JP2005044830A

JP2005044830A - レーザダイオードモジュール

Info

Publication number: JP2005044830A
Application number: JP2003199867A
Authority: JP
Inventors: Naoki Kimura; 直樹木村
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2003-07-22
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】放熱特性に優れ、レーザダイオードチップの機能が充分に発揮できるレーザダイオードモジュールを提供する。
【解決手段】活性化層を有する面が下方に向けて配置されたレーザダイオードチップ、前記レーザダイオードチップを搭載するチップキャリア、および、前記チップキャリアと熱的に接続された冷却装置を備えたレーザダイオードモジュール。前記冷却装置がペルチェ素子からなっており、前記活性化層が前記チップキャリアに接触しないように、前記活性化層を有する面が、前記チップキャリアの上面に接合されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱特性に優れ、レーザダイオードチップの機能が充分に発揮できるレーザダイオードモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、レーザダイオードモジュールは、例えば、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。このようなレーザダイオードモジュールは、高出力および安定動作を実現するために、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、抵抗等の電気部品を配置している。
なお、上述したペルチェ素子は、熱電半導体であり、直流の電流を流すと、ｐ型の半導体の場合には、電流の流れる方向に熱が運ばれ、ｎ型半導体の場合には電流と反対方向に熱が運ばれ、熱電半導体の両側で温度差が生じる。ペルチェ素子を使用した冷却システムは、上述した温度差を利用して、低温側を冷却に、高温側を放熱に使用している。
【０００３】
レーザダイオードモジュールは、上述したレーザ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チップの温度を検出している。このように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、レーザダイオードチップが配置された金属基板全体を冷却して、レーザダイオードチップの温度を一定に保つ構造を備えている。
【０００４】
図５に従来のレーザダイオードモジュールを示す。図５は、レーザダイオードモジュールの概略断面図を示す。レーザダイオードモジュールは、図５に示すように、レーザダイオードチップ１１１およびヒートシンク１１２を搭載したマウント１１３と、モニター用フォトダイオードチップ１１４を搭載したチップキャリア１１５と、レンズホルダ１１６と、図示しない抵抗体、インダクタおよび回路基板等を接着した金属基板１１０ａと、ペルチェ素子７とを備えている。ペルチェ素子は、パッケージ放熱板１１８上に金属ソルダで固定されている。なお、ペルチェ素子１１７の上下には、セラミックス板１１９Ａ、１１９Ｂが配置される。
【０００５】
図６は、図５におけるレーザダイオードモジュールのＡ−Ａ’断面図である。図６に示すように、レーザダイオードモジュールの主要部は、ヒートシンク１１２上にレーザダイオードチップ１１１の他にサーミスタ１２１を搭載し、ペルチェ素子１１７と金属基板１１０ａ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１２２を用いている。
上述した金属基板は、通常、銅タングステン（ＣｕＷ：銅の重量配分比１０〜３０％のものが存在）等の単一材質で形成されている。金属基板とペルチェ素子との接着は、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。
【０００６】
しかし、近年、レーザダイオードモジュールの高出力化に伴い、レーザダイオードモジュールの冷却能力に対する要求が厳しくなっている。
従って、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、レーザダイオードモジュールが大型化してしまったり、コストが高くなってしまう。更に、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。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。
【０００７】
上述した問題点を解決するために、特開平１０−２００２０８に、２種類の金属材からなる金属基板を備えた半導体レーザモジュールが開示されている。即ち、上述した金属基板を使用することにより、金属基板全体の熱膨張を小さくするとともに、熱伝導を良くし、冷却性能を向上させると同時に、ペルチェ素子の信頼度を高めることを期待している。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−１８３４４５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した先行技術によると、個々のレーザダイオードモジュールにおける、ペルチェ素子の冷却性能の向上、および、ペルチェ素子の信頼度を高めることが期待されている。しかしながら、個々のレーザダイオードモジュールが更に高出力化し、それにともなって発生する熱を処理することができないと、レーザダイオードモジュールの機能を損傷してしまうという問題点がある。即ち、従来の方法では、レーザダイオードモジュールのペルチェ素子による冷却が限界に達して、半導体素子の性能を１００％生かしきれない状態でしか、使用することができなくなっている。
【００１０】
従って、この発明の目的は、従来の問題点を解決して、放熱特性に優れ、レーザダイオードチップの機能が充分に発揮できるレーザダイオードモジュールを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、従来、ペルチェ素子等の冷却性能を向上させることによって、レーザダイオードモジュールの放熱・冷却特性を向上させようとしてきたが、熱抵抗の大部分即ち約６０％が、レーザダイオードチップの熱抵抗であることが判明した。
即ち、チップキャリアに熱的に接続されたレーザダイオードチップの活性層が存在する面からチップキャリアと接する面までの熱抵抗がレーザダイオードモジュール全体の熱抵抗の約６０％を占めている。例えば、ペルチェ素子等によって、チップキャリアを２５℃の温度に制御しても、レーザダイオードチップの活性化層の温度は５５℃になっていた。更に、チップキャリアを２５℃の温度に制御するためには、ペルチェ素子に対して高い冷却性能が要求されていた。
【００１２】
従来のアプローチと異なり、ペルチェ素子等の冷却性能を向上するのではなく、レーザダイオードチップの熱抵抗を小さくすることができれば、ペルチェ素子等の冷却性能如何にかかわらず、放熱効果は著しく高まることが判明した。即ち、活性化層を有する面を下方に向けて、レーザダイオードチップを配置し、活性化層がチップキャリアに接触しないように、活性化層を有する面がチップキャリアの上面に接合すると、活性化層とチップキャリアの上面との間の温度差を小さくして、レーザダイオードチップの熱抵抗を小さくすることができることが判明した。
【００１３】
この発明は、上記研究結果に基づいてなされたものであって、この発明のレーザダイオードモジュールの第１の態様は、活性化層を有する面が下方に向けて配置されたレーザダイオードチップ、前記レーザダイオードチップを搭載するチップキャリア、および、前記チップキャリアと熱的に接続された冷却装置を備えたレーザダイオードモジュールである。
【００１４】
この発明のレーザダイオードモジュールの第２の態様は、前記冷却装置がペルチェ素子からなっている、レーザダイオードモジュールである。
【００１５】
この発明のレーザダイオードモジュールの第３の態様は、前記活性化層が前記チップキャリアに接触しないように、前記活性化層を有する面が、前記チップキャリアの上面に接合された、レーザダイオードモジュールである。
【００１６】
この発明のレーザダイオードモジュールの第４の態様は、前記活性化層を有する面が、熱伝導性部材からなるスペーサを介して、前記チップキャリアの上面に接合された、レーザダイオードモジュールである。
【００１７】
この発明のレーザダイオードモジュールの第５の態様は、前記活性化層を有する面が、半田によって、前記チップキャリアの上面に接合された、レーザダイオードモジュールである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
この発明のレーザダイオードモジュールの態様について図面を参照しながら詳細に説明する。
この発明のレーザダイオードモジュールは、活性化層を有する面が下方に向けて配置されたレーザダイオードチップ、レーザダイオードチップを搭載するチップキャリア、および、チップキャリアと熱的に接続された冷却装置を備えたレーザダイオードモジュールである。上述した冷却装置が、例えば、ペルチェ素子からなっている。
【００１９】
上述した活性化層がチップキャリアに接触しないように、活性化層を有する面が、チップキャリアの上面に接合されている。
図１は、この発明のレーザダイオードモジュールのレーザダイオードチップを示す図である。図１に示すように、レーザダイオードチップ１は、活性化層３を有する面２が下方に向くように配置される。
図２は、この発明のレーザダイオードモジュールの他の態様のレーザダイオードチップを示す図である。図２に示すように、レーザダイオードチップは、活性化層３を有する面が下方に向けて配置される。この際、光の出口である活性化層を塞がないように、チップの両端部に熱伝導性部材からなるスペーサ４が設けられる。
【００２０】
図３は、チップキャリアの上面に接合されたレーザダイオードチップを示す図である。図３に示すように、活性化層３を有する面が下方に向けて配置されたレーザダイオードチップ１の両端部に熱伝導性部材からなるスペーサ４が設けられ、レーザダイオードチップ１が、熱伝導性部材からなるスペーサを介して、チップキャリアの上面に接合されている。
【００２１】
図７に、従来のレーザダイオードモジュールの部分を示す。図７に示すように、レーザダイオードチップ１００においては、活性化層１０２の熱は、斜線で示すように、横方向に広がりながら斜線で示したように、下方に向かって、チップキャリア１０７と接する面に伝わる。しかしながら、従来のレーザダイオードチップ１００においては、上述したように、チップキャリアに熱的に接続されたレーザダイオードチップの活性層が存在する面からチップキャリアと接する面までの熱抵抗がレーザダイオードモジュール全体の熱抵抗の約６０％を占めており、熱抵抗が大きい。従って、熱抵抗によるチップの温度差ΔＴ＝Ｔ_０−Ｔ_１は大きく、例えば、３０℃である。
【００２２】
即ち、例えば、活性化層１０２の温度を約５５℃に維持しようとすると、上述したようにチップの熱抵抗が大きいので、チップキャリア１０７の温度を２５℃にコントロールする必要がある。ペルチェ素子の底部側における温度が約７５℃であるので、ペルチェ素子には約５０℃の温度を低下させる冷却性能が要求される。ペルチェ素子に使用されているＢｉ−Ｔｅ部材は、脆く、上述した約５０℃の温度差によって損傷することがある。
【００２３】
これに対してこの発明においては、レーザダイオードチップ１は、活性化層３を有する面が下方に向けて配置され、そして、光の出口である活性化層を塞がないように、チップの両端部に熱伝導性部材からなるスペーサ４が設けられる。このようにスペーサが設けられたレーザダイオードチップ１が、チップキャリアの上面に接合される。従って、活性化層３の熱は、両端部に設けられた熱伝導性部材を通って、チップキャリアの上面に伝わる。従って、熱抵抗によるチップの温度差ΔＴ＝Ｔ_０−Ｔ_１は小さく、例えば、１０℃である。
【００２４】
即ち、この発明のレーザダイオードチップ１においては、活性化層を有する面が下方に向けて配置され、更に、チップの両端部に熱伝導部材４が熱的に接続して設けられているので、活性化層３の熱が熱伝導部材に広く伝わって、熱抵抗が著しく低下する。その結果、例えば、活性化層３の温度を約５５℃に維持しようとすると、活性化層からチップキャリアの上面までの間の熱抵抗が小さいので、チップキャリア７の温度は４５℃にコントロールすればよい。
【００２５】
従って、ペルチェ素子の底部側における温度が約７５℃であるので、ペルチェ素子には約３０℃の温度を低下させる冷却性能が要求されるに過ぎない。このことは、ペルチェ素子に要求される冷却性能が低くなるので、ペルチェ素子を大型化する必要は無く、逆に、ペルチェ素子を小型化することができる。その結果、レーザダイオードモジュールを更に小型化することが可能である。更に、高性能のペルチェ素子ではなく、一般的な性能のペルチェ素子であればよく、レーザダイオードモジュールの製造コストを低くすることができる。
【００２６】
このように、活性化層の温度を約５５℃に維持するためには、従来のチップにおいては、チップキャリアの温度を約２５℃にコントロールしなければならなかったけれども、本発明のチップにおいては、熱抵抗が小さく、活性化層の温度を約５５℃に維持するためには、チップキャリアの温度を約４５℃にコントロールすればよいので、レーザダイオードモジュールの温度に関する安定性を容易に高めることができる。更に、チップキャリアの温度を低くコントロールすることによって、活性化層の温度を低く、例えば、約３５℃に維持することが容易になる。
上述したように、この発明によると、レーザダイオードチップの熱抵抗を小さくすることによって、レーザダイオードモジュールの放熱効果を著しく向上することができる。
【００２７】
熱伝導部材としては、Ｓｉ、ＡｌＮ、ＣｕＷ、ダイヤモンド、Ｃｕなどがあり、レーザダイオードチップの線膨張係数に近いものを使用する。例えば、ＩｎＰ基板に形成されたレーザダイオードチップの場合は、ＡｌＮが適している。
チップと熱伝導部材の接合は、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅなどによって行う。
チップキャリアの材質としては、Ｓｉ、ＡｌＮ、ＣｕＷ、ダイヤモンド、Ｃｕなどがあり、レーザダイオードチップの線膨張係数に近いものを使用する。例えば、ＩｎＰ基板に形成されたレーザダイオードチップの場合は、ＡｌＮが適している。
【００２８】
更に、この発明のレーザダイオードモジュールの他の態様においては、熱伝導性部材からなるスペーサを設けることなく、半田によって、活性化層を有する面とチップキャリアの上面とを接合する。この際、光の出口である活性化層を塞がないように留意する。更に、熱伝導性に優れた半田によって、接合することが望ましい。このような半田として、Ａｕ−Ｓｎ、Ｐｂ系半田、Ｉｎ系半田がある。
【００２９】
図４は、レーザダイオードチップが搭載されたチップキャリアの底面にペルチェ素子が熱的に接合された状態を示す図である。図４に示すように、レーザダイオードチップの活性化層を有する面が熱伝導性部材からなるスペーサを介して、チップキャリアの上面に接合されているので、活性化層３の熱がスペーサを伝わり、活性化層とチップキャリアの上面との間の温度差ΔＴ＝Ｔ_０−Ｔ_１を小さくすることができる。従って、チップキャリアの温度Ｔ_１を比較的高い温度にコントロールすることが可能になり、ペルチェ素子の冷却性能に対する要求を低くすることができる。即ち、ペルチェ素子に要求される冷却性能が低くなるので、ペルチェ素子を大型化する必要は無く、逆に、ペルチェ素子を小型化することができる。その結果、レーザダイオードモジュールを更に小型化することが可能である。更に、高性能のペルチェ素子ではなく、一般的な性能のペルチェ素子であればよく、レーザダイオードモジュールの製造コストを低くすることができる。
【００３０】
この発明のレーザダイオードモジュールは、例えば光源として使用され、半導体レーザ、第１レンズ、第２レンズ、コア拡大ファイバおよび気密ケースを備えている。半導体レーザは、第１レンズとの間に所定の間隔をおいて、ベース上にチップキャリアを介して設けられている。ベースは、気密ケース内に設けた温度制御用のペルチェ素子の上方に配置されている。ベースは、主要部分が銅製で、第１レンズを設置する部分がステンレス製の複合材である。ベース部材は、チップキャリアを挟んで第１レンズと対向する側にキャリアが固定され、キャリアの半導体レーザと対向する位置にモニタ用のフォトダイオードが設けられている。
【００３１】
この発明によると、上述したように、レーザダイオードチップの活性化層を有する面が熱伝導性部材からなるスペーサを介して、チップキャリアの上面に接合されているので、活性化層３の熱がスペーサを伝わり、活性化層とチップキャリアの上面との間の温度差を小さくして、レーザダイオードチップにおける熱抵抗を小さくすることができる。
【００３２】
【実施例】
実施例１
この発明のレーザダイオードモジュールを実施例によって、説明する。
Ｃｕ−Ｗ製の縦７ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ１ｍｍのチップキャリアの上に、縦０．８ｍｍ×横０．３ｍｍ×厚さ０．１ｍｍのチップの活性化層が下方に向くように配置し、
熱伝導部材を、ＡｕＳｎによって、チップ両端部に接合した。このように熱伝導性部材からなるスペーサを接合したレーザダイオードチップを、チップキャリアの上面に搭載した。レーザダイオードチップとチップキャリアの間は、ＡｕＳｎで接合した。
【００３３】
上述したチップキャリアの低部には、ペルチェ素子を熱的に接続した。このように調製したレーザダイオードモジュールを使用して、レーザダイオードチップの熱抵抗を調査した。その際、チップキャリアの温度を４５℃にコントロールした。チップの活性化層の温度は５５℃、ペルチェ素子の底部の温度は９５℃であった。その結果、活性化層が下方に向けて配置されたこの発明のレーザダイオードチップにおける活性化層とチップキャリアの上面との間の温度差は、１０℃であり、熱抵抗が著しく小さくなっていることがわかる。更に、ペルチェ素子の冷却性能、即ち、チップキャリアと接するペルチェ素子の上面と底面との間の温度差は、５０℃であり、ペルチェ素子に要求される冷却性能は低いことがわかる。
【００３４】
実施例２
Ｃｕ−Ｗ製の縦７ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ１ｍｍのチップキャリアの上に、縦０．８ｍｍ×横０．３ｍｍ×厚さ０．１ｍｍのチップの活性化層が下方に向くように配置し、半田（ＡｕＳｎ）によって、チップの両端部をチップキャリアの上面に接合した。
【００３５】
上述したチップキャリアの底部には、ペルチェ素子を熱的に接続した。このように調製したレーザダイオードモジュールを使用して、レーザダイオードチップの熱抵抗を調査した。チップキャリアの温度を４５℃にコントロールした。チップの活性化層の温度は５５℃、ペルチェ素子の底部の温度は９５℃であった。その結果、活性化層が下方に向けて配置されたこの発明のレーザダイオードチップにおける活性化層とチップキャリアの上面との間の温度差は、１０℃であり、熱抵抗が著しく小さくなっていることがわかる。更に、ペルチェ素子の冷却性能、即ち、チップキャリアと接するペルチェ素子の上面と底面との間の温度差は、５０℃であり、ペルチェ素子に要求される冷却性能は低いことがわかる。
【００３６】
比較例
Ｃｕ−Ｗ製の縦７ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ１ｍｍのチップキャリアの上に、縦０．８ｍｍ×横０．３ｍｍ×厚さ０．１ｍｍのレーザダイオードチップを搭載した。レーザダイオードチップとチップキャリアの間は、ＡｕＳｎで接合した。
上述したチップキャリアの底部には、ペルチェ素子を熱的に接続した。このように調製したレーザダイオードモジュールを使用して、レーザダイオードチップの熱抵抗を調査した。チップキャリアの温度を２５℃にコントロールした。チップの活性化層の温度は５５℃、ペルチェ素子の底部の温度は９５℃であった。その結果、従来のレーザダイオードチップにおける活性化層とチップキャリアと接する面との間の温度差は、３０℃であり、熱抵抗が著しく大きいことがわかる。更に、ペルチェ素子の冷却性能、即ち、チップキャリアと接するペルチェ素子の上面と底面との間の温度差は、７０℃であり、ペルチェ素子に要求される冷却性能は極めて高いことがわかる。
【００３７】
上述したところから明らかなように、活性化層が下方に向けて配置され、チップキャリアの上面に、熱伝導部材からなるスペーサを介して、または、直接接合することによって、活性化層の熱が、チップキャリア上面に、抵抗少なく伝わり、活性化層とチップキャリア上面との間の温度差を小さくして、レーザダイオードチップの熱抵抗を小さくすることができる。その結果、レーザダイオードの寿命を長くすることができ、ペルチェ素子等の冷却装置に対する要求性能を低くすることが可能になる。
【００３８】
【発明の効果】
上述したように、この発明によると、放熱特性に優れ、レーザダイオードチップの機能が充分に発揮できるレーザダイオードモジュールを提供することにある。
即ち、レーザダイオードチップの熱抵抗を低下させることによって、冷却装置としてのペルチェ素子の冷却性能要求を低くして、低コスト、小型化が可能な、放熱特性に優れたレーザダイオードモジュールを提供することができ、産業上利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明のレーザダイオードモジュールのレーザダイオードチップを示す図である。
【図２】図２は、この発明のレーザダイオードチップの他の態様を示す図である。
【図３】図３は、チップキャリアに搭載されたこの発明のレーザダイオードチップを示す図である。
【図４】図４は、この発明のレーザダイオードモジュールの部分を示す概略図である。
【図５】図５は、従来のレーザダイオードモジュールの概略断面図を示す。
【図６】図６は、図５におけるレーザダイオードモジュールのＡ−Ａ’断面図である。
【図７】図７は、従来のレーザダイオードモジュールの部分を示す図である。
【符号の説明】
１．この発明のレーザダイオードチップ
２．活性化層を有する面
３．活性化層
４．熱伝導部材からなるスペーサ
５．チップキャリア
６．ペルチェ素子
１１１．レーザダイオードチップ
１１２．ヒートシンク
１１３．マウント
１１４．モニター用フォトダイオードチップ
１１５．チップキャリア
１１６．レンズホルダ
１１０ａ．金属基板
１１８．パッケージ放熱板１１８
１１９．セラミックス板
１２１．サーミスタ
１２２．ソフトソルダ

Claims

活性化層を有する面が下方に向けて配置されたレーザダイオードチップ、前記レーザダイオードチップを搭載するチップキャリア、および、前記チップキャリアと熱的に接続された冷却装置を備えたレーザダイオードモジュール。
前記冷却装置がペルチェ素子からなっている、請求項１に記載のレーザダイオードモジュール。
前記活性化層が前記チップキャリアに接触しないように、前記活性化層を有する面が、前記チップキャリアの上面に接合された、請求項１または２に記載のレーザダイオードモジュール。