半导体激光装置的制作方法

文档序号:11161764
半导体激光装置的制造方法

本发明涉及在工业用途的领域,为了基于激光的加工(焊接、接合以及切断等)而作为光源使用的高输出的半导体激光装置,特别是涉及半导体激光装置的冷却结构。



背景技术:

近年来,半导体激光装置的高输出化的进展显著,半导体激光装置在工业用途的领域,作为进行基于激光的加工(焊接、接合以及切断等)的加工装置的光源而受到期待。

半导体激光元件由于能够从半导体晶片同时生产许多的元件,因此小型,并且生产效率也很高。因此,半导体激光元件适于作为数十W级的半导体激光装置的激光的小型光源。作为这样的高输出的半导体激光装置的光源,使用将多个单体型半导体激光元件进行了组合的光源、阵列型半导体激光元件。阵列型半导体激光元件在1个芯片内具有相邻的多个活性区域,在芯片的端面,具有彼此相邻的多个被称为发射器的发光点。单体型半导体激光元件在芯片的端面具有1个发射器。

进而,从半导体激光装置射出的激光能够在数微米程度的区域内聚光。因此,能够使激光的能量集中于极其微小的区域的半导体激光装置最适于局部的加工。

但是,用于加工的半导体激光装置由于以从10W程度到数十W级的输出进行动作,因此与用于光盘等的数百mW级的输出的半导体激光装置相比,动作所需要的电流非常多,半导体激光元件的活性区域中的发热量也非常大。因此,为了以高可靠性使用于加工的半导体激光装置保持高输出、并且长寿命地执行动作,使在半导体激光元件的活性区域产生的热迅速地向外部排出,抑制活性区域的温度上升变得尤为重要。

在专利文献1~3中,提出了一种促进芯片的散热的结构的半导体激光装置。使用图9,对专利文献3所记载的现有的半导体激光装置进行说明。

图9是现有的半导体激光装置900的立体图。如图9所示,在现有的半导体激光装置900中,半导体激光元件901经由焊料层902,安装于散热片903。

现有的半导体激光装置900从与图9中的近前的面对应的半导体激光元件901的激光射出面射出激光904。现有的半导体激光装置900通过焊料层902而与散热片903接合,使得半导体激光元件901的激光射出面位于与散热片903的侧面同一面上。

根据该构成,从半导体激光元件901的激光射出面射出的激光904不会被散热片903遮挡。此外,半导体激光元件901的热由散热片903充分散热。

此外,在专利文献4中,提出了一种光源装置,该光源装置通过在搭载激光二极管阵列的冷却装置的内部设置冷却水的通路,从而提高了冷却激光二极管阵列的功能。

此外,在专利文献5中,提出了一种具有液冷系统的电子设备。特别是提出了,通过向冷却液中添加腐蚀抑制剂,并设置吸附了腐蚀抑制剂的离子交换树脂,从而防止铝和铜共存的系统中的腐蚀。

在先技术文献

专利文献

专利文献1:JP特开平1-281786号公报

专利文献2:JP特开2008-311491号公报

专利文献3:JP特开2010-40933号公报

专利文献4:JP特开平10-209531号公报

专利文献5:JP特开2004-47842号公报



技术实现要素:

在现有的半导体激光装置中,会发生冷却路径的腐蚀等不良状况,相对于此,在专利文献5所记载的电子设备中,使用添加了腐蚀抑制剂的冷却水,进而,需要设置离子交换器。

本发明提供一种更简单地消除半导体激光装置的冷却结构的不良状况、激光的特性稳定并且均匀的高输出的半导体激光装置。

为了解决上述课题,本发明所涉及的半导体激光装置具有冷却板、绝缘片、第1冷却块和第1半导体激光元件。冷却板在内部具有彼此独立的供水路径和排水路径,是导电性的。绝缘片设置在冷却板之上,具有与供水路径连接的第1贯通孔和与排水路径连接的第2贯通孔。第1冷却块设置在绝缘片之上,在内部具有与第1贯通孔以及第2贯通孔连接的第1管,是导电性的。第1半导体激光元件设置在第1冷却块之上。第1半导体激光元件具有第1电极以及与第1电极相反一侧的第2电极。第1电极与第1冷却块电连接,冷却板处于浮动电位。

根据上述构成,能够以更简便的结构进行半导体激光元件的冷却,能够实现激光的特性稳定并且均匀的高输出的半导体激光装置。

附图说明

图1是实施方式的实验所涉及的半导体激光装置10和冷却水的循环路径的平面示意图。

图2是实施方式的实验所涉及的半导体激光装置10沿图1的II-II的剖面示意图。

图3是表示实施方式的实验中所使用的冷却水的照片的图。

图4是表示在实施方式的实验中检测出的漂浮物31的EDS分析结果的曲线图。

图5是实施方式所涉及的半导体激光装置50和冷却水的循环路径的平面示意图。

图6是实施方式所涉及的半导体激光装置50沿图5的VI-VI的剖面示意图。

图7A表示实施方式所涉及的MCC模块的平面示意图。

图7B表示图7A的VIIb-VIIb的剖面示意图。

图7C表示图7A的VIIc-VIIc的剖面示意图。

图8A是表示实施方式所涉及的冷却板18的供水路径21的开口部的照片的图,示出不使半导体激光元件11进行动作而使冷却水流通,经过了720小时的时间点的状态。

图8B是表示实施方式所涉及的冷却板18的供水路径21的开口部的照片的图,示出使半导体激光元件11进行动作,使冷却板18处于浮动电位,使冷却水流通,经过了480小时的时间点的状态。

图8C是表示实施方式所涉及的冷却板18的供水路径21的开口部的照片的图,示出使半导体激光元件11进行动作,将冷却板18接地,使冷却水流通,经过了552小时的时间点的状态。

图8D是表示实施方式所涉及的冷却板18的供水路径21的开口部的照片的图,示出使半导体激光元件11进行动作,将冷却板18接地,使冷却水流通,经过了2300小时的时间点的状态。

图9是现有的半导体激光装置900的立体图。

具体实施方式

以下,参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外,对于相同构成要素标注相同符号,也存在省略说明的情况。此外,为了容易理解,附图以各构成要素为主体示意性地进行了表示。

(实施方式)

图1是本实施方式的实验所涉及的半导体激光装置10和冷却水的循环路径的平面示意图。图2是本实施方式的实验所涉及的半导体激光装置10沿图1的II-II的剖面示意图。图3是表示本实施方式的实验中所使用的冷却水的照片的图。图4是表示在本实施方式的实验中检测出的漂浮物31的EDS分析结果的曲线图。图5是本实施方式所涉及的半导体激光装置50和冷却水的循环路径的平面摸式图。图6是本实施方式所涉及的半导体激光装置50沿图5的VI-VI的剖面示意图。图7A~图7C是本实施方式所涉及的MCC模块的示意图,图7A是平面示意图,图7B是图7A的VIIb-VIIb的剖面示意图,图7C是图7A的VIIc-VIIc的剖面示意图。图8A~图8D是表示本实施方式所涉及的冷却板18的供水路径21的开口部的照片的图。图8A示出不使半导体激光元件11进行动作而使冷却水流通,经过了720小时的时间点的状态。图8B示出使半导体激光元件11进行动作,使冷却板18处于浮动电位,使冷却水流通,经过了480小时的时间点的状态。图8C示出使半导体激光元件11进行动作,将冷却板18接地,使冷却水流通,经过了552小时的时间点的状态。图8D示出使半导体激光元件11进行动作,将冷却板18接地,使冷却水流通,经过了2300小时的时间点的状态。

首先,使用图1~4以及图8A、图8C、图8D对本实施方式的实验进行说明。如图1以及图2所示,在导电性的冷却板18之上,隔着绝缘片19搭载有多个导电性的冷却块15(第1冷却块)。此外,在各冷却块15上搭载有半导体激光元件11(第1半导体激光元件)。冷却板18和冷却块15由绝缘片19电绝缘,冷却块15和半导体激光元件11的正电极111(第1电极)电连接。在此,将搭载了半导体激光元件11的冷却块15称为MCC(Micro Channel Cooler,微通道冷却器)模块。此外,冷却块15的主要材料是铜,冷却板18的主要材料是不锈钢。

此外,如图1所示,半导体激光元件11的负电极112(第2电极)与相邻的MCC模块的冷却块15电连接,由此,MCC模块被串联连接。另外,对于半导体激光元件11而言,正电极111和负电极112对置配置,若从正电极111向负电极112流动电流则从发光点(发射器)射出激光。此外,在串联连接的多个MCC模块当中的一端的MCC模块(图1中为右端的MCC模块)中,半导体激光元件11的负电极112为接地电位,并且与电源的负极连接。在串联连接的多个MCC模块当中的另一端的MCC模块(图1中为左端的MCC模块)中,冷却块15与电源的正极连接。由此,在各半导体激光元件11中,从正电极111朝向负电极112流动电流。另外,在图2中,关于半导体激光元件11的负电极112与电源的负极、接地的连接,省略以串联连接插入的其他MCC模块(图1中为右侧4个MCC模块)来进行了记载。此外,也可以将电源的朝向颠倒,交换半导体激光元件11的正电极111和负电极112。

进而,如图1以及图2所示,冷却板18具有彼此独立的供水路径21和排水路径22。冷却板18的供水路径21以及排水路径22按照每个MCC模块设置有开口部。此外,绝缘片19具有与供水路径21的开口部连接的第1贯通孔191、和与排水路径22的开口部连接的第2贯通孔192。进而,MCC模块的冷却块15(第1冷却块)在内部设置了第1管23,使得将绝缘片19的第1贯通孔191和第2贯通孔192进行连接。在此,在冷却块15与冷却板18之间,也可以夹着设置于绝缘片19的第1贯通孔191以及第2贯通孔192的绝缘性的O型环。另外,在设置了2个MCC模块的半导体激光装置10中,在第2个MCC模块中,设置与第1个MCC模块的第1半导体激光元件、第1冷却块、第1管、第1贯通孔、第2贯通孔、作为正电极的第1电极、作为负电极的第2电极分别对应的第2半导体激光元件、第2冷却块、第2管、第3贯通孔、第4贯通孔、作为正电极的第3电极、作为负电极的第4电极。另外,在本实施方式的实验中,在半导体激光装置10中设置了5个MCC模块,但MCC模块也可以是1个。

进而,供水路径21和排水路径22使用配管连接器24以及绝缘性的配管25,与循环装置26连接。循环装置26具有热交换器,热交换器使冷却水进行循环,并且排出冷却水的热。冷却水例如是导电率小于10μS/cm的离子交换水。而且,沿图1以及图2的箭头20所示的方向,冷却水在半导体激光装置10内进行循环。此外,如图2所示,半导体激光装置10搭载于设置有激光通过的开口部28的导电性的框体27的内部。框体27接地,冷却板18通过与框体27连接而成为接地电位。

接下来,对使用了该半导体激光装置10的实验进行说明。

首先,在半导体激光装置10中,在将电源关闭(OFF)的状态下,不使半导体激光元件11进行动作而使冷却水流通了720小时。此时的冷却板18的供水路径21的开口部如图8A所示,为无堆积物的状态。接着,在半导体激光装置10中,在将电源接通(ON)的状态下,使半导体激光元件11进行动作,使冷却水流通了552小时。此时的冷却板18的供水路径21的开口部如图8C所示,产生了堆积物。进而,若在该状态下使冷却水流通2300小时,则冷却水的循环会变得无法进行。此时,冷却板18的供水路径21的开口部如图8D所示,为堆积物正在堵住开口部的状态。此外,冷却块15的第1管23不能使冷却水流通,完全被堆积物堵住。

接下来,对产生堆积物的条件下的冷却水进行说明。图3是表示产生了堆积物的冷却水的照片的图。如图3所示可知,在冷却水中产生了漂浮物31。进而,图4是表示冷却水中的漂浮物31的EDS(Energy Dispersive x-ray Spectroscopy,能量弥散X射线谱)分析结果的曲线图。如图4所示,漂浮物31中包含很多铁(Fe),由此可知,漂浮物31是冷却板18的材料即不锈钢在冷却水中溶解析出的物质。

发明者们针对冷却板18的不锈钢的析出的原理进行了考察。若对半导体激光元件11的正电极111与负电极112之间施加电压而使电流流动,则与正电极111电连接的冷却块15成为正电位。此时,可以认为,冷却水被正离子化而在循环路径中进行循环,对处于接地电位的冷却板18的不锈钢进行了溶解。而且,可以认为,溶出到冷却水中的不锈钢的成分(例如铁)饱和,在循环路径的各处发生析出。

接下来,使用图5~8对本实施方式进行说明。另外,在图5以及图6中,省略与图1以及图2重复的说明。图5与图1的不同点在于,冷却板18并未被接地这一点。此外,图6与图2的不同点在于,在冷却板18与框体27之间经由绝缘板29,将冷却板18设为浮动电位这一点。

图7A~图7C是本实施方式所涉及的MCC模块的示意图,图7A是平面示意图,图7B是图7A的VIIb-VIIb的剖面示意图,图7C是图7A的VIIc-VIIc的剖面示意图。

如图7A~图7C所示,在冷却块15上,为了搭载半导体激光元件11,从冷却块15这一侧起,形成了导电性的焊料层14、导电性的子装配(submount)13(第1导电板)和导电性的焊料层12。半导体激光元件11的正电极111与焊料层12连接。子装配13对半导体激光元件11的正电极111以及冷却块15的热膨胀系数进行调整,防止因膨胀率的差异而引起的半导体激光元件11的翘曲。

此外,如图7A~图7C所示,从冷却块15这一侧起,形成了绝缘性的胶带17和导电性的粘结板16,使得包围半导体激光元件11。而且,半导体激光元件11的激光的射出面与冷却块15的侧面位于同一平面。此外,子装配13的侧面也与冷却块15的侧面位于同一平面。即,在半导体激光元件11中,图7A以及图7B中的右侧侧面为激光射出面113,从激光射出面113向右侧射出激光。

焊料层12的材料是以金锡(AuSn)为主要成分的焊料,焊料层12的厚度为2~5μm。半导体激光元件11通过焊料层12而粘接于子装配13。焊料层12通过蒸镀或镀覆而形成在子装配13上,半导体激光元件11粘接于形成在子装配13上的焊料层12。

焊料层12形成为与半导体激光元件11的整个底面接触即可。如图7A所示,优选为焊料层12从半导体激光元件11的激光射出面113以外的侧面露出。由此,能够使焊料层12形成于半导体激光元件11的整个底面。此外,焊料层12也可以形成于子装配13的整个上表面。

子装配13的材料主要是铜钨(CuW),子装配13的厚度约为300μm。作为子装配13的材料,也可以使用氮化铝(AlN)等。

焊料层14的材料是以锡银(SnAg)为主要成分的焊料,焊料层14的厚度约为20μm。子装配13通过焊料层14而粘接于冷却块15。焊料层14在冷却块15的上表面形成箔状的层,子装配13粘接于焊料层14。通过焊料层14的厚度,在缓和了冷却块15的表面的凹凸的状态下,能够将子装配13搭载于冷却块15。由此,能够进一步提高从子装配13向冷却块15的散热。

作为半导体激光元件11的上表面的负电极112通过金(Au)的金属细线(未图示)与导电性的粘结板16电连接。此外,绝缘性的胶带17和绝缘片19例如是聚酰亚胺,但也可以使用聚酰亚胺以外的绝缘材料。

接下来,说明本实施方式的效果。图8B是示出使半导体激光装置50的半导体激光元件11进行动作,使冷却板18处于浮动电位,使冷却水流通,经过了480小时的照片的图。如图8B所示,此时,冷却板18的供水路径21的开口部为无堆积物的状态。即,可知即使使半导体激光元件11工作,冷却板18的不锈钢成分也不会溶出到冷却水中。这是因为,通过使冷却板18处于浮动电位,从而即使半导体激光元件11工作而使冷却水正离子化,相应地冷却板18也带电,能够抑制不锈钢的成分溶出。

由此,能够通过更简便的结构来防止冷却水的循环路径尤其是路径变细的冷却块15的第1管23的堵塞,能够稳定充分地保持半导体激光元件11的散热性。由此,能够实现激光的特性稳定并且均匀的高输出的半导体激光装置。

工业实用性

根据本发明,能够以更简便的结构进行半导体激光元件的冷却,能够实现激光的特性稳定并且均匀的高输出的半导体激光装置。由此,在工业用途的领域,作为进行基于激光的加工(焊接、接合以及切断)的加工装置的光源,此外,作为通信用、其他民生设备的半导体激光装置的光源非常有用。

符号说明

10 半导体激光装置

11 半导体激光元件

111 正电极

112 负电极

113 激光射出面

12 焊料层

13 子装配

14 焊料层

15 冷却块

16 导电性的粘结板

17 绝缘性的胶带

18 冷却板

19 绝缘片

191 第1贯通孔

192 第2贯通孔

20 箭头

21 供水路径

22 排水路径

23 管

24 配管连接器

25 配管

26 循环装置

27 框体

28 开口部

29 绝缘板

31 漂浮物

50 半导体激光装置

900 半导体激光装置

901 半导体激光元件

902 焊料层

903 散热片

904 激光

再多了解一些
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