JP3228571U - レーザー装置のパッケージ構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】光源装置の熱伝導率が高く、放熱性に優れ、熱がレーザー装置の発光に及ぼす影響を低減し、パッケージ体の信頼性を高められるレーザー装置のパッケージ構造を提供する。【解決手段】レーザー装置のパッケージ構造は、基板２１０と、基板の上表面に固定されていて第１のレーザービームを発射できるレーザー素子２２０と、透明導熱ブロックと反射鏡２３２を有し、レーザー素子２２０が発射する水平方向の光に対して光整形を行い垂直方向の光にして射出する導光構造２３０と、導光構造２３０の上表面に形成されている波長変換層２４０と、を具え、導光構造２３０を放熱チャネルとして、波長変換層２４０の変換過程で発生した熱を導出する。【選択図】図３
Description
本考案は半導体レーザー装置（ＬＤ）に関し、具体的には高出力レーザー装置のパッケージ方法及び技術に関する。
半導体レーザー装置（ＬＤ）は、単色性が良いこと、体積が小さいこと、寿命が長いこと、高出力密度、高速レスポンスといった有利な特性を有することから、レーザー測量、レーザーレーダー、レーザー通信、レーザーシミュレーション武器、オートメーション、測定機器、ひいては医療や美容などの分野にも幅広く応用されており、一大マーケットが形成されている。近年では、半導体レーザー装置の自動車用照明分野への応用も注目を集め、キセノンランプ、ＬＥＤヘッドライトに続いて注目の的となっている。ＬＥＤヘッドライトに比べて、レーザーヘッドライトは発光密度がより高くより小さな発光角が得られ、照射距離が６００メートルにも達し、これはＬＥＤヘッドライトの２倍の値である。
図１には、公知の端面発光レーザーダイオード（edge-emitting Laser diode）のパッケージ構造の概要が示されている。このパッケージ構造１００は、サブ粘着基板（submount）１０２に固定されたレーザーダイオード（Laser diode）１０４を具えている。また、サブ粘着基板１０２は、回路基板１０６（例えばプリント回路基板（ＰＣＢ））に固定されていると共に、回路基板１０６には、少なくとも２つのレイアウトトレース（layout trace）があって両方の電極（図示せず）とされ、これら両方の電極はレーザーダイオード１０４と電気的に接続することができる。基本的に、電気的接続の方式としては各種の既知の方式が用いられ、例えばワイヤーボンド（wire bond）などが用いられる。両方の電極にバイアスを印加すると、レーザーダイオード１０４はレーザービーム１０８を発する。
現在、大部分のレーザー装置のパッケージには主にＴＯパッケージ（図２参照）が採用されている。しかし、この種類のパッケージは体積が大きいにも関わらず、チップの稼動時における発熱を逃がすためのチャネルは限られていて、放熱性の面では低出力の装置の要求を満たせるに過ぎない。
従来技術の不足を解決するため、本考案は、レーザー装置のパッケージ構造を提供する。
本考案の技術手段は、レーザー装置のパッケージ構造であって、基板と、前記基板の上表面に固定されていて、第１のレーザービームを発射できるレーザー素子と、透明導熱ブロックと反射鏡を有し、前記レーザー素子が発射する水平方向の光に対して光整形を行い垂直方向の光にして射出する導光構造と、前記導光構造の上表面に形成されている波長変換層と、を具え、前記導光構造を放熱チャネルとして、前記波長変換層の変換過程で発生した熱を導出する。
好ましくは、前記透明導熱ブロックは、高透過率、高熱伝導率の材料を精密加工して成ったものであり、その材料は、熱伝導率が５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、透過率が８０％＠１ｍｍ以上であり、具体的には、高導熱ガラス、二酸化ケイ素、サファイヤ、透明セラミックス等を用いることができる。
好ましくは、前記透明導熱ブロックは入射面と、反射面と、出射面とを有し、前記波長変換層は前記出射面に形成されている。
好ましくは、前記導光構造の光入射面の表面は低屈折率の反射防止膜がコーティングされることで界面光反射損失が低減され、前記反射防止膜は屈折率が１．５未満であり、具体的には二酸化ケイ素、フッ化マグネシウムなどを用いることができる。
好ましくは、前記レーザー素子から出射した光が前記導光構造に入射する時、界面両側の材料（空気または透明充填材と導光構造の入射表面）の屈折率ｎ１、ｎ２が、以下の式を満たすことで、材料と導光構造の界面における光の反射率を＜５％とすることができる。
好ましくは、前記透明導熱ブロックの入射面における前記レーザー素子に正対する位置にマイクロ構造レンズが設けられていて、レーザービームに対してコリメートを行い、より小さな発光角度の光源を得る。
好ましくは、前記導光構造における反射鏡は前記透明導熱ブロックの斜面または曲面に高反射率コーティング層を設けることにより形成され、その反射率は９０％以上であり、材料としてはＡｇ、Ａｌ、Ａｕまたはその他の誘電高反射コーティング層を用いることができる。
好ましくは、前記導光構造の反射面の数量は１個または若干個であり、反射鏡またはその切線の傾斜角度範囲は３０〜６０度であり、異なる反射面は形状や角度が異なっていてもよい。
好ましくは前記レーザー素子から射出される光の反射面を経た後の射出方向と、前記パッケージ構造の法線方向との挟角は３０度未満である。
好ましくは、前記導光構造は複数の反射鏡を有し、異なる需要に応じて、斜面角度を調整して複数のレーザー素子の発光光点の重なり具合を制御することにより、異なる発光角度の光源を実現することができる。
好ましくは、前記パッケージ構造は２個以上の前記レーザー素子を有し、導光構造の反射層の斜面角度と、反射面と前記波長変換層の距離とを調整することで、２つまたはそれ以上の光点の重なり度合が５０％以上である。
好ましくは、前記レーザー素子が部分的に前記導光構造と直接に接触することで、レーザー素子と反射鏡の距離が短縮されている。一部の実施例において、前記導光構造は底部が下に向かって窄まる階段状になっていて、前記レーザー素子は前記導光構造の階段の下方に位置する。
好ましくは、前記波長変換層は前記レーザー素子から発せられた短波長光を長波長光に変換する。例えば、青色光、紫色光、または近紫外光を緑／黄／橙／赤色光に変換する。
好ましくは、前記波長変換層は、ガラス蛍光板、セラミックス蛍光板、または単結晶蛍光板をである。
好ましくは、前記レーザー素子から射出された光が前記波長変換層を経た後の発光角度は９０度未満であり、且つ法線方向の光放射強度が最も高い。
好ましくは、前記波長変換層と導光構造の間には導熱性の高いボンディング方式が用いられ、良好な放熱性が得られている。ボンディング方式には、ＳＡＢ（Surface Activated Bonding）、ＡＤＢ（Atomic Diffusion Bonding)が含まれる。
一部の実施例において、波長変換材料と導光構造の間は透明シリコンまたは熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・ｋ）を超える材料によって粘結されてもよい。
好ましくは、前記波長変換層は前記導光構造と前記基板の上部の上表面との両方に張り合わされていて、これにより前記レーザー素子と導光構造とを前記基板の内部に密封する。例えば、前記導光構造の高さと基板の高さとが段差なく一致するように制御し、前記波長変換層を導光構造と基板の上表面との両方に張り合わせて、波長変換層を直接カバープレートとしてパッケージ構造を密封するようにすることで、パッケージ工程を簡略化すると共に、光の経路における界面の数を減らして光取り出し効率を向上する。
一部の実施例において、前記パッケージ構造は更に、前記基板の上部に形成されて前記レーザー素子と導光構造と波長変換層とを前記基板の内部に密閉する透明カバープレートを有する。
好ましくは、前記カバープレートの下表面の非出光エリアに反射層がコーティングされ、チップからの光の導光構造界面での反射光がカバープレートから射出されることを防止し、パッケージ体の発光角度を狭める。
本考案はまた、透光性、導熱性を有する導光構造を提供する。導光構造は、放熱性材料で構成された透明導熱ブロックを具える。前記透明導熱ブロックは、入射面と、反射層と、出射面とを有し、水平設置のレーザーチップの光に対して光整形を行い垂直方向の光にして射出するのに用いられると共に、放熱チャネルとしても用いられる。
好ましくは、前記透明導熱ブロックは、熱伝導率が５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、透過率が８０％＠１ｍｍ以上である。
好ましくは、前記導光構造の入射面にマイクロ構造レンズが設けられていて、レーザービームに対してコリメートを行い、より小さな発光角度の光源を得る。
好ましくは、前記導光構造の反射面は所定の弧度の鏡面を有し、放射された光を平行光にすることで、光源の出光均一性を向上する。
好ましくは、前記導光構造は底部が階段状になっていて、チップを内部に埋設することができ、チップと反射面の距離を短縮し、光の導光構造内の経路を短縮し、光損失を低減する。
好ましくは、前記導光構造の反射面の数量は１個または若干個であり、反射面またはその切線の傾斜角度範囲は３０〜６０度である。
本考案はまた、透明導熱ブロックを具える導光構造を提供する。前記透明導熱ブロックは、入射面と、反射層と、出射面とを有し、前記透明導熱ブロックの前記出射面と相対する一端部に反射面が凹設されていて、水平設置の発光素子が射出した光に対して光整形を行い垂直方向の光にするのに用いられる。
好ましくは、前記透明導熱ブロックの熱伝導率は５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。
好ましくは、前記導光構造は下に向かって窄まる階段状になっていて、発光素子を内部に埋設することができ、発光素子と反射鏡面の距離を短縮する。
好ましくは、前記導光構造の入射面に、レーザービームに対してコリメートを行い、より小さな発光角度の光源を得るためのマイクロ構造レンズが設けられている。
好ましくは、前記透明導熱ブロックの入射面に反射防止膜がコーティングされている。
好ましくは、前記反射防止膜は屈折率が１．５未満である。
好ましくは、前記透明導熱ブロックは反射面を２個以上有する。
好ましくは、前記反射面は所定の弧度の鏡面を有し、放射された光を平行光にすることで、光源の出光均一性が向上される。
好ましくは、前記反射面の傾斜角度は３０〜６０度である。
好ましくは、前記反射面は反射膜がコーティングされていて、その反射率は９０％以上である。
上述の導光構造は、水平設置のＬＤチップの光に対して光整形を行い垂直方向の光に変換してから射出することができ、チップを垂直設置することでダイボンディング、ワイヤボンディングの工程に差し支えが出ることを避けることができる他、導光構造の上表面に波長変換材料を設ける場合に、導光構造は放熱チャネルとして、波長変換材料の変換過程で発生した熱を導出することができる。同時に、導光構造の設計を調整することで小角度発光を実現することができる。
上述のレーザー装置パッケージ構造は、車用ヘッドライト、ハイベイライト、レーザーテレビ、プロジェクター等に応用することができる。
従来技術と比べて、本考案が提供するレーザー装置パッケージ構造は、少なくとも以下の技術的効果を含む。
（１）ＳＭＤパッケージを採用し、光源装置の熱伝導率が高く、放熱性に優れ、熱が光源装置の発光に及ぼす影響を低減することで、パッケージ体の信頼性が向上する。
（２）高透過率、高熱伝導率の導光構造を用いて、レーザー素子が発する光に対して光整形を行なってから波長変換材料を励起することで、光の射出量が大きくなり、同時に導光構造を波長変換材料の放熱チャネルとすることができるので、波長変換材料の変換過程で発生した熱を導出することができる。
（３）導光構造の側面にマイクロ構造レンズを設けるか、または反射鏡面を曲面に形成することによって、放射されたレーザービームに対してコリメートを行なうことで、発光角度がより小さい光源が得られる。
（４）導光構造の内部に複数の反射鏡面を設けることによって、マルチチップパッケージに対応することができ、パッケージ構造全体の輝度が倍数増加する。
（２）高透過率、高熱伝導率の導光構造を用いて、レーザー素子が発する光に対して光整形を行なってから波長変換材料を励起することで、光の射出量が大きくなり、同時に導光構造を波長変換材料の放熱チャネルとすることができるので、波長変換材料の変換過程で発生した熱を導出することができる。
（３）導光構造の側面にマイクロ構造レンズを設けるか、または反射鏡面を曲面に形成することによって、放射されたレーザービームに対してコリメートを行なうことで、発光角度がより小さい光源が得られる。
（４）導光構造の内部に複数の反射鏡面を設けることによって、マルチチップパッケージに対応することができ、パッケージ構造全体の輝度が倍数増加する。
本考案の他の特徴及び利点は以下の明細書の中に説明される。また、部分的に明細書の中から明らかとなり、もしくは本考案を実施することにより理解できる。本考案の目的及び他の利点は、明細書、特許請求の範囲及び添付の図面に特別に示した構造により実現及び獲得することができる。
添付の図面は本考案に対する更なる理解を提供し、そして明細書の一部を構成し、本考案の実施形態と共に本考案の解釈に用いられるが、本考案に対して制限するものではない。この他、添付図面のデータは概要を説明するものであり、実物のスケールに対応するものではない。
以下、図面と合わせて本考案のレーザー装置パッケージ構造について詳細に説明する。本考案の詳細を説明するに当たって、まずは、具体的な実施例日亜しては変更が可能であるため、本考案は以下の具体的な実施例に限定されないことを理解されたい。また、本考案の範囲は、添付の特許請求の範囲にのみ限定されるべきであり、採用した実施例は説明のためにすぎず、限定する意図を有するものではないことにも留意されたい。
関連する用語、例えば「〜において」「〜で」「〜の上」「〜の下」「上方」「水平設置」「垂直設置」「逆さ設置」等は、本考案において添付の図面における１つの要素、層、エリアと、他の１つの要素、層、エリアとの相対的な位置関係を形容するものである。これら用語は、図における方向の他にも装置の様々な方向をも含むことを意図していることを理解されたい。
本考案で用いる用語は、具体的な実施方式を説明するためにのみ用いられ、本考案を限定する意図で用いられてはいない。例えば本考案で用いる単数形態の「１つ」「１種」「前記」という用語も複数の形態をも含むことを意図している。更に、本考案において、「含む」、「具える」、「有する」といった用語の使用は、説明する特徴、全体、ステップ、操作、要素、及び／又はパッケージの存在を示すためであり、１つ又は複数の他の特徴、全体、ステップ、操作、要素、パッケージ、及び／又はこれらの組み合わせの存在又は増加を排除しない。
他に定義がない限り、本考案で使用した全ての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、当該技術分野における通常の知識を有する者が一般的に理解される意味と同じである。更に理解すべきなのは、本考案で使用した用語は、その用語が本明細書の文脈及び関連分野にある意味と同じ意味に理解すべきであり、本考案で明確に定義した場合を除いて、理想化又は正式すぎる意味で理解されるべきではない。
第１の実施例
図３に示すように、本実施例は一種のレーザー装置のパッケージ構造を提供するものであり、これは、基板２１０、レーザー素子２２０、導光構造２３０、光変換層２４０、透明カバープレート２５０とを具える。
図３に示すように、本実施例は一種のレーザー装置のパッケージ構造を提供するものであり、これは、基板２１０、レーザー素子２２０、導光構造２３０、光変換層２４０、透明カバープレート２５０とを具える。
その内、基板２１０としては椀状基板が用いられ、底部２１６と側部２１５とから構成されると共に、チャンバー２１４を形成している。本実施例において、好ましくは、底部２１６が階段状を呈し、低部２１１と高部２１２とに分かれる。本実施例での基板２１０は好ましくはセラミックス基板が用いられ、材質は例えばＡｌ２Ｏ３、ＡＩＮ等であり、回路が設けられていない。レーザー素子２２０は基板２１０の底部２１６の表面に水平設置され、好ましくは底部２１６の高部２１２の表面に直接設置され、導光構造２３０は基板２１０の底部２１６における低部２１１の表面に設置される。
本実施例において、導光構造２３０は高透過率、高熱伝導率の光学素子であり、水平設置のレーザー素子の発光に対して光整形を行なって垂直方向に変えて射出することができる。具体的には、導光構造２３０の主体は透明導熱ブロックであり、その表面には入射面２３１、反射面２３２、出射面２３３が含まれ、そのうち入射面２３１がレーザー素子２２０に正対している。入射面の表面に低屈折率の反射防止膜をコーティングすることにより界面光反射損失を抑えることができる。反射層２３２は傾斜した高反射鏡面であり、レーザー素子２２０から発せられた水平方向のビームＬ１に対して光整形を行なって垂直方向のビームＬ２にして、出射面２３３から射出する。具体的には、透明導熱ブロックは高透過率、高熱伝導率の材料を精密加工して製作されたものであり、好ましくはその熱伝導率が５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、透過率が８０％＠１ｍｍ以上であり、材料としては、高導熱ガラス、二酸化ケイ素、サファイヤ、透明セラミックス等を用いることができる。具体的には、反射防止膜は屈折率が１．５未満であり、材料としては二酸化ケイ素、フッ化マグネシウムなどを用いることができる。レーザー素子２２０が射出した光は導光構造２２０に入射するが、界面両側の材料（チャンバー２４１中の空気または透明充填材と導光構造の光入射表面）の屈折率ｎ１、ｎ２を、以下の式を満たすようにすることで、材料と導光構造の界面における光の反射率を＜５％とすることができる。
導光構造２２０の反射鏡面２３２は、透明導熱ブロックの斜面に製作される高反射率のコーティング層により形成され、材料としてはＡｇ、Ａｌ、Ａｕまたはその他の誘電高反射膜層などを用いることができる。発光角度を狭くすることが必要な応用、例えば車用ヘッドライト、ハイベイライト、レーザーテレビ、プロジェクター等への応用において、反射鏡面２３２の傾斜角度αが取り得る値の範囲は３０〜６０度である。光が反射面２３２を経た後の射出方向と、パッケージ体の法線方向との挟角は３０度未満であるとよい。
光変換層２４０は導光構造２３０の出射面２３３に設けられると共に、導光構造２３０と直接に接触している。波長変換層２４０としては、ガラス蛍光板、セラミックス蛍光板、単結晶蛍光板等が用いられ、レーザー素子２２０から発せられた短波長光を長波長光に変換する。例えば、青色光、紫色光、または近紫外光を緑／黄／橙／赤色光に変換する。好ましくは、波長変換層２４０と導光構造２３０の間には導熱性の高いボンディング方式が用いられ、良好な放熱性が得られている。ボンディング方式には、ＳＡＢ（Surface Activated Bonding）、ＡＤＢ（Atomic Diffusion Bonding)等が含まれる。波長変換層２４０と導光構造２３０の間はまた高熱伝導率の透明材料で粘結されてもよく、その熱伝導率は１Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であることが好ましい。実施例において、レーザー素子２２０から射出されたレーザービームＬ１が波長変換層２４０を経た後で外部に射出されたレーザービームＬ２の発光角度は９０度未満であり、なお且つ法線方向の光放射強度が最も高い。
透明カバープレート２５０は基板２１０の上部２１３に設けられ、基板２１０の椀状の内部にある全ての素子を密閉する。透明カバープレート２５０と椀状の基板２１０の間はシリコンやＡｕ-Ｓｎ共晶を用いてパッケージ構造を密封することができる。透明カバープレート２５０の材料としてはガラス、石英、サファイア、透明セラミックス等を用いることができる。なお、基板上の各種素子の密封には透明カバープレートを用いることに限らず、一部の実施例においてはシリコンを基板上に充填して全ての素子を覆うようにして、基板２１０上の全ての素子を保持することもできる。
本実施例において、パッケージ体は、セラミックス基板プラットフォームにレーザー素子を水平設置することができ、ダイボンディング、ワイヤボンディングの工程をより容易にすることができる。また、高透過率で高熱伝導率の導光構造を用いることで、レーザー素子から発せられた水平方向の光に対して光整形を行なった後で垂直方向の光として射出することができ、光の取り出し効率が向上する。また、波長変換層が導光構造に直接接触しているので、導光構造はまた放熱チャネルとすることができ、波長変換材料の変換過程で発生した熱を導出することができる。パッケージ体全体での放熱能力はＴＯパッケージより遥かに高く、同時に小角度発光をも実現することができる。
第２の実施例
図４に示すように、第１の実施例と異なる点は以下の通りである。即ち、本実施例の導光構造２３０は基板２１０の中心位置にあり、その内部には複数の反射鏡面２３２ａ、２３２ｂ等が構成されていて、マルチレーザーチップパッケージに対応し、パッケージ体全体の輝度が倍数増加する。異なる反射面２３２ａ、２３２ｂは形状や角度が異なっていてもよく、反射鏡面の傾斜角度αが取り得る値の範囲は３０〜６０度である。好ましくは、光が反射面を経た後の射出方向と、パッケージ体の法線方向との挟角は３０度未満である。また、好ましくは、斜面角度αと、反射斜面と波長変換層の距離を調整することで、２つまたはそれ以上の光点の重なり度合が５０％以上に達することができる。
図４に示すように、第１の実施例と異なる点は以下の通りである。即ち、本実施例の導光構造２３０は基板２１０の中心位置にあり、その内部には複数の反射鏡面２３２ａ、２３２ｂ等が構成されていて、マルチレーザーチップパッケージに対応し、パッケージ体全体の輝度が倍数増加する。異なる反射面２３２ａ、２３２ｂは形状や角度が異なっていてもよく、反射鏡面の傾斜角度αが取り得る値の範囲は３０〜６０度である。好ましくは、光が反射面を経た後の射出方向と、パッケージ体の法線方向との挟角は３０度未満である。また、好ましくは、斜面角度αと、反射斜面と波長変換層の距離を調整することで、２つまたはそれ以上の光点の重なり度合が５０％以上に達することができる。
本実施例において、異なる需要に応じて、反射鏡面の傾斜角度αを調整して複数のレーザー素子の発光光点の重なり具合を制御することにより、異なる発光角度の光源を実現することができる。具体的には、角度αの数値が小さいほど、光点の重なり度合いが高まり、逆に角度αの数値が大きいほど、光点の重なり度合いが高くなる。反射斜面（レーザー素子が射出する中心光線と斜面の交差点を参考点として）と波長変換層の距離を調整することで複数のレーザー素子の光点の重なり具合を調整するに当たっては、距離が大きいほど光点の重なり度合いが高まり、距離が小さいほど重なり度合いが低くなる。２つまたはそれ以上のレーザー素子の光点の重なり度合いが高いほど、光源の発光角度をより小さくできる。
第３の実施例
図５に示すように、第２の実施例と異なる点は以下の通りである。即ち、本実施例の導光構造２３０の入射面２３１におけるレーザー素子２２０に正対する位置にマイクロ構造レンズ２３４が設けられている。レーザー素子から射出されたレーザービームＬ１がマイクロ構造レンズ２３４を通過するとコリメートが行なわれて平行ビームＬ１´が形成され、これにより発光角度がより小さい光源Ｌ２が得られる。
図５に示すように、第２の実施例と異なる点は以下の通りである。即ち、本実施例の導光構造２３０の入射面２３１におけるレーザー素子２２０に正対する位置にマイクロ構造レンズ２３４が設けられている。レーザー素子から射出されたレーザービームＬ１がマイクロ構造レンズ２３４を通過するとコリメートが行なわれて平行ビームＬ１´が形成され、これにより発光角度がより小さい光源Ｌ２が得られる。
第４の実施例
図６に示されているように、第３の実施例と異なる点は以下の通りである。即ち、本実施例の導光構造２３０は下に向かって窄まる階段状になっていて、レーザー素子２２０と揃う位置で内に凹んでいて、レーザー素子２２０は部分的に導光構造２３０の内部に埋入し、導光構造２３０の下部側面２３１ｂと直接接触すると共に、下部側面２３１ｂから導光構造内部に入射することで、レーザー素子２２０から反射鏡面２３２の距離が短縮され、レーザービームの導光構造２３０内における経路を短縮し、よって光損失を抑える。更には、本実施例においては、導光構造２３０の上部を下部より大きくし、波長変換層２５０が導光構造の上表面２３３に直接接触するようにすることで、波長変換層の十分な放熱面積を確保し、ひいては波長変換層の変換過程で生じる熱を速やかに導出できるようにする。
図６に示されているように、第３の実施例と異なる点は以下の通りである。即ち、本実施例の導光構造２３０は下に向かって窄まる階段状になっていて、レーザー素子２２０と揃う位置で内に凹んでいて、レーザー素子２２０は部分的に導光構造２３０の内部に埋入し、導光構造２３０の下部側面２３１ｂと直接接触すると共に、下部側面２３１ｂから導光構造内部に入射することで、レーザー素子２２０から反射鏡面２３２の距離が短縮され、レーザービームの導光構造２３０内における経路を短縮し、よって光損失を抑える。更には、本実施例においては、導光構造２３０の上部を下部より大きくし、波長変換層２５０が導光構造の上表面２３３に直接接触するようにすることで、波長変換層の十分な放熱面積を確保し、ひいては波長変換層の変換過程で生じる熱を速やかに導出できるようにする。
第５の実施例
図７に示されているように、第３の実施例と異なる点は以下の通りである。即ち、本実施例の導光構造２３０は反射鏡面が所定の弧度の鏡面に形成され、放射された光を平行光にすることで、光源の出光均一性が向上される。本実施例においては、小発光角度の応用に対し、反射鏡面２３２ａ／２３２ｂの切線の傾斜角度範囲は３０〜６０度であり、光が反射面を経た後の射出方向と、パッケージ構造の法線方向との挟角は３０度以下である。
図７に示されているように、第３の実施例と異なる点は以下の通りである。即ち、本実施例の導光構造２３０は反射鏡面が所定の弧度の鏡面に形成され、放射された光を平行光にすることで、光源の出光均一性が向上される。本実施例においては、小発光角度の応用に対し、反射鏡面２３２ａ／２３２ｂの切線の傾斜角度範囲は３０〜６０度であり、光が反射面を経た後の射出方向と、パッケージ構造の法線方向との挟角は３０度以下である。
第６の実施例
図８に示されているように、第３の実施例と異なる点は以下の通りである。即ち、本実施例の透明カバープレート２５０の下表面の非出光エリア２５１に反射層がコーティングされ、レーザー素子からの光の導光構造界面での反射光がカバープレートの非出光エリアから射出されることを防止し、パッケージ体の発光角度を狭める。
図８に示されているように、第３の実施例と異なる点は以下の通りである。即ち、本実施例の透明カバープレート２５０の下表面の非出光エリア２５１に反射層がコーティングされ、レーザー素子からの光の導光構造界面での反射光がカバープレートの非出光エリアから射出されることを防止し、パッケージ体の発光角度を狭める。
第７の実施例
図９に示されているように、第３の実施例と異なる点は以下の通りである。即ち、本実施例では、導光構造の上表面２３３と椀状の上部２１３の表面が揃っていて、波長変換層２４０は導光構造の上表面２３３と椀状の上部２１３の表面との両方に張り合わされていて、波長変換層を直接カバープレートとしてパッケージ構造を密封するようにすることで、パッケージ工程を簡略化すると共に、光の経路における界面の数を減らして光取り出し効率を向上する。
図９に示されているように、第３の実施例と異なる点は以下の通りである。即ち、本実施例では、導光構造の上表面２３３と椀状の上部２１３の表面が揃っていて、波長変換層２４０は導光構造の上表面２３３と椀状の上部２１３の表面との両方に張り合わされていて、波長変換層を直接カバープレートとしてパッケージ構造を密封するようにすることで、パッケージ工程を簡略化すると共に、光の経路における界面の数を減らして光取り出し効率を向上する。
第８の実施例
図１０及び図１１は、図５に示されたパッケージ構造の製造過程を示す概略図である。まず、椀状の基板２１０を用意する。次に、基板２１０にレーザー素子２２０を実装し、ダイボンディング、ワイヤボンディングを行なう。そして、導光構造２３０を用意し、それを基板２１０の表面に実装する。それから、導光構造２３０の出射面２３３に波長変換層２４０を設ける。最後に、透明カバープレート２５０を設置し、これにより基板２１０上の素子を密封することで、レーザー素子のパッケージが完了する。
図１０及び図１１は、図５に示されたパッケージ構造の製造過程を示す概略図である。まず、椀状の基板２１０を用意する。次に、基板２１０にレーザー素子２２０を実装し、ダイボンディング、ワイヤボンディングを行なう。そして、導光構造２３０を用意し、それを基板２１０の表面に実装する。それから、導光構造２３０の出射面２３３に波長変換層２４０を設ける。最後に、透明カバープレート２５０を設置し、これにより基板２１０上の素子を密封することで、レーザー素子のパッケージが完了する。
本実施例において、波長変換層２４０と導光構造２３０の間は、熱伝導が高い結合方式が採用され、良好な放熱性が得られる。これには、ＳＡＢ（Surface Activated Bonding）、ＡＤＢ（Atomic Diffusion Bonding)等の方式が含まれるが、あるいは熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・ｋ）を超える透明材料で粘結されてもよい。また、透明カバープレート２５０と基板２１０の間はシリコンやＡｕ-Ｓｎ共晶を用いてパッケージ体を密封することができる。
第９の実施例
小角度光源は指定区域照射をより容易に実現でき、小角度レーザー光源は指向性の高い照明や通信の分野において明らかに有利である。例えば車用ヘッドライト、ハイベイライト、集魚灯、航海灯、プロジェクター、レーザーテレビ、光通信等への応用に有利である。特に、図１２に示すように、マトリックス式の光源モジュール３００において、多数のレーザー光源３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ等に対して、回路設計によって独立してそれらのオンオフを制御でき、光源から発せられた光はレンズ３２０や反射鏡（図示せず）の光学系による処理を経た後、照射可能範囲３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃ等の区域内で、需要指定区域での照明を実現する。具体的には、車両のヘッドライトへの応用において、他の車両との近距離でのすれ違いや、歩行者に接近した場合に、相手方の行動範囲内に入るハイビームを消して、道路の交通安全を守る必要がある。本実施例が提示した方案によれば、光源３３０ｂ、３３０ｃのオンオフを制御することにより、照明区域３３０ｂ、３３０ｃにおいてのみの照明が可能となるので、自身のカーライトは確保したままで、強光照射が相手方の目に入り安全を損なうことを避けることができるようになる。
小角度光源は指定区域照射をより容易に実現でき、小角度レーザー光源は指向性の高い照明や通信の分野において明らかに有利である。例えば車用ヘッドライト、ハイベイライト、集魚灯、航海灯、プロジェクター、レーザーテレビ、光通信等への応用に有利である。特に、図１２に示すように、マトリックス式の光源モジュール３００において、多数のレーザー光源３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ等に対して、回路設計によって独立してそれらのオンオフを制御でき、光源から発せられた光はレンズ３２０や反射鏡（図示せず）の光学系による処理を経た後、照射可能範囲３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃ等の区域内で、需要指定区域での照明を実現する。具体的には、車両のヘッドライトへの応用において、他の車両との近距離でのすれ違いや、歩行者に接近した場合に、相手方の行動範囲内に入るハイビームを消して、道路の交通安全を守る必要がある。本実施例が提示した方案によれば、光源３３０ｂ、３３０ｃのオンオフを制御することにより、照明区域３３０ｂ、３３０ｃにおいてのみの照明が可能となるので、自身のカーライトは確保したままで、強光照射が相手方の目に入り安全を損なうことを避けることができるようになる。
なお、上記の具体的な実施方案は単に本考案の部分的な好ましい実施例に過ぎず、上記実施例は様々な組み合わせ、変更が可能である。本考案の範囲は以上の実施例に限定されるものではなく、本考案に基づくあらゆる変更や修飾も本考案の保護範囲に含まれるものとされるべきである。
１００ パッケージ構造
１０２ サブ粘着基板
１０４ レーザーダイオード
１０６ 回路基板
１０８、１２０ レーザービーム
１２２ 金属筐体
１２４ ウィンドウ
１２６ 空間
１３０ 金属ベース
１３０ａ 突出部
１３２ レーザー素子
１３４ サブ粘着基板
１５０ 電極
２１０ 基板
２１１ 基板底部の低部
２１２ 基板底部の高部
２１３ 基板の上部表面
２１４ チャンバー
２１５ 基板の側部
２１６ 基板の底部
２２０ レーザー素子
２３０ 導光構造
２３１ 入射面
２３２ 反射面
２３３ 出射面
２４０ 波長変換層
２５０ 透明カバープレート
２５１ 透明カバープレートの下表面の非出光エリア
２６０ 電極ワイヤ
３００ 光源モジュール
３１０ レーザー光源パッケージ
３２０ モジュールレンズ
３３０ 照明区域範囲
１０２ サブ粘着基板
１０４ レーザーダイオード
１０６ 回路基板
１０８、１２０ レーザービーム
１２２ 金属筐体
１２４ ウィンドウ
１２６ 空間
１３０ 金属ベース
１３０ａ 突出部
１３２ レーザー素子
１３４ サブ粘着基板
１５０ 電極
２１０ 基板
２１１ 基板底部の低部
２１２ 基板底部の高部
２１３ 基板の上部表面
２１４ チャンバー
２１５ 基板の側部
２１６ 基板の底部
２２０ レーザー素子
２３０ 導光構造
２３１ 入射面
２３２ 反射面
２３３ 出射面
２４０ 波長変換層
２５０ 透明カバープレート
２５１ 透明カバープレートの下表面の非出光エリア
２６０ 電極ワイヤ
３００ 光源モジュール
３１０ レーザー光源パッケージ
３２０ モジュールレンズ
３３０ 照明区域範囲
Claims (30)
- 基板と、
前記基板の上表面に固定されていて、第１のレーザービームを発射できるレーザー素子と、
透明導熱ブロックと反射鏡を有し、前記レーザー素子が発射する水平方向の光に対して光整形を行い垂直方向の光にして射出する導光構造と、
前記導光構造の上表面に形成されている波長変換層と、を具え、
前記導光構造を放熱チャネルとして、前記波長変換層の変換過程で発生した熱を導出する、レーザー装置のパッケージ構造。 - 前記透明導熱ブロックは、熱伝導率が５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、透過率が８０％＠１ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- 前記透明導熱ブロックの材料が高導熱ガラス、二酸化ケイ素、サファイヤ、または透明セラミックスであることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- 前記透明導熱ブロックは入射面と、反射面と、出射面とを有し、前記波長変換層は前記出射面に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- 前記入射面は反射防止膜がコーティングされていて、前記反射防止膜の屈折率が１．５未満であることを特徴とする、請求項４に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- 前記レーザー素子から出射した光が前記導光構造に入射する時、界面両側の材料の屈折率ｎ１、ｎ２が、以下の式
を満たすことを特徴とする、請求項４に記載のレーザー装置のパッケージ構造。 - 前記透明導熱ブロックの入射面における前記レーザー素子に正対する位置にマイクロ構造レンズが設けられていて、レーザービームに対してコリメートを行い、より小さな発光角度の光源が得られることを特徴とする、請求項４に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- 前記レーザー素子から出射した光が前記導光構造に入射する時、その界面の反射率が５％以下であることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- 前記反射鏡は前記透明導熱ブロックの斜面または曲面に高反射率コーティング層を設けることにより形成され、その反射率は９０％以上であることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- 前記導光構造の反射面の数量は１個または若干個であり、反射鏡またはその切線の傾斜角度範囲は３０〜６０度であることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- 前記レーザー素子から射出される光の反射鏡を経た後の射出方向と、前記パッケージ構造の法線方向との挟角が３０度未満であることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- 前記導光構造は複数の反射鏡を有し、異なる需要に応じて、前記反射鏡の斜面角度を調整して複数のレーザー素子の発光光点の重なり具合を制御することにより、異なる発光角度の光源を実現することを特徴とする、請求項１に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- ２個以上の前記レーザー素子を有し、各前記レーザー素子の発光の光点の重なり度合が５０％以上であることを特徴とする、請求項１２に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- 前記レーザー素子が部分的に前記導光構造と直接に接触していて、レーザー素子と反射鏡の距離が短縮されていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- 前記波長変換層は前記レーザー素子から発せられた短波長光を長波長光に変換することを特徴とする、請求項１に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- 前記波長変換層は、ガラス蛍光板、セラミックス蛍光板、または単結晶蛍光板であることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- 前記レーザー素子から射出された光が前記波長変換層を経た後の発光角度は９０度未満であり、且つ法線方向の光放射強度が最も高いことを特徴とする、請求項１に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- 前記波長変換層と前記導光構造の間には導熱性の高いボンディング方式が用いられていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- 前記波長変換層と前記導光構造は熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・ｋ）を超える材料によって粘結されていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- 前記波長変換層は前記導光構造と前記基板の上部の上表面との両方に張り合わされていて、これにより前記レーザー素子と導光構造とを前記基板の内部に密封することを特徴とする、請求項１に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- 前記基板の上部に形成されて前記レーザー素子と導光構造と波長変換層とを前記基板の内部に密閉する透明カバープレートを更に具えることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- 前記カバープレートの下表面の非出光エリアに反射層がコーティングされ、チップからの光の導光構造界面での反射光がカバープレートから射出されることを防止すると共に、パッケージ体の発光角度を狭めることを特徴とする、請求項２１に記載のレーザー装置のパッケージ構造。
- 透光性、導熱性を有する導光構造であって、放熱性材料で構成された透明導熱ブロックを具え、前記透明導熱ブロックは、入射面と、反射層と、出射面とを有し、水平設置のレーザーチップの光に対して光整形を行い垂直方向の光にして射出するのに用いられると共に、放熱チャネルとしても用いられる、導光構造。
- 前記透明導熱ブロックは、熱伝導率が５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、透過率が８０％＠１ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項２３に記載の導光構造。
- 前記導光構造は下に向かって窄まる階段状になっていて、発光素子を内部に埋設することができ、発光素子と反射鏡面の距離が短縮されていることを特徴とする、請求項２３に記載の導光構造。
- 前記入射面に、レーザービームに対してコリメートを行い、より小さな発光角度の光源を得るためのマイクロ構造レンズが設けられていることを特徴とする、請求項２３に記載の導光構造。
- 前記反射面は所定の弧度の鏡面を有し、放射された光を平行光にすることで、光源の出光均一性が向上されることを特徴とする、請求項２３に記載の導光構造。
- 前記導光構造の反射面の数量は１個または若干個であり、その傾斜角度範囲は３０〜６０度であることを特徴とする、請求項２３に記載の導光構造。
- 請求項１〜２２のいずれか１項に記載のレーザー装置のパッケージ構造を含む、光源モジュール。
- 車用ヘッドライト、ハイベイライト、レーザーテレビ、またはプロジェクターに応用されることを特徴とする、請求項２９に記載の光源モジュール。
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