JP3607220B2

JP3607220B2 - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP3607220B2
Application number: JP2001171640A
Authority: JP
Inventors: 昌弘光田; 達哉中森; 裕司加藤; 正則廣瀬
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-06-06
Filing date: 2001-06-06
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2021-06-06
Also published as: JP2002368323A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、光情報処理、光計測および光通信等の分野に利用される半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子（ＬＤ）は、コンパクトディスク（ＣＤ）などの光ディスク記録装置や、レーザプリンタなどの信号光源として使用されている。半導体レーザ素子自体は数百マイクロメーター程度の非常に微小なサイズであるため、通常はこれをパッケージに実装して使用する。たとえば円筒型の金属製のパッケージ構造はＣＡＮタイプと呼ばれて、広く使用されている。従来のＣＡＮ型ＬＤパッケージにおいては、放熱板であるステージ部にサブマウントを介して半導体レーザが接着されている。ステージ部は円筒形状の鍔を有する本体に固定されており、電極端子及び中央を貫通する電極で外部と電気的に接続される。このレーザの後端面からの信号光は、パッケージ上に固定された受光素子でモニタされる。これらステージ、半導体レーザ、モニタＰＤを合わせてガラス窓を有するキャップで気密封止されている。
【０００３】
ＣＡＮタイプパッケージでは、放熱性を得るために銅や鉄などの金属材料を使用するのが一般的であったが、低コスト化を目的として、金属材料に代わり樹脂材料を使用したパッケージ構造も開発されている。
【０００４】
このような樹脂パッケージにおいては、レーザ素子と樹脂材料の線膨張係数が異なるため、駆動時の素子の発熱や、温度環境によって接合部に撓み、変形が生じ、発光点が移動するという問題があった。これに対して特開平７−３３５９８０号公報では、円筒形状の金属による支持構造を設け、素子の発光位置が円筒の中心部にくることで、温度による位置変動がない構造を提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、金属材料を精度よく曲面に加工するのは困難であり、さらに金属板自体の曲げ加工時の残留応力が温度変化により開放され、位置ずれを生じる恐れがある。
【０００６】
本発明は、前記従来の問題を解決するため、環境温度が変化しても、発光点位置が従来のＣＡＮ型パッケージと同程度に安定である樹脂パッケージ構造の半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の半導体レーザ装置は、四角形の幅広部と複数のリード部とを有する金属製のリードフレームと、前記リードフレームの幅広部上にサブマウント層を介して固定されたレーザダイオード素子と、前記リードフレームの少なくとも一部を樹脂モールドした樹脂基台部とを備えてなる半導体レーザ装置であって、前記サブマウント層および前記レーザダイオード素子は、樹脂によってモールドされておらず、前記リードフレームの幅広部は、４辺のうち、前記複数のリード部に近接する１辺がすべて前記樹脂基台部によってモールドされており、かつ、前記レーザ装置の出射光方向と平行な２辺がすべて、前記リードフレームの厚み方向に対してほぼ上下対称な形状の樹脂でモールドしたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一例の半導体レーザ装置は、円筒形状の樹脂部材の平坦面中央部からリードフレームが垂直に突出しており、このリードフレームの側面は上下対称な形状の樹脂材料で補強されており、上記リードフレームの平板中央部にはサブマウントを介して発光素子が固定されている。
【００１１】
前記本発明の装置においては、リードフレームの辺をモールドした樹脂がレーザダイオード素子の出射光を遮らない構造であることが好ましい。
【００１２】
前記本発明の装置においては、リードフレームの折り返してある辺がレーザダイオード素子の出射光を遮らない構造であることが好ましい。
【００１３】
前記本発明の装置においては、前記リードフレームの一部が前記樹脂基台の外周形状に沿って折り曲げられていることが好ましい。
【００１４】
また、前記樹脂基台が円筒形状であり、その円形の面のほぼ中央付近に前記リードフレームが固定されていることが好ましい。
【００１５】
また、前記樹脂基台が熱硬化性樹脂であることが好ましい。熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂などを使用できる。
【００１６】
また、前記樹脂基台が熱硬化性樹脂であることが好ましい。熱硬化性樹脂としては、例えば全芳香族系ポリエステルなどを使用できる。
【００１７】
本発明の実施の形態の比較するため、まず従来のＣＡＮ型パッケージの構造の斜視図を図７（ａ）に、その平面図を図７（ｂ）に示す。半導体レーザ素子３０３は放熱特性の優れたヒートシンク３０２に固定され、パッケージの基台３０１の周辺および底面から放熱される。パッケージを貫通する電極端子３０５の先端からレーザ素子３０３、およびモニタ用受光素子３０４まではワイヤ３０６で接続されている。
【００１８】
これをフレーム状の金属で実現するために、金属フレーム４０１および４０５を樹脂で補強し、半導体レーザ４０３を実装したサブマウント４０２を金属フレーム４０１に固定した構造の樹脂パッケージを図８（ａ）（ｂ）に示す。図８（ａ）は斜視図、図８（ｂ）は平面図である。これは従来のＣＡＮ型パッケージの形状を基本に、本体材料を樹脂に変更したものである。
【００１９】
この構造のパッケージにレーザを実装しピックアップとしての特性を評価したところ、信号光の強度が変わることにより発光点が約０．５μｍ程度移動していることがわかった。また、レーザを駆動した状態で環境温度を−２０℃から＋８０℃まで変えたときの発光点位置を求めた結果を図９に示す。最大最小で約２．２μｍも移動している。
【００２０】
このようにレーザが発光するときや温度変化で発光点が移動するメカニズムを図１０（ａ）〜（ｂ）に示す。樹脂４０４とメタル４０１の線膨張係数を比較すると、メタルに比較して樹脂は数倍から１０倍近く膨張係数が大きい。そのため、温度変化が生じると、図１０（ｂ）に示すように樹脂と金属フレーム４０１との熱膨張係数差で接合部が反るため、サブマウント４０２と半導体レーザ４０３が大きく反る。以下では、半導体レーザの発光点位置の温度によるずれを「発光点のずれ量」４０８として定義する。４０４は樹脂基台、４０７は出射光である。
【００２１】
（実施の形態１）
レーザ素子を実装する金属フレーム部１０１と樹脂基台１０４が、上下で対称になる構造をとれば、熱に対して安定と考えられる。具体的には、図１（ａ）の斜視図及び図１（ｂ）の平面図に示す金属フレーム部１０１の側面を上下対称な形状の樹脂基台１０４で挟み込んで保持するものである。図１において、円筒部の外径は５．６ｍｍ、リード材１０５を含まない長さは約８ｍｍであった。
【００２２】
樹脂材料には、チップボンド時の加熱を考慮し、耐熱性の優れた熱可塑性樹脂、例えば全芳香族系ポリエステルの液晶ポリマーを、金属フレーム材料には放熱性が優れ、樹脂の線膨張係数と比較的近い銅系の合金（組成比、Ｃｕ９９．６ａｔｏｍｉｃ％、Ｆｅ０．１ａｔｏｍｉｃ％、他成分０．３ａｔｏｍｉｃ％）を用いた。金属フレームのみの場合には、接触や加工時の圧力でフレームが曲がる恐れがあるが、このように柱状の樹脂で側面を保持することで、飛躍的に強度が増す。図２は、レーザを駆動して環境温度を−２０℃から＋８０℃まで変えたときの発光点位置を測定した結果である。変動幅は、ばらつきもあるが、約±０．１μｍ以内で安定している。なお図１において、１０２はサブマウント、１０３はレーザ素子、１０５は電極端子、１０６はワイヤである。
【００２３】
このように、樹脂とメタルフレームの貼り合わせ構造でも、両者が上下方向に対称であれば、線膨張係数の差をキャンセルして、広い温度範囲で安定した結果が得られることがわかった。
【００２４】
なお、ここではＣＡＮ型パッケージ互換の円筒形状の基台を用いたが、直方体形状のパッケージでも、その他の形状の場合にも、金属板と樹脂材料を面の上下方向で対称にすれば同様の効果を得ることができる。
【００２５】
また、本実施の形態ではメタルフレームの４辺のうち、１辺を本体基台部に、２辺を樹脂でモールドしたが、３辺をモールドしても、サブマウントの高さが十分高くてレーザからの出射光をさえぎらなければかまわない（図３）。なお図３において、７０１は樹脂パッケージの樹脂補強部、７０２はサブマウント、７０３はレーザ素子、７０４は樹脂基台、７０５は電極端子である。
【００２６】
また、サブマウントとして、シリコン製モニタＰＤ付きサブマウントを使用しているが、これは別にモニタＰＤを用意して個別に固定してもよい。
【００２７】
（実施の形態２）
レーザ素子を実装する金属フレーム部に樹脂のような異種材料の貼り合わせを行わなければ、熱に対して安定だと考えられる。図４は、金属フレーム８０１の側面を折り曲げて強度を高める構造である。金属フレームがストレートの場合には、接触や加工時の圧力でフレームが曲がる恐れがあるが、このように側面を曲げて面に対して垂直方向の剛性を高めることで、飛躍的に強度が増す。なお図４において、８０１は樹脂パッケージの金属フレーム部、８０２はサブマウント、８０３はレーザ素子、８０４は樹脂基台、８０５は電極端子である。図４において、円筒部の外径は５．６ｍｍ、リード材１０５を含まない長さは約８ｍｍであった。
【００２８】
図５は、レーザ８０３を駆動して環境温度を−２０℃から＋８０℃まで変えたときの発光点位置を測定した結果である。変動幅は、ばらつきもあるが約±０．１μｍ以内で安定している。
【００２９】
なお、ここではＣＡＮ型パッケージ互換の円筒形状の基台を用いたが、直方体形状のパッケージでも、その他の形状の場合にも、金属板と樹脂材料を面の上下方向で対称にすれば同様の効果を得ることができる。
【００３０】
また、サブマウントとして、シリコン製モニタＰＤ付きサブマウント８０２を使用しているが、これは別にモニタＰＤを用意して個別に固定してもよい。
【００３１】
（実施の形態３）
図６は、樹脂パッケージ１００４側面よりリードフレームの一部の放熱板１００６が突き出して、パッケージ側面に沿って折り曲げられている構造の半導体レーザ装置を示す。半導体レーザ素子１００３は駆動時の電流で発熱する。半導体レーザ素子は高温になると急激に出力特性が低下するため、この熱を効率よく放出することが発光効率の向上には不可欠である。なお図６において、１００１は樹脂パッケージの金属フレーム部、１００２はサブマウント、１００５は電極端子である。図６において、円筒部の外径は５．６ｍｍ、リード材１０５を含まない長さは約８ｍｍであった。
【００３２】
本実施例では、レーザ素子が実装されたリードフレームが放熱板の役割を果たし、半導体レーザ装置が固定されている機器へ直接熱を逃がすことができる。
また、円形に折り曲げているため、圧縮ばねとして働き、半導体レーザ素子の機器への密着性も向上する。
【００３３】
以上説明したとおり、本発明の実施例によれば、第１の手段は、樹脂材料と金属フレームの接合構造を板がたわむ方向に対して、上下対称になるように金属板の両端を上下から樹脂ではさんだ構造である。また、第２の手段は、金属板の両端を折り曲げた構造である。まず第１手段によれば、パッケージ基台の材料に樹脂を用いているため成形性に優れ、たとえば従来のＣＡＮ型互換の円筒形状でも加工すれば、従来の機器の取り付け部に嵌合させて固定することも可能である。また樹脂と金属の貼り合わせ部が面に対して上下対称な構造であるため、発光点の移動の問題は生じない。第２の手段によれば、樹脂と金属の貼り合わせ部なしに金属板の強度を確保できるため、第１の手段と同様の作用が得られる。
【００３４】
さにに第３の手段として、樹脂基台の外形形状に沿って金属フレームを曲げ加工することにより、ある程度の弾力性を発揮させ、収納部の内面に圧接し容易に固定でき、かつレーザからの発熱を機器側に放熱することもできる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明は、樹脂によりパッケージの基台を形成することで、金属材料に比較して形状の設計自由度が高く、コストが低くできる。また、金属と樹脂の接合部が上下対称であるため、両材料の線膨張係数に差がある場合にも熱変動時の変形が小さく、従ってレーザ駆動時の発光点移動が小さくなる効果がある。
【００３６】
また、リードフレームのレーザ素子実装部の両端を曲げる場合は、薄い金属板のリードフレームのみでも曲げに対する強度が確保でき、樹脂との接合がないことで熱変動による発光点移動が起こらない効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１である樹脂モールドリードフレーム型の半導体レーザ装置の斜視図、（ｂ）は同、平面図である。
【図２】本発明の実施の形態１である半導体レーザ装置の発光点ずれ量の測定結果である。
【図３】本発明の実施の形態１である樹脂モールド型リードフレームの半導体レーザ装置において、フレーム手前の辺も樹脂モールドした構造の斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態２である樹脂モールド型リードフレームの半導体レーザ装置の斜視図である。
【図５】同、半導体レーザ装置の発光点ずれ量の測定結果である。
【図６】本発明の実施の形態３である樹脂モールド型リードフレームの半導体レーザ装置の斜視図である。
【図７】（ａ）は従来のＣＡＮ型半導体レーザ装置の一例の斜視図、（ｂ）は同、平面図である。
【図８】（ａ）は従来のＣＡＮ互換樹脂モールドリードフレーム型半導体レーザ装置の一例の斜視図、（ｂ）は同、平面図である。
【図９】図８の構成の半導体レーザ装置の発光点ずれ量の測定結果である。
【図１０】（ａ）は樹脂モールド型リードフレームが反りを生じるメカニズムの説明図である。メタル層より樹脂層の線膨張係数が大きいため、熱が加えられると樹脂層がより伸びて、応力を生じる。（ｂ）は樹脂モールド型リードフレームが反りを生じるメカニズムの説明図である。熱が加えられると樹脂層の伸びる応力が大きくなるため、サブマウントと半導体レーザも上向きに反る力が生じる。
【符号の説明】
１０１，４０１，１００１樹脂パッケージの金属フレーム部
１０２，４０２，７０２，８０２，１００２サブマウント
１０３，３０３，４０３，７０３，８０３，１００３レーザ素子
１０４，４０４，７０４，８０４，１００４樹脂基台
１０５，３０４，４０５，７０５，８０５，１００５電極端子
３０１ＣＡＮ型パッケージの基台
３０２放熱部
３０５電極
１０６，３０６，４０６ワイヤ
４０７出射光
４０８発光点のずれ量
７０１樹脂パッケージの樹脂補強部
８０１樹脂パッケージの折り曲げ金属フレーム部
１００６放熱板

Claims

四角形の幅広部と複数のリード部とを有する金属製のリードフレームと、前記リードフレームの幅広部上にサブマウント層を介して固定されたレーザダイオード素子と、前記リードフレームの少なくとも一部を樹脂モールドした樹脂基台部とを備えてなる半導体レーザ装置であって、
前記サブマウント層および前記レーザダイオード素子は、樹脂によってモールドされておらず、
前記リードフレームの幅広部は、４辺のうち、前記複数のリード部に近接する１辺がすべて前記樹脂基台部によってモールドされており、かつ、前記レーザ装置の出射光方向と平行な２辺がすべて、前記リードフレームの厚み方向に対してほぼ上下対称な形状の樹脂でモールドされていることを特徴とする半導体レーザ装置。
前記リードフレームの辺をモールドした樹脂がレーザダイオード素子の出射光を遮らない構造である請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記リードフレームの一部が前記樹脂基台の外周形状に沿って折り曲げられていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
前記樹脂基台が円筒形状であり、その円形の面のほぼ中央付近に前記リードフレームが固定されている請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
前記樹脂基台が熱硬化性樹脂である請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
前記樹脂基台が熱可塑性樹脂である請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ装置。