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公開番号2025097170
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-30
出願番号2023213304
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】レーザダイオード素子の長期信頼性の低下を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、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ているリボン状の波型構造部によって構成される。
【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ているリボン状の波型構造部によって構成され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 1,500 文字）【請求項２】
前記給電構造体は、複数の前記リボン状の波型構造部によって構成され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】
複数の前記リボン状の波型構造部は、定められた方向に並列に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項４】
前記リボン状の波型構造部は、波型となるように、定められた位置であるボンディング部で前記第２電極と接合され、
すべての前記リボン状の波型構造部の前記ボンディング部の位置は、前記リボン状の波型構造部の延在方向において同じであることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項５】
前記リボン状の波型構造部は、波型となるように、定められた位置であるボンディング部で前記第２電極と接合され、
すべての前記リボン状の波型構造部の前記ボンディング部の位置が、前記リボン状の波型構造部の延在方向において同じとはならないことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項６】
前記リボン状の波型構造部は、波型となるように、定められた位置であるボンディング部で前記第２電極と接合され、
前記リボン状の波型構造部の延在方向に交差する方向に隣接する２つの前記リボン状の波型構造部の前記ボンディング部の位置は、前記延在方向において異なることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項７】
前記リボン状の波型構造部は、１つの導電性のリボンによって構成され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８】
前記リボン状の波型構造部は、長さの異なる複数の導電性のリボンを重ねた構成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９】
請求項１から８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１０】
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接合する工程と、
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電極を接合する工程と、
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工程と、
前記レーザダイオード素子と前記給電構造体とが対向し、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工程と、
を含み、
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ているリボン状の波型構造部によって構成され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。

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 3,100 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、上面の一部に切欠状凹部を有する下部電極ブロックと、下部電極ブロックの切欠状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、切欠状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切欠状凹部の深さが浅くされている。これによって組み立て時にバンプが変形し、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２０１９／００９０８６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、レーザダイオード素子の上面に先端が尖った複数のバンプを配置した後、上部電極ブロックを取り付けている。このとき、複数のバンプの上端を上部電極ブロックと十分に接触させるためには、先端が尖った複数のバンプをつぶさなければならない。複数のバンプは、内部まで金属が充填された中実の構造を有しているため、上部電極ブロックを取り付ける際に複数のバンプの形状を変更させるための応力が必要となる。この応力は、複数のバンプだけではなく、複数のバンプの下に配置されるレーザダイオード素子にもかかることになる。つまり、従来の技術では、半導体レーザ装置の製造の際に、レーザダイオード素子に大きな荷重がかかってしまう。レーザダイオード素子にかかる荷重が大きくなると、レーザダイオード素子の長期信頼性が低下してしまうという問題点があった。
【０００６】
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザダイオード素子の長期信頼性の低下を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ているリボン状の波型構造部によって構成される。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、レーザダイオード素子の長期信頼性の低下を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断面図
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断面図
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配置の一例を示す下面図
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配置の他の例を示す下面図
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断面図
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断面図
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断面図
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斜視図
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斜視図
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斜視図
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斜視図
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斜視図
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斜視図
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斜視図
従来の技術における半導体レーザ装置のレーザダイオード素子と上部電極ブロックとの間のバンプの一例を模式的に示す断面図
実施の形態２に係る半導体レーザモジュールにおける組み立て前のリボン状の波型構造部の配置の一例を示す断面図
実施の形態２に係る半導体レーザモジュールにおける組み立て前のリボン状の波型構造部の配置の一例を示す下面図
実施の形態３に係る半導体レーザモジュールにおける組み立て前のリボン状の波型構造部の配置の一例を示す断面図
実施の形態３に係る半導体レーザモジュールにおける組み立て前のリボン状の波型構造部の配置の一例を示す下面図
実施の形態４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４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）

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