特許 7467877 半導体発光装置

(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】2024-04-08

(45)【発行日】2024-04-16

(54)【発明の名称】半導体発光装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/024 20060101AFI20240409BHJP

   H01S 5/02212 20210101ALI20240409BHJP

   H01S 5/02355 20210101ALI20240409BHJP

   H01S 5/0231 20210101ALI20240409BHJP

【ＦＩ】

H01S5/024

H01S5/02212

H01S5/02355

H01S5/0231

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2019190538

(22)【出願日】2019-10-17

(65)【公開番号】P2021068738

(43)【公開日】2021-04-30

【審査請求日】2022-09-15

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109380

【弁理士】

【氏名又は名称】小西 恵

(74)【代理人】

【識別番号】100109036

【弁理士】

【氏名又は名称】永岡 重幸

(72)【発明者】

【氏名】滝沢 泰

(72)【発明者】

【氏名】萩元 将人

(72)【発明者】

【氏名】宮本 晋太郎

【審査官】右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０４６８７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２３５２１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３１９２５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０１６７２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０７９８２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２３９１１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１９０７３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１１３６９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００９／１１６１３３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００１３６４３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０６４１０６０１（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開平１０－１２５９９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－０２１２４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６６６７１４９（ＪＰ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／００ － ５／５０

Ｈ０１Ｌ ３３／００ － ３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

板状に広がり、表裏面を貫通した第１貫通孔を有するベースと、
前記ベースの表裏面のうち第１面側を覆い、周縁部が当該第１面に溶接されて内部空間を形成し気密封止するキャップと、
前記ベースの熱伝導性よりも高い熱伝導性を有し、柱形状を有し、当該柱形状の延伸方向に前記第１貫通孔を貫通して前記内部空間へと突き出し、側面が前記第１貫通孔に嵌まった柱状ブロックと、
前記ベースの熱伝導性よりも高い熱伝導性を有し、前記第１面の裏側の第２面に接触して広がり、前記周縁部が固定された箇所の裏面側まで達し、前記柱状ブロックと一体あるいは前記柱状ブロックに接続された放熱板と、
前記柱状ブロックの側面に直接あるいは間接に固定された、半導体からなる発光素子と、
を備え、
前記ベースに対する前記放熱板の面積率が６５％以上で、且つ、１００％より小さく、
前記柱状ブロックは、当該柱状ブロックの熱膨張による前記発光素子の発光点の位置変化が抑制されるように、前記第１貫通孔の内壁にロウ付けされ、
前記放熱板は、前記ベースの前記第２面にロウ付けされていることを特徴とする半導体発光装置。

【請求項2】

前記発光素子はレーザ素子であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。

【請求項3】

前記ベースは前記第１貫通孔とは別の第２貫通孔を有し、
前記第２貫通孔を貫通して前記発光素子に給電するリードピンを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光装置。

【請求項4】

前記リードピンは前記ベースに絶縁性材料の溶融固着によって固定され気密封止されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光装置。

【請求項5】

前記放熱板は前記リードピンに非接触であることを特徴とする請求項３または４に記載の半導体発光装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体発光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、半導体レーザ装置の高出力化に伴い、パッケージの放熱特性の改善が進められている。

【0003】

このような技術の例としては、パッケージの放熱性向上のため、ヒートシンクとステムベースの材質をＣｕとし、ヒートシンクとステムベースを一体的に構成し、気密封止のためにキャップ溶接部にＦｅ系材料のリングをロウ付けしている構造が知られている(例えば特許文献１参照)。
また、ヒートシンクとベースとをプレス加工によって一体化させる技術が知られている(例えば特許文献２参照)。
さらに、ヒートシンクをベースに貫通させ、ベースの裏面に放熱部を設ける構造もある(例えば特許文献３参照)。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第５８６６５３０号公報

【文献】特許第３６１６６９８号公報

【文献】特開２００４－２３５２１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

放熱性の確保のためには、充分に広い放熱部が求められるとともにキャップ内への熱の戻りを防止する構造も求められる。更に、キャップ溶接による気密封止を妨げない構造も必要であるが、従来構成ではこれら全部を満足することができない。
そこで、本発明は、放熱性の確保と気密封止とを満足する構造の半導体発光装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体発光装置の一態様は、板状に広がり、表裏面を貫通した第１貫通孔を有するベースと、前記ベースの表裏面のうち第１面側を覆い、周縁部が当該第１面に溶接されて内部空間を形成したキャップと、前記ベースの熱伝導性よりも高い熱伝導性を有し、柱形状を有し、当該柱形状の延伸方向に前記第１貫通孔を貫通して前記内部空間へと突き出し、側面が前記第１貫通孔に嵌まった柱状ブロックと、前記ベースの熱伝導性よりも高い熱伝導性を有し、前記第１面の裏側の第２面に接触して広がり、前記周縁部が固定された箇所の裏面側まで達し、前記柱状ブロックと一体あるいは前記柱状ブロックに接続された放熱板と、前記柱状ブロックの側面に直接あるいは間接に固定された、半導体からなる発光素子と、を備える。

【0007】

このような半導体発光装置によれば、第１貫通孔に嵌まった柱状ブロックとベースに接触してキャップの周縁部裏面側まで達した放熱板により、内部空間への熱の戻りが防止された効率的な放熱が実現する。更に、この構造によってキャップ溶接による気密封止が容易となる。

【0008】

上記半導体発光装置において、前記発光素子はレーザ素子であることが好ましい。レーザ素子においては、近年の高出力化に伴って特に高い放熱性が求められる。

【0009】

上記半導体発光装置において、前記ベースは前記第１貫通孔とは別の第２貫通孔を有し、半導体発光装置は、前記第２貫通孔を貫通して前記発光素子に給電するリードピンを備えることが望ましい。
柱状ブロックとリードピンが別の貫通孔を通ることでベースによる熱戻りの防止がより効果的である。

【0010】

上記リードピンを備えた半導体発光装置において、前記リードピンは前記ベースに絶縁性材料の溶融固着によって固定されていることが好ましい。この構造により、気密封止と絶縁との両立が実現される。

【0011】

また、上記リードピンを備えた半導体発光装置において、前記放熱板は前記リードピンに非接触であることも好ましい。この構造により、放熱板とリードピンとが容易に絶縁される。
上記半導体発光装置において、前記放熱板は前記ベースにロウ付けされていることが好適である。ロウ付けによる放熱板とベースとの一体化で強度が増す。

【0012】

上記半導体発光装置において、前記柱状ブロックは前記第１貫通孔の内壁にロウ付けされていることも好適である。ロウ付けによる柱状ブロックとベースとの一体化で、柱状ブロックの熱膨張による発光点の移動が抑制される。

【発明の効果】

【0013】

本発明の半導体発光装置によれば、放熱性の確保と気密封止とを満足することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の第１実施形態に相当する半導体レーザ装置を示す図である。

【図2】ヒートシンクによる放熱の様子を示す図である。

【図3】ステムベースの広がる範囲とフランジ部の広がる範囲を示す図である

【図4】第２実施形態の半導体レーザ装置を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

【0016】

図１は、本発明の第１実施形態に相当する半導体レーザ装置を示す図であり、図１には、上面図（Ａ）と、正面図（Ｂ）と、断面図（Ｃ）が示されている。正面図（Ｂ）では、キャンパッケージの内部が、外部から透視された状態で図示されている。

【0017】

第１実施形態の半導体レーザ装置１００は、ステムベース１０１と、ヒートシンク１０２と、レーザチップ１０３と、ステムキャップ１０４と、給電用リードピン１０５と、ワイヤ１０６を備えている。

【0018】

ヒートシンク１０２は、ブロック部１０２ａがステムベース１０１の下面１０１ｂ側から上面１０１ａ側へと第１貫通孔１０１ｃを貫通し、キャンパッケージの内部に突き出している。ブロック部１０２ａは、断面が半円形状の柱状であり、半円形状の第１貫通孔１０１ｃに嵌まっている。ヒートシンク１０２のフランジ部１０２ｂは、ステムベース１０１の下面１０１ｂと接触し、ステムベース１０１に沿って広がっている。

【0019】

ステムキャップ１０４はステムベース１０１の上面１０１ａに溶接で固定されてヒートシンク１０２のブロック部１０２ａおよびステムベース１０１の上面１０１ａを覆っている。ステムキャップ１０４によって覆われた空間は、キャンパッケージの内部空間となっていて、この内部空間は気密封止されている。

【0020】

ステムベース１０１とヒートシンク１０２とステムキャップ１０４はいずれも金属製で、これらによってキャンパッケージが形成されている。ステムベース１０１およびステムキャップ１０４は例えばＦｅ系の金属材料からなり、ヒートシンク１０２は、例えば銅、金、銅タングステン合金などといった、ステムベース１０１よりも熱伝導性が高い金属材料からなる。なお、ヒートシンク１０２は、例えば窒化アルミニウム、炭化珪素などといった、ステムベース１０１よりも熱伝導性が高いセラミックスからなってもよい。

【0021】

ステムベース１０１は本発明にいうベースの一例に相当し、ヒートシンク１０２のブロック部１０２ａは、本発明にいう柱状ブロックの一例に相当し、ヒートシンク１０２のフランジ部１０２ｂは、本発明にいう放熱板の一例に相当し、ステムキャップ１０４は、本発明にいうキャップの一例に相当する。

【0022】

ヒートシンク１０２のブロック部１０２ａには、ステムベース１０１の上面１０１ａから立ち上がった側面(特に平面の箇所)にレーザチップ１０３が、例えばサブマウント１０３ａを介して間接的に固定されている。なお、レーザチップ１０３はブロック部１０２ａに直接接合されてもよいが、本実施形態ではサブマウント１０３ａが用いられるものとして説明する。レーザチップ１０３は、本発明にいう発光素子の一例に相当する。本発明にいう発光素子はＬＥＤであってもよいが、本実施形態ではレーザチップ１０３が用いられるものとして説明する。

【0023】

レーザチップ１０３の発光点は、円形の外縁形状を有するステムベース１０１の中央に位置し、発光時にレーザチップ１０３が発する熱はブロック部１０２ａに伝達される。レーザチップ１０３は、複数スポットのレーザビームを発するマルチエミッタ型のものであってもよいが、本実施形態では単スポットのレーザビームを発するシングルエミッタ型であるものとして説明する。円形のステムベース１０１の直径は、本実施形態ではφ９ｍｍであるものとして説明するが、φ１６ｍｍ、φ５.６ｍｍ、φ３．８ｍｍなどでもよく、φ９ｍｍに限るものではない。

【0024】

円筒状のステムキャップ１０４には円形の窓穴１０４ａが設けられ、その窓穴１０４ａにはガラス１０４ｂが取り付けられている。レーザチップ１０３から発せられたレーザ光は、ステムキャップ１０４の窓穴１０４ａを通ってステム外に出る。なお、ガラスは平面ガラスに限らず球面や非球面のレンズであってもよい。ステムキャップ１０４は、周縁部１０４ｃがステムベース１０１の上面１０１ａに溶接されることにより内部空間の気密封止を保持している。

【0025】

ヒートシンク１０２のフランジ部１０２ｂは、ステムベース１０１の下面１０１ｂに接触して広がり、ステムキャップ１０４の周縁部１０４ｃの裏面(即ちステムベース１０１を間に挟んで周縁部１０４ｃの反対側）まで届いている。周縁部１０４ｃの溶接時には、フランジ部１０２ｂとステムベース１０１とが接触していることで溶接が容易となり、気密封止が確実に実現される。

【0026】

ステムキャップ１０４が被せられることにより、レーザチップ１０３は外部からの接触による破損や塵埃等の異物付着から保護されている。また、キャンパッケージの内部空間が気密封止されることで、大気中の水分や有機物の付着によるレーザ素子の劣化が防止されるため、信頼性の高い半導体レーザ装置が実現される。

【0027】

給電用リードピン１０５は、ステムベース１０１の第２貫通孔１０１ｄを貫通して一端がステムキャップ１０４で覆われた内側に突き出しており、その一端からレーザチップ１０３にワイヤ１０６が接続されている。本実施形態のレーザチップ１０３は、例えば光出力が１Ｗ以上の高出力のレーザチップであり、１つの給電用リードピン１０５から複数のワイヤ１０６を介して、例えば１Ａ以上の電流と２Ｖ以上の電圧で２Ｗ以上の電力が供給される。

【0028】

ワイヤは直径がφ２０μｍのとき、１本につき１Ａ程度の耐性があるが、Ｗ級の高出力レーザの場合、通常１Ａ以上の大電流が必要となるため、複数本のワイヤが必要となる。これらのワイヤ１０６は給電用リードピン１０５に接合されている。

【0029】

本実施形態では給電用リードピン１０５として極性が異なる２本が備えられ、２本のうち１本はレーザチップ１０３の一方の面にワイヤ１０６で接続され、もう１本はサブマウント１０３ａとワイヤ１０６を介してレーザチップ１０３のもう一方の面に接続されている。これらの給電用リードピン１０５は、気密封止を保つために、第２貫通孔１０１ｄの内壁に対しガラス１０７の溶融固着によって固定されている。ガラス１０７は絶縁性材料の１種であるので、ガラス１０７によって給電用リードピン１０５は、ステムベース１０１に対して固定されると共に絶縁も図られている。

【0030】

ヒートシンク１０２のフランジ部１０２ｂには、給電用リードピン１０５が通る貫通孔１０２ｃが形成されている。ヒートシンク１０２は、貫通孔１０２ｃによって給電用リードピン１０５と離間しており、ヒートシンク１０２と給電用リードピン１０５との絶縁が図られている。
レーザチップ１０３が発光に伴って発する熱はヒートシンク１０２によって放熱される。
図２は、ヒートシンク１０２による放熱の様子を示す図である。

【0031】

レーザチップ１０３で発生した熱は、サブマウント１０３ａを介してヒートシンク１０２のブロック部１０２ａに伝わり、その後、ブロック部１０２ａからフランジ部１０２ｂへと伝わる。フランジ部１０２ｂは、半導体レーザ装置１００が取り付けられる外部装置の冷却部２００と接触して熱を冷却部２００へと放熱する。

【0032】

ブロック部１０２ａは、ステムベース１０１の第１貫通孔１０１ｃから真っ直ぐに伸びているので、サブマウント１０３ａからフランジ部１０２ｂへと熱を速やかに伝達することができる。また、ステムベース１０１がブロック部１０２ａの周囲を覆っているため、フランジ部１０２ｂに到達した熱がキャンパッケージ内部に戻る熱戻りが防がれている。

【0033】

ヒートシンク１０２のフランジ部１０２ｂは、ステムベース１０１の下面１０１ｂに対してロウ材１１０でロウ付けされているので、ステムベース１０１とフランジ部１０２ｂとが一体になり、キャンパッケージの堅牢性が図られている。

【0034】

ヒートシンク１０２のブロック部１０２ａは、ステムベース１０１の第１貫通孔１０１ｃの内壁に対してロウ材１１０でロウ付けされているので、フランジ部１０２ｂへの排熱性が向上すると共に、ブロック部１０２ａの熱膨張によるレーザチップ１０３の発光点の位置変化が抑制されている。

【0035】

フランジ部１０２ｂによって高い放熱性が得られるためには、フランジ部１０２ｂが充分な広さを有することが求められる。ここで、ステムベース１０１の下面１０１ｂの総面積に対するフランジ部１０２ｂの面積率について検討する。
図３は、ステムベース１０１の広がる範囲とフランジ部１０２ｂの広がる範囲を示す図である。

【0036】

図３には、キャップが除去された状態の半導体レーザ装置１００の上面が示されており、ステムベース１０１の下面１０１ｂは上面１０１ａと同じ範囲に広がっている。図３には、フランジ部１０２ｂの広がる範囲が点線で示されており、外周部分でステムベース１０１の縁が残るギリギリまでフランジ部１０２ｂが広がっている。このように、ステムベース１０１の下面１０１ｂの縁ギリギリまでフランジ部１０２ｂが広がる場合の面積率は、ステムベース１０１に対して８０％以上の面積率となる。

【0037】

また、フランジ部１０２ｂがステムキャップ１０４の周縁部１０４ｃ(図１参照)の範囲まで広がる場合には、周縁部１０４ｃの直径が７．２５ｍｍとすれば、面積率はステムベース１０１に対して６６．２５％となる。

【0038】

これらの面積率を考慮すると、ステムベース１０１(の下面１０１ｂ)に対するフランジ部１０２ｂの面積率は、６５％以上が好ましく、更に好ましくは８０％以上である。但し、フランジ部１０２ｂの面積率が１００％以上であるとフランジ部１０２ｂがステムベース１０１からはみ出してしまい、ステムベース１０１の保持などの点で好ましくない。
次に、第２実施形態の半導体レーザ装置１５０について説明する。
図４は、第２実施形態の半導体レーザ装置１５０を示す図であり、図１と同様に、上面図（Ａ）と、正面図（Ｂ）と、断面図（Ｃ）が示されている。

【0039】

第２実施形態の半導体レーザ装置１５０は、ヒートシンク１０２の構造が異なる点を除いて第１実施形態の半導体レーザ装置１００(図１参照)と同様の装置であるので、以下では相違点に着目した説明を行い、重複説明は省略する。

【0040】

第２実施形態の半導体レーザ装置１５０では、ヒートシンク１０２が、別部材として形成されたブロック部１０２ａとフランジ部１０２ｂが接合されて形成されている。ブロック部１０２ａとフランジ部１０２ｂとの接合は、例えばロウ材による接合である。このようにブロック部１０２ａとフランジ部１０２ｂが別部材として形成された場合でも、ブロック部１０２ａは、ステムベース１０１の第１貫通孔１０１ｃを貫通してキャンパッケージの内部空間に突き出し、フランジ部１０２ｂはステムベース１０１の下面１０１ｂと接触して広がっている。

【0041】

ブロック部１０２ａとフランジ部１０２ｂが別部材として形成された場合には、ブロック部１０２ａとフランジ部１０２ｂそれぞれの形状が単純な形状となって製造が容易である。

【符号の説明】

【0042】

１００，１５０…半導体レーザ装置、１０１…ステムベース、１０１ａ…上面、
１０１ｂ…下面、１０１ｃ…第１貫通孔、１０１ｄ…第２貫通孔、
１０２…ヒートシンク、１０２ａ…ブロック部、１０２ｂ…フランジ部、
１０３…レーザチップ、１０３ａ…サブマウント、１０４…ステムキャップ、
１０４ｃ…周縁部、１０５…給電用リードピン、１０６…ワイヤ、１０７…ガラス、
１１０…ロウ材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】