特許 7230764 発光モジュールの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-20

(45)【発行日】2023-03-01

(54)【発明の名称】発光モジュールの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/02212 20210101AFI20230221BHJP

【ＦＩ】

H01S5/02212

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019183909

(22)【出願日】2019-10-04

(65)【公開番号】P2021061299

(43)【公開日】2021-04-15

【審査請求日】2022-03-21

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】右田 真樹

【審査官】高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０７３９４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２０７６９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００５／０２０７４５８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特許第５４２７３２５（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２０１８－１７０４５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０１７９８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１６６５７５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ素子を基板の上面に実装する工程と、
レンズを有するキャップを、前記基板の上面側において、前記レンズにより前記レーザ素子の出射光がコリメート光になるように位置合わせする工程と、
前記位置合わせする工程の後、前記キャップと前記基板との間の距離に対応する厚さのスペーサを前記基板の上面と前記キャップとの間に挿入し、前記スペーサと前記基板とを接合し、前記スペーサと前記キャップとを接合する工程と、を有する発光モジュールの製造方法。

【請求項2】

前記スペーサを接合する工程は、厚さの異なる複数のスペーサのうち前記キャップと前記基板との間の距離に対応する厚さのスペーサを選択して接合する工程である請求項１に記載の発光モジュールの製造方法。

【請求項3】

前記複数のスペーサの厚さの違いは５μｍ以下である請求項２に記載の発光モジュールの製造方法。

【請求項4】

前記スペーサの前記基板と対向する面および前記キャップと対向する面にはそれぞれ突起が設けられ、
前記スペーサと前記基板、および前記スペーサと前記キャップとはプロジェクション溶接により接合される請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発光モジュールの製造方法。

【請求項5】

前記レーザ素子は中赤外光を出射する量子カスケードレーザ素子である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発光モジュールの製造方法。

【請求項6】

前記基板の上面に冷却器を搭載する工程を有する請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の発光モジュールの製造方法。

【請求項7】

前記基板、前記スペーサおよび前記キャップは鉄ニッケル合金、鉄ニッケルクロム合金、ステンレスおよび鉄の少なくとも１つを含む請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の発光モジュールの製造方法。

【請求項8】

前記レンズはゲルマニウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、シリコン、フッ化カルシウム、カルコゲナイドガラスの少なくとも１つを含む請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の発光モジュールの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は発光モジュールの製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

発光素子を筐体内に内蔵した発光モジュールが知られている（例えば特許文献１～３など）。発光素子を気密封止し、発光素子から出射される光をレンズによってコリメート光とし、外部に出射する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－１１１２３７号公報

【文献】米国特許出願公開第２００９／０２６２７６８号明細書

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２２２４０３号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

光をコリメート光とするためにレンズと発光素子との位置合わせを行う。しかし、気密封止したパッケージから光を取り出す出射窓とレンズとを別部品とすると、モジュールのコストが増加してしまう。また、レンズの位置を精度良く調整することは困難であった。そこで、低コストかつ位置合わせの信頼性を高めることが可能な発光モジュールの製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明に係る発光モジュールの製造方法は、レーザ素子を基板の上面に実装する工程と、レンズを有するキャップを、前記基板の上面側において、前記レンズにより前記レーザ素子の出射光がコリメート光になるように位置合わせする工程と、前記位置合わせする工程の後、前記キャップと前記基板との間の距離に対応する厚さのスペーサを前記基板の上面と前記キャップとの間に挿入し、前記スペーサと前記基板とを接合し、前記スペーサと前記キャップとを接合する工程と、を有する。

【0006】

本発明に係る発光モジュールは、基板と、前記基板の上面に実装されるレーザ素子と、前記基板の上面に接合されるスペーサと、前記レーザ素子の出射光をコリメート光にするレンズを有し、前記レンズと前記レーザ素子とが対向するように前記スペーサの上面に接合され、前記レーザ素子を封止するキャップと、を具備する。

【発明の効果】

【0007】

上記発明によれば、低コストかつ位置合わせの信頼性を高めることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１（ａ）は実施例１に係る発光モジュールを例示する断面図であり、図１（ｂ）は発光モジュールを例示する斜視図である。

【図2】図２は発光モジュールを例示する斜視図である。

【図3】図３は光強度を例示する図である。

【図4】図４（ａ）および図４（ｂ）は発光モジュールの製造方法を例示する断面図である。

【図5】図５（ａ）および図５（ｂ）は発光モジュールの製造方法を例示する断面図である。

【図6】図６（ａ）および図６（ｂ）は発光モジュールの製造方法を例示する断面図である。

【図7】図７は発光モジュールの製造方法を例示する断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。

【0010】

本願発明の一形態は、（１）レーザ素子を基板の上面に実装する工程と、レンズを有するキャップを、前記基板の上面側において、前記レンズにより前記レーザ素子の出射光がコリメート光になるように位置合わせする工程と、前記位置合わせする工程の後、前記キャップと前記基板との間の距離に対応する厚さのスペーサを前記基板の上面と前記キャップとの間に挿入し、前記スペーサと前記基板とを接合し、前記スペーサと前記キャップとを接合する工程と、を有する発光モジュールの製造方法である。キャップにレンズが設けられているため、発光モジュールの低コスト化が可能である。適切な厚さのスペーサをステムとキャップとに接合することで、レンズの位置合わせの信頼性を高めることができる。
（２）前記スペーサを接合する工程は、厚さの異なる複数のスペーサのうち前記キャップと前記基板との間の距離に対応する厚さのスペーサを選択して接合する工程でもよい。適切な厚さのスペーサをステムとキャップとに接合することで、レンズの位置合わせの信頼性を高めることができる。
（３）前記複数のスペーサの厚さの違いは５μｍ以下でもよい。複数のスペーサから適切な厚さのスペーサを選択することで、レンズの位置合わせの信頼性を高めることができる。
（４）前記スペーサの前記基板と対向する面および前記キャップと対向する面にはそれぞれ突起が設けられ、前記スペーサと前記基板、および前記スペーサと前記キャップとはプロジェクション溶接により接合されてもよい。プロジェクション溶接によりレーザ素子などの気密封止が可能である。
（５）前記レーザ素子は中赤外光を出射する量子カスケードレーザ素子でもよい。レンズによってレーザ素子の出射光をコリメート光とすることができる。
（６）前記基板の上面に冷却器を搭載する工程を有してもよい。封止された空間内にてレーザ素子を冷却することができる。
（７）前記基板、前記スペーサおよび前記キャップは鉄ニッケル合金、鉄ニッケルクロム合金、ステンレスおよび鉄の少なくとも１つを含んでもよい。基板、スペーサおよびキャップの放熱性が向上する。
（８）前記レンズはゲルマニウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、シリコン、フッ化カルシウム、カルコゲナイドガラスの少なくとも１つを含んでもよい。出射光に対するレンズの吸収率が低いため、出射光の損失を抑制することができる。
（９）基板と、前記基板の上面に実装されるレーザ素子と、前記基板の上面に接合されるスペーサと、前記レーザ素子の出射光をコリメート光にするレンズを有し、前記レンズと前記レーザ素子とが対向するように前記スペーサの上面に接合され、前記レーザ素子を封止するキャップと、を具備する発光モジュールである。キャップにレンズが設けられているため、発光モジュールの低コスト化が可能である。適切な厚さのスペーサをステムとキャップとの間に挿入することで、レンズの位置合わせの信頼性を高めることができる。

【0011】

［本願発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る発光モジュールおよびその製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【実施例1】

【0012】

図１（ａ）は実施例１に係る発光モジュール１００を例示する断面図であり、図１（ｂ）は発光モジュール１００を例示する斜視図である。図２は発光モジュール１００を例示する斜視図であり、キャップ１２を取り外した状態を示している。

【0013】

図１（ａ）から図２に示すように、発光モジュール１００はキャン（ＣＡＮ）型のパッケージであり、ステム１０、キャップ１２、レーザ素子２６およびスペーサ３０を有する。ステム１０は例えば直径１５ｍｍの円形の基板である。ＸＹ平面はステム１０の面が広がる面である。Ｚ軸方向はステム１０、スペーサ３０およびキャップ１２が重なる方向である。

【0014】

図１（ｂ）および図２に示すように、ステム１０の上面に冷却器２０が搭載され、冷却器２０の上にはヒートシンク２２が搭載されている。ヒートシンク２２の表面にはサブマウント２４が取り付けられ、サブマウント２４の表面にはレーザ素子２６およびサーミスタ２８が取り付けられている。

【0015】

冷却器２０は例えばペルチェ素子を有し、レーザ素子２６を冷却する。ヒートシンク２２およびサブマウント２４は例えば銅（Ｃｕ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）など熱伝導率の高い材料で形成され、レーザ素子２６の熱をステム１０に放熱する。サブマウント２４にはレーザ素子２６およびサーミスタ２８に接続される配線が形成されている。レーザ素子２６は例えば量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum Cascade Laser）である。

【0016】

ステム１０の上面にスペーサ３０を接合し、スペーサ３０の上面にキャップ１２を接合することで、レーザ素子２６などが気密封止される。ステム１０の底面からは例えば８本のリードピン１４が延伸する。リードピン１４は冷却器２０、レーザ素子２６、およびサーミスタ２８などと電気的に接続され、レーザ素子２６への電流の入力、冷却器２０の駆動、サーミスタ２８による温度測定などに用いられる。

【0017】

キャップ１２は一方の底面が開口した円筒型の部材であり、ステム１０と対向する面にレンズ１３を有する。レンズ１３は例えばゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、シリコン（Ｓｉ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）、カルコゲナイドガラスなどで形成されたコリメートレンズであり、レーザ素子２６の出射光をコリメート光とする。レンズ１３の直径Φは例えば１０ｍｍである。レンズ１３の最も厚い部分において、レンズ１３の厚さＴ１は６ｍｍであり、レンズ１３とレーザ素子２６との間の距離Ｄ１は例えば３．２ｍｍである。Ｚ軸方向におけるキャップ１２の厚さＴ３は例えば１２ｍｍであり、厚さの公差は±０．０５ｍｍである。

【0018】

スペーサ３０はリング状の部材であり、ステム１０とキャップ１２との間に設けられる。図２に示すように、スペーサ３０の上面および下面には突起３２が設けられている。スペーサ３０をステム１０およびキャップ１２に接合すると、突起３２はつぶれる。厚さＴ２の異なる複数のスペーサ３０から１つを選び、接合することで発光モジュール１００を製造する。製造方法は後述する。

【0019】

ステム１０、キャップ１２およびスペーサ３０は例えば鉄－ニッケル（Ｆｅ－Ｎｉ）合金、鉄－ニッケル－コバルト（Ｆｅ－Ｎｉ－Ｃｏ）合金、ステンレス、または鉄など金属の母材に、ニッケル（Ｎｉ）、またはＮｉ－金（Ａｕ）合金などのメッキを施したものである。ステム１０、キャップ１２およびスペーサ３０は例えば同一の材料で形成されてもよいし、異なる材料で形成されてもよい。

【0020】

リードピン１４からレーザ素子２６に電圧を印加することで、レーザ素子２６は波長４～１１μｍ程度の中赤外領域のレーザ光を出射する。レーザ素子２６はＱＣＬであり、通信用のレーザ光源などに比べ、駆動には高電流を使用する。このため消費電力が大きくなり、例えば１～３Ｗ程度である。レーザ素子２６の消費電力に起因して熱が発生する。冷却のために、レーザ素子２６とともに冷却器２０を気密封止する。

【0021】

図３は光強度を例示する図である。横軸はレーザ素子２６を基準とする光の出射角を表し、縦軸はレーザ素子２６からの光強度を表す。実線はＦＦＰＨを表し、縦軸はＦＦＰＶを表す（ＦＦＰ：Far Field Pattern）。レーザ素子２６と正対する方向である出射角０°において光強度は約１であり、出射角が広がると光強度は減衰する。レーザ素子２６はＱＣＬであり、他のレーザ素子に比べて放射角が大きい。出射角の絶対値が４０～５０程度で光強度が１／ｅ^２に減衰する。出射光のロスを抑制するため、レンズ１３の直径を１０ｍｍ程度に大きくし、レンズ１３が出射光を多く取り込むことが好ましい。

【0022】

発光モジュール１００は例えばガスの分析などに用いられる。レーザ素子２６が出射するレーザ光はレンズ１３を透過することでコリメート光になり、Ｚ軸方向を伝搬する。レーザ光を、ガスを封入したセルなどを通過させ、サーモパイルなどの受光装置で受光する。こうして得られるスペクトルからガス中の成分分析を行う。感度の向上のため、発光モジュール１００から例えば数十ｍの距離まで良質なコリメート光を出射することが好ましい。良質なコリメート光を得るためには、レーザ素子２６とレンズ１３との位置合わせが重要である。

【0023】

位置合わせとは、ステム１０の広がる方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）における位置の調整と、高さ方向（Ｚ軸方向）におけるレーザ素子２６とレンズ１３との間の距離の調整を含む。実施例１では、複数のスペーサ３０のうち適切な厚さのスペーサ３０を接合することで高さ方向の位置合わせを正確に行う。

【0024】

（製造方法）
図４（ａ）から図７は発光モジュール１００の製造方法を例示する断面図である。図４（ａ）に示すように、ステム１０の上面に冷却器２０、ヒートシンク２２、サブマウント２４、レーザ素子２６およびサーミスタ２８を実装する。例えば、サブマウント２４、レーザ素子２６およびサーミスタ２８が搭載されたヒートシンク２２を冷却器２０に搭載し、冷却器２０を半田などでステム１０に固定する。冷却器２０、レーザ素子２６およびサーミスタ２８はワイヤボンディングによりリードピン１４と電気的に接続する。レンズ１３を有するキャップ１２を適切な位置に取り付けることで、レーザ素子２６とレンズ１３との調芯を行う。

【0025】

図４（ｂ）に示すように、キャップ１２をツール４０で把持しステム１０に近づける。図５（ａ）に示すように、キャップ１２をステム１０の上面に接触させる。図５（ｂ）に示すように、レーザ素子２６から光を出射させ、レンズ１３を透過した光を受光装置５０で受光する。受光装置５０により光の形状をモニタしながら、光がコリメート光になるように、ツール４０によりキャップ１２のＸＹ平面内の位置およびＺ軸方向の位置（高さ）を調整する。記憶装置５２は、コリメート光が得られるキャップ１２の位置を記憶する。光がコリメート光になる際のステム１０の上面とキャップ１２の底面との距離をＤ２とする。

【0026】

図６（ａ）に示すように、複数のスペーサをあらかじめ準備しておく。３つのスペーサ３０ａ～３０ｃの厚さは互いに異なる。スペーサ３０ａの厚さＴ２ａはスペーサ３０ｂの厚さＴ２ｂより大きい。スペーサ３０ｃの厚さＴ２ｃはスペーサ３０ａの厚さＴ２ａより大きい。複数のスペーサから、図５（ｂ）の距離Ｄ２と同じ厚さを有するものを選択する。この例ではスペーサ３０ａの厚さＴ２ａが距離Ｄ２に等しいものとする。なお、図６（ａ）に示すスペーサは３つであるが、スペーサは３つ以下でもよいし３つ以上でもよい。厚さの異なるスペーサを多く準備することが好ましい。例えば、複数のスペーサ３０の厚さは５μｍ間隔で異なる。複数のスペーサ３０のうち最大の厚さは４００μｍであり、最小の厚さは１００μｍである。

【0027】

図６（ｂ）に示すように、ツール４０によりキャップ１２をＺ軸方向において上昇させる。厚さＴ２ａを有するスペーサ３０ａをステム１０とキャップ１２との間に挿入する。記憶装置５２に記憶された位置にキャップ１２を配置する。図７に示すようにスペーサ３０ａの下面の突起３２はステム１０に接触し、上面の突起３２はキャップ１２に接触する。ステム１０に電極４２を接触させる。ツール４０からキャップ１２にステム１０側への圧力をかけ、かつツール４０と電極４２との間に電流を流す。これによりステム１０とスペーサ３０ａ、およびキャップ１２とスペーサ３０ａとのプロジェクション溶接を行う。ステム１０、スペーサ３０およびキャップ１２それぞれの表面のメッキ層が溶融して、接合される。これにより図１（ａ）に示すような発光モジュール１００が形成される。

【0028】

実施例１によれば、レーザ素子２６はステム１０に実装され、キャップ１２およびスペーサ３０により気密封止される。キャップ１２とレンズ１３とが一体であるため、部品点数の増加およびコストを抑制することができる。

【0029】

図５（ｂ）に示すように光がコリメート光になるようにキャップ１２の位置合わせをし、複数のスペーサ３０のうち距離Ｄ２に対応する厚さを有するスペーサ３０ａを選択し、ステム１０およびキャップ１２に接合する。キャップ１２を最適な位置で固定することで、位置合わせの信頼性を高めることができる。レンズ１３を通してレーザ素子２６の光をコリメート光とし、発光モジュール１００の外部に出射することができる。

【0030】

例えば５μｍごとに厚さの異なる複数のスペーサ３０から１つを選択して接合する。適切な厚さのスペーサ３０を接合することができ、レンズ１３の位置を精度よく定めることができる。厚さの違いは５μｍ以上でもよいし、５μｍ以下でもよい。例えば厚さの違いを４μｍ以下、３μｍ以下などと小さくすることで、より精密な位置合わせが可能となる。

【0031】

スペーサ３０の厚さおよび寸法の公差などに関わらず、レンズ１３とレーザ素子２６とを離間させる。具体的には、レンズ１３とレーザ素子２６との間の距離Ｄ１は０．５ｍｍ以上とする。

【0032】

レーザ素子２６は例えば波長４～１１μｍの中赤外光を出射する量子カスケードレーザである。発光モジュール１００は分析用の素子であり、レンズ１３によってコリメートされた中赤外帯域の光を出射する。スペーサ３０を用いたキャップ１２の位置合わせによって、コリメート光を遠方まで出射することができ、分析の精度が向上する。スペーサ３０を用いてレンズ１３付きのキャップ１２の位置合わせを精度高く行うことで、発光モジュール１００から数十ｍ先にコリメート光を出射することができる。レーザ素子２６は中赤外光以外の光を出射してもよいし、量子カスケードレーザ以外の発光素子でもよい。発光モジュール１００は分析以外の用途に用いられてもよい。

【0033】

スペーサ３０は上面および下面に突起３２を有する。プロジェクション溶接によってスペーサ３０をステム１０およびキャップ１２に接合し、レーザ素子２６などを気密封止することができる。レーザ素子２６とともに冷却器２０を気密封止することで、封止された空間内を冷却し、温度の上昇を抑制することができる。レーザ素子２６としてＱＣＬを用いると消費電力が大きくなり発生する熱が増加する。冷却のために冷却器２０を設けることが有効である。

【0034】

ステム１０、スペーサ３０およびキャップ１２は、例えばＦｅ－Ｎｉ合金、Ｆｅ－Ｎｉ－Ｃｏ合金、ステンレスおよび鉄など金属で形成された母材、並びにＮｉおよびＡｕなどのメッキ層で形成される。ステム１０、スペーサ３０およびキャップ１２が金属で形成されるため放熱性が向上する。レーザ素子２６および冷却器２０などが搭載されるステム１０は高い放熱性を有することが特に好ましい。ステム１０、スペーサ３０およびキャップ１２の材料は同じでもよいし、異なってもよい。これらが互いに同じ材料で形成されることで、これらの熱膨張係数が同程度になる。したがって温度変化による接合の劣化が抑制され、気密封止は維持される。

【0035】

レンズ１３は例えば中赤外光などレーザ素子２６の出射光に対する吸収率が低い材料で形成され、例えばＧｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｓｉ、ＣａＦ_２、カルコゲナイドガラスなどで形成されたコリメートレンズである。レンズ１３付きのキャップ１２の位置合わせを正確に行うことで、良質なコリメート光が得られる。レンズ１３は他の材料で形成されてもよい。

【0036】

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【符号の説明】

【0037】

１０ ステム
１２ キャップ
１３ レンズ
１４ リードピン
２０ 冷却器
２２ ヒートシンク
２４ サブマウント
２６ レーザ素子
２８ サーミスタ
３０、３０ａ～３０ｃ スペーサ
３２ 突起
４０ ツール
４２ 電極
５０ 受光装置
５２ 記憶装置
１００ 発光モジュール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】