JPH10200208A - 半導体レーザーモジュール - Google Patents
半導体レーザーモジュールInfo
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
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- H01S5/024—Arrangements for thermal management
- H01S5/02407—Active cooling, e.g. the laser temperature is controlled by a thermo-electric cooler or water cooling
- H01S5/02415—Active cooling, e.g. the laser temperature is controlled by a thermo-electric cooler or water cooling by using a thermo-electric cooler [TEC], e.g. Peltier element
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Abstract
(57)【要約】
【課題】半導体レーザーダイオードチップの高出力化に
伴い、冷却能力の向上を図ると同時に、高い温度環境信
頼度を得ることにある。 【解決手段】この半導体レーザーモジュールは、LDチ
ップ1およびレンズを搭載する金属基板10と、セラミ
ック板9A,9Bを持ったペルチェ素子7とを有し、金
属基板10をペルチェ素子7の上部に金属ソルダ12を
介して接着する。特に、金属基板10は、熱伝導率の大
きい第1の金属部材13と、第1の金属部材13の側面
周囲に配置され、その第1の金属部材13よりも熱膨張
率の小さい第2の金属部材14とで形成している。
伴い、冷却能力の向上を図ると同時に、高い温度環境信
頼度を得ることにある。 【解決手段】この半導体レーザーモジュールは、LDチ
ップ1およびレンズを搭載する金属基板10と、セラミ
ック板9A,9Bを持ったペルチェ素子7とを有し、金
属基板10をペルチェ素子7の上部に金属ソルダ12を
介して接着する。特に、金属基板10は、熱伝導率の大
きい第1の金属部材13と、第1の金属部材13の側面
周囲に配置され、その第1の金属部材13よりも熱膨張
率の小さい第2の金属部材14とで形成している。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は冷却機能を備えた
(クーラー付き)半導体レーザーモジュールに関し、特
にペルチェ素子上に固定される金属基板の改良に関す
る。
(クーラー付き)半導体レーザーモジュールに関し、特
にペルチェ素子上に固定される金属基板の改良に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、半導体レーザーモジュールは、光
ファイバ通信、特に幹線系・CATVの信号光源やファ
イバアンプの励起光源として用いられている。かかる半
導体レーザーモジュールは、高出力且つ安定動作を実現
できるように、電子冷却器であるペルチェ素子を内蔵
し、そのペルチェ素子上部に搭載された金属基板上にレ
ーザーダイオードチップ,フォトダイオードチップ,レ
ンズ等の光学部品,サーミスタ素子,インダクタあるい
は抵抗等の電気部品を配置している。
ファイバ通信、特に幹線系・CATVの信号光源やファ
イバアンプの励起光源として用いられている。かかる半
導体レーザーモジュールは、高出力且つ安定動作を実現
できるように、電子冷却器であるペルチェ素子を内蔵
し、そのペルチェ素子上部に搭載された金属基板上にレ
ーザーダイオードチップ,フォトダイオードチップ,レ
ンズ等の光学部品,サーミスタ素子,インダクタあるい
は抵抗等の電気部品を配置している。
【0003】この半導体レーザーモジュールは、上述し
たレーザーダイオードチップの近傍に接着されたサーミ
スタ素子によって検出された温度値をフィードバックし
てペルチェ素子を駆動させることにより、金属基板全体
を冷却し、レーザーダイオードチップ温度を一定に保つ
構造を備えている。
たレーザーダイオードチップの近傍に接着されたサーミ
スタ素子によって検出された温度値をフィードバックし
てペルチェ素子を駆動させることにより、金属基板全体
を冷却し、レーザーダイオードチップ温度を一定に保つ
構造を備えている。
【0004】このようなクーラー付き半導体レーザーモ
ジュールは、例えば特開昭62−117382号公報、
あるいは特開昭62−276892号公報などで知られ
ている。
ジュールは、例えば特開昭62−117382号公報、
あるいは特開昭62−276892号公報などで知られ
ている。
【0005】図5は従来の一例を示す半導体レーザーモ
ジュールの構成図である。図5に示すように、このレー
ザーモジュールは内部の側面の外観を表わし、レーザー
ダイオードチップ1およびヒートシンク2を搭載したマ
ウント3と、モニター用フォトダイオードチップ4を搭
載したチップキャリア5と、レンズホルダ6と、図示省
略した抵抗体,インダクタや回路基板等を接着した金属
基板10aと、この金属基板10aを金属ソルダで上部
に接着したペルチェ素子7とを備え、かかるペルチェ素
子7をパッケージ放熱板8上に金属ソルダで固定して構
成される。なお、ペルチェ素子7の上下には、セラミッ
ク板9A,9Bが配置される。
ジュールの構成図である。図5に示すように、このレー
ザーモジュールは内部の側面の外観を表わし、レーザー
ダイオードチップ1およびヒートシンク2を搭載したマ
ウント3と、モニター用フォトダイオードチップ4を搭
載したチップキャリア5と、レンズホルダ6と、図示省
略した抵抗体,インダクタや回路基板等を接着した金属
基板10aと、この金属基板10aを金属ソルダで上部
に接着したペルチェ素子7とを備え、かかるペルチェ素
子7をパッケージ放熱板8上に金属ソルダで固定して構
成される。なお、ペルチェ素子7の上下には、セラミッ
ク板9A,9Bが配置される。
【0006】図6は図5における半導体レーザーモジュ
ールのA−A’断面図である。図6に示すように、この
半導体レーザーモジュールの主要部は、ヒートシンク2
上にレーザーダイオードチップ1の他にサーミスタ11
を搭載し、ペルチェ素子7と金属基板10aとを接着す
る金属ソルダとして、両者の熱膨張差を緩和するため
に、ソフトソルダ22を用いている。
ールのA−A’断面図である。図6に示すように、この
半導体レーザーモジュールの主要部は、ヒートシンク2
上にレーザーダイオードチップ1の他にサーミスタ11
を搭載し、ペルチェ素子7と金属基板10aとを接着す
る金属ソルダとして、両者の熱膨張差を緩和するため
に、ソフトソルダ22を用いている。
【0007】図7(a),(b)はそれぞれ図6の金属
基板の2つの例を表わす斜視図である。図7(a)に示
すように、この金属基板10aは、製造上簡略化するた
め、コバールや鉄(Fe)あるいは銅タングステン等の
単一材質で形成した例である。
基板の2つの例を表わす斜視図である。図7(a)に示
すように、この金属基板10aは、製造上簡略化するた
め、コバールや鉄(Fe)あるいは銅タングステン等の
単一材質で形成した例である。
【0008】また、図7(b)に示すように、この金属
基板10aは、上下の銅層16と中間のモリブデン層1
7との三層構造(20%銅モリブデン)で形成された例
である。
基板10aは、上下の銅層16と中間のモリブデン層1
7との三層構造(20%銅モリブデン)で形成された例
である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来のクーラ
ー付き半導体レーザーモジュールは、レーザーダイオー
ドチップ等を搭載する金属基板として、銅タングステン
(CuW:銅の重量配分比10%から30%のものが存
在)等の単一材質のものが用いられ、またかかる金属基
板とペルチェ素子との接着には、両者の熱膨張差を緩和
するために、インジウム錫(InSn)などの低温ソフ
トソルダが用いられてきた。
ー付き半導体レーザーモジュールは、レーザーダイオー
ドチップ等を搭載する金属基板として、銅タングステン
(CuW:銅の重量配分比10%から30%のものが存
在)等の単一材質のものが用いられ、またかかる金属基
板とペルチェ素子との接着には、両者の熱膨張差を緩和
するために、インジウム錫(InSn)などの低温ソフ
トソルダが用いられてきた。
【0010】しかし、近年半導体レーザーダイオードチ
ップの高出力化に伴い、クーラー機能付き半導体レーザ
ーモジュールの冷却能力と温度環境信頼度に対する要求
が厳しくなってきている。
ップの高出力化に伴い、クーラー機能付き半導体レーザ
ーモジュールの冷却能力と温度環境信頼度に対する要求
が厳しくなってきている。
【0011】まず、冷却能力向上のためには、ペルチェ
素子を大型化したり、上部に搭載する金属基板の高熱伝
導材質化を図る必要があるが、ペルチェ素子の冷却能力
向上に伴う温調タイム(目的の温度に達するまでの時
間)の短縮により、ペルチェ素子上部に搭載した金属基
板への温度ストレスも大きくなる。そのため、ペルチェ
素子と金属基板の熱膨張率差の影響が大きくなり、両者
を接着するソフトソルダの摺動により亀裂剥離を生じさ
せるという問題が生ずる。しかも、ソフトソルダ特有の
ハンダクリープ現象も顕著になるため、ペルチェ素子と
金属基板とを接着させるソルダには、ビスマス錫(Bi
Sn)等の低温ハードソルダを用いる必要がある。
素子を大型化したり、上部に搭載する金属基板の高熱伝
導材質化を図る必要があるが、ペルチェ素子の冷却能力
向上に伴う温調タイム(目的の温度に達するまでの時
間)の短縮により、ペルチェ素子上部に搭載した金属基
板への温度ストレスも大きくなる。そのため、ペルチェ
素子と金属基板の熱膨張率差の影響が大きくなり、両者
を接着するソフトソルダの摺動により亀裂剥離を生じさ
せるという問題が生ずる。しかも、ソフトソルダ特有の
ハンダクリープ現象も顕著になるため、ペルチェ素子と
金属基板とを接着させるソルダには、ビスマス錫(Bi
Sn)等の低温ハードソルダを用いる必要がある。
【0012】しかし、この低温ハードソルダを用いる場
合、ペルチェ素子、正確にはペルチェ素子を構成するセ
ラミック板と金属基板との熱膨張率差が大きいと、ペル
チェON/OFFサイクル試験の如く、急峻な温度変化
を伴う温度環境試験によりペルチェ素子を破壊させてし
まうため、ペルチェ素子と金属基板の熱膨張率差が従来
の熱膨張率差よりも一層小さい範囲に入るような材質を
選定する必要がある。
合、ペルチェ素子、正確にはペルチェ素子を構成するセ
ラミック板と金属基板との熱膨張率差が大きいと、ペル
チェON/OFFサイクル試験の如く、急峻な温度変化
を伴う温度環境試験によりペルチェ素子を破壊させてし
まうため、ペルチェ素子と金属基板の熱膨張率差が従来
の熱膨張率差よりも一層小さい範囲に入るような材質を
選定する必要がある。
【0013】また、上述したような温度環境試験を満足
させること、すなわち温度環境信頼度を向上させるため
には、熱膨張率差の選定だけでなく、構造上も小さくな
るため、冷却能力を落してしまうという問題がある。
させること、すなわち温度環境信頼度を向上させるため
には、熱膨張率差の選定だけでなく、構造上も小さくな
るため、冷却能力を落してしまうという問題がある。
【0014】例えば、ペルチェ素子を構成するセラミッ
ク板には、通常窒化アルミ(AlN)やアルミナ(Al
2 O3 )が用いられるため、金属基板の材質としてはコ
バールから20%銅タングステン(CuW−20)を選
定する必要がある。しかし、この金属基板の材質は、半
導体レーザーダイオードチップの発熱量増大に対する冷
却性能向上の点から不利である。しかも、金属基板の代
りに、炭化シリコン(SiC)や窒化ボロン(BN)を
用いれば、熱伝導率が良く、熱膨張率の適正なペルチェ
素子に近い材質として使用可能ではあるが、金属に比べ
て高価になり、量産性の点で劣ってしまう。
ク板には、通常窒化アルミ(AlN)やアルミナ(Al
2 O3 )が用いられるため、金属基板の材質としてはコ
バールから20%銅タングステン(CuW−20)を選
定する必要がある。しかし、この金属基板の材質は、半
導体レーザーダイオードチップの発熱量増大に対する冷
却性能向上の点から不利である。しかも、金属基板の代
りに、炭化シリコン(SiC)や窒化ボロン(BN)を
用いれば、熱伝導率が良く、熱膨張率の適正なペルチェ
素子に近い材質として使用可能ではあるが、金属に比べ
て高価になり、量産性の点で劣ってしまう。
【0015】前述した特開昭62−276892号公報
などでは、低温ソフトソルダの使用を前提としている
が、これらの技術にハードソルダを用いるとすれば、使
用できる台座の材質は、20%銅タングステン以下の熱
伝導率を有する材質のものとなり、冷却性能の低下を招
くことになる。
などでは、低温ソフトソルダの使用を前提としている
が、これらの技術にハードソルダを用いるとすれば、使
用できる台座の材質は、20%銅タングステン以下の熱
伝導率を有する材質のものとなり、冷却性能の低下を招
くことになる。
【0016】要するに、上述した従来のクーラー機能付
き半導体レーザーモジュールにおいては、冷却能力の向
上と温度環境信頼度の向上とが、互いに相反する問題と
なっている。
き半導体レーザーモジュールにおいては、冷却能力の向
上と温度環境信頼度の向上とが、互いに相反する問題と
なっている。
【0017】本発明の目的は、高出力動作時のペルチェ
素子冷却能力を向上させるとともに、ペルチェ素子およ
びその上部に搭載する金属基板の熱膨張率差を小さくし
て温度変動環境化でのペルチェ素子に与えるダメージを
軽減し、温度環境信頼度の向上を実現する半導体レーザ
ーモジュールを提供することにある。
素子冷却能力を向上させるとともに、ペルチェ素子およ
びその上部に搭載する金属基板の熱膨張率差を小さくし
て温度変動環境化でのペルチェ素子に与えるダメージを
軽減し、温度環境信頼度の向上を実現する半導体レーザ
ーモジュールを提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザー
モジュールは、半導体レーザーダイオードチップおよび
レンズを搭載する金属基板と、ペルチェ素子とを備え、
前記金属基板を前記ペルチェ素子の上部に金属ソルダを
介して接着する半導体レーザーモジュールにおいて、前
記金属基板を熱伝導率の大きい第1の金属部材と、前記
第1の金属部材よりも熱膨張率の小さい第2の金属部材
とで形成して構成される。
モジュールは、半導体レーザーダイオードチップおよび
レンズを搭載する金属基板と、ペルチェ素子とを備え、
前記金属基板を前記ペルチェ素子の上部に金属ソルダを
介して接着する半導体レーザーモジュールにおいて、前
記金属基板を熱伝導率の大きい第1の金属部材と、前記
第1の金属部材よりも熱膨張率の小さい第2の金属部材
とで形成して構成される。
【0019】また、本発明の半導体レーザーモジュール
における金属基板は、第1の金属部材の側面周囲に第2
の金属部材を配置して形成される。
における金属基板は、第1の金属部材の側面周囲に第2
の金属部材を配置して形成される。
【0020】また、本発明の半導体レーザーモジュール
における金属基板の第1の金属部材は、30%銅タング
ステンよりも大きい熱伝導率を有する部材を用い、第2
の金属部材は、コバールおよび20%銅タングステンの
間の熱膨張率を有する部材を用いて形成される。
における金属基板の第1の金属部材は、30%銅タング
ステンよりも大きい熱伝導率を有する部材を用い、第2
の金属部材は、コバールおよび20%銅タングステンの
間の熱膨張率を有する部材を用いて形成される。
【0021】また、本発明の半導体レーザーモジュール
における金属基板は、第1の金属部材および第2の金属
部材が半導体レーザーダイオードチップによって生ずる
熱流の方向と平行になるように形成される。
における金属基板は、第1の金属部材および第2の金属
部材が半導体レーザーダイオードチップによって生ずる
熱流の方向と平行になるように形成される。
【0022】さらに、本発明の半導体レーザーモジュー
ルにおける金属基板は、前記第1の金属部材を複数個に
分割し、前記第2の金属部材の全面にほぼ等間隔で配置
して形成することができる。
ルにおける金属基板は、前記第1の金属部材を複数個に
分割し、前記第2の金属部材の全面にほぼ等間隔で配置
して形成することができる。
【0023】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。
て図面を参照して説明する。
【0024】図1(a),(b)はそれぞれ本発明の一
実施の形態を示す半導体レーザーモジュール主要部の断
面図およびその金属基板の斜視図である。図1(a)に
示すように、本実施の形態の半導体レーザーモジュール
は、LDチップ1やこのLDチップ1を一定の温度に保
つためのサーミスタ11をヒートシンク2およびサブマ
ウント3を介して、光学系のレンズ(ここでは、図示省
略)とともに搭載する金属基板10と、上下の面にセラ
ミック基板9A,9Bを備えたペルチェ素子7とをハー
ドソルダ12により接着して形成される。この金属基板
10は、LDチップ1からの熱流がペルチェ素子7へ向
かう方向とは垂直になる方向に、ペルチェ素子7の上面
に接着される。特に、この金属基板10は、LDチップ
1の直下を含む基板中央部に第1の金属部材13を配置
し、その側面周囲に第2の金属部材14を配置するよう
に形成している。
実施の形態を示す半導体レーザーモジュール主要部の断
面図およびその金属基板の斜視図である。図1(a)に
示すように、本実施の形態の半導体レーザーモジュール
は、LDチップ1やこのLDチップ1を一定の温度に保
つためのサーミスタ11をヒートシンク2およびサブマ
ウント3を介して、光学系のレンズ(ここでは、図示省
略)とともに搭載する金属基板10と、上下の面にセラ
ミック基板9A,9Bを備えたペルチェ素子7とをハー
ドソルダ12により接着して形成される。この金属基板
10は、LDチップ1からの熱流がペルチェ素子7へ向
かう方向とは垂直になる方向に、ペルチェ素子7の上面
に接着される。特に、この金属基板10は、LDチップ
1の直下を含む基板中央部に第1の金属部材13を配置
し、その側面周囲に第2の金属部材14を配置するよう
に形成している。
【0025】また、図1(b)に示すように、金属基板
10は、第1の金属部材13を熱伝導率の大きい金属材
で形成し、また第2の金属部材14を第1の金属部材1
3よりも熱膨張率の小さい金属材で形成する。例えば、
30%銅タングステン(CuW−30)より大きい熱伝
導率を有する金属部材13の側面周囲に、コバールから
20%銅タングステン(CuW−20)の間の熱膨張率
を有する金属部材14を形成した構造である。すなわ
ち、このような構造を備えた半導体レーザーモジュール
を駆動させるとき、LDチップ1を一定の温度に保つた
め、サーミスタ11によって温度をセンスアップし、冷
却機能付き半導体レーザーモジュールの外部に設けた温
調回路等によりペルチェ素子7の電流量を制御してい
る。このLDチップ1は、周囲温度が低い程、性能が向
上し、一般には室温に制御される。
10は、第1の金属部材13を熱伝導率の大きい金属材
で形成し、また第2の金属部材14を第1の金属部材1
3よりも熱膨張率の小さい金属材で形成する。例えば、
30%銅タングステン(CuW−30)より大きい熱伝
導率を有する金属部材13の側面周囲に、コバールから
20%銅タングステン(CuW−20)の間の熱膨張率
を有する金属部材14を形成した構造である。すなわ
ち、このような構造を備えた半導体レーザーモジュール
を駆動させるとき、LDチップ1を一定の温度に保つた
め、サーミスタ11によって温度をセンスアップし、冷
却機能付き半導体レーザーモジュールの外部に設けた温
調回路等によりペルチェ素子7の電流量を制御してい
る。このLDチップ1は、周囲温度が低い程、性能が向
上し、一般には室温に制御される。
【0026】一方、LDチップ1が高出力化することに
より、発熱量が増大すると、ペルチェ素子7の能力を上
げると同時に、LDチップ1からパッケージ放熱板まで
の放熱経路の熱抵抗を極力下げなければならない。
より、発熱量が増大すると、ペルチェ素子7の能力を上
げると同時に、LDチップ1からパッケージ放熱板まで
の放熱経路の熱抵抗を極力下げなければならない。
【0027】図2は図1におけるモジュールの放熱効果
を説明するモジュール主要部の断面図である。図2に示
すように、半導体レーザーモジュールにおいて、LDチ
ップ1から発した熱は、広がり角度(計算上90度)2
1で伝わり、ヒートシンク2,サブマウント3,金属基
板10を経て、ペルチェ素子7の上部に達する。このと
き、第1の金属部材13の面積が熱流範囲18よりも大
きければ、冷却性能に問題はないが、熱膨張が大きくな
って信頼度上問題が生ずる場合は、サブマウント3が接
着している範囲の金属基板10の熱伝導率を所定値以上
になるように、第1の金属部材13の金属基板10に対
する面積比を小さく設定すればよい。なお、19,20
は、それぞれ第2の金属部材14および第1の金属部材
13の熱抵抗であり、後述する具体例で詳細に説明す
る。
を説明するモジュール主要部の断面図である。図2に示
すように、半導体レーザーモジュールにおいて、LDチ
ップ1から発した熱は、広がり角度(計算上90度)2
1で伝わり、ヒートシンク2,サブマウント3,金属基
板10を経て、ペルチェ素子7の上部に達する。このと
き、第1の金属部材13の面積が熱流範囲18よりも大
きければ、冷却性能に問題はないが、熱膨張が大きくな
って信頼度上問題が生ずる場合は、サブマウント3が接
着している範囲の金属基板10の熱伝導率を所定値以上
になるように、第1の金属部材13の金属基板10に対
する面積比を小さく設定すればよい。なお、19,20
は、それぞれ第2の金属部材14および第1の金属部材
13の熱抵抗であり、後述する具体例で詳細に説明す
る。
【0028】このように、LDチップ1からペルチェ素
子7に至る経路の熱抵抗19,20の大小が、ペルチェ
素子7の冷却能力に大きく影響してくる。かかるペルチ
ェ素子7の上部に搭載する金属基板10の材質として
は、表1に示すような金属材質が用いられるが、その際
熱抵抗19,20を小さくするため、熱伝導率の大きい
材質を選択する必要がある。
子7に至る経路の熱抵抗19,20の大小が、ペルチェ
素子7の冷却能力に大きく影響してくる。かかるペルチ
ェ素子7の上部に搭載する金属基板10の材質として
は、表1に示すような金属材質が用いられるが、その際
熱抵抗19,20を小さくするため、熱伝導率の大きい
材質を選択する必要がある。
【0029】
【表1】
【0030】図3は図2における放熱経路材料の熱伝導
率とチップの温度変化のシミュレーション特性図であ
る。図3に示すように、この特性は、LDチップ1を印
加電力1ワットで駆動させたとき、チップ温度に対する
放熱経路材料の熱伝導率依存性をシミュレーションした
ものである。このシミュレーション特性によれば、約3
00ワット/mK(但し、m:メートル、K:絶対温
度)以上の熱伝導率を有する材質を用いれば、チップ温
度を効率良く下げられることを示している。したがっ
て、モジュールの冷却性能を向上させるためには、ペル
チェ素子7上に搭載する金属基板10として、30%銅
タングステン以上の熱伝導率を有する材質を選べば良い
ことになる。
率とチップの温度変化のシミュレーション特性図であ
る。図3に示すように、この特性は、LDチップ1を印
加電力1ワットで駆動させたとき、チップ温度に対する
放熱経路材料の熱伝導率依存性をシミュレーションした
ものである。このシミュレーション特性によれば、約3
00ワット/mK(但し、m:メートル、K:絶対温
度)以上の熱伝導率を有する材質を用いれば、チップ温
度を効率良く下げられることを示している。したがっ
て、モジュールの冷却性能を向上させるためには、ペル
チェ素子7上に搭載する金属基板10として、30%銅
タングステン以上の熱伝導率を有する材質を選べば良い
ことになる。
【0031】しかし、ペルチェ素子7を構成するセラミ
ック板9A,9Bは、前述した表1のセラミック材質が
用いられている。しかるに、熱膨張率が金属基板10の
材質と比べて小さいため、金属ハードソルダで接着して
いると、温度の変化によって大きな応力を発生し、ペル
チェ素子7を劣化させたり、破壊させることが判ってい
る。
ック板9A,9Bは、前述した表1のセラミック材質が
用いられている。しかるに、熱膨張率が金属基板10の
材質と比べて小さいため、金属ハードソルダで接着して
いると、温度の変化によって大きな応力を発生し、ペル
チェ素子7を劣化させたり、破壊させることが判ってい
る。
【0032】このため、本実施の形態においては、金属
基板10を形成するにあたり、前述した熱伝導率の高い
第1の金属部材13の側面周囲に、熱膨張率の小さい第
2の金属部材14を配置させることにより、金属基板全
体の熱膨張を小さくするとともに、熱伝導を良くするこ
とができるので、冷却性能を向上させると同時に、ペル
チェ素子信頼度を高めることができる。
基板10を形成するにあたり、前述した熱伝導率の高い
第1の金属部材13の側面周囲に、熱膨張率の小さい第
2の金属部材14を配置させることにより、金属基板全
体の熱膨張を小さくするとともに、熱伝導を良くするこ
とができるので、冷却性能を向上させると同時に、ペル
チェ素子信頼度を高めることができる。
【0033】なお、前述した図7(b)の金属基板10
aは、熱流の方向に垂直に各材質が配置されており、こ
のときの熱伝導率は、200W/mKと小さい。
aは、熱流の方向に垂直に各材質が配置されており、こ
のときの熱伝導率は、200W/mKと小さい。
【0034】次に、上述した金属基板10の具体例を図
2および表1を基に説明する。第1の金属部材13とし
て、表1に記載した熱伝導率の大きい(390W/m
K)銅(Cu)を選択し、その側面周囲に配置する第2
の金属部材14として、表1に記載した熱膨張率の小き
い(6.5×10-6/°C)10%銅タングステン(C
uW−10)を選択する。この金属基板10の作成方法
は、各材質をろう付けまたは浸透法により、10%銅タ
ングステン作製時に銅の部分を一括成形するなどの方法
を用いる。また、金属基板10全体に対する第1の金属
部材13としての銅の面積比は、サブマウント3の接着
面積、第2の金属部材14としての10%銅タングステ
ンの熱抵抗、金属基板10全体の許容熱膨張率値によっ
て決定される。さらに、この許容熱膨張率値は、接着面
積、温度環境、ソルダの硬度・厚さ等によって変化す
る。
2および表1を基に説明する。第1の金属部材13とし
て、表1に記載した熱伝導率の大きい(390W/m
K)銅(Cu)を選択し、その側面周囲に配置する第2
の金属部材14として、表1に記載した熱膨張率の小き
い(6.5×10-6/°C)10%銅タングステン(C
uW−10)を選択する。この金属基板10の作成方法
は、各材質をろう付けまたは浸透法により、10%銅タ
ングステン作製時に銅の部分を一括成形するなどの方法
を用いる。また、金属基板10全体に対する第1の金属
部材13としての銅の面積比は、サブマウント3の接着
面積、第2の金属部材14としての10%銅タングステ
ンの熱抵抗、金属基板10全体の許容熱膨張率値によっ
て決定される。さらに、この許容熱膨張率値は、接着面
積、温度環境、ソルダの硬度・厚さ等によって変化す
る。
【0035】なお、前述したように、信頼度上問題があ
る場合は、サブマウント3が接着している範囲の金属基
板10の熱伝導率が約300W/mK以上になるように
第1の金属部材13としての銅の面積比を小さく設計す
ればよい。
る場合は、サブマウント3が接着している範囲の金属基
板10の熱伝導率が約300W/mK以上になるように
第1の金属部材13としての銅の面積比を小さく設計す
ればよい。
【0036】また、サブマウント3が金属基板10に接
着している部分の10%銅タングステン熱抵抗19をR
cw(°C/W)、銅の熱抵抗20をRcc(°C/
W)とすると、サブマウント3が接着している範囲の金
属基板10の熱伝導率λ(W/mK),Rcw,Rcc
は、それぞれつぎの式で表わされる。
着している部分の10%銅タングステン熱抵抗19をR
cw(°C/W)、銅の熱抵抗20をRcc(°C/
W)とすると、サブマウント3が接着している範囲の金
属基板10の熱伝導率λ(W/mK),Rcw,Rcc
は、それぞれつぎの式で表わされる。
【0037】λ=(1/Rcw)+(1/Rcc) Rcw=(1/λcw)×(L/Scw) Rcc=(1/λcc)×(L/Scc) なお、上述した式において、λcw,Scw,λcc,
Scc,Lは、以下のとおりに定義される。
Scc,Lは、以下のとおりに定義される。
【0038】 λcw:CuW−10の熱伝導率(W/mK) Scw:CuW−10とサブマウントの接着面積
(m2 ) λcc:銅の熱伝導率(W/mK) Scc:銅とサブマウントの接着面積(m2 ) L :金属基板10の厚さ(m) 前述した表1より、λ≧300となるように、接着面積
Sccを求めればよいことになる。
(m2 ) λcc:銅の熱伝導率(W/mK) Scc:銅とサブマウントの接着面積(m2 ) L :金属基板10の厚さ(m) 前述した表1より、λ≧300となるように、接着面積
Sccを求めればよいことになる。
【0039】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、30%銅タングステン(CuW−30)の熱伝導率
より大きい熱伝導率を持った第1の金属部材13の側面
周囲に、コバールから20%銅タングステン(CuW−
20)の間の熱膨張率を有する第2の金属部材14を配
置した金属基板10を設け、それをペルチェ素子7と接
着する半導体レーザーモジュールを形成することによ
り、LDチップ1より発熱した熱は、主に直下のヒート
シンクを通り、サブマウントを経て金属基板10へ達す
る。この発熱は、ペルチェ素子7の吸熱作用により、そ
の上部から下部へと輸送され、最後にはパッケージ放熱
板から外部へ放出される。
ば、30%銅タングステン(CuW−30)の熱伝導率
より大きい熱伝導率を持った第1の金属部材13の側面
周囲に、コバールから20%銅タングステン(CuW−
20)の間の熱膨張率を有する第2の金属部材14を配
置した金属基板10を設け、それをペルチェ素子7と接
着する半導体レーザーモジュールを形成することによ
り、LDチップ1より発熱した熱は、主に直下のヒート
シンクを通り、サブマウントを経て金属基板10へ達す
る。この発熱は、ペルチェ素子7の吸熱作用により、そ
の上部から下部へと輸送され、最後にはパッケージ放熱
板から外部へ放出される。
【0040】要するに、熱伝導率の大きい金属部材の周
囲に熱膨張率の小さい金属部材を配置して金属基板を形
成することにより、熱伝導率の大きな金属部材により多
くの熱流が通り、高熱伝導特性を確保するので、ペルチ
ェ素子による冷却能力を向上させることができる。ま
た、温度変化が生じても、熱伝導率の大きな金属部材の
熱膨張が熱膨張率の小さい金属部材によって抑制される
ため、低熱膨張特性を確保され、ペルチェ素子へのダメ
ージを少なくすることができる。したがって、温度変化
環境化での信頼性の向上を図ることができる。
囲に熱膨張率の小さい金属部材を配置して金属基板を形
成することにより、熱伝導率の大きな金属部材により多
くの熱流が通り、高熱伝導特性を確保するので、ペルチ
ェ素子による冷却能力を向上させることができる。ま
た、温度変化が生じても、熱伝導率の大きな金属部材の
熱膨張が熱膨張率の小さい金属部材によって抑制される
ため、低熱膨張特性を確保され、ペルチェ素子へのダメ
ージを少なくすることができる。したがって、温度変化
環境化での信頼性の向上を図ることができる。
【0041】図4(a),(b)はそれぞれ本発明の他
の実施の形態を示す半導体レーザーモジュール主要部の
断面図およびその金属基板の斜視図である。図4(a)
に示すように、本実施の形態における半導体レーザーモ
ジュールは、前述した一実施の形態と同様に、LDチッ
プ1などをヒートシンク2およびサブマウント3を介し
て搭載した金属基板10と、セラミック板9A,9Bを
上下に備えたペルチェ素子7とを備え、これらをハード
ソルダ12により接着する。本実施の形態では、特に金
属基板10の形成にあたり、第1の金属部材13を中央
に集中させるのではなく、第2の金属部材14の全面に
且つほぼ等間隔になるように分散させたものである。
の実施の形態を示す半導体レーザーモジュール主要部の
断面図およびその金属基板の斜視図である。図4(a)
に示すように、本実施の形態における半導体レーザーモ
ジュールは、前述した一実施の形態と同様に、LDチッ
プ1などをヒートシンク2およびサブマウント3を介し
て搭載した金属基板10と、セラミック板9A,9Bを
上下に備えたペルチェ素子7とを備え、これらをハード
ソルダ12により接着する。本実施の形態では、特に金
属基板10の形成にあたり、第1の金属部材13を中央
に集中させるのではなく、第2の金属部材14の全面に
且つほぼ等間隔になるように分散させたものである。
【0042】また、図4(b)に示すように、金属基板
10は、熱伝導率の大きい円形の銅材からなる第1の金
属部材13を複数個ほぼ等間隔に配置し、その周囲を熱
膨張率の小さな10%銅タングステンからなる第2の金
属部材14で囲むように形成する。これら円形の銅材か
らなる第1の金属部材13の寸法および数量について
は、前述した一実施の形態と同様に決定することができ
る。
10は、熱伝導率の大きい円形の銅材からなる第1の金
属部材13を複数個ほぼ等間隔に配置し、その周囲を熱
膨張率の小さな10%銅タングステンからなる第2の金
属部材14で囲むように形成する。これら円形の銅材か
らなる第1の金属部材13の寸法および数量について
は、前述した一実施の形態と同様に決定することができ
る。
【0043】このように、第1の金属部材13を複数に
分割させ、しかもこれらを縦方向に形成、すなわち、L
Dチップ1によって生ずる熱流の方向に対し、金属部材
13,金属部材14が平行になるように金属基板10を
形成することにより、金属部材13が小さく分散される
ので、熱膨張率を前述した図1の実施の形態よりも小さ
く抑えることができるという利点がある。
分割させ、しかもこれらを縦方向に形成、すなわち、L
Dチップ1によって生ずる熱流の方向に対し、金属部材
13,金属部材14が平行になるように金属基板10を
形成することにより、金属部材13が小さく分散される
ので、熱膨張率を前述した図1の実施の形態よりも小さ
く抑えることができるという利点がある。
【0044】なお、上述した第1の金属部材13の材質
および形状や寸法については、これらに限定されること
はなく、各種の変形が可能である。
および形状や寸法については、これらに限定されること
はなく、各種の変形が可能である。
【0045】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体レ
ーザーモジュールは、半導体レーザーダイオードチップ
や光学系レンズを搭載する金属基板およびセラミック板
を持ったペルチェ素子を金属ソルダを介して接着し、そ
の金属基板を熱伝導率の大きい第1の金属部材と、その
第1の金属部材の側面周囲に配置し且つ第1の金属部材
よりも熱膨張率を小さくした第2の金属部材とで形成す
ることにより、金属基板自体の熱伝導率を大きくでき、
レーザーダイオードチップからの発熱を有効に放散する
ことができるので、レーザーダイオードチップの高出力
動作下での冷却能力を向上できるという効果がある。
ーザーモジュールは、半導体レーザーダイオードチップ
や光学系レンズを搭載する金属基板およびセラミック板
を持ったペルチェ素子を金属ソルダを介して接着し、そ
の金属基板を熱伝導率の大きい第1の金属部材と、その
第1の金属部材の側面周囲に配置し且つ第1の金属部材
よりも熱膨張率を小さくした第2の金属部材とで形成す
ることにより、金属基板自体の熱伝導率を大きくでき、
レーザーダイオードチップからの発熱を有効に放散する
ことができるので、レーザーダイオードチップの高出力
動作下での冷却能力を向上できるという効果がある。
【0046】また、本発明の半導体レーザーモジュール
は、上述した構成により、ペルチェ素子上部に搭載した
金属基板の熱膨張率と、ペルチェ素子を形成するセラミ
ック板の熱膨張率との差を小さくすることができるの
で、温度変化によるペルチェ素子に対する応力を小さく
でき、したがって温度変化環境下でもペルチェ素子の劣
化や破壊を防ぎ、高信頼度を実現できるという効果があ
る。
は、上述した構成により、ペルチェ素子上部に搭載した
金属基板の熱膨張率と、ペルチェ素子を形成するセラミ
ック板の熱膨張率との差を小さくすることができるの
で、温度変化によるペルチェ素子に対する応力を小さく
でき、したがって温度変化環境下でもペルチェ素子の劣
化や破壊を防ぎ、高信頼度を実現できるという効果があ
る。
【図1】本発明の一実施の形態を示す半導体レーザーモ
ジュール主要部の断面およびその金属基板の斜視状態を
表わす図である。
ジュール主要部の断面およびその金属基板の斜視状態を
表わす図である。
【図2】図1におけるモジュールの放熱効果を説明する
モジュール主要部の断面図である。
モジュール主要部の断面図である。
【図3】図2における放熱経路材料の熱伝導率とチップ
の温度変化のシミュレーション特性図である。
の温度変化のシミュレーション特性図である。
【図4】本発明の他の実施の形態を示す半導体レーザー
モジュール主要部の断面およびその金属基板の斜視状態
を表わす図である。
モジュール主要部の断面およびその金属基板の斜視状態
を表わす図である。
【図5】従来の一例を示す半導体レーザーモジュールの
構成図である。
構成図である。
【図6】図5における半導体レーザーモジュールのA−
A’断面図である。
A’断面図である。
【図7】図6の金属基板の2つの例を表わす斜視図であ
る。
る。
1 レーザーダイオード(LD)チップ 2 ヒートシンク 3 サブマウント 4 フォトダイオードチップ 5 チップキャリア 6 レンズホルダ 7 ペルチェ素子 8 パッケージ放熱板 9A,9B セラミック板 10 金属基板 11 サーミスタ 12 ハードソルダ 13 第1の金属材(銅) 14 第2の金属材(10%銅タングステン) 18 熱流範囲 19,20 熱抵抗 21 広がり角
Claims (5)
- 【請求項1】 半導体レーザーダイオードチップおよび
レンズを搭載する金属基板と、ペルチェ素子とを備え、
前記金属基板を前記ペルチェ素子の上部に金属ソルダを
介して接着する半導体レーザーモジュールにおいて、前
記金属基板を熱伝導率の大きい第1の金属部材と、前記
第1の金属部材よりも熱膨張率の小さい第2の金属部材
とで形成することを特徴とする半導体レーザーモジュー
ル。 - 【請求項2】 前記金属基板は、前記第1の金属部材の
側面周囲に前記第2の金属部材を配置した請求項1記載
の半導体レーザーモジュール。 - 【請求項3】 前記金属基板を形成する前記第1の金属
部材は、30%銅タングステンよりも大きい熱伝導率を
有する部材を用い、前記第2の金属部材は、コバールお
よび20%銅タングステンの間の熱膨張率を有する部材
を用いる請求項2記載の半導体レーザーモジュール。 - 【請求項4】 前記金属基板は、前記第1の金属部材お
よび前記第2の金属部材が前記半導体レーザーダイオー
ドチップによって生ずる熱流の方向と平行になるように
形成した請求項2記載の半導体レーザーモジュール。 - 【請求項5】 前記金属基板は、前記第1の金属部材を
複数個に分割し、前記第2の金属部材の全面にほぼ等間
隔で配置した請求項4記載の半導体レーザーモジュー
ル。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9002115A JPH10200208A (ja) | 1997-01-09 | 1997-01-09 | 半導体レーザーモジュール |
| EP98100319A EP0853358B1 (en) | 1997-01-09 | 1998-01-09 | Semiconductor laser module having improved metal substrate on Peltier element |
| DE69824766T DE69824766T2 (de) | 1997-01-09 | 1998-01-09 | Halbleiterlaserbaustein mit verbessertem metallischem Substrat auf einem Peltierelement |
| US09/005,160 US6219364B1 (en) | 1997-01-09 | 1998-01-09 | Semiconductor laser module having improved metal substrate on peltier element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9002115A JPH10200208A (ja) | 1997-01-09 | 1997-01-09 | 半導体レーザーモジュール |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10200208A true JPH10200208A (ja) | 1998-07-31 |
Family
ID=11520362
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9002115A Pending JPH10200208A (ja) | 1997-01-09 | 1997-01-09 | 半導体レーザーモジュール |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6219364B1 (ja) |
| EP (1) | EP0853358B1 (ja) |
| JP (1) | JPH10200208A (ja) |
| DE (1) | DE69824766T2 (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6839367B2 (en) | 2000-11-08 | 2005-01-04 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Light source comprising laser diode module |
| US6917638B2 (en) | 2000-10-16 | 2005-07-12 | Yamaha Corporation | Heat radiator for electronic device and method of making it |
| KR100634538B1 (ko) | 2005-02-05 | 2006-10-13 | 삼성전자주식회사 | 효율적인 냉각 구조를 갖는 반도체 발광 소자 및 그 제조방법 |
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