JP2007103685A - レーザダイオード用ステム - Google Patents

Abstract

【課題】搭載されるダイオード素子の発熱に対処するため放熱性を高める高熱伝導材料を選択使用して効率の低下を阻止したレーザダイオード用ステムを提供する。
【解決手段】レーザダイオード用ステムは、金属ベース１２の貫通孔１３にガラス１４を介して一対のリード１６を気密封着したアイレット１０と、この金属ベース１２にろう付けしたＭＩＣＣヒートシンク２０とを具備し、ヒートシンク２０は結晶配向面の熱伝導率４５０〜５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の高熱伝導カーボン単一材２２を使用して構成する。このヒートシンク２０はダイオード素子の搭載台となり、満足な放熱効果を発揮する。高熱伝導カーボン材としての金属含浸炭素材（ＭＩＣＣ）はカーボン粉末あるいはカーボン繊維を固めて焼成し、ＣｕまたはＡｌ等の金属を含浸させたものである。
【選択図】 図１

Description

この発明は、熱伝導性が高く放熱性が良好なヒートシンクをダイオード素子用搭載台に使用したレーザダイオード用ステムに関する。

高出力の光半導体素子を搭載するステムにおいては、熱放散を図るために銅材等の熱伝導率の高い材料によって形成されたヒートシンクを鉄材等によって形成されたアイレットの上面に設けることが知られている。その場合、ヒートシンクのアイレット上への固着方法として、工数および構成部品数を可及的に減少しうる製造方法が特許文献１に開示されている。一方、レーザダイオードはその強力なエネルギーを利用する各種装置に使用されるが、その高出力化ダイオード素子の搭載に対応するために、素子マウント部材の金属ベース部材への取り付け方法が特許文献２に開示される。ここでは、ヒートシンクの取付構造の改良方法として、レーザダイオード用ステムにおいて、金属ベースに対するヒートシンクのろう付けについての改善方法が提案されている。一般的には、レーザダイオードはダイオード素子を搭載するステムに組み込んだ後、樹脂キャップ等のカバー材でパッケージ化され保護されるが、ステムには電源供給用リードや接地用リードが設けられ、機器の配線基板等に接続して使用される。さらに、ヒートシンク用材料として、熱伝導率１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の炭素基金属複合材料の使用が特許文献３に記載されている。
特開平１０−１１６９４３号公報 特開２００１−１８５７９９号公報 特開２００１−０５８２５５号公報

ところで、強力なエネルギーを放出するレーザダイオードの高出力化に対応するには、従来の銅材のヒートシンクでは熱放散が不十分な状態であり、レーザダイオード用ステムとしてのヒートシンクの対策が望まれていた。すなわち、より強力なレーザ光を得るためのパワーアップと、その効率化ではより有効な放熱性改善策が必要とされている。更に、熱伝導性が優れたヒートシンクの使用による性能の向上と共に、高出力化と小型化による温度上昇に伴う効率の低下の阻止など、発熱源となるダイオード素子に対するヒートシンクの改善が要請されている。

したがって、この発明は上記欠点に鑑みて提案されたものであリ、ダイオード素子の搭載基台に熱伝導性が極めて良好な材料を選択し、これを使用して放熱性の向上が図れることのできる新規かつ改良されたレーザダイオード用ステムの提供を目的とする。

本発明によれば、金属ベースにガラスを介してリードを気密封着した気密端子と、この金属ベースにろう付けしたヒートシンクと具備するレーザダイオード用ステムにおいて、ヒートシンクは、好ましくは結晶配向面の熱伝導率４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の炭素複合材または金属含浸炭素材から選ばれる高熱伝導カーボン材からなり、これにダイオード素子を搭載することを特徴とするレーザダイオード用ステムを開示する。なお、ヒートシンクは、搭載するダイオード素子との間に銅材を介在した合体ヒートシンクとして利用することも、放熱効果の改善に有効であることが判明した。具体的に、金属含浸炭素材（以下ＭＩＣＣと呼ぶ）、ＭＩＣＣ−銅ハイブリッド材あるいはＭＩＣＣ−アルミニウムハイブリッド材などの複合材がヒートシンクの材料として有効であり、これをレーザダイオード用ステムに放熱部材として用い、極めて顕著にレーザ効率を向上させることを知見した。特に、金属含浸炭素複合材のＭＩＣＣは高熱伝導であるのみならず低熱膨張、低弾性で軽量材料であって半導体材料の発熱対策に有効な材料であり、アイレットである金属ベース上への固着を容易確実にする。同時に、搭載されるダイオード素子の発熱に対処するため、放熱性を高める高熱伝導材料を選択使用して効率の低下を阻止したレーザダイオード用ステムを提供する。

すなわち、本発明のレーザダイオード用ステムは、金属ベースにその貫通孔でガラスを介して一対のリードを気密封着したアイレットと、この金属ベースに銀ろう付けしたＭＩＣＣ材のヒートシンクとを具備し、ヒートシンクには結晶配向面の熱伝導率４５０〜５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の金属含浸炭素材からなる高熱伝導カーボン材を使用して構成する。なお、結晶配向面とは黒鉛結晶面と平行な面であり、炭素繊維の長軸方向等を言う。これに対して、結晶面垂直方向である黒鉛結晶面と垂直な方向や炭素繊維の断面方向の熱伝導率は、通常結晶配向面に比べて小さくなる。したがって、高熱伝導カーボン材の配置にはこの点を注意する必要があり、熱放散に有利な状態で配置したヒートシンクはダイオード素子の搭載台となり、放熱効果を有効に発揮して効率低下を阻止する。また、金属含浸炭素材はカーボン粉末あるいはカーボン繊維を固めて焼成し、ＣｕまたはＡｌ等の金属を含浸させたものである。

本発明は、ダイオード素子を搭載するヒートシンクには高熱伝導カーボン材の単体または複合材を使用するので、その放熱性が大きく向上し効率の向上が図れる。たとえば、従来の銅製ヒートシンクでは熱伝導率が３８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度が限界であったが、本発明で使用する高熱伝導カーボン材の結晶配向面の熱伝導率は４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上で略５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。さらに、このような炭素複合材が金属ベースに銀ろう付けされ、高い放熱性が確保され高出力化に適したレーザダイオード用ステムを提供する。特に、放熱性の良いＭＩＣＣまたはその複合材をダイオードペレットの搭載基板に使用するのでダイオード素子の発熱を直に吸収して放熱体へ伝導して温度上昇を抑止して効率低下を阻止する。加えて、素子マウントに対しての材料特性が半導体部品にマッチしているので、製造面での処理加工性が改良され量産化やローコスト化にも大きく寄与するなど工業的価値が高められる。

本発明の実施態様は、金属ベースの貫通孔にガラスを介して一対のリードを気密封着したアイレットと、この金属ベースにろう付けした放熱部材のヒートシンクとを具備するレーザダイオード用ステムにおいて、前記ヒートシンクは結晶配向面の熱伝導率４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の炭素複合材または金属含浸炭素材からなる高熱伝導カーボン材を使用し、ダイオード素子を搭載することを特徴とするレーザダイオード用ステムである。ここで、ヒートシンクは搭載するダイオード素子との間に銅材を介在して合体ヒートシンクとしても良い。具体的に、ヒートシンクは金属ベースの所定位置に、一例として一対のリードを気密封着したガラスの封着温度以上の融点を有する銀ろう付けで組立配置され、前記一対のリードの先端部は潰しによる平坦部を形成すると共に、金属ベースの内面にはダイオード素子が搭載されるヒートシンクの近傍にモニタ用受光素子を搭載する傾斜面を形成し、かつ金属ベースの外面には接地用リードが固着されたレーザダイオード用ステムを開示する。ダイオード素子は高熱伝導カーボン材のヒートシンクに接して搭載され、ワイヤボンディングにより一対のリードと接続する構造のレーザダイオード用ステムである。ここで、高熱伝導カーボン材としては金属含浸炭素材またはその複合材の使用が好ましく、例えば、カーボン粉末あるいはカーボン繊維を固めて焼成し、ＣｕまたはＡｌ等の金属を含浸させ、または粉末焼成させた材料である。熱伝導はカーボンの二次元結晶面の格子振動で伝わり結晶配向面の熱伝導率４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上という高い熱伝導性を示す。結晶配向面の熱伝導率とは、物質内に温度差があると温度の高い部分から低い部分へ熱移動が起るが、この熱移動の起りやすさを表わす係数であり、単位長あたり１℃の温度差があるとき単位時間に単位面積を移動する熱量である。したがって、結晶配向面の熱伝導率の単位はＪ・ｍ／（ｓ・ｍ２・℃）またはＷ／（ｍ・Ｋ）で示される。高熱伝導カーボン材は焼成方法や含浸金属の違いにより若干の相違がある。また、熱膨張係数は６〜１０ｐｐｍ／℃でコバー金属材やＳｉ、ＧａＡｓ等の半導体の熱膨張係数と非常に近く、ヤング率は低い。したがって、カーボン材の上に金属、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の半導体と接合しても接合界面に発生する歪が小さく、長期間に渡り信頼性の高い接合ができる。

以下、本発明の第１の実施態様であるＭＩＣＣヒートシンクのレーザダイオード用ステムについて、図１（ａ）（ｂ）および（ｃ）を参照しつつ説明する。レーザダイオード用ステムは、金属ベース１２の貫通孔１３にガラス１４を介して一対のリード１６を気密封着したアイレット１０と、この金属ベース１２に銀ろう付けしたＭＩＣＣヒートシンク２０とを具備するレーザダイオード用ステムである。すなわち、放熱部材のＭＩＣＣヒートシンク２０は結晶配向面の熱伝導率４５０〜５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の高熱伝導カーボン単一材２１を使用し、ここにダイオード素子を搭載するレーザダイオード用ステムである。ヒートシンク２０の金属含浸炭素材（ＭＩＣＣ）は、カーボン粉末あるいはカーボン繊維を固めて焼成し、ＣｕまたはＡｌ等の金属を含浸させたものである。熱伝導はカーボンの二次元結晶面の格子振動で伝わり高い熱伝導性を示す。

第２の実施態様は、図２に示されるように、合体ヒートシンク２２は銅（Ｃｕ）がＭＩＣＣと一体化して構成されたものであり、銅材２３がＭＩＣＣ材２４上に固着され、ダイオード素子の搭載台として従来同様の銅を介在したレーザダイオード用ステムである。なお、この実施例は合体ヒートシンク２２以外の構成は実施例１と同様であり、同一部分には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。ここで、上述する実施例に使用する高熱伝導カーボン材は、高熱伝導である他に弾性率が小さい低弾性と低熱膨張という特性を有し、かつ強度が強く軽量で加工性に優れており、低コスト材料として機械的強度が大きく加工上の不具合もなく安定した性能を発揮できる。また、ダイオード素子の発熱による温度上昇を抑止して効率を改善する製品を提供する。

本発明に係る実施例１のレーザダイオード用ステムの概要を示し、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、および図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 同じく実施例２のレーザダイオード用ステムの概要を示す要部断面図である。

符号の説明

１０…アイレット、 １２…金属ベース、 １３…貫通孔、 １４…ガラス、
１６…リード、 ２０…ヒートシンク、 ２１…高熱伝導カーボン単一材、
２２…合体ヒートシンク、 ２３…銅材、 ２４…ＭＩＣＣ材

Claims (5)

1. 金属ベースの貫通孔にガラスを介して一対のリードを気密封着したアイレットと、この金属ベースにろう付けしたヒートシンクとを具備するレーザダイオード用ステムにおいて、前記ヒートシンクは高熱伝導カーボン材が使用され、ダイオード素子を搭載することを特徴とするレーザダイオード用ステム。
2. 金属ベースの貫通孔にガラスを介して一対のリードを気密封着したアイレットと、この金属ベースにろう付けしたヒートシンクとを具備するレーザダイオード用ステムにおいて、前記ヒートシンクは高熱伝導カーボン材と銅材との合材から成り、前記銅材面上にダイオード素子を搭載することを特徴とするレーザダイオード用ステム。
3. 前記高熱伝導カーボン材は結晶配向面の熱伝導率４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の炭素複合材または金属含浸炭素材であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザダイオード用ステム。
4. 前記金属ベースの内面には前記ヒートシンクが所定位置にろう付け配置され、前記金属ベースの外面には接地用リードが固着され、かつ前記一対のリードの先端部は潰しによる平坦部を形成したことを特徴とする請求項３に記載のレーザダイオード用ステム。
5. 前記ヒートシンクはリードとガラスの封着温度以上の融点を有する銀ろう付けで配置され、その近傍にモニタ用受光素子を搭載するようにした傾斜面が形成されたことを特徴とする請求項４に記載のレーザダイオード用ステム。
   

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