特開 2023-99244 レーザモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023099244

(43)【公開日】2023-07-12

(54)【発明の名称】レーザモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/024 20060101AFI20230705BHJP

   H01S 5/022 20210101ALI20230705BHJP

【ＦＩ】

H01S5/024

H01S5/022

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020097772

(22)【出願日】2020-06-04

(71)【出願人】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】龍堂 誠

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173MC12

5F173MD16

5F173MD58

5F173ME54

5F173ME56

(57)【要約】

【課題】レーザ素子で生じる熱を効率良く放熱できるようにする。
【解決手段】第１部材１０にレーザ素子４０が載置される。第１部材１０の放熱面には、複数の放熱部１５が立設している。複数の放熱部１５は、第２部材２０の内部流路２１に配置される。放熱部１５は、第１部材１０の材質とは異なる金属材料で構成される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を出射するレーザ素子を備えたレーザモジュールであって、
前記レーザ素子が載置された第１部材と、
前記第１部材における前記レーザ素子が載置された面とは反対側の放熱面に重ね合わされた第２部材とを備え、
前記第２部材には、前記放熱面に沿って冷却媒体を流通させる内部流路が設けられ、
前記第１部材は、前記放熱面から立設して前記内部流路に配置された複数の放熱部を有し、
前記放熱部は、前記第１部材の材質とは異なる金属材料で構成されている、レーザモジュール。

【請求項2】

請求項１において、
前記放熱部は、前記内部流路における冷却媒体の流通方向と交差する幅方向に間隔をあけて複数配置され、
前記第１部材及び前記第２部材の重ね合わせ方向から見て、前記レーザ素子の幅方向の中央側で隣接する前記放熱部同士の間隔は、幅方向の外側で隣接する該放熱部同士の間隔よりも小さい、レーザモジュール。

【請求項3】

請求項１又は２において、
前記複数の放熱部のうち少なくとも１つは、前記放熱面に金属ワイヤの一端部が接合されたバンプ状の第１放熱部を含む、レーザモジュール。

【請求項4】

請求項１乃至３のうち何れか１つにおいて、
前記複数の放熱部のうち少なくとも１つは、前記放熱面に金属ワイヤの両端部が接合されたループ状の第２放熱部を含む、レーザモジュール。

【請求項5】

請求項４において、
前記第２放熱部は、前記内部流路における冷却媒体の流通方向に沿って延びている、レーザモジュール。

【請求項6】

請求項５において、
前記第２放熱部は、前記内部流路における冷却媒体の流通方向と交差する幅方向に間隔をあけて複数配置され、
前記複数の第２放熱部のうち、少なくとも前記幅方向の外側に配置された該第２放熱部は、前記流通方向の上流側から下流側にかけて幅方向の外側に向かうように傾斜している、レーザモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザモジュールに関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、ヒートシンクの上面に半導体レーザ素子を配置し、ヒートシンク内部の流路を流れる冷却媒体によって、半導体レーザ素子を冷却するようにした半導体レーザ装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１７／１８３３００号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、レーザ素子が高温になると、レーザ出力の低下などの性能劣化が生じるおそれがある。そのため、レーザ素子で生じた熱をさらに効率良く放熱して、レーザ素子の性能をより安定化させたいという要望がある。

【0005】

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザ素子で生じる熱を効率良く放熱できるようにすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

第１の発明は、レーザ光を出射するレーザ素子を備えたレーザモジュールであって、前記レーザ素子が載置された第１部材と、前記第１部材における前記レーザ素子が載置された面とは反対側の放熱面に重ね合わされた第２部材とを備え、前記第２部材には、前記放熱面に沿って冷却媒体を流通させる内部流路が設けられ、前記第１部材は、前記放熱面から立設して前記内部流路に配置された複数の放熱部を有し、前記放熱部は、前記第１部材の材質とは異なる金属材料で構成されている。

【0007】

第１の発明では、第１部材にレーザ素子が載置される。第１部材の放熱面には、複数の放熱部が立設している。複数の放熱部は、内部流路に配置される。放熱部は、第１部材の材質とは異なる金属材料で構成される。

【0008】

このように、複数の放熱部を、第１部材の材質とは異なる金属材料で構成することで、製造コストを抑えつつ、放熱面積を増やすことができる。

【0009】

具体的に、第１部材の放熱面積を増やすためには、放熱面を溝状に機械加工して、複数のフィン部を一体形成することが考えられる。しかしながら、フィン部を機械加工することは困難であり、加工工数が多くなってコストが増大してしまう。

【0010】

これに対し、第１部材の放熱面に、例えば、スタッドバンプやワイヤボンディングを行うことで、複数の放熱部を接合するようにすれば、機械加工を行うことなく、放熱面積を増やすことができる。これにより、レーザ素子で生じる熱を効率良く放熱することができる。

【0011】

第２の発明は、第１の発明において、前記放熱部は、前記内部流路における冷却媒体の流通方向と交差する幅方向に間隔をあけて複数配置され、前記第１部材及び前記第２部材の重ね合わせ方向から見て、前記レーザ素子の幅方向の中央側で隣接する前記放熱部同士の間隔は、幅方向の外側で隣接する該放熱部同士の間隔よりも小さい。

【0012】

第２の発明では、放熱部は、幅方向に間隔をあけて複数配置される。レーザ素子の幅方向の中央側で隣接する放熱部同士の間隔が、幅方向の外側で隣接する放熱部同士の間隔よりも小さくなっている。

【0013】

具体的に、レーザ素子の幅方向の中央側では、幅方向の外側に比べて、発熱密度が高くなっている。

【0014】

そこで、レーザ素子の幅方向の中央側に配置された放熱部同士の間隔を小さくすることで、発熱密度の高い部分の放熱面積を増やし、効率良く放熱できるようにしている。

【0015】

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記複数の放熱部のうち少なくとも１つは、前記放熱面に金属ワイヤの一端部が接合されたバンプ状の第１放熱部を含む。

【0016】

第３の発明では、金属ワイヤの一端部を放熱面に接合することで、バンプ状の第１放熱部を構成している。これにより、レーザ素子を電極と接続するためのバンプを形成するワイヤボンディング装置を流用して、第１部材に第１放熱部を形成することができる。

【0017】

第４の発明は、第１乃至３の発明のうち何れか１つにおいて、前記複数の放熱部のうち少なくとも１つは、前記放熱面に金属ワイヤの両端部が接合されたループ状の第２放熱部を含む。

【0018】

第４の発明では、金属ワイヤの両端部を放熱面に接合することで、ループ状の第２放熱部を構成している。これにより、レーザ素子を電極と接続するためのバンプを形成するワイヤボンディング装置を流用して、第１部材に第２放熱部を形成することができる。

【0019】

第５の発明は、第４の発明において、前記第２放熱部は、前記内部流路における冷却媒体の流通方向に沿って延びている。

【0020】

第５の発明では、内部流路における冷却媒体の流通方向に沿って第２放熱部が延びている。これにより、ループ状の第２放熱部の側面に沿って、冷却媒体を内部流路の下流側にスムーズに流すことができる。

【0021】

第６の発明は、第５の発明において、前記第２放熱部は、前記内部流路における冷却媒体の流通方向と交差する幅方向に間隔をあけて複数配置され、前記複数の第２放熱部のうち、少なくとも前記幅方向の外側に配置された該第２放熱部は、前記流通方向の上流側から下流側にかけて幅方向の外側に向かうように傾斜している。

【0022】

第６の発明では、第２放熱部は、幅方向に間隔をあけて複数配置される。幅方向の外側に配置された第２放熱部は、冷却媒体の流通方向の上流側から下流側にかけて幅方向の外側に向かうように傾斜している。

【0023】

これにより、ループ状の第２放熱部の側面に沿って、幅方向の外側に広がるように冷却媒体をスムーズに流すことができ、冷却媒体が滞留するのを抑えることができる。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、レーザ素子で生じる熱を効率良く放熱することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本実施形態１に係るレーザモジュールの構成を示す側面断面図である。

【図2】第１ブロックを重ね合わせ面側から見たときの放熱部の配置を示す図である。

【図3】本実施形態２に係るレーザモジュールの構成を示す側面断面図である。

【図4】第１ブロックを重ね合わせ面側から見たときの放熱部の配置を示す図である。

【図5】本実施形態３に係るレーザモジュールにおいて、第１ブロックを重ね合わせ面側から見たときの放熱部の配置を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

【0027】

《実施形態１》
図１に示すように、レーザモジュール１は、第１部材１０と、第２部材２０と、第３部材２５と、第１電極ブロック３０と、第２電極ブロック３５と、レーザ素子４０と、サブマウント４１と、絶縁層４５とを有する。

【0028】

第１部材１０は、板状のヒートシンクである。第１部材１０は、主に炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成される。詳しくは後述するが、第１部材１０の放熱面（図１で下面）には、複数の放熱部１５が設けられる。

【0029】

第１部材１０の上面には、導電性のサブマウント４１を介してレーザ素子４０が載置される。サブマウント４１は、主に銅タングステン合金（ＣｕＷ）で構成される。

【0030】

レーザ素子４０は、下面が正電極であり、上面が負電極である。レーザ素子４０は、正電極から負電極に向かって電流が流れると、発光面からレーザ光Ｌを出射する。

【0031】

レーザ素子４０の正電極は、サブマウント４１に電気的に接続される。サブマウント４１は、第１電極ブロック３０に電気的に接続される。これにより、第１電極ブロック３０は、サブマウント４１を介してレーザ素子４０の正電極に電気的に接続される。

【0032】

第１電極ブロック３０は、主に銅（Ｃｕ）で構成される。第１電極ブロック３０では、銅製のブロックに対して、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とが順番にメッキされる。

【0033】

第１電極ブロック３０の上面には、絶縁層４５が設けられている。絶縁層４５は、ポリイミドやセラミックなどで構成されている。絶縁層４５の上には、第２電極ブロック３５が載置される。

【0034】

レーザ素子４０の負電極は、バンプ（図示せず）を介して第２電極ブロック３５に電気的に接続される。第２電極ブロック３５は、主に銅（Ｃｕ）で構成される。第２電極ブロック３５では、銅製のブロックに対して、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とが順番にメッキされる。

【0035】

第２部材２０は、第１部材１０におけるレーザ素子４０が載置された面とは反対側の放熱面（図１で下面）に重ね合わされる。第２部材２０は、主にセラミックで構成される。詳しくは後述するが、第２部材２０には、内部流路２１が設けられる。

【0036】

第３部材２５は、第２部材２０の下面に重ね合わされる。第３部材２５は、主にセラミックで構成される。詳しくは後述するが、第３部材２５は、複数の供給孔２６と、排出孔２７とを有する。

【0037】

第１電極ブロック３０、第２電極ブロック３５、第２部材２０、及び第３部材２５は、図示しないネジによって締結されている。このとき、第１電極ブロック３０は、第２電極ブロック３５に対して電気的に絶縁された状態で締結される。

【0038】

このような構成のレーザモジュール１では、レーザ素子４０の正電極から負電極に向かって電流が流れると、レーザ素子４０の側面の発光面からレーザ光Ｌが出力される。このとき、レーザ素子４０で生じた熱は、第１部材１０の放熱面から放熱される。

【0039】

ところで、レーザ素子４０が高温になると、レーザ出力の低下などの性能劣化が生じるおそれがある。そのため、レーザ素子４０で生じた熱を効率良く伝熱及び放熱して、レーザ素子４０の性能をより安定化させたいという要望がある。

【0040】

そこで、本実施形態のレーザモジュール１では、レーザ素子４０で生じる熱をより効率良く放熱できるような構造としている。

【0041】

図２に示すように、第２部材２０には、内部流路２１が設けられる。内部流路２１は、第２部材２０を厚み方向に貫通する孔で構成される。内部流路２１は、レーザ素子４０の反対側の放熱面から後方（図１で左方）に向かって延びる。内部流路２１の上方開口は、第１部材１０で塞がれる。内部流路２１の下方開口は、第３部材２５で塞がれる。

【0042】

第１部材１０には、複数の放熱部１５が設けられる。放熱部１５は、第１部材１０の放熱面から立設して内部流路２１に配置される。放熱部１５は、第１部材１０の材質とは異なる金属材料で構成される。

【0043】

具体的に、放熱部１５は、第１放熱部１１を含む。第１放熱部１１は、金属ワイヤとしての金線の一端部を第１部材１０の放熱面に接合することで、バンプ状に形成される。

【0044】

このように、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成された第１部材１０の放熱面に、金（Ａｕ）で構成された放熱部１５を接合するようにしている。

【0045】

第１放熱部１１は、内部流路２１における冷却媒体の流通方向（図２で左右方向）及び流通方向に交差する幅方向（図２で上下方向）にそれぞれ間隔をあけて複数設けられる。

【0046】

ここで、第１部材１０及び第２部材２０の重ね合わせ方向から見て、レーザ素子４０の幅方向の中央側で隣接する第１放熱部１１同士の間隔が、幅方向の外側で隣接する第１放熱部１１同士の間隔よりも小さくなっている。

【0047】

第３部材２５は、第２部材２０の下面に重ね合わされる。第３部材２５は、複数の供給孔２６と、排出孔２７とを有する。供給孔２６は、第３部材２５の幅方向に間隔をあけて複数設けられる。供給孔２６には、図示しないチラーユニットによって外部から冷却媒体が供給される。冷却媒体は、例えば水である。供給孔２６は、冷却媒体を内部流路２１に供給する。なお、図１及び図２では、冷却媒体の流れを矢印線で示している。

【0048】

複数の供給孔２６から内部流路２１に供給された冷却媒体は、複数の第１放熱部１１の間に供給され、内部流路２１の上面に沿って下流側に流れる。

【0049】

排出孔２７は、第３部材２５における内部流路２１の下流側に開口している。排出孔２７は、内部流路２１から外部に冷却媒体を排出して、冷却媒体を図示しないチラーユニットに戻す。

【0050】

排出孔２７は、第１部材１０及び第２部材２０の重ね合わせ方向に対して傾斜した方向に延びている。図１に示す例では、排出孔２７は、左側に向かって斜め下方に傾斜している。

【0051】

以上のように、本実施形態に係るレーザモジュール１によれば、複数の第１放熱部１１を、第１部材１０の材質とは異なる金属材料で構成することで、製造コストを抑えつつ、放熱面積を増やすことができる。

【0052】

また、レーザ素子４０の幅方向の中央側に配置された第１放熱部１１同士の間隔を小さくすることで、発熱密度の高い部分の放熱面積を増やし、効率良く放熱することができる。

【0053】

《実施形態２》
以下、前記実施形態１と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。

【0054】

図３に示すように、レーザモジュール１は、第１部材１０と、第２部材２０と、第３部材２５と、第１電極ブロック３０と、第２電極ブロック３５と、レーザ素子４０と、サブマウント４１と、絶縁層４５とを有する。第２部材２０には、内部流路２１が設けられる。

【0055】

第１部材１０には、複数の放熱部１５が設けられる。放熱部１５は、第１部材１０の放熱面から立設して内部流路２１に配置される。放熱部１５は、第１部材１０の材質とは異なる金属材料で構成される。

【0056】

具体的に、放熱部１５は、第２放熱部１２を含む。第２放熱部１２は、金属ワイヤとしての金線の両端部を第１部材１０の放熱面に接合することで、ループ状に形成される。

【0057】

このように、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成された第１部材１０の放熱面に、金（Ａｕ）で構成された放熱部１５を接合するようにしている。

【0058】

図４に示すように、第２放熱部１２は、内部流路２１における冷却媒体の流通方向（図４で左右方向）に沿って延びる。第２放熱部１２は、内部流路２１における冷却媒体の流通方向及び流通方向に交差する幅方向（図４で上下方向）にそれぞれ間隔をあけて複数設けられる。

【0059】

ここで、第１部材１０及び第２部材２０の重ね合わせ方向から見て、レーザ素子４０の幅方向の中央側で隣接する第２放熱部１２同士の間隔が、幅方向の外側で隣接する第２放熱部１２同士の間隔よりも小さくなっている。

【0060】

また、複数の第２放熱部１２のうち、幅方向の外側に配置された第２放熱部１２は、冷却媒体の流通方向の上流側から下流側にかけて幅方向の外側に向かうように傾斜している。図４に示す例では、幅方向の上側の３列の第２放熱部１２と、幅方向の下側の３列の第２放熱部１２とが、幅方向の外側に向かってそれぞれ傾斜している。

【0061】

複数の供給孔２６から内部流路２１に供給された冷却媒体は、複数の第２放熱部１２の間に供給され、内部流路２１の上面に沿って下流側に流れる。内部流路２１を流れた冷却媒体は、排出孔２７から排出される。

【0062】

以上のように、本実施形態に係るレーザモジュール１によれば、複数の第２放熱部１２を、第１部材１０の材質とは異なる金属材料で構成することで、製造コストを抑えつつ、放熱面積を増やすことができる。

【0063】

また、ループ状の第２放熱部１２の側面に沿って、冷却媒体を内部流路２１の下流側にスムーズに流すことができる。

【0064】

さらに、内部流路２１の幅方向の外側では、ループ状の第２放熱部１２の側面に沿って、幅方向の外側に広がるように冷却媒体をスムーズに流すことで、冷却媒体が滞留するのを抑えることができる。

【0065】

《実施形態３》
図５に示すように、第１部材１０には、複数の放熱部１５が設けられる。放熱部１５は、第１部材１０の放熱面から立設して内部流路２１に配置される。放熱部１５は、第１部材１０の材質とは異なる金属材料で構成される。

【0066】

具体的に、放熱部１５は、第１放熱部１１と、第２放熱部１２とを含む。第１放熱部１１は、金属ワイヤとしての金線の一端部を第１部材１０の放熱面に接合することで、バンプ状に形成される。第２放熱部１２は、金属ワイヤとしての金線の両端部を第１部材１０の放熱面に接合することで、ループ状に形成される。

【0067】

第１放熱部１１は、内部流路２１における冷却媒体の流通方向（図５で左右方向）及び流通方向に交差する幅方向（図５で上下方向）にそれぞれ間隔をあけて複数設けられる。

【0068】

第２放熱部１２は、第１放熱部１１よりも幅方向の外側に配置される。第２放熱部１２は、第１部材１０の幅方向に沿って延びる。第２放熱部１２は、内部流路２１における冷却媒体の流通方向及び幅方向にそれぞれ間隔をあけて複数設けられる。

【0069】

複数の第２放熱部１２のうち、冷却媒体の流通方向の下流側に配置された第２放熱部１２は、幅方向の中央側から外側にかけて下流側に向かうように傾斜している。

【0070】

以上のように、本実施形態に係るレーザモジュール１によれば、複数の第１放熱部１１及び第２放熱部１２を、第１部材１０の材質とは異なる金属材料で構成することで、製造コストを抑えつつ、放熱面積を増やすことができる。

【0071】

また、ループ状の第２放熱部１２の側面に沿って、幅方向の外側に広がるように冷却媒体をスムーズに流すことができ、冷却媒体が滞留するのを抑えることができる。

【産業上の利用可能性】

【0072】

以上説明したように、本発明は、レーザ素子で生じる熱を効率良く放熱することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

【符号の説明】

【0073】

１ レーザモジュール
１０ 第１部材
１１ 第１放熱部
１２ 第２放熱部
１５ 放熱部
２０ 第２部材
２１ 内部流路
４０ レーザ素子
Ｌ レーザ光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】