特許ウォッチ

公開番号2025097171
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-30
出願番号2023213305
出願日2023-12-18
発明の名称半導体レーザモジュールおよびその製造方法並びにレーザ加工装置
出願人三菱電機株式会社
代理人個人
主分類H01S 5/022 20210101AFI20250623BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】上部電極ブロックとレーザダイオード素子との間の給電構造体の場所による変形のばらつきを従来に比して抑制することができる半導体レーザモジュールを得ること。
【解決手段】半導体レーザモジュールは、ヒートシンクと、ヒートシンクの第1領域に配置される第1電極と、第1電極上に配置される絶縁層と、ヒートシンクの第2領域に配置されるサブマウントと、サブマウント上に配置されるレーザダイオード素子と、レーザダイオード素子上に配置される波型の導電性のリボンと、絶縁層上および給電構造体上に設けられる第2電極と、を備える。絶縁層は、1つの部材によって構成される。第1電極と対向する面において、凸部の平坦な面と絶縁層の第1電極側の面との間の平行度が0.03°以内である。ヒートシンクと対向する面において、凸部の平坦な面と第1電極のヒートシンク側の面との間の平行度が0.03°以内である。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの第１領域に配置される第１電極と、
前記第１電極上に配置される絶縁層と、
前記ヒートシンクの前記第１領域とは異なる第２領域に配置され、導電性および熱伝導性を有するサブマウントと、
前記サブマウント上に配置され、レーザ光を出射するレーザダイオード素子と、
前記レーザダイオード素子上に配置され、導電性、熱伝導性および弾性を有する給電構造体と、
前記絶縁層上および前記給電構造体上に接するように設けられる第２電極と、
を備え、
前記第２電極は、前記絶縁層と接する平坦な面を有する電極対向部と、前記給電構造体と接する平坦な面を有し、前記電極対向部よりも前記ヒートシンク側に向かって突出した凸部と、を有し、
前記給電構造体は、前記レーザダイオード素子と前記第２電極との間に配置される波型の導電性のリボンによって構成され、
前記絶縁層は、１つの部材によって構成され、
前記第２電極と、前記第２電極に接合された前記絶縁層と、の前記第１電極と対向する面において、前記凸部の前記平坦な面と前記絶縁層の前記第１電極側の面との間の平行度が０．０３°以内であり、
前記第２電極と、前記絶縁層を介して前記第２電極に接合された前記第１電極と、の前記ヒートシンクと対向する面において、前記凸部の前記平坦な面と前記第１電極の前記ヒートシンク側の面との間の平行度が０．０３°以内であることを特徴とする半導体レーザモジュール。
続きを表示（約 2,900 文字）【請求項２】
前記第２電極は、前記電極対向部の前記平坦な面と前記凸部の前記平坦な面との間の平行度が０．０３°以内であり、
前記絶縁層は、前記第１電極と接する面と前記第２電極と接する面との間の平行度が０．０３°以内であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項３】
前記第２電極の前記電極対向部の前記平坦な面と前記凸部の前記平坦な面とは、３０μｍ以内の平面度を有し、
前記絶縁層の前記第１電極と接する面と前記第２電極と接する面とは、３０μｍ以内の平面度を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項４】
前記ヒートシンク、前記第１電極、前記絶縁層および前記第２電極は、前記半導体レーザモジュールの積層方向に貫通する通し孔を有し、
前記ヒートシンクを支持する面にねじ穴が設けられたマニホールドと、
前記ヒートシンク、前記第１電極、前記絶縁層および前記第２電極の前記通し孔に挿通され、前記マニホールドの前記ねじ穴に螺合されるねじと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載の半導体レーザモジュールを複数有し、複数の前記半導体レーザモジュールから出射される前記レーザ光を結合して出射するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射される結合した前記レーザ光を伝送する光ファイバと、
前記光ファイバからの結合した前記レーザ光を集光し、被加工物に向けて照射する加工ヘッドと、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
第１電極と対向する平坦な面を有する電極対向部と、前記電極対向部の前記平坦な面よりも垂直な方向に突出し、平坦な面を有する凸部と、を有する第２電極の前記電極対向部に絶縁層を締結部材で締結し、第１締結体を形成する第１締結工程と、
前記第１締結体の前記凸部の前記平坦な面と、前記絶縁層の前記第２電極と接する面とは反対側の第１面と、の間の平行度である前記第１締結体の平行度を測定する第１平行度測定工程と、
前記第１締結体の平行度が０．０３°以内である場合に、前記第２電極の前記電極対向部に前記絶縁層を接着剤を介して接合する第１接合工程と、
前記第２電極の前記電極対向部に前記絶縁層を介して前記第１電極を締結部材で締結し、第２締結体を形成する第２締結工程と、
前記第２締結体の前記凸部の前記平坦な面と、前記第１電極の前記絶縁層と接する面とは反対側の第２面と、の間の平行度である前記第２締結体の平行度を測定する第２平行度測定工程と、
前記第２締結体の平行度が０．０３°以内である場合に、前記絶縁層が接合された前記第２電極の前記電極対向部に接着剤を介して前記第１電極を接合する第２接合工程と、
前記第２電極の前記凸部に導電性、熱伝導性および弾性を有する給電構造体を接合し、電極構造体を形成する給電構造体接合工程と、
レーザ光を出射するレーザダイオード素子を導電性および熱伝導性を有するサブマウント上に接合する素子接合工程と、
前記サブマウントをヒートシンクの素子配置領域に接合するサブマウント接合工程と、
前記第１電極に導電性接着剤を塗布し、前記給電構造体と前記レーザダイオード素子とが対向し、前記ヒートシンクの前記素子配置領域とは異なる領域である電極配置領域と前記第１電極とが対向するように前記電極構造体と前記ヒートシンクとを接合する電極構造体接合工程と、
を含み、
前記給電構造体接合工程では、前記給電構造体として導電性のリボンを波型に接合することを特徴とする半導体レーザモジュールの製造方法。
【請求項７】
前記第１締結工程の前に、前記第２電極の前記電極対向部の前記平坦な面と前記凸部の前記平坦な面との間の平行度と、前記絶縁層の前記第１電極と接する面と前記第２電極と接する面との間の平行度と、を測定する第３平行度測定工程をさらに含み、
前記第１締結工程では、前記第２電極の前記平行度および前記絶縁層の前記平行度が０．０３°以内である場合に、測定した前記第２電極および前記絶縁層を使用することを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザモジュールの製造方法。
【請求項８】
前記第１締結工程の前に、前記第２電極の前記電極対向部の前記平坦な面および前記凸部の前記平坦な面の平面度である前記第２電極の平面度と、前記絶縁層の前記第１電極と接する面および前記第２電極と接する面の平面度である前記絶縁層の平面度と、を測定する平面度測定工程をさらに含み、
前記第１締結工程では、前記第２電極の平面度および前記絶縁層の平面度が３０μｍ以内である場合に、測定した前記第２電極および前記絶縁層を使用することを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザモジュールの製造方法。
【請求項９】
前記締結部材は、ねじであり、
前記第１接合工程では、タップが切られたベースプレート上に、前記第２電極を載置し、前記第２電極の前記接着剤が塗布された前記電極対向部に前記絶縁層を載置し、前記第２電極および前記絶縁層に設けられた通し孔に前記ねじを挿通し、前記ベースプレートの前記タップに螺合させて締結して接合し、
前記第２接合工程では、前記ベースプレート上に、前記第２電極を載置し、前記第２電極の前記電極対向部の前記接着剤が塗布された前記絶縁層に前記第１電極を載置し、前記第１電極、前記絶縁層および前記第２電極に設けられた通し孔に前記ねじを挿通し、前記ベースプレートの前記タップに螺合させて締結して接合し、
前記電極構造体接合工程では、前記ベースプレート上に、前記電極構造体を載置し、前記第１電極に前記導電性接着剤を塗布した前記電極構造体に前記ヒートシンクを載置し、前記ヒートシンクおよび前記電極構造体に設けられた通し孔に前記ねじを挿通し、前記ベースプレートの前記タップに螺合させて締結することを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザモジュールの製造方法。
【請求項１０】
前記第１接合工程では、通し孔が設けられた平板状の締結用板を前記絶縁層の上に載置し、前記締結用板側から前記ねじを用いて前記締結用板、前記絶縁層および前記第２電極を前記ベースプレートに締結し、
前記第２接合工程では、前記締結用板を前記第１電極の上に載置し、前記締結用板側から前記ねじを用いて前記締結用板、前記第１電極、前記絶縁層および前記第２電極を前記ベースプレートに締結し、
前記電極構造体接合工程では、前記締結用板を前記ヒートシンクの上に載置し、前記締結用板側から前記ねじを用いて前記締結用板、前記ヒートシンクおよび前記電極構造体を前記ベースプレートに締結することを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザモジュールの製造方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザ光を出力する半導体レーザモジュールおよびその製造方法並びにレーザ加工装置に関する。
続きを表示（約 3,200 文字）【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置用の光源に代表される高出力のレーザ装置では、複数の半導体レーザモジュールからの発振光を光学結合することで高い出力光を得ている。さらなる出力を得るためには、半導体レーザモジュールの数を増やすか、あるいは１つ当たりの半導体レーザモジュールの出力を増やすか、のいずれかで対処される。半導体レーザモジュールの数を増やした場合には、レーザ装置が大型化してしまうため、１つ当たりの半導体レーザモジュールの出力を増やすことが望ましい。半導体レーザモジュールの高出力化は、発熱量の増加を伴うため、レーザダイオード素子の駆動温度上昇による出力特性および長期信頼性に課題がある。このため、高排熱性能を有した半導体レーザモジュールの構造が開発されてきた。
【０００３】
特許文献１には、上面の一部に凹部を有する下部電極ブロックと、下部電極ブロックの凹部以外の上面に設けられる絶縁層と、絶縁層上に配置される上部電極ブロックと、凹部の上面に配置されるサブマウントと、サブマウント上に配置されるレーザダイオード素子と、レーザダイオード素子と上部電極ブロックとを接続する複数のバンプと、下部電極ブロックと上部電極ブロックとを締結する締結部材と、を有する半導体レーザ装置が開示されている。また、レーザダイオード素子の厚さとバンプの厚さとを合計した厚さよりも、下部電極ブロックの凹部の深さが浅くされている。これによってバンプが変形し、レーザダイオード素子と上部電極ブロックとが電気的に接続されるとともに、レーザダイオード素子からの発熱を同時に２つの電極ブロックへと逃がすことが可能になる。この結果、特許文献１に記載の半導体レーザ装置の排熱性能が改善する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
国際公開第２０１６／１０３５３６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の技術によれば、絶縁層は、下部電極ブロックの凹部を取り囲むように上面に配置される第１絶縁層と、第１絶縁層が配置されていない下部電極ブロックの上面に設けられる第２絶縁層と、の２つの絶縁層によって構成される。２つの絶縁層の厚さが同じではなくばらつきが存在する場合には、２つの絶縁層の間には段差が生じてしまう。段差が生じた２つの絶縁層上に上部電極ブロックを取り付けると、上部電極ブロックが傾いてしまう。上記従来の技術では、このような２つの絶縁層の厚さのばらつきが考慮されていないため、上部電極ブロックのレーザダイオード素子と対向する面とレーザダイオード素子の上面との間に傾きが生じてしまう。この傾きが生じると、上部電極ブロックとレーザダイオード素子との間の給電構造体であるバンプの変形が場所によって異なり、バンプの上部電極ブロックとの接触面積の場所によるばらつきが生じてしまうという問題があった。
【０００６】
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、上部電極ブロックとレーザダイオード素子との間の給電構造体の場所による変形のばらつきを従来に比して抑制することができる半導体レーザモジュールを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る半導体レーザモジュールは、ヒートシンクと、ヒートシンクの第１領域に配置される第１電極と、第１電極上に配置される絶縁層と、ヒートシンクの第１領域とは異なる第２領域に配置され、導電性および熱伝導性を有するサブマウントと、サブマウント上に配置され、レーザ光を出射するレーザダイオード素子と、レーザダイオード素子上に配置され、導電性、熱伝導性および弾性を有する給電構造体と、絶縁層上および給電構造体上に接するように設けられる第２電極と、を備える。第２電極は、絶縁層と接する平坦な面を有する電極対向部と、給電構造体と接する平坦な面を有し、電極対向部よりもヒートシンク側に向かって突出した凸部と、を有する。給電構造体は、レーザダイオード素子と第２電極との間に配置される波型の導電性のリボンによって構成される。絶縁層は、１つの部材によって構成される。第２電極と、第２電極に接合された絶縁層と、の第１電極と対向する面において、凸部の平坦な面と絶縁層の第１電極側の面との間の平行度が０．０３°以内である。第２電極と、絶縁層を介して第２電極に接合された第１電極と、のヒートシンクと対向する面において、凸部の平坦な面と第１電極のヒートシンク側の面との間の平行度が０．０３°以内である。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、上部電極ブロックとレーザダイオード素子との間の給電構造体の場所による変形のばらつきを従来に比して抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの構成の一例を模式的に示す斜視図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの構成の一例を模式的に示す一部断面図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの構成の一例を模式的に示す正面図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールのレーザダイオード素子の近傍の構成の一例を模式的に示す断面図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの給電構造体の構造の一例を示す図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの組み立て前のリボンの形状の一例を示す図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの組み立て後のリボンの形状の一例を示す図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの組み立て後のリボンの形状の一例を示す図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの導電性のリボンの構造の一例を示す図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの製造方法の手順の一例を模式的に示す図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの製造方法の手順の一例を模式的に示す図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの製造方法の手順の一例を模式的に示す図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの製造方法の手順の一例を模式的に示す図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの製造方法の手順の一例を模式的に示す図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの製造方法の手順の一例を模式的に示す図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの製造方法の手順の一例を模式的に示す図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの製造方法の手順の一例を模式的に示す図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの製造方法の手順の一例を模式的に示す図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの製造方法の手順の一例を模式的に示す図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの製造方法の手順の一例を模式的に示す図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの製造方法の手順の一例を模式的に示す図
実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの製造方法の手順の一例を模式的に示す図
実施の形態２に係るレーザ加工装置の構成の一例を模式的に示す図
実施の形態２に係るレーザ加工装置で使用されるレーザ発振器の構成の一例を模式的に示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本開示の実施の形態に係る半導体レーザモジュールおよびその製造方法並びにレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許