CN112154580A - 半导体激光装置 - Google Patents

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Abstract

半导体激光装置(100)具备：设有冷媒的流路(66)的散热块(60)；和第1以及第2半导体激光模块(10、20)。散热块(60)具有：形成有槽部(65)的下部散热块(61)；在槽部(65)的上侧具有开口(62a、62b)且配设于下部散热块(61)的绝缘密封件(62)；和覆盖开口(62a、62b)的第1以及第2上部散热块(63a、63b)。第1半导体激光模块(10)在将正极侧设为下的情况下与第1上部散热块(63a)的上表面相接而配设，第2半导体激光模块(20)在将负极侧设为下的情况下与第2上部散热块(63b)的上表面相接而配设。

Description

半导体激光装置
技术领域
本发明涉及半导体激光装置，特别涉及具有在内部形成有流过冷媒的流路的散热块的半导体激光装置。
背景技术
近年来，利用激光的金属加工的需要在提高，要求激光装置的高输出化，利用光-电变换效率高的半导体激光元件的半导体激光装置受到关注。但是，伴随半导体激光装置的高输出化，流过半导体激光元件的电流量变大，半导体激光元件的温度因焦耳热而上升，有可能会引起性能降低、元件劣化、故障等。
因此，过去，提出有如下结构的半导体激光装置：将半导体激光元件以及基台(submount)从上下用电极块夹入，经由电极块将半导体激光元件中产生的热排出。在专利文献1中公开了如下结构：通过将螺丝紧固在设于各个构件的螺丝孔，来将配设有半导体激光元件以及基台的第1电极块和从上方覆盖半导体激光元件以及基台而设的第2电极块一体化。
另外，提出有如下结构：在配设半导体激光元件和基台的散热片内设置用于流过冷却水的流路，来冷却半导体激光元件(例如参考专利文献2、3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2016/103536号
专利文献2：JP特开2008-172141号公报
专利文献3：JP特许第3951919号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在专利文献2、3公开的现有的结构中，在内部流过冷却水的散热片与半导体激光元件之间，需要设置用于将两者电绝缘的包含树脂、陶瓷等绝缘性材料的绝缘部。
但是，绝缘性材料一般热传导率低，会由于设置上述的绝缘部而使半导体激光元件中产生的热的排出效率降低。这成为妨碍半导体激光装置的高输出化的主要原因。
本发明鉴于相关点而提出，其目的在于，在将半导体激光元件配设于具有在内部流过冷媒的流路的散热块的半导体激光装置中，提供具有高冷却效率的半导体激光装置。
用于解决课题的手段
为了达成上述的目的，本发明所涉及的半导体激光装置至少具备：在内部设有流过冷媒的流路的散热块；和配设于所述散热块的第1以及第2半导体激光模块，所述散热块具有：下部散热块，形成有构成所述流路的槽部；绝缘密封件，与所述下部散热块的上表面相接而配设，在所述槽部的上侧具有开口；和上部散热块，以覆盖所述开口的方式与所述绝缘密封件的上表面相接而配置，且包含导电性材料，所述第1半导体激光模块在将正极侧设为下的情况下与所述上部散热块的上表面相接而配置，另一方面，所述第2半导体激光模块在将负极侧设为下的情况下与所述上部散热块的上表面相接而配设。
根据该结构，由于能通过冷媒直接冷却位于绝缘密封件的开口的上方的上部散热块，因此通过将与上部散热块的上表面相接而配设的第1以及第2半导体激光模块中产生的热经由冷媒迅速地排出到半导体激光装置的外部，能提高半导体激光模块的冷却效率。另外，能增加流过半导体激光元件的电流量，能使半导体激光装置高输出化。
发明效果
根据本发明的半导体激光装置，能提高半导体激光模块的冷却效率。另外，可谋求半导体激光装置的高输出化。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体激光装置的结构的立体图。
图2是表示半导体激光装置的前方侧面的示意图。
图3是散热块的分解立体图。
图4A是表示半导体激光模块的结构的立体图。
图4B是图4A所示的半导体激光模块的分解立体图。
图5A是表示变形例1所涉及的半导体激光装置的前方侧面的示意图。
图5B是表示变形例1所涉及的其他半导体激光装置的前方侧面的示意图。
图6A是表示用于比较的半导体激光装置的前方侧面的示意图。
图6B是表示变形例2所涉及的半导体激光装置的前方侧面的示意图。
图7是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体激光装置的结构的分解立体图。
图8是表示半导体激光装置的前方侧面的示意图。
图9是其他散热块的分解立体图。
具体实施方式
以下基于附图来详细说明本发明的实施方式。以下的优选实施方式的说明本质上只是例示，本发明的意图完全不在于限制其应用物或其用途。
(实施方式1)
[半导体激光装置及其构成部件的结构]
图1表示本实施方式所涉及的半导体激光装置的立体图，图2表示前方侧面的示意图。另外，在图2中，半导体激光装置100以及各部的结构作为示意图而例示地示出。因此，在图2中，各部的形状、位置、配置关系、尺寸与实际的关系并不相同。另外，为了说明方便，在图2中，省略了第1～第4半导体激光模块10、20、30、40、散热块60、汇流条51～53的细节部分的图示。另外，模块固定螺丝90、端子固定螺丝91也省略了图示。
另外，在以后的说明中，有时将图1、2的半导体激光装置100中的配设有散热块60一侧称作下侧或下，将其相反侧、即配设有第1～第4半导体激光模块10、20、30、40的一侧称作上侧或上。另外，有时将设有散热块60的流入口66a以及排出口66b的一侧称作右侧或右，将其相反侧称作左侧或左。另外，在第1～第4半导体激光模块10、20、30、40中，有时将配设有半导体激光元件14、24、34、44的激光出射端面的一侧称作前侧或前，将其相反侧称作后侧或后。
另外，图3表示散热块的分解立体图。图4A表示半导体激光模块的立体图，图4B表示图4A所示的半导体激光模块的分解立体图。另外，为了说明方便，在图4A、4B中仅示出第1半导体激光模块10。
如图1所示那样，半导体激光装置100具有散热块60、第1～第4半导体激光模块10、20、30、40和汇流条51～53。
如图3所示那样，散热块60具有下部散热块61、绝缘密封件62和第1以及第2上部散热块63a、63b，下部散热块61、绝缘密封件62以及绝缘密封件62和第1以及第2上部散热块63a、63b分别通过具有给定的耐热性的粘接剂而接合。其中，这些构件的接合方法并不特别限定于此，例如，也可以在下部散热块61、绝缘密封件62和第1以及第2上部散热块63a、63b的四角分别设置螺丝孔(未图示)，用螺丝等(未图示)将这些构件相互紧固。在该情况下，为了谋求第1以及第2上部散热块63a、63b与下部散热块61的绝缘，优选将各个螺丝孔的内面用绝缘性材料进行涂层，或者使用包含绝缘材料的螺丝或用绝缘性材料被覆的螺丝将各构件相互紧固。
另外，在散热块60的内部设置顶视观察下U字形状的流路66。冷媒的流入口66a设于散热块60的右侧面且前侧，排出口66b在散热块60的右侧面且流入口的后侧与流入口66a空开给定的间隔而设。从外部供给的冷媒从流入口66a流入，通过流路内后从排出口66b排出到外部。另外，在本实施方式中，作为冷媒而使用将电阻率调整到给定值以上的冷却水，优选将冷却水的电阻率管理成抑制从第1以及第2上部散热块63a、63b经由冷媒发生漏电。
下部散热块61例如是包含铜或铜-铝合金、或者铜与铝的层叠体等的金属制的构件，在上表面形成有构成流路66的槽部65。另外，槽部65以外的上表面是平坦面。
绝缘密封件62包含具有给定的绝缘性的材料，例如包含绝缘性的树脂、陶瓷等。绝缘密封件62与下部散热块61中的槽部65以外的上表面相接而配设。另外，在绝缘密封件62空开给定的间隔地分别设置开口62a、62b，在顶视观察下，开口62a、62b位于槽部65的上侧。另外，开口62a、62b在厚度方向上贯通绝缘密封件62。绝缘密封件62将第1以及第2上部散热块63a、63b与下部散热块61电绝缘，并且还作为防止冷却水从流路66漏出的密封件起作用。
第1以及第2上部散热块63a、63b是包含与下部散热块61相同的材质的金属构件，以分别覆盖绝缘密封件62的开口62a、62b的方式与绝缘密封件62的上表面相接而配设。另外，第1以及第2上部散热块63a、63b相互空开给定的间隔而配设。由此，配设于第1上部散热块63a的上表面的第1以及第2半导体激光模块10、20、和配设于第2上部散热块63b的上表面的第3以及第4半导体激光模块40、40相互电绝缘分离。其中，如后述那样，第2半导体激光模块20和第3半导体激光模块30通过汇流条52电连接。另外，第1以及第2上部散热块63a、63b和下部散热块61可以是相互不同的材质，但如后述那样，由于在第1以及第2上部散热块63a、63b分别流过给定的大小的电流，因此需要设为导电性材料。
另外，在第1以及第2上部散热块63a、63b的前侧分别形成有多个螺丝孔64。螺丝孔64并不贯通第1以及第2上部散热块63a、63b，而是底面止于第1以及第2上部散热块63a、63b的内部。通过***到设于第1半导体激光模块10的螺丝孔11a、16a(参考图4B)和设于第1上部散热块63a的螺丝孔的模块固定螺丝90，来将第1半导体激光模块10安装固定在第1上部散热块63a。同样地，分别将第2半导体激光模块10安装固定在第1上部散热块63a，并且将第3以及第4半导体激光模块30、40安装固定在第2上部散热块63b。另外，除了设有螺丝孔64的部分以外，第1以及第2上部散热块63a、63b的上表面是平坦面。
如图4A、4B所示那样，第1半导体激光模块10具有下部电极块11、绝缘片12、基台13、半导体激光元件14和上部电极块16。另外，虽然未图示，但第2～第4半导体激光模块20、30、40也具备同样的结构。因此，以下取第1半导体激光模块10的结构为例来进行说明。
下部电极块11是包含导电材料的厚板状的构件。例如，在包含铜(Cu)的板材按照镍(Ni)和金(Au)的顺序进行镀覆而得到。另外，将下部电极块11以其下表面与第1上部散热块63a的上表面相接的方式进行配设。另外，下部电极块11具有将上表面以及前方侧面的一部分开槽而开放的缺口状的凹部11b。凹部11b是收容基台13以及半导体激光元件14的部分，通过凹部11b的前方开放部，从半导体激光元件14出射激光。另外，下部电极块11在凹部11b的左右各1处具有与凹部11b分开而设且贯通下部电极块11的螺丝孔11a。另外，在螺丝孔11a的后方且在顶视观察下穿过2个螺丝孔11a之间的线上具有螺丝孔(未图示)。该螺丝孔在下部电极块11的上表面开口，另一方面，其底面止于下部电极块11的内部，且收容图1所示的端子固定螺丝91。下部电极块11配设于第1上部散热块63a的上表面，且使得螺丝孔11a和设于第1上部散热块63a的螺丝孔64连通。另外，除了设有螺丝孔11a的部分以外，下部电极块11的下表面是平坦面，除了收容端子固定螺丝91的螺丝孔(未图示)以及设有凹部11b的部分以外，下部电极块11的上表面是平坦面。
绝缘片12在下部电极块11的上表面包围凹部11b而设，在与设于下部电极块11的螺丝孔11a对应的位置设置开口12a。另外，在将上部电极块16安装在下部电极块11时，绝缘片12具有将两者电绝缘的功能。绝缘片12例如包含聚酰亚胺、陶瓷等绝缘材料。
基台13例如包含铜钨(Cu：W)等导电材料。如图4B所示那样，基台13配设于凹部11b内，且使得下部电极块11的前方侧面和基台13的前方侧面大致一致。另外，基台13和下部电极块11通过未图示的焊料材料而被粘接且电连接。焊料材料例如包含96.5％的锡(Sn)和3.5％的银(Ag)。
半导体激光元件14是端面辐射型的半导体激光元件。另外，半导体激光元件14分别在下表面具有上侧电极，在上表面具有下侧电极(均未图示)，上侧电极通过经由金锡(Au-Sn)焊料等(未图示)配设于基台13的上表面而与基台13电连接。另外，在本实施方式中，半导体激光元件14的上侧电极是正极(+极)，下侧电极是负极(-极)。另外，也可以是半导体激光元件14的上侧电极与基台13的上表面直接相接。另外，在下侧电极的上表面设有多个凸块15。半导体激光元件14的谐振器(未图示)在前后方向上延伸而设，半导体激光元件14的前方侧面相当于激光出射端面。另外，半导体激光元件14配设在基台13上，且使得激光出射端面和基台13的前方侧面大致一致。另外，半导体激光元件14中的谐振器的数量可以是多个。
凸块15例如是使以金(Au)为材料的焊丝熔融而形成的金凸块。金与其他金属相比更柔软，因此在将半导体激光元件14和上部电极块16连接时，凸块发生变形。因此，不太会给半导体激光元件14和上部电极块16带来机械损伤，能将两者之间良好地电连接。另外，凸块的材料并不限于金，只要是导电性的能确保半导体激光元件14的下侧电极与上部电极块16的电连接的材料即可。另外，虽未图示，但在凸块与上部电极块16之间***金箔等金属片。通过***金属片，能使凸块15与金属片的接触面积增加，能使凸块15与上部电极块16之间的接触电阻减少。另外，金属片并不限于金箔，也可以使用包含其他导电材料的片。另外，***凸块15与上部电极块16之间的金属片可以是多片，若凸块15与上部电极块15之间的电连接充分良好，则也可以不***金属片。
上部电极块16以覆盖凹部11b的上方的方式夹着绝缘片12设于下部电极块11的上表面，其是包含导电材料的厚板状的构件。例如能通过在包含铜(Cu)的板材按照镍(Ni)和金(Au)的顺序进行镀覆而得到。上部电极块16在与设于下部电极块11的螺丝孔11a连通的位置具有螺丝孔16a，并且在螺丝孔16a的后方且在顶视观察下穿过2个螺丝孔16a之间的线上具有螺丝孔16b。螺丝孔16a贯通上部电极块16，但螺丝孔16b使其底面止于上部电极块16的内部。
通过在设于上部电极块16的螺丝孔16a、设于绝缘片12的开口12a、设于下部电极块11的螺丝孔11a和设于第1上部散热块63a的螺丝孔64***模块固定螺丝90并紧固，来将这些构件定位并固定。另外，为了谋求第1上部散热块63a与下部散热块61以及下部电极块11与上部电极块16的绝缘，优选将各个螺丝孔的内面用绝缘性材料进行涂层，或者将模块固定螺丝90设为包含树脂等绝缘材料的螺丝或用绝缘性材料被覆的螺丝。另外，除了设有螺丝孔16a、16b的部分以外，上部电极块16的上表面以及下表面是平坦面。另外，上部电极块16和下部电极块11在除了凹部11b以外的部分厚度相同，且在顶视观察下，上部电极块11和下部电极块16构成为外形相同。另外，在本申请说明书中，所谓“厚度相同”或“外形相同”，是指在包含上部电极块11以及下部电极块16的制造公差的情况下相同，两者的厚度或外形可以不严格一致。
[关于半导体激光模块间的电连接]
如图1所示那样，汇流条51～53是包含金属材料的板状的构件，例如包含铜。在汇流条51的右端部、汇流条52的两端部以及汇流条53的左端部分别形成开口(未图示)。通过在设于汇流条51的开口和设于第1半导体激光模块10的上部电极块16的螺丝孔16b***端子固定螺丝91并紧固，来在第1半导体激光模块10安装汇流条51。同样地，通过在设于汇流条53的开口和设于第4半导体激光模块40的上部电极块46的螺丝孔***端子固定螺丝91并紧固，来在第4半导体激光模块40安装汇流条53。汇流条51、53分别与未图示的外部电源电连接，具体地，分别在汇流条51电连接接地(GND)电位的电源端子(未图示)，在汇流条53电连接正电位的电源端子(未图示)。因此，例如第1半导体激光模块10的上部电极块16作为负极起作用，下部电极块11作为正极起作用。
另外，通过在设于汇流条52的左端部的开口和设于第2半导体激光模块20的上部电极块26的螺丝孔***端子固定螺丝91并紧固，并且在设于汇流条52的右端部的开口和设于第3半导体激光模块30的上部电极块36的螺丝孔***端子固定螺丝91并紧固，来将汇流条52安装在第2以及第3半导体激光模块20、30。
在此，如图2所示那样，在半导体激光装置100中，第1～第4半导体激光模块10、20、30、40串联连接。具体地，在第1半导体激光模块10的上部电极块16连接接地电位的汇流条51，将第1半导体激光模块10的下部电极块11和第2半导体激光模块20的下部电极块21经由第1上部散热块63a电连接。另外，通过汇流条52将第2半导体激光模块20的上部电极块26和第3半导体激光模块30的上部电极块36电连接。进而，将第3半导体激光模块30的下部电极块31和第4半导体激光模块40的下部电极块41经由第2上部散热块63b电连接，且在第4半导体激光模块40的上部电极块46连接正电位的汇流条53。在此，由于第1上部散热块63a和第2上部散热块63b电分离，因此第1以及第2半导体激光模块10、20的下部电极块11、21和第3以及第4半导体激光模块30、40的下部电极块31、41电分离。
另外，如从图2所明确的那样，第1以及第3半导体激光模块10、30的上部电极块16、36和第2以及第4半导体激光模块20、40的下部电极块21、41作为负极起作用，第1以及第3半导体激光模块10、30的下部电极块11、31和第2以及第4半导体激光模块20、40的上部电极块26、46作为正极起作用。
[关于半导体激光装置的热排出]
若在通过未图示的冷却水循环机构而在散热块60内的流路66中流过冷却水的状态下对汇流条53施加给定的正的电压，就分别在第1～第4半导体激光模块10、20、30、40的半导体激光元件14、24、34、44中开始流过电流，若超过给定的阈值电流，就分别从第1～第4半导体激光模块10、20、30、40向前方出射激光。
这时，分别在第1～第4半导体激光模块10、20、30、40的半导体激光元件14、24、34、44中产生的热主要从2个路径排出到外部。第1热排出路径是从各上部电极块16、26、36、46向周围的气氛中排出的路径。第2热排出路径是从半导体激光元件14、24、34、44经由基台13、23、33、43以及下部电极块11、21、31、41向散热块60的流路66排出的路径。
流路66是通过由第1以及第2上部散热块63a、63b覆盖形成于下部散热块61的槽部65之上来构成的，如前述那样，在介于下部散热块61与第1以及第2上部散热块53a、63b之间的绝缘密封件62设有开口62a、62b。即，第1以及第2上部散热块63a、63b的下表面与流过流路66内的冷却水直接接触，第1以及第2上部散热块53a、63b被冷却水直接冷却。因而，通过热传导而从各下部电极块11、21、31、41向第1以及第2上部散热块53a、63b传播的热经由冷却水被迅速地排出到半导体激光装置100的外部。另外，从排出口66b排出的冷却水在通过未图示的冷媒循环机构冷却到给定的温度后，再次从流入口66a供给到流路66内。
[效果等]
如以上说明的那样，本实施方式所涉及的半导体激光装置100具备：在内部设有流过冷却水的流路66的散热块60；和配设于散热块60的第1～第4半导体激光模块10、20、30、40。
散热块60具有：形成有构成流路66的槽部65的下部散热块61；与下部散热块61的上表面相接而配设且在槽部65的上侧具有开口62a、62b的绝缘密封件62；以覆盖开口62a、62b的方式与绝缘密封件62的上表面相接而配设且包含导电性材料的第1以及第2上部散热块63a、63b。另外，第1上部散热块63a和第2上部散热块63b相互空开给定的间隔而设。
第1半导体激光模块10在将正极侧设为下的情况下与第1上部散热块63a的上表面相接而配设，另一方面，第2半导体激光模块20在将负极侧设为下的情况下与第1上部散热块63a的上表面相接而配设。另外，第3半导体激光模块30在将正极侧设为下的情况下与第2上部散热块63b的上表面相接而配设，另一方面，第4半导体激光模块40在将负极侧设为下的情况下与第2上部散热块63b的上表面相接而配设。另外，第2半导体激光模块20的正极侧和第3半导体激光模块30的负极侧通过汇流条52电连接。
由于通过如此地构成半导体激光装置100，能将分别位于绝缘密封件62的开口62a、62b的上方的第1以及第2上部散热块63a、63b通过冷却水直接进行冷却，因此能将与第1以及第2上部散热块63a、63b的上表面相接而配设的第1～第4半导体激光模块10、20、30、40中产生的热迅速地排出到半导体激光装置100的外部。即，能提高第1～第4半导体激光模块10、20、30、40的冷却效率。另外，由此，能增加流过半导体激光元件14、24、34、44的电流量，能使半导体激光装置100高输出化。另外，通过使绝缘密封件62介于第1以及第2上部散热块63a、63b与下部散热块61之间，能谋求第1～第4半导体激光模块10、20、30、40与下部散热块61的绝缘，并且能防止在流路66内流过的冷却水漏出到外部。
另外，由于能将第1上部散热块63a作为电流路径来使用，因此不使用导电构件，就能将第1以及第2半导体激光模块10、20串联连接。同样地，由于能将第2上部散热块63b用作电流路径，因此不使用导电构件，就能将第3以及第4半导体激光模块30、40串联连接。进而，通过将第2半导体激光模块20的正极侧和第3半导体激光模块30的负极侧用汇流条52连接，能将第1～第4半导体激光模块10、20、30、40串联连接。
若要将多个半导体激光模块并联连接来实现高输出的半导体激光装置100，则由于向与半导体激光装置连接的电源施加的负载增大，因此需要加大电源容量，这会招致电源设备的大型化以及设备成本的上升。
根据本实施方式，能抑制向电源施加的负载增大，能谋求电源的小型化。另外，能抑制设备成本的上升。
另外，在散热块60上配置多个半导体激光模块，在将它们电分离的基础上用汇流条等导电构件串联连接，在这样的结构中，需要将半导体激光模块间的配置间隔空开到能确保相互的绝缘的距离以上。但是，若要使半导体激光装置100高输出化，则施加的电压自身也变高，为了确保半导体激光模块间的绝缘距离，半导体激光装置100会大型化。另外，会需要大量的导电构件，并且由于降低电阻，因此需要增加各个导电构件的厚度，但这会招致成本的增大。另外，不能在与绝缘距离的关系下将导电构件的长度设为给定以下，不能充分降低电流路径整体的电阻。
另一方面，根据本实施方式，由于通过第1上部散热块63a将第1半导体激光模块10与第2半导体激光模块20之间电连接，因此在它们之间不需要空开用于绝缘的间隔。同样地，通过第2上部散热块63b，在第3半导体激光模块30与第4半导体激光模块40之间不需要空开用于绝缘的间隔。通过这些，能抑制半导体激光装置100大型化。另外，能减少将半导体激光模块间连接的导电构件的个数，能抑制成本增大。
第1～第4半导体激光模块10、20、30、40分别具有：下部电极块11、21、31、41；与它们各自对应地电连接的基台13、23、33、43；配设于各个基台13、23、33、43且与该各个基台13、23、33、43电连接的半导体激光元件14、24、34、44；和上部电极块16、26、36、46，其中，上部电极块16、26、36、46与下部电极块11、21、31、41分别夹持基台13、23、33、43和半导体激光元件14、24、34、44的组而设，且上部电极块16、26、36、46与各个半导体激光元件14、24、34、44电连接，另一方面，上部电极块16、26、36、46通过绝缘片12与下部电极块11、21、31、41电绝缘。
第1以及第2半导体激光模块10、20的下部电极块11、21分别与第1上部散热块63a的上表面相接而配设，并且第3以及第4半导体激光模块30、40的下部电极块31、41分别与第2上部散热块63a的上表面相接而配设。
通过如此地构成第1～第4半导体激光模块10、20、30、40，能从发热源即半导体激光元件14、24、34、44分别经由下部电极块11、21、31、41迅速地将热排出到外部。
另外，优选地，第1～第4半导体激光模块10、20、30、40的上部电极块16、26、36、46的外形分别在顶视观察下相同，第1～第4半导体激光模块10、20、30、40的下部电极块11、21、31、41的外形分别在顶视观察下相同。
如此一来，在第1～第4半导体激光模块10、20、30、40中能使用共同形状的电极块，能降低成本。
进而，优选地，第1～第4半导体激光模块10、20、30、40的上部电极块16、26、36、46和下部电极块11、21、31、41的外形在顶视观察下外形相同。更优选地，在第1～第4半导体激光模块10、20、30、40的上部电极块16、26、36、46和下部电极块11、21、31、41各自中，模块固定用的螺丝孔以及端子固定用的螺丝孔在顶视观察下位于相同的位置。
如图2所示那样，第1以及第3半导体激光模块10、30和第2以及第4半导体激光模块20、40相互成为上下反转的结构。即，形成有凹部的电极块的配置上下反转。在该情况下，在第1～第4半导体激光模块10、20、30、40各自中，若上部电极块16、26、36、46的外形和下部电极块11、21、31、41的外形不同，就需要分开制作它们，会增大成本。
另一方面，根据本实施方式，在第1～第4半导体激光模块10、20、30、40各自中，通过将上部电极块16、26、36、46和下部电极块11、21、31、41设为相同的外形，不需要进行前述的分开制作等，能抑制成本增加。
另外，在本实施方式所涉及的半导体激光装置100中，在第1以及第3半导体激光模块10、30的下部电极块11、31形成分别收容基台13、33以及半导体激光元件14、34的凹部11b、31b，在第2以及第4半导体激光模块20、40的上部电极块26、46形成分别收容基台23、43以及半导体激光元件24、44的凹部26c、46c。
如此一来，能将与半导体激光元件的下侧电极连接的电极块的位置交替上下反转，能将第1～第4半导体激光模块10、20、30、40以简便的结构串联连接。
另外，在第1～第4半导体激光模块10、20、30、40中，优选半导体激光元件14、24、34、44的激光出射端面在顶视观察下位于散热块60的流路66的附近，进一步优选位于流路60当中从冷却水的流入口66a直接延伸的部分的附近。
在半导体激光元件的动作中，激光出射端面附近的温度上升最多。因而，通过将激光出射端面配置于散热块60的流路66的附近，特别是配置于冷却水未被加热而从流入口66a直接流过的部分的附近，能提高各个包含半导体激光元件14、24、34、44的第1～第4半导体激光模块10、20、30、40的冷却效率。
优选地，第1上部散热块63a的上表面和与其相接的第1以及第2半导体激光模块10、20的下部电极块11、21的下表面分别是平坦面。另外，优选地，第2上部散热块63b的上表面和与其相接的第3以及第4半导体激光模块30、40的下部电极块31、41的下表面分别是平坦面。
如此一来，能加大第1上部散热块63与第1以及第2半导体激光模块10、20的下部电极块11、21的接触面积，能提高第1以及第2半导体激光模块10、20的冷却效率。同样地，能加大第2上部散热块63b与第3以及第4半导体激光模块30、40的下部电极块31、41的接触面积，能提高第3以及第4半导体激光模块30、40的冷却效率。
<变形例1>
图5A、5B表示本变形例所涉及的半导体激光装置的前方侧面的示意图，关于半导体激光装置200、300的各部的形状、位置、配置关系、尺寸，与图2所示的同样，与实际的关系并不相同。另外，省略各部的细节部分的图示。
本变形例所示的结构与实施方式1的图1所示的结构的差异点在于：在1个散热块70仅配设2个半导体激光模块10、20或半导体激光模块30、40。因此，在本变形例所示的散热块70中，省略了图1～3所示的第2上部散热块，而包含下部散热块71、绝缘密封件72和第1上部散热块73。另外，在散热块70的内部形成流路76，流路76的一端是冷却水的流入口76a，另一端是冷却水的排出口76b，这一点与实施方式1所示的结构同样。另外，虽未图示，但在绝缘密封件72设有1个开口。
根据所要求的激光输出的规格，也可以将半导体激光装置200设为图5A所示的结构。能简化散热块70的结构，能降低半导体激光装置200的成本。
另外，也可以取代图1所示的结构而将半导体激光装置300设为图5B所示的结构。图5B所示的结构与图1所示的结构相比，构成部件的件数增加，另外，需要合适地将相邻的散热块70的间隔拉开。
另一方面，如前述那样，若使得在顶视观察下，从流入口76a流入的冷却水原样不变地通过激光出射端面的附近，则能提高半导体激光模块的冷却效率。因而，通过如图5B所示那样，对配设有第1以及第2半导体激光模块10、20的散热块70和配设有第3以及第4半导体激光模块30、40的散热块70分别独立地流过冷却水，与图1所示的结构相比，能更加提高第1～第4半导体激光模块10、20、30、40的冷却效率。
<变形例2>
图6A表示用于比较的半导体激光装置的前方侧面的示意图，图6B表示本变形例所涉及的半导体激光装置的前方侧面的示意图。另外，图6A、6B所示的结构与图5A所示的结构同样，但为了说明方便，包括绝缘密封件在内且省略一部分图示。另外，关于半导体激光装置200的各部的形状、位置、配置关系、尺寸，与图2所示的同样，与实际的关系并不相同。另外，省略各部的细节部分的图示。进而，为了说明方便，空开半导体激光元件14、24和与其对置的电极块16、21之间的间隔进行了图示，但实际上，凸块以及金属片介于它们之间，半导体激光元件14和上部电极块16接触。同样地，半导体激光元件24和下部电极块21接触。
在将半导体激光装置单独或多个并置的激光装置中，在从所搭载的半导体激光元件分别出射激光的情况下，能通过将这些激光光学耦合成1个激光来得到更高输出的激光。另外，能通过将使从各个半导体激光元件出射的激光向给定的方向偏转的光偏转构件、聚光透镜等光学部件配置在给定的位置，来进行上述的光学耦合。
这时，若从基准面例如第1上部散热块63a以及/或者第2上部散热块63b的上表面到各半导体激光元件的发光点的距离相等，就不再需要使激光在上下方向上偏转的光偏转构件，能简化激光装置的结构，并能降低成本。
若取图6A、6B为例，则将基准面设为第1上部散热块63a的上表面，在第1以及第2半导体激光模块10、20中，将未形成凹部的电极块的厚度设为t1，将形成有凹部的电极块的凹部以外的部分的厚度设为t2，将凹部的深度设为d1，将基台13、23的厚度与分别载置于基台13、2的半导体激光元件14、24的从底面到发光点的距离设为d2。这时，从基准面到第1半导体激光模块10的发光点的距离D1、从基准面到第2半导体激光模块的发光点的距离D2以及D2-D1分别用式(1)～式(3)来表征。
D1＝t2-d1+d2…(1)
D2＝t1+d1-d2…(2)
D2-D1＝(t1-t2)+2(d1-d2)…(3)
另外，在基台13、23的厚度中还包含未图示的基台13、23与半导体激光元件14、24的粘接层。另外，由于绝缘片12的厚度在第1以及第2半导体激光模块10、20各自中相同，因此为了说明方便，在式(1)～(3)中不考虑绝缘片12的厚度。
在此，若设为t1＝t2，即若设为在第1以及第2半导体激光模块10、20中，上部电极块16、26以及下部电极块11、21的厚度分别相同，则
D2-D1＝2(d1-d2)…(4)
另外，如前述那样，由于在半导体激光元件14、24形成凸块50，因此d1＞d2。因而，在第1以及第2半导体激光模块10、20中，从基准面到发光点的距离分别不同。因而，为了进行上述的光学耦合，需要使从第1半导体激光模块10或第2半导体激光模块20出射的激光的任一者在上下方向上偏转，激光装置的结构变得复杂，成本会上升。
为了消除这样的不良状况，如图6B所示那样，即在第1以及第2半导体激光模块10、20中调整上部电极块16以及下部电极块21的厚度，使得式(3)的左边成为零。
这时如下关系成立。
t1＝t2-2(d1-d2)…(5)
其中，在该情况下，下部电极块11、21的厚度变成各是各的，因此第1半导体激光模块10中的流路66以及向外部的放热效率、和第2半导体激光模块20中的流路66以及向外部的放热效率有时会不同。因此，要对应于激光装置中的要求规格等来适宜选择是使得各半导体激光模块中的放热效率相同，还是使得发光点位置相同。
另外，与实施方式1所示的同样，将第1以及第2半导体激光模块10、20的上部电极块16、26以及下部电极块11、21分别设为在顶视观察下成为相同外形，在第1以及第2半导体激光模块10、20各自的上部电极块16、26以及下部电极块11、21中，通过将模块固定用的螺丝孔以及端子固定用的螺丝孔在顶视观察下配置在相同的位置，能将需要分开制作的电极块的种类抑制在2种。另外，在第3以及第4半导体激光模块30、40中，同样的讨论也成立，这一点不言自明。
(实施方式2)
图7表示本实施方式所涉及的半导体激光装置的分解立体图，图8表示前方侧面的示意图，图9表示其他散热块的分解立体图。另外，在图8中，关于半导体激光装置400的各部的形状、位置、配置关系、尺寸，与图2所示的同样，与实际的关系并不相同。另外，省略了各部的细节部分的图示。
相对于实施方式1的图1所示的结构，本实施方式所示的半导体激光装置400在第1～第4半导体激光模块10、20、30、40的上部电极块16、26、36、46的上表面配置其他散热块80，在这一点上不同。
如前述那样，在图1所示的结构中，从半导体激光元件14、24、34、44分别传递到上部电极块16、26、36、46的热被从上部电极块16、26、36、46的表面排出到外部气氛。但是，该热排出路径与经由下部电极块11、21、31、41和流过散热块60的流路66内的冷却水将半导体激光元件14、24、34、44中产生的热排出到外部的路径相比，冷却效率低。
另外，一般，在半导体激光元件中，在比下侧电极(负极)更靠近上侧电极(正极)的一侧有发光点(参考图6A、6B)，因此在半导体激光元件的动作中，在该发光点附近，温度上升最多。因此，通常，以上侧电极与基台热接触的方式来安装半导体激光元件。
另一方面，例如如图2所示那样，在第2半导体激光模块20、第4半导体激光模块40中，分别配置有基台23、43的上部电极块26、46并不与散热块60接触，这些半导体激光模块的冷却效率并不能说是充分的。
根据本实施方式，能改善这一点。以下对此进行说明。
如图9所示那样，其他散热块80在绝缘密封件82设有3个开口82a～82c，并设置第3～第5上部电极块83a～83c，使得分别覆盖3个开口82a～82c，在这一点上与图3A、3B所示的结构不同，这以外包括材质在内都与散热块60同样。例如，构成流路86的槽部85在顶视观察下是U字形状(参考图9)。与实施方式1所示的结构同样，3个开口82a～82c均在厚度方向上贯通绝缘密封件82。另外，由于在各半导体激光模块10、20、30、40的上表面配设热的散热块80，因此模块固定螺丝90a的头与各上部电极块16、26、36、46的上表面相同，或位于比它们更靠下方的位置。另外，不设置端子固定螺丝91。
另外，虽然上下关系与实际的配设方向不同，但在其他散热块80中，将配设于第1～第4半导体激光模块10、20、30、40的上部电极块16、26、36、46的上表面的构件称作第3～第5上部散热块83a～83c，将形成有构成流路86的槽部85的块称作下部散热块81。因此，其他散热块80的第3～第5上部散热块83a～83c的上表面与流过流路86内的冷却水直接接触。
根据本实施方式，能将从半导体激光元件14、24、34、44分别传递到半导体激光模块10、20、30、40的上部电极块16、26、36、46的热经由第3～第5上部散热块83a～83c以及流过流路86内的冷却水效率良好地排出到外部。由此，可增加流过半导体激光元件14、24、34、44的电流量，谋求半导体激光装置400的进一步的高输出化。
另外，根据本实施方式，能省略图1所示的汇流条51～53。如图8所示那样，其他散热块80的第4上部散热块83b与第2以及第3半导体激光模块20、30的上部电极块26、36的上表面相接地配设，起到与图1所示的汇流条52同样的功能，即，起到将第2半导体激光模块20和第3半导体激光模块30电连接的功能。
通过将半导体激光装置400设为这样的结构，与图1所示的结构相比，能减少安装的部件件数，并且能降低部件成本以及组装成本。另外，能以简便的结构将第1～第4半导体激光模块10、20、30、40串联连接。另外，在该情况下，分别在第3上部散热块83a电连接接地电位的电源端子(未图示)，在第5上部散热块83c电连接正电位的电源端子(未图示)。
另外，在本实施方式的其他散热块80中，冷却水的流入口86a设于左侧面且前侧，排出口86b在左侧面且在流入口86a的后侧与流入口86a空开给定的间隔而设。即，成为流入口以及排出口的配置与配设于第1～第4半导体激光模块10、20、30、40的下表面的散热块60左右反转的结构。
从散热块60的流入口66a流入到流路66内的冷却水随着依次通过第1～第4半导体激光模块10、20、30、40的下方，温度因流入的热而逐渐上升。同样地，在其他散热块80中，也是冷却水随着依次通过第1～第4半导体激光模块10、20、30、40的上方，温度因流入的热而逐渐上升。在该情况下，若从散热块60的流入口66a流入的冷却水和从其他散热块80的流入口86a流入的冷却水向相同方向行进，则在接近流入口的半导体激光模块和距流入口远的半导体激光模块中，冷却效率会不同。在长时间使用半导体激光装置400的情况下，若这样的状态持续，则各个半导体激光模块中的劣化程度会不同，作为结果，有可能会使半导体激光装置400的寿命降低。
另一方面，根据本实施方式，通过使流过第1～第4半导体激光模块10、20、30、40的下方的冷却水的行进方向、和流过第1～第4半导体激光模块10、20、30、40的上方的冷却水的行进方向成为相互相反的朝向，例如在图7、8所示的结构中，能减小4个并置的半导体激光模块10、20、30、40的位于左端的第1半导体激光模块10和位于右端的第4半导体激光模块40中的冷却效率之差，能抑制半导体激光装置400的寿命降低。
(其他实施方式)
在实施方式1、2中示出在相同散热块60之上配设4个半导体激光模块10、20、30、40的示例，但并不特别限定于此，也可以将偶数个半导体激光模块配设在相同的散热块之上。但是，在该情况下，需要在一个上部散热块配设各2个半导体激光模块，将相互相邻的上部散热块的间隔空开给定的距离以上来谋求半导体激光模块间的绝缘。另外，在半导体激光模块的上方配设其他散热块80的情况下，在相同散热块60之上配设n个(n是4以上的偶数)半导体激光模块。
另外，在图1所示的结构中，也可以在第1以及第3半导体激光模块10、30的上部电极块16、36的下表面的覆盖凹部11b、31b的位置设置未图示的金属层。通过如此地设置金属层，能与金属片相接触地将凸块50和上部电极块16、36电连接，并且进入凸块50的侧面来使凸块50与上部电极块16、36之间的接触电阻减少。另外，金属层优选使用金，但也可以使用其他导电材料。其中，需要考虑硬度等，使得在将上部电极块16、36分别安装于下部电极块21、31时，凸块50不会较大变形或脱离。同样地，也可以在第2以及第4半导体激光模块20、40的下部电极块21、41的上表面的与第1以及第3半导体激光模块10、30的上部电极块16、36的凹部16c、36c对置的位置设置金属层。能起到与上述同样的效果。
另外，作为冷媒而示出使用冷却水的示例，但也可以使用水以外的冷媒、例如防冻液等。另外，若将半导体激光元件过度冷却，例如冷却到数℃，就有可能在激光器出射光端面等结露。若产生这样的结露，就不会引发激光振荡，根据情况，半导体激光装置有可能会破损。另外，若半导体激光元件的温度较大而超过60℃，则光输出特性就会发生变化，有时会得不到所期望的输出的情况。因而，优选，选择冷媒的种类或进行冷媒的温度管理，使得动作中的半导体激光元件能维持在10℃～40℃左右的温度。
另外，也可以用绝缘材料覆盖第1以及第2上部散热块63a、63b的下表面。同样地，也可以用绝缘材料覆盖第3～第5上部散热块83a～83c的下表面(构成流路的一面的面)。
若长时间使用冷却水，则有时会因从未图示的配管等溶出杂质而使冷却水的电阻率降低，且有时不能良好地防止经由冷却水的漏电。另外，根据冷媒的种类，还有时不能将电阻率提高到所期望的值以上。
在这样的情况下，如上述那样，通过用绝缘材料覆盖第1～第5上部散热块63a、63b、83a～83c当中冷却水等冷媒所直接接触的面，能防止经由冷媒产生漏电。另外，需要合适地设定绝缘材料的热传导率、厚度，以使得不会使从第1～第5上部散热块63a、63b、83a～83c向冷媒的热排出效率降低。
另外，在包含变形例的上述的实施方式中，关于上部电极块和下部电极块的形状，例如可以是在顶视观察下的外形不同。
另外，并不限于此，还能组合上述各实施方式以及变形例中说明的各结构要素，来形成新的实施方式。
产业上的可利用性
本发明所涉及的半导体激光装置能提高搭载的半导体激光模块的冷却效率，在应用于激光加工装置等激光光源方面是有用的。
附图标记说明
10 第1半导体激光模块
11 下部电极块
11a 螺丝孔
11b 螺丝孔
12 绝缘片
12a 开口
13 基台
14 半导体激光元件
15 凸块
16 上部电极块
16a 螺丝孔
16b 螺丝孔
20 第2半导体激光模块
21 下部电极块
23 基台
24 半导体激光元件
26 上部电极块
26c 凹部
30 第3半导体激光模块
31 下部电极块
31b 凹部
33 基台
34 半导体激光元件
36 上部电极块
40 第4半导体激光模块
41 下部电极块
43 基台
44 半导体激光元件
46 上部电极块
46c 凹部
51～53 汇流条
60、70 散热块
61、71 下部散热块
62、72 绝缘密封件
62a、62b 开口
63a、73a 第1上部散热块
63b 第2上部散热块
64 螺丝孔
65 槽部
66、76 流路
66a、76a 流入口
66b、76b 排出口
80 其他散热块
81 下部散热块
82 绝缘密封件
82a～82c 开口
83a 第3上部散热块
83b 第4上部散热块
83c 第5上部散热块
90、90a 模块固定螺丝
91 端子固定螺丝
100、200、300、400 半导体激光装置

Claims (15)

1.一种半导体激光装置，至少具备：
在内部设有流过冷媒的流路的散热块；和
配设于所述散热块的第1以及第2半导体激光模块，
所述散热块具有：
下部散热块，形成有构成所述流路的槽部；
绝缘密封件，与所述下部散热块的上表面相接而配设，在所述槽部的上侧具有开口；和
上部散热块，以覆盖所述开口的方式与所述绝缘密封件的上表面相接而配设，且包含导电性材料，
所述第1半导体激光模块在将正极侧设为下的情况下与所述上部散热块的上表面相接而配设，另一方面，所述第2半导体激光模块在将负极侧设为下的情况下与所述上部散热块的上表面相接而配设。
2.根据权利要求1所述的半导体激光装置，其中，
所述第1以及第2半导体激光模块分别具有：
下部电极块；
基台，与所述下部电极块电连接；
半导体激光元件，配设于所述基台且与所述基台以及所述下部电极块电连接；和
上部电极块，与所述下部电极块夹持所述基台以及所述半导体激光元件而设，且与所述半导体激光元件电连接，另一方面，通过绝缘层与所述下部电极块电绝缘，
所述第1以及第2半导体激光模块的下部电极块分别与所述上部散热块的上表面相接而配设。
3.根据权利要求2所述的半导体激光装置，其中，
与所述第1以及第2半导体激光模块的上部电极块的上表面相接而配设其他散热块。
4.根据权利要求3所述的半导体激光装置，其中，
所述其他散热块包含：
下部散热块，形成有构成流过冷媒的流路的槽部；
绝缘密封件，与所述下部散热块的上表面相接而配设，并且在所述槽部的上侧具有开口；和
上部散热块，以覆盖所述开口的方式与所述绝缘密封件的上表面相接而配设，
所述其他散热块使所述上部散热块的上表面与所述第1以及第2半导体激光模块的上部电极块的上表面相接而配设。
5.根据权利要求2～4中任一项所述的半导体激光装置，其中，
所述第1半导体激光模块的上部电极块和所述第2半导体激光模块的上部电极块的外形在顶视观察下相同，
所述第1半导体激光模块的上部电极块和所述第2半导体激光模块的下部电极块的外形在顶视观察下相同。
6.根据权利要求5所述的半导体激光装置，其中，
所述第1以及第2半导体激光模块中的上部电极块和下部电极块的外形在顶视观察下分别相同。
7.根据权利要求2～6中任一项所述的半导体激光装置，其中，
在所述第1半导体激光模块的下部电极块形成***述基台以及所述半导体激光元件的凹部，
在所述第2半导体激光模块的上部电极块形成***述基台以及所述半导体激光元件的凹部。
8.根据权利要求2所述的半导体激光装置，其中，
所述半导体激光装置还具备：
配设于所述散热块的第3以及第4半导体激光模块，
所述散热块至少具有：
所述下部散热块；
绝缘密封件，与所述下部散热块的上表面相接而配设，并且在所述槽部的上侧具有相互空开间隔而形成的至少2个开口；
第1以及第2上部散热块，以分别覆盖2个所述开口的方式与所述绝缘密封件的上表面相接并且相互空开间隔而配设，
所述第1以及第2上部散热块包含导电性材料，
所述第1半导体激光模块在将正极侧设为下的情况下与所述第1上部散热块的上表面相接而配设，另一方面，所述第2半导体激光模块在将负极侧设为下的情况下与所述第1上部散热块的上表面相接而配设，
所述第3半导体激光模块在将正极侧设为下的情况下与所述第2上部散热块的上表面相接而配设，另一方面，所述第4半导体激光模块在将负极侧设为下的情况下与所述第2上部散热块的上表面相接而配设，
所述第2半导体激光模块的正极侧和所述第3半导体激光模块的负极侧通过导电构件电连接。
9.根据权利要求8所述的半导体激光装置，其中，
所述第3以及第4半导体激光模块分别具有：
下部电极块；
基台，与所述下部电极块电连接；
半导体激光元件，配设于所述基台且与所述基台以及所述下部电极块电连接；和
上部电极块，与所述下部电极块夹持所述基台以及所述半导体激光元件而设，且与所述半导体激光元件电连接，另一方面，通过绝缘层与所述下部电极块电绝缘，
所述第1以及第2半导体激光模块的下部电极块分别与所述第1上部散热块的上表面相接而配设，并且所述第3以及第4半导体激光模块的下部电极块分别与所述第2上部散热块的上表面相接而配设。
10.根据权利要求9所述的半导体激光装置，其中，
与所述第1～第4半导体激光模块的上部电极块的上表面相接而配设其他散热块。
11.根据权利要求10所述的半导体激光装置，其中，
所述其他散热块包含：
下部散热块，形成有构成流过冷媒的流路的槽部；
绝缘密封件，与所述下部散热块的上表面相接而配设，并且在所述槽部的上侧具有相互空开间隔而形成的至少3个开口；和
第3～第5上部散热块，以分别覆盖3个所述开口的方式与所述绝缘密封件的上表面相接并且相互空开间隔而配设，
所述其他散热块在将所述第1～第3上部散热块的上表面设为下的情况下配设于所述第1～第4半导体激光模块的上部电极块的上表面，
所述第3上部散热块的上表面与所述第1半导体激光模块的上部电极块的上表面相接，所述第4上部散热块的上表面与所述第2以及第3半导体激光模块的上部电极块的上表面相接，所述第5上部散热块的上表面与所述第3半导体激光模块的上部电极块的上表面相接。
12.根据权利要求11所述的半导体激光装置，其中，
设于所述其他散热块的冷媒的流入口以及排出口在顶视观察下设置在设于所述散热块的冷媒的流入口以及排出口的相反侧。
13.根据权利要求8～12中任一项所述的半导体激光装置，其中，
所述第1～第4半导体激光模块的上部电极块的外形在顶视观察下相同，
所述第1～第4半导体激光模块的下部电极块的外形在顶视观察下相同。
14.根据权利要求13所述的半导体激光装置，其中，
所述第1～第4半导体激光模块的上部电极块和所述第1～第4半导体激光模块的下部电极块的外形在顶视观察下分别相同。
15.根据权利要求8～14中任一项所述的半导体激光装置，其中，
在所述第1以及第3半导体激光模块的下部电极块形成***述基台以及所述半导体激光元件的凹部，
在所述第2以及第4半导体激光模块的上部电极块形成***述基台以及所述半导体激光元件的凹部。
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