱性を一層向上できる。 The laser unit may be configured by sandwiching a semiconductor laser element between a pair of submounts. In this case, the bonding of the laminated structure to the insulating substrate can be made stronger. Further, the heat dissipation path from the semiconductor laser element to the heat sink is expanded by increasing the volume of the submount in the laminated structure. Thereby, the heat dissipation from the semiconductor laser element to the heat sink can be further improved.
また、積層構造体は、レーザユニット間に積層される中間マウントを更に有し、第1のハンダ層は、中間マウントの表面を覆うように設けられていてもよい。この場合、中間マウントが介在することによって、半導体レーザ素子からヒートシンクへの放熱経路が拡大される。これにより、半導体レーザ素子からヒートシンクへの放熱性を一層向上できる。 The stacked structure may further include an intermediate mount stacked between the laser units, and the first solder layer may be provided so as to cover the surface of the intermediate mount. In this case, the heat dissipation path from the semiconductor laser element to the heat sink is expanded by interposing the intermediate mount. Thereby, the heat dissipation from the semiconductor laser element to the heat sink can be further improved.
また、中間マウントは、銅タングステンからなってもよい。これにより、中間マウントの熱導電性及び電気伝導性を良好に確保できる。また、半導体レーザ素子との間の熱膨張係数差が抑えられ、積層構造体に歪み等が生じることを抑制できる。 The intermediate mount may be made of copper tungsten. Thereby, the thermal conductivity and electrical conductivity of the intermediate mount can be secured satisfactorily. Further, the difference in thermal expansion coefficient with the semiconductor laser element can be suppressed, and distortion and the like can be suppressed from occurring in the laminated structure.
また、第1のハンダ層を構成するハンダは、金錫ハンダであり、第2のハンダ層を構成するハンダは、インジウムハンダであってもよい。この場合、第1のハンダ層を構成するハンダと、第2のハンダ層を構成するハンダとの融点の差を十分に確保できる。したがって、第2のハンダ層によってヒートシンクと絶縁基板とを接合する際の熱が第1のハンダ層に影響してしまうことを防止できる。 Further, the solder constituting the first solder layer may be gold tin solder, and the solder constituting the second solder layer may be indium solder. In this case, a sufficient difference in melting point between the solder constituting the first solder layer and the solder constituting the second solder layer can be secured. Therefore, it is possible to prevent the heat at the time of joining the heat sink and the insulating substrate by the second solder layer from affecting the first solder layer.
また、サブマウントは、銅タングステンからなってもよい。これにより、サブマウントの熱導電性及び電気伝導性を良好に確保できる。また、半導体レーザ素子との間の熱膨張係数差が抑えられ、積層構造体に歪み等が生じることを抑制できる。 The submount may be made of copper tungsten. Thereby, the thermal conductivity and electrical conductivity of the submount can be ensured satisfactorily. Further, the difference in thermal expansion coefficient with the semiconductor laser element can be suppressed, and distortion and the like can be suppressed from occurring in the laminated structure.
また、絶縁基板は、窒化アルミニウムからなってもよい。これにより、絶縁基板の電気絶縁性及び放熱性を良好に確保できる。また、半導体レーザ素子との間の熱膨張係数差が抑えられ、積層構造体に歪み等が生じることを抑制できる。 The insulating substrate may be made of aluminum nitride. Thereby, the electrical insulation and heat dissipation of the insulating substrate can be ensured satisfactorily. Further, the difference in thermal expansion coefficient with the semiconductor laser element can be suppressed, and distortion and the like can be suppressed from occurring in the laminated structure.
また、本発明の一側面に係る半導体レーザ装置の製造方法は、ヒートシンクと、ヒートシンクの一面側に設けられ、表面に導体パターンが形成された伝熱性の絶縁基板と、絶縁基板の一面側に設けられ、半導体レーザ素子がサブマウントに搭載されたレーザユニットを絶縁基板の面内方向に積層してなる積層構造体と、レーザユニット同士、及びサブマウントの他端側と絶縁基板上の導体パターンとを接合する第1のハンダ層と、ヒートシンクと絶縁基板とを接合する第2のハンダ層と、を備えた半導体レーザ装置の製造方法であって、第2のハンダ層を構成するハンダよりも高融点のハンダを用い、少なくともサブマウントの一端側から他端側まで延在するように第1のハンダ層をレーザユニット間に配置し、当該第1のハンダ層によって、レーザユニット同士、及びサブマウントの他端側と絶縁基板上の導体パターンとを同時に接合し、絶縁基板と積層構造体との接合体を得る第1の接合工程と、接合体の絶縁基板とヒートシンクとの間に第2のハンダ層を配置し、当該第2のハンダ層によって絶縁基板とヒートシンクを接合して半導体レーザ装置を得る第2の接合工程と、を備える。 In addition, a method of manufacturing a semiconductor laser device according to one aspect of the present invention includes a heat sink, a heat conductive insulating substrate provided on one surface side of the heat sink and having a conductor pattern formed on the surface, and provided on one surface side of the insulating substrate. A stacked structure in which laser units each having a semiconductor laser element mounted on a submount are stacked in the in-plane direction of the insulating substrate, the laser units, the other end of the submount, and a conductor pattern on the insulating substrate; A method for manufacturing a semiconductor laser device, comprising: a first solder layer that joins the second solder layer; and a second solder layer that joins the heat sink and the insulating substrate. The method is higher than the solder constituting the second solder layer. A first solder layer is disposed between the laser units so as to extend at least from one end side to the other end side of the submount using a melting point solder, and the first solder layer A first bonding step of simultaneously bonding the laser units and the other end of the submount and the conductor pattern on the insulating substrate to obtain a bonded body of the insulating substrate and the laminated structure, and the insulating substrate and heat sink of the bonded body And a second bonding step in which a second solder layer is disposed between the insulating substrate and the heat sink by the second solder layer to obtain a semiconductor laser device.
この半導体レーザ装置の製造方法では、レーザユニット同士、及びサブマウントの他端側と絶縁基板上の導体パターンとの接合に第1のハンダ層を用い、ヒートシンクと絶縁基板との接合に第2のハンダ層が用いている。また、第1のハンダ層として、第2のハンダ層を構成するハンダよりも高融点のハンダを用いている。かかる構成により、この半導体レーザ装置の製造方法では、レーザユニット同士の接合、及びサブマウントの他端側と絶縁基板上の導体パターンとの接合を同時に実施できるので、接合工程を簡単化できる。また、この半導体レーザ装置の製造方法では、第1のハンダ層を少なくともサブマウントの一端側から他端側まで延在するように配置している。したがって、サブマウントの製造公差に起因して、半導体レーザ素子及び絶縁基板に対するサブマウントの端部位置が不揃いになったとしても、接合の際に第1のハンダ層がサブマウントの一端側の端面及び他端側の端面に回り込むことで、半導体レーザ素子とサブマウントとの間の接触面積の確保及びサブマウントと絶縁基板との間の熱的な接続の担保が可能となる。したがって、半導体レーザ素子からヒートシンクへの放熱性を向上できる。 In this method of manufacturing a semiconductor laser device, the first solder layer is used for bonding the laser units and the other end of the submount to the conductor pattern on the insulating substrate, and the second solder layer is bonded to the heat sink and the insulating substrate. Solder layer is used. Further, as the first solder layer, solder having a melting point higher than that of the solder constituting the second solder layer is used. With this configuration, in this method of manufacturing a semiconductor laser device, since the laser units can be bonded together and the other end of the submount and the conductor pattern on the insulating substrate can be simultaneously bonded, the bonding process can be simplified. In this method of manufacturing a semiconductor laser device, the first solder layer is disposed so as to extend at least from one end side to the other end side of the submount. Therefore, even if the end position of the submount with respect to the semiconductor laser element and the insulating substrate becomes uneven due to the manufacturing tolerance of the submount, the first solder layer is attached to the end face on one end side of the submount at the time of bonding. Further, the contact area between the semiconductor laser element and the submount and the thermal connection between the submount and the insulating substrate can be ensured by wrapping around the end face on the other end side. Therefore, the heat dissipation from the semiconductor laser element to the heat sink can be improved.
また、レーザユニットとして、半導体レーザ素子を一対のサブマウントで挟み込んで構成されたレーザユニットを用いてもよい。この場合、絶縁基板に対する積層構造体の接合をより強固なものにすることができる。また、積層構造体中のサブマウントの体積が増加することで、半導体レーザ素子からヒートシンクへの放熱経路が拡大される。これにより、半導体レーザ素子からヒートシンクへの放熱性を一層向上できる。 Further, as the laser unit, a laser unit configured by sandwiching a semiconductor laser element between a pair of submounts may be used. In this case, the bonding of the laminated structure to the insulating substrate can be made stronger. Further, the heat dissipation path from the semiconductor laser element to the heat sink is expanded by increasing the volume of the submount in the laminated structure. Thereby, the heat dissipation from the semiconductor laser element to the heat sink can be further improved.
また、第1の接合工程において、蒸着又はめっきによってレーザユニット間に第1のハンダ層を形成してもよい。これにより、第1のハンダ層の膜厚の制御が容易となり、積層構造体の組み立てを短時間で安定して実施できる。 In the first bonding step, the first solder layer may be formed between the laser units by vapor deposition or plating. Thereby, control of the film thickness of the first solder layer is facilitated, and assembly of the laminated structure can be stably performed in a short time.
また、第1の接合工程において、ハンダシートを用いてレーザユニット間に第1のハンダ層を形成してもよい。これにより、第1のハンダ層の配置が容易となり、積層構造体の組み立てを短時間で安定して実施できる。 In the first bonding step, a first solder layer may be formed between the laser units using a solder sheet. Thereby, arrangement | positioning of a 1st solder layer becomes easy and the assembly of a laminated structure can be implemented stably in a short time.
また、第1の接合工程において、第1のハンダ層によって表面が覆われた中間サブマウントをレーザユニット間に配置してもよい。これにより、第1のハンダ層の配置が容易となり、積層構造体の組み立てを短時間で安定して実施できる。 In the first bonding step, an intermediate submount whose surface is covered by the first solder layer may be disposed between the laser units. Thereby, arrangement | positioning of a 1st solder layer becomes easy and the assembly of a laminated structure can be implemented stably in a short time.
本発明によれば、接合工程を簡単化できると共に、半導体レーザ素子からヒートシンクへの放熱性を向上できる。 According to the present invention, the joining process can be simplified and the heat dissipation from the semiconductor laser element to the heat sink can be improved.
以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る半導体レーザ装置及び半導体装置の製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
[第1実施形態]
Hereinafter, preferred embodiments of a semiconductor laser device and a method for manufacturing a semiconductor device according to one aspect of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[First Embodiment]
図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体レーザ装置の構成を示す概略側面図である。同図に示すように、半導体レーザ装置1は、ヒートシンク2と、絶縁基板3と、半導体レーザバー(半導体レーザ素子)4及びサブマウント5を含んでなるレーザユニット6を積層してなる積層構造体7とを備えて構成されている。半導体レーザ装置1は、レーザ光の発振方向の反対側で冷却がなされる背面冷却構造となっており、レーザ発振時に半導体レーザバー4で発生した熱が、サブマウント5及び絶縁基板3を介してヒートシンク2側に放熱されるようになっている。ヒートシンク2は、例えば銅(Cu)などの高い熱伝導性を有する材料によって肉厚の板状に形成されている。ヒートシンクの内部には、冷却水などの流路が形成されていてもよい。
FIG. 1 is a schematic side view showing the configuration of the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. As shown in the figure, a
絶縁基板3は、例えば窒化アルミニウム(AlN)などの伝熱性及び電気絶縁性を有する材料によって板状に形成されている。絶縁基板3の他の形成材料としては、炭化珪素(SiC)、ダイヤモンドなどが挙げられる。絶縁基板3の一面側には、例えば所定のマスクを用いた蒸着によって形成された導体パターン8が設けられている。導体パターン8は、例えば絶縁基板3の表面側から順に積層されたチタン(Ti)/銅(Cu)/ニッケル(Ni)/金(Au)の4層の金属層によって構成されている。
The insulating
絶縁基板3の他面側には、導体パターン8と同様に、チタン(Ti)/銅(Cu)/ニッケル(Ni)/金(Au)の4層の金属層によって構成された金属層9が蒸着によって形成されている。金属層9の厚さは、導体パターン8と同程度となっており、導体パターン8の形成による絶縁基板3の反りが抑えられている。
On the other surface side of the insulating
絶縁基板3の他面側は、全面にわたってヒートシンク2の一面側に接合されている。絶縁基板3とヒートシンク2との接合には、第2のハンダ層10Bが用いられている。第2のハンダ層10Bを構成するハンダとしては、鉛フリーの観点から、例えばインジウム(In)ハンダが用いられている。インジウムハンダの融点は、およそ156℃となっている。第2のハンダ層10Bを構成するハンダは、SnAgCuハンダであってもよい。SnAgCuハンダの融点は、およそ217℃〜220℃となっている。
The other surface side of the insulating
積層構造体7は、複数(本実施形態では5体)のレーザユニット6を積層して構成され、レーザユニット6の積層方向と絶縁基板3の面内方向とが一致するように絶縁基板3上に配置されている。レーザユニット6は、サブマウント5と、半導体レーザバー4とをそれぞれ一体ずつ備えている。サブマウント5は、例えば銅タングステン(CuW)などの熱導電性及び電気伝導性を有する材料によって板状に形成されている。サブマウント5の他の構成材料としては、窒化アルミニウム(AlN)、炭化珪素(SiC)、タングステン(W)、銅モリブデン(MoCu)複合材料、銅ダイヤモンド複合材料などが挙げられる。サブマウント5の表面には、ニッケル(Ni)及び金(Au)による2層のめっき層が形成されていてもよい。
The
半導体レーザバー4は、例えば板状をなしている。半導体レーザバー4の先端面は、図2に示すように、複数の発光領域を有する出射端面4aとなっている。半導体レーザバー4の一面4bは、出射端面4aとサブマウント5の一端面5aとが面一になるようにサブマウント5の一面5b側に接合されている。
The
半導体レーザバー4は、化合物半導体からなる基板を有しており、発光領域に対応する位置に活性層が位置し、活性層の両側にクラッド層が位置している。基板の材料としては、ヒ化ガリウム(GaAs)、窒化ガリウム(GaN)、ヒ化アルミニウムガリウム(AlGaAs),(リン化ガリウム)GaP、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)、リン化インジウム(InP)などが挙げられる。本実施形態では、例えば基板の主成分はヒ化ガリウム(GaAs)であり、活性層には更にインジウム(In)が含まれ、クラッド層には更にアルミニウム(Al)が含まれている。
The
積層構造体7では、図2に示すように、積層方向に隣接するレーザユニット6,6同士は、サブマウント5と半導体レーザバー4とが交互に配置されるように積層され、第1のハンダ層10Aによって互いに接合されている。第1のハンダ層10Aは、第2のハンダ層10Bを構成するハンダよりも高融点のハンダによって構成されている。このようなハンダとしては、例えば金錫ハンダが挙げられる。金錫ハンダの融点は、280℃となっている。
In the
第1のハンダ層10Aは、サブマウント5の他面(半導体レーザバー4の配置面と反対の面)5c側において、少なくともサブマウント5の一端側から他端側まで延在しており、一方のレーザユニット6における半導体レーザバー4の他面4cと、他方のレーザユニット6のサブマウント5の他面5cとを接合している。第1のハンダ層10Aの一部は、サブマウント5の他端面5d側に回り込み、サブマウント5の他端面5dと絶縁基板3上の導体パターン8とを接合している(図4(b)参照)。また、第1のハンダ層10Aの一部は、サブマウント5の一端面5a側にも回り込んでいる(図4(a)参照)。
The
なお、図示していないが、半導体レーザバー4とサブマウント5との接合には、例えば第1のハンダ層10Aを構成するハンダと同じハンダが用いられる。すなわち、本実施形態では、半導体レーザバー4の一面4bの全面が、金錫ハンダを用いてサブマウント5の一面5bに接合されている。
Although not shown, for example, the same solder as that constituting the
半導体レーザ装置1を駆動する場合、積層構造体7の積層方向の一端側のサブマウント5に接続されている導体パターン8と、積層構造体7の積層方向の他端側のサブマウント5に接続されている導体パターン8との間に駆動電圧を印加する。これにより、積層構造体7に含まれる全ての半導体レーザバー4に駆動電流が供給され、出射端面4aの複数の発光領域からそれぞれレーザ光が発振する。レーザ発振時に半導体レーザバー4で発生した熱は、隣接するサブマウント5から絶縁基板3に伝わり、ヒートシンク2側に放熱される。
When the
半導体レーザ装置1の各構成要素の寸法の一例は、以下のとおりである。
・半導体レーザバー4:幅10mm、奥行き1mm〜4mm、厚さ100μm〜150μm
・サブマウント5:幅10mm〜12mm、奥行き1mm〜5mm、厚さ0.1mm〜1mm(ニッケルめっき層:厚さ2μm〜3μm、金めっき層:厚さ0.1μm〜0.5μm)
・絶縁基板3:厚さ0.2mm〜0.8mm(導体パターン8及び金属層9:チタン0.5μm/銅70〜150μm/ニッケル1μm/金0.5μm)
・第1のハンダ層10A:厚さ1μm〜20μm
・第2のハンダ層10B:厚さ1μm〜30μm
An example of the dimensions of each component of the
Semiconductor laser bar 4: Width 10 mm,
Submount 5: width 10 mm to 12 mm,
Insulating substrate 3: thickness 0.2 mm to 0.8 mm (
続いて、上述した半導体レーザ装置1の製造方法について説明する。
Then, the manufacturing method of the
半導体レーザ装置1を作製する場合、まず、図3(a)に示すように、レーザユニット6を積層数に応じて準備する。レーザユニット6の形成においては、半導体レーザバー4の一面4bの全面を、金錫ハンダを用いてサブマウント5の一面5bに接合する。また、蒸着又はめっきにより、サブマウント5の他面5cにおいて、少なくともサブマウント5の一端側から他端側まで延在するように、金錫ハンダからなる第1のハンダ層10Aを形成する。
When manufacturing the
次に、図3(b)に示すように、サブマウント5と半導体レーザバー4とが交互に配置されるようにレーザユニット6を積層して積層構造体7を形成する。また、絶縁基板3を準備し、積層構造体7に対して絶縁基板3を配置する。このとき、レーザユニット6,6同士の位置決め及び積層構造体7と絶縁基板3との位置決めには、不図示の位置決め治具を用いる。位置決め治具により、半導体レーザバー4の出射端面4a及びサブマウント5の一端面5aの位置が互いに揃うようにレーザユニット6,6同士の位置決めを行うと共に、各レーザユニット6におけるサブマウント5の他端面5dが絶縁基板3の導体パターン8にそれぞれ密着するように積層構造体7と絶縁基板3との位置決めを行う。
Next, as shown in FIG. 3B, the
次に、位置決め治具により位置決めした状態で、積層構造体7と絶縁基板3とをリフロー炉に入れ、第1のハンダ層10Aを金錫ハンダの融点(280℃)以上の温度に加熱する。これにより、レーザユニット6,6同士、及びサブマウント5の他端側と絶縁基板3上の導体パターン8とを同時に接合し、絶縁基板3と積層構造体7との接合体W1を得る(第1の接合工程)。なお、第1の接合工程では、半導体レーザバー4とサブマウント5とを接合する金錫ハンダが再度加熱されることとなるが、当該金錫ハンダは、始めの接合で一定の合金化が進行して融点が高まっているため、第1の接合工程で半導体レーザバー4とサブマウント5との接合が外れてしまうことはない。
Next, in a state of being positioned by the positioning jig, the
接合体W1を形成した後、接合体W1の絶縁基板3とヒートシンク2との間に第2のハンダ層10Bを配置する。第2のハンダ層10Bは、例えば蒸着によってヒートシンク2の一面側又は絶縁基板3の他面側(金属層9上)に形成すればよい。そして、位置決め治具を用いて接合体W1の絶縁基板3とヒートシンク2とを密着させた状態でリフロー炉に入れ、第2のハンダ層10Bをインジウムハンダの融点(156℃)以上かつ金錫ハンダの融点(280℃)未満の温度に加熱する。これにより、図3(c)に示すように、絶縁基板3とヒートシンク2とを接合し、半導体レーザ装置1を得る(第2の接合工程)。
After the joined body W1 is formed, the
以上説明したように、半導体レーザ装置1では、レーザユニット6,6同士、及びサブマウント5の他端側と絶縁基板3上の導体パターン8との接合に第1のハンダ層10Aが用いられ、ヒートシンク2と絶縁基板3との接合に第2のハンダ層10Bが用いられている。第1のハンダ層10Aは、第2のハンダ層10Bを構成するハンダよりも高融点のハンダによって構成されている。
As described above, in the
かかる構成により、半導体レーザ装置1では、レーザユニット6,6同士の接合、及びサブマウント5の他端側と絶縁基板3上の導体パターン8との接合を同時に実施できるので、接合工程を簡単化できる。典型的な比較例では、例えば銀(Ag)ペーストを用いてレーザユニット同士を接合する接合工程、インジウムハンダを用いて絶縁基板とヒートシンクとを接合する接合工程、及び積層構造体を絶縁基板に接合する接合工程の3つの接合工程を備える。これに対し、本実施形態では、レーザユニット6,6同士及びサブマウント5と絶縁基板3とを同時に接合する第1の接合工程と、接合体W1とヒートシンク2とを接合する第2の接合工程とによって半導体レーザ装置1を得ることができる。
With this configuration, in the
また、この半導体レーザ装置1では、第1のハンダ層10Aが少なくともサブマウント5の一端側から他端側まで延在している。これにより、サブマウント5の製造公差に起因して、レーザユニット6を積層した場合に半導体レーザバー4及び絶縁基板3に対するサブマウント5の端部位置が不揃いになったとしても、半導体レーザバー4からヒートシンク2への放熱性を確保・向上できる。
In the
例えば図4(a)に示すように、サブマウント5の製造公差などに起因して、サブマウント5の一端面5aが隣接するレーザユニット6の半導体レーザバー4の出射端面4aよりも一段低くなってしまった場合でも、第1の接合工程において第1のハンダ層10Aの一部がサブマウント5の一端面5a側に回り込むことで段差が埋められる。これにより、半導体レーザバー4とサブマウント5との間の接触面積が確保される。
For example, as shown in FIG. 4A, due to the manufacturing tolerance of the
また、例えば図4(b)に示すように、サブマウント5の製造公差などに起因して、サブマウント5の他端面5dが隣接するレーザユニット6のサブマウント5の他端面5dよりも一段低くなってしまった場合でも、第1の接合工程において第1のハンダ層10Aの一部がサブマウント5の他端面5d側に回り込むことで段差が埋められる。これにより、サブマウント5の他端面5dと導体パターン8との接続不良が生じることを抑制でき、サブマウント5と絶縁基板3との間の熱的な接続が担保される。
For example, as shown in FIG. 4B, due to the manufacturing tolerance of the
また、半導体レーザ装置1では、第1のハンダ層10Aを構成するハンダが金錫ハンダとなっており、第2のハンダ層10Bを構成するハンダがインジウムハンダとなっている。これにより、第1のハンダ層10Aを構成するハンダと、第2のハンダ層10Bを構成するハンダとの融点の差を十分に確保できる。したがって、第2のハンダ層10Bによってヒートシンク2と絶縁基板3とを接合する際の熱が第1のハンダ層10Aに影響してしまうことを防止できる。
In the
また、半導体レーザ装置1では、サブマウント5が銅タングステンからなっている。これにより、サブマウント5の熱導電性及び電気伝導性を良好に確保できる。また、半導体レーザバー4との間の熱膨張係数差が抑えられ、積層構造体7に歪み等が生じることを抑制できる。さらに、絶縁基板3は、窒化アルミニウムからなっている。これにより、絶縁基板3の電気絶縁性及び放熱性を良好に確保できる。また、半導体レーザバー4との間の熱膨張係数差が抑えられ、積層構造体7に歪み等が生じることを抑制できる。
In the
なお、本実施形態では、第1の接合工程において、サブマウント5の他面5cに第1のハンダ層10Aを形成しているが、図5(a)に示すように、サブマウント5の他面5cと半導体レーザバー4の他面4cとにそれぞれ第1のハンダ層10Aを形成してもよい。この場合、第1の接合工程において、サブマウント5の一端面5aへの第1のハンダ層10Aの回り込みを容易に生じさせることができる。
In the present embodiment, the
また、第1のハンダ層10Aの形成は、蒸着、めっきによるもの限られない。例えば図5(b)に示すように、ハンダシート11をレーザユニット6,6間に配置して第1のハンダ層10Aを形成してもよい。この場合、第1のハンダ層10Aの配置が容易となり、積層構造体7の組み立てを短時間で安定して実施できる。
Further, the formation of the
また、図6に示すように、第1の接合工程において、第1のハンダ層10Aによって表面が覆われた中間マウント12をレーザユニット6,6間に配置してもよい。中間マウント12は、例えば銅タングステン(CuW)などの熱導電性及び電気伝導性を有する材料によって板状に形成されている。中間マウント12の寸法は、サブマウント5の寸法と等しくてもよく、中間マウント12を覆う第1のハンダ層10Aを含めた寸法がサブマウント5の寸法と等しくてもよい。このような中間マウント12を用いることにより、第1のハンダ層10Aの配置が容易となり、積層構造体7の組み立てを短時間で安定して実施できる。
[第2実施形態]
Further, as shown in FIG. 6, in the first bonding step, the
[Second Embodiment]
図7は、本発明の第2実施形態に係る半導体レーザ装置の構成を示す要部拡大側面図である。 FIG. 7 is an enlarged side view of the main part showing the configuration of the semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention.
同図に示すように、第2実施形態に係る半導体レーザ装置21は、レーザユニット6が半導体レーザバー4を一対のサブマウント5,5で挟み込んで構成されている点で第1実施形態と異なっている。より具体的には、半導体レーザ装置21では、第1のハンダ層10Aは、隣り合うレーザユニット6,6における一方のサブマウント5と他方のサブマウント5との間に配置されている。第1のハンダ層10Aは、少なくともサブマウント5の一端側から他端側まで延在しており、一方のサブマウント5の他面5cと、他方のサブマウント5の他面5cとを接合している。
As shown in the figure, the
半導体レーザ装置21を作製する場合、まず、図8(a)に示すように、レーザユニット6を積層数に応じて準備する。レーザユニット6の形成において、半導体レーザバー4とサブマウント5,5との接合には、例えば第1実施形態と同様に金錫ハンダを用いる。また、いずれか一方のサブマウント5の他面5cにおいて、少なくともサブマウント5の一端側から他端側まで延在するように、蒸着又はめっきによって金錫ハンダからなる第1のハンダ層10Aを形成する。
When manufacturing the
次に、図8(b)に示すように、第1のハンダ層10Aを間に挟むようにしてレーザユニット6を積層して積層構造体7を形成する。また、絶縁基板3を準備し、積層構造体7に対して絶縁基板3を配置する。レーザユニット6,6同士の位置決め及び積層構造体7と絶縁基板3との位置決めには、第1実施形態と同様の位置決め治具を用いる。位置決め治具により、半導体レーザバー4の出射端面4a及びサブマウント5,5の一端面5aの位置が互いに揃うようにレーザユニット6,6同士の位置決めを行うと共に、各レーザユニット6におけるサブマウント5,5の他端面5dが絶縁基板3の導体パターン8にそれぞれ密着するように積層構造体7と絶縁基板3との位置決めを行う。
Next, as shown in FIG. 8B, the
次に、位置決め治具により位置決めした状態で、積層構造体7と絶縁基板3とをリフロー炉に入れ、第1のハンダ層10Aを金錫ハンダの融点(280℃)以上の温度に加熱する。これにより、レーザユニット6,6同士、及びサブマウント5,5の他端側と絶縁基板3上の導体パターン8とを同時に接合し、絶縁基板3と積層構造体7との接合体W2を得る(第1の接合工程)。
Next, in a state of being positioned by the positioning jig, the
接合体W2を形成した後、接合体W2の絶縁基板3とヒートシンク2との間に第2のハンダ層10Bを配置する。そして、位置決め治具を用いて接合体W2の絶縁基板3とヒートシンク2とを密着させた状態でリフロー炉に入れ、第2のハンダ層10Bをインジウムハンダの融点(156℃)以上かつ金錫ハンダの融点(280℃)未満の温度に加熱する。これにより、図8(c)に示すように、絶縁基板3とヒートシンク2とを接合し、半導体レーザ装置21を得る(第2の接合工程)。
After the joined body W2 is formed, the
このような半導体レーザ装置21においても、レーザユニット6,6同士の接合、及びサブマウント5,5の他端側と絶縁基板3上の導体パターン8との接合を同時に実施できるので、接合工程を簡単化できる。また、サブマウント5の製造公差に起因して、半導体レーザバー4及び絶縁基板3に対するサブマウント5の端部位置が不揃いになったとしても、接合の際に第1のハンダ層10Aがサブマウント5の一端面5a及び他端面5dに回り込むことで、半導体レーザバー4からヒートシンク2への放熱性を向上できる。
Also in such a
また、半導体レーザ装置21では、半導体レーザバー4を一対のサブマウント5,5で挟み込んでレーザユニット6を構成しているので、絶縁基板3に対する積層構造体7の接合をより強固なものにすることができる。また、積層構造体7中のサブマウント5の体積が増加することで、半導体レーザバー4からヒートシンク2への放熱経路が拡大される。これにより、半導体レーザバー4からヒートシンク2への放熱性を一層向上できる。
Further, in the
なお、本実施形態では、第1の接合工程において、いずれか一方のサブマウント5の他面5cに第1のハンダ層10Aを形成しているが、図9(a)に示すように、一対のサブマウント5,5の他面5cのそれぞれに第1のハンダ層10Aを形成してもよい。この場合、第1の接合工程において、サブマウント5の一端面5aへの第1のハンダ層10Aの回り込みを容易に生じさせることができる。
In the present embodiment, the
また、図9(b)に示すように、蒸着又はめっきに代えて、ハンダシート22をレーザユニット6,6間に配置して第1のハンダ層10Aを形成してもよい。この場合、第1のハンダ層10Aの配置が容易となり、積層構造体7の組み立てを短時間で安定して実施できる。さらに、図10に示すように、第1の接合工程において、第1のハンダ層10Aによって表面が覆われた中間マウント12をレーザユニット6,6間に配置してもよい。このような中間マウント12を用いることにより、第1のハンダ層10Aの配置が容易となり、積層構造体7の組み立てを短時間で安定して実施できる。
Further, as shown in FIG. 9B, instead of vapor deposition or plating, the
1,21…半導体レーザ装置、2…ヒートシンク、3…絶縁基板、4…半導体レーザバー(半導体レーザ素子)、5…サブマウント、6…レーザユニット、7…積層構造体、8…導体パターン、10A…第1のハンダ層、10B…第2のハンダ層、11,22…ハンダシート、12…中間マウント、W1,W2…接合体。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記ヒートシンクの一面側に設けられ、表面に導体パターンが形成された伝熱性の絶縁基板と、
前記絶縁基板の一面側に設けられ、半導体レーザ素子がサブマウントに搭載されたレーザユニットを前記絶縁基板の面内方向に積層してなる積層構造体と、
前記レーザユニット同士、及び前記サブマウントの他端側と前記絶縁基板上の前記導体パターンとを接合する第1のハンダ層と、
前記ヒートシンクと前記絶縁基板とを接合する第2のハンダ層と、を備え、
前記第1のハンダ層は、前記第2のハンダ層を構成するハンダよりも高融点のハンダによって構成され、少なくとも前記サブマウントの前記一端側から前記他端側まで延在している半導体レーザ装置。 A heat sink,
A heat-conductive insulating substrate provided on one surface side of the heat sink and having a conductor pattern formed on the surface;
A laminated structure formed by laminating a laser unit provided on one surface side of the insulating substrate and having a semiconductor laser element mounted on a submount in an in-plane direction of the insulating substrate;
A first solder layer for bonding the laser units, and the other end side of the submount and the conductor pattern on the insulating substrate;
A second solder layer for joining the heat sink and the insulating substrate;
The first solder layer is composed of solder having a melting point higher than that of the solder constituting the second solder layer, and extends at least from the one end side to the other end side of the submount. .
前記第1のハンダ層は、前記中間マウントの表面を覆うように設けられている請求項1又は2記載の半導体レーザ装置。 The stacked structure further includes an intermediate mount stacked between the laser units,
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the first solder layer is provided so as to cover a surface of the intermediate mount.
前記ヒートシンクの一面側に設けられ、表面に導体パターンが形成された伝熱性の絶縁基板と、
前記絶縁基板の一面側に設けられ、半導体レーザ素子がサブマウントに搭載されたレーザユニットを前記絶縁基板の面内方向に積層してなる積層構造体と、
前記レーザユニット同士、及び前記サブマウントの他端側と前記絶縁基板上の前記導体パターンとを接合する第1のハンダ層と、
前記ヒートシンクと前記絶縁基板とを接合する第2のハンダ層と、を備えた半導体レーザ装置の製造方法であって、
前記第2のハンダ層を構成するハンダよりも高融点のハンダを用い、少なくとも前記サブマウントの前記一端側から前記他端側まで延在するように前記第1のハンダ層を前記レーザユニット間に配置し、当該第1のハンダ層によって、前記レーザユニット同士、及び前記サブマウントの他端側と前記絶縁基板上の前記導体パターンとを同時に接合し、前記絶縁基板と前記積層構造体との接合体を得る第1の接合工程と、
前記接合体の前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの間に前記第2のハンダ層を配置し、当該第2のハンダ層によって前記絶縁基板と前記ヒートシンクとを接合して前記半導体レーザ装置を得る第2の接合工程と、を備えた半導体レーザ装置の製造方法。 A heat sink,
A heat-conductive insulating substrate provided on one surface side of the heat sink and having a conductor pattern formed on the surface;
A laminated structure formed by laminating a laser unit provided on one surface side of the insulating substrate and having a semiconductor laser element mounted on a submount in an in-plane direction of the insulating substrate;
A first solder layer for bonding the laser units, and the other end side of the submount and the conductor pattern on the insulating substrate;
A method of manufacturing a semiconductor laser device comprising: a second solder layer that joins the heat sink and the insulating substrate;
A solder having a melting point higher than that of the solder constituting the second solder layer is used, and the first solder layer is disposed between the laser units so as to extend at least from the one end side to the other end side of the submount. And arranging the laser unit and the other end side of the submount and the conductor pattern on the insulating substrate simultaneously by the first solder layer, and bonding the insulating substrate and the laminated structure. A first joining step for obtaining a body;
The second solder layer is disposed between the insulating substrate and the heat sink of the bonded body, and the semiconductor substrate is obtained by bonding the insulating substrate and the heat sink by the second solder layer. A method for manufacturing a semiconductor laser device.
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