JP4465295B2 - 半導体レーザーダイオード - Google Patents

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Description

本発明は、半導体レーザーダイオードに関する。特に本発明は、ホルダーとの組立時外部空気が内部へ流入し外部へ通過する空気流路を樹脂部との境界面に形成して発熱源を冷却させる冷却特性及び熱を外部へ放出する放熱特性を向上させるように改善した半導体レーザーダイオードに関する。
一般に、半導体レーザーダイオードは、順方向電流の注入によりレーザー発振を起こすp-n接合半導体素子の電気的な特性及び光特性を利用して動作され、ポインター(pointer)、レーザープリンター(Laser Printer)、スキャナ(Scanner)、またはCD-P、CD-ROM、CD-RW、DVD-P、DVD-ROMなどのようなデータ格納(Data Storage)及び光ピックアップ(Optical Pick-up)機器に多様に応用されている。
こうした半導体レーザーダイオードは、例えば特許文献1に開示されているが、図9に示すように従来の半導体レーザーダイオード(1)は、フレーム(2)の上部面にサブマウント(3)を配置し固定しており、上記サブマウント(3)の上部面にはレーザー素子(4)が配置固定され、上記フレーム(2)は樹脂(5)で固定される。
上記フレーム(2)は、上記レーザー素子(4)を搭載するメインフレーム(6)と、上記フレーム(6)とは独立した配線用副フレーム(7)(8)の複数のフレーム構造物とを備え、これらは上記樹脂(5)により一体化されてフレームパッケージを構成するものである。
上記メインフレーム(6)は、素子配置部(6a)と、電流通路であるリード部(6b)と、放熱及び位置決定用に使用される左右翼部(6c)(6d)とを備える。また、メインフレーム(6)には、上記素子配置部(6a)とリード部(6b)の接続部分近傍を境界として板厚の厚い厚肉部(6e)と板厚の薄い薄肉部(6f)とが設けられ、これらの間には段差(9)が形成される。
上記樹脂(5)は、メインフレーム(6)の上部面先端に出射窓(5a)を形成するように上記メインフレーム(6)の上部面をU字形で包囲する樹脂枠(5b)を備える。
こうした従来のレーザーダイオード(1)は、図10に示すように本体中央に挿入孔(11)が貫通形成されたホルダー(10)に組立てられて応用機器である光ピックアップ装置にセットされる。
上記ホルダー(10)の挿入孔(11)の内部面には、上記挿入孔(11)内へ挿入されるレーザーダイオード(1)の位置を決定し得るように上記主フレーム(6)の左右翼部(6c)(6d)と組立てられる位置決定用溝(12)を凹設する。
こうして、上記レーザーダイオード(1)を光ピックアップ装置にセットするために、上記ホルダー(10)の挿入孔(11)を通して上記レーザーダイオード(1)を挿入して上記ホルダー(10)とレーザーダイオード(1)を組立てなければならず、上記ホルダー(10)の挿入孔(11)内部には、上記レーザー素子(4)、メインフレーム(6)、及び樹脂(5)が配され、上記補助フレーム(7)(8)とリード部(6b)は上記ホルダー(10)の外部へ露出しなければならない。
しかし、こうした従来のレーザーダイオード(1)とホルダー(10)の組立構造においては、図10に示すように上記ホルダー(10)の挿入孔内に樹脂(5)が配されながら上記樹脂(5)の前後面が上記挿入孔(11)の内部面に接すると共に、上記樹脂(5)の樹脂枠(5b)によって上記挿入孔(11)が出射方向への感染に遮断されるので、上記挿入孔(11)内へ外部空気が流入するか、内部空気が外部へ排気される空気の流れを形成し得なくなる。
こうした場合、上記レーザー素子(4)から発生したレーザービームが上記出射窓(5a)を通して外部へ出射されると、上記レーザー素子(4)から発生した熱は、発熱源であるレーザー素子と空気の流れとの接触による直接的な空冷が起こらず、単に上記翼部(6c)(6d)及び上記厚肉部(6e)側へ伝わって放熱されながら間接的に冷却される。これにより、レーザーダイオードの放熱特性が低下されてレーザー素子の熱的負荷が高まり、よって過熱現象が起こる。これがレーザーダイオードの熱的損傷を引き起こす原因となっていた。
国際公開第2002/7275号パンフレット
したがって、本発明は上記のような従来の問題を解消するために提案されたもので、その目的は樹脂部と発熱源であるレーザー素子と接して熱交換される空気の流れを形成し、樹脂部を通した放熱面積を広げて製品の放熱特性を向上させ得る半導体レーザーダイオードを提供することである。
上記のような目的を成し遂げるための技術的な構成として、本発明は、レーザー素子と、上記レーザー素子が上部面に搭載されるサブマウントと、上記サブマウントが搭載されるフレーム部及び上記フレーム部を固定する樹脂部を設け本体中央にに挿入孔を貫通形成したホルダーに組立てられる半導体レーザーダイオードにおいて、上記フレーム部の前面には上記レーザー素子を包囲しながら出射孔を形成するよう樹脂枠を設け、上記出射孔を通して出射するレーザービームの出射軸と直交する樹脂枠には上記ホルダーとの組立の際上記挿入孔内に少なくとも一つ以上の空気流路を形成できるよう少なくとも一つ以上の空気通路部を設けることを特徴とする半導体レーザーダイオードを備えることによる。
好ましくは、上記空気通路部は三角、四角などの多角断面状で形成される。
好ましくは、上記空気通路部は弧断面状で形成される。
好ましくは、上記空気通路部は出射軸とほぼ同一な直線形で形成される。
好ましくは、上記空気通路部は上記出射窓の幅とほぼ同一な大きさの幅で上記樹脂枠の前面に出射軸方向へ凹設される単一凹溝から成る。
より好ましくは、上記単一凹溝の幅の中心は上記レーザー素子とほぼ同一な垂直軸上配される。
好ましくは、上記空気通路部は上記出射窓の幅より小さい幅で前記樹脂枠の前面に出射軸方向へ少なくとも2個以上凹設される分割凹溝から成る。
より好ましくは、上記複数個の分割凹溝中いずれか一つは上記レーザー素子とほぼ同一な垂直軸上に配される。
好ましくは、上記空気通路部は上記出射窓の幅より小さい幅を有する入口と出口が上記樹脂枠の前面に幅方向へ凹設される連結溝を通して連結される折曲型凹溝から成る。
上述したような本発明によると、出射孔を通して出射するレーザービームの出射軸と直交する樹脂枠にホルダーとの組立の際少なくとも一つ以上の空気流路を形成できるよう少なくとも一つ以上の空気通路部を設けることにより、出射孔を通して外部から内部へ流入した空気は発熱源であるレーザー素子と熱交換し、加熱される素子配置部と接触しながら熱交換し、熱交換する面積を増大させることができるので、発熱源を冷却させ樹脂部を通した放熱面積を広げてレーザーダイオードの冷却、放熱特性を向上させる効果がある。
以下、本発明について添付の図に基づき詳しく説明する。
図1は、本発明による半導体レーザーダイオードの第1実施例を示す斜視図であり、図2(a)及び(b)は、本発明による半導体レーザーダイオードの第1実施例を示す正面図と断面図である。
本発明の半導体レーザーダイオード(100)は図1と2(a)(b)に示すように、レーザービームの発光時発生する熱と外部空気との熱交換が行われるよう空気の流れを誘導し、熱が外部へ放出される放熱面積を広げ冷却及び放熱特性を向上させるものとして、こうした半導体レーザーダイオード(100)はレーザー素子(110)、フレーム部(120)、樹脂部(130)及び空気通路部(140)で構成される。
即ち、上記レーザー素子(110)はサブマウント(115)の上部面に接着され固定される発光素子で、上記サブマウント(115)は上記フレーム部(120)の上部面の上端付近に搭載されるものである。
ここで、上記レーザー素子(110)は活性層とこれを包囲するクラッド層で成るGaAlAs系、高密度光ディスクの赤色半導体レーザー素子に使用されるAlGain系、AlGainP系、AlGainPAs系と、トランジスタなどの電子デバイスに 使用されるGaN系などのような材料を利用して構成される。
こうしたレーザー素子(110)はAu-Sn、Pb-Snなどのようなハンダ材やAgペーストのような接着手段を介して上記サブマウント(115)の上部面に接着固定される。上記サブマウント(115)はSiを母材とする受光素子で、上記レーザー素子(110)の後面出射光をモニタリングできるよう設けられ、上記サブマウント(115)はSiの他にも、例えばAlN、SiC、Cuなど熱伝導性に優れたセラミック、金属材料などで構成される。
こうしたサブマウント(115)はAu-Sn、Pb-Sn、Au-Sn、Sn-Biなどのようなハンダ材がAgペーストを利用して上記フレーム部(120)上に接着固定される。そして、上記フレーム部(120)は素子配置部(120a)、左右翼部(120b)(120c)、リードフレーム(120d)及び補助フレーム(120e)などで構成される。
上記素子配置部(120a)は、上記レーザー素子(110)を搭載したサブマウント(115)がハンダ材やペーストを介して搭載されるよう、外部へ露出した平坦な表面を有するフレームで、上記素子配置部(120a)は上記樹脂部(130)の樹脂枠(130a)により包囲される。
上記左右翼部(120b)(120c)は上記素子配置部(120a)から左右両端へ延長され上記樹脂部(130)の左右両側へ露出したフレームで、こうした左右翼部(120b)(120c)は上記レーザー素子の発光時発生する熱を放熱し、ピックアップ用ホルダー(150)との組立の際挿入孔(151)に形成された位置決定用案内溝(152)に沿って案内されながらレーザーダイオード(100)の組立位置を決定する。
上記リードフレーム(120d)は上記素子配置部(120a)の下部から下方へ少なくとも一つ以上一定の長さで延長され、電流の通路となるようメッキ処理された銅材で構成される長方形断面状のフレームで、長さ中間には凸部(121)が各々形成される。
上記補助フレーム(120e)は上記リードフレーム(120d)と同一な長さを有し上記リードフレーム(120d)の左右両側に配され、図示しないワイヤを介して上記レーザー素子(110)やサブマウント(115)と電気的に連結され、長さ中間に凸部(122)が各々形成される。
また、上記樹脂部(130)は絶縁性樹脂で上記フレーム部(120)を包囲し、これを一体化するよう樹脂枠(130a)と裏面樹脂(130b)で構成される。上記樹脂枠(130a)は上記レーザー素子を外部へ露出させながら素子配置部の前方に出射窓(131)を形成するよう上記フレーム部(120)の前面にU字型で形成され、上記裏面樹脂(130b)は上記フレーム部(120)の裏面全体を包囲するよう形成される。これにより上記レーザー素子(110)は上記樹脂枠(130a)によって保護され、出射光は上記出射窓(131)を通して干渉されずに前方へ出射するのである。
こうした樹脂枠(130a)と裏面樹脂(130b)は上記素子配置部(120a)を前面へ露出させ、上記左右翼部(120b)(120c)を左右両側へ露出させる同時に上記リードフレーム(120d)、補助フレーム(120e)を素子配置部(120a)と一体化させるよう上記フレーム部(120)の前面、裏面にポリカルボネート樹脂またはエポキシ樹脂のような絶縁性樹脂を素材としトランスファーモールディングにより具備される。
一方、上記空気通路部(140)は、挿入孔(151)が本体中央に貫通形成されたホルダー(150)と組立の際、上記挿入孔(151)の内部面と上記樹脂枠(130a)の前面の間の外部空気が上記挿入孔(151)内へ流入し発熱源である上記レーザー素子(110)と接触する空気の流れを形成する少なくとも一つ以上の空気流路を形成するよう上記出射孔(131)を通して前方へ出射するレーザービームの出射軸と直交する樹脂枠(130a)の前面に凹設される。
この際、上記空気通路部(140)は上記フレーム部(120)の前面を外部へ露出させない程度の深さで形成されることが好ましい。 こうした場合、図7と図8に示すように、上記ホルダー(150)とレーザーダイオード(100)の組立の際、上記レーザーダイオード(100)が挿入される挿入孔(151)の内部面と上記樹脂枠(130a)の上部面との間には上記空気通路部(140)により一定の大きさを有する空気流路を少なくとも一つ以上形成することができる。
この際、上記空気通路部(140)は、これを通して外部から内部へ通過する空気と 樹脂部(130)が互いに接触する面積が相違するよう三角、四角のような多角断面状で形成できるが、これに限定されるわけではなく、弧断面状で形成されてもよい。
そして、上記空気通路部(140)は、これを通して外部から内部へ通過する空気の流れをほぼ出射軸(X)と同一に直線に形成するよう直線型へ形成されることが好ましい。こうした空気通路部(140)は、図1と図2に示すように、上記出射窓(131)の幅とほぼ同一な大きさの幅を有し上記出射軸(X)と直交する樹脂枠(130a)の前面全体に一つの単一凹溝(141)で構成されることができる。
この際、上記単一凹溝(141)の幅中心は上記レーザー素子(110)と熱交換される空気の冷却効率を高めるよう上記レーザー素子(110)とほぼ同一な垂直軸上に配されることが好ましい。
こうして、上記出射孔(131)を通して外部から流入する空気は上記単一凹溝(141)を経てリードフレーム部(120d)側へ流れる空気の流れを形成するようになり、内部に流入した空気は発熱源のレーザー素子(110)及び発熱源の影響で加熱される素子配置部(120a)と接触しながら熱交換され、これらを冷却し、熱交換された空気は上記挿入孔(151)を通して外部へ放出されるのである。
図3は本発明による半導体レーザーダイオードの第2実施例を示す斜視図で、図4は本発明による半導体レーザーダイオードの第2実施例を示す正面図と断面図で、図3と図4に示すように本発明のレーザーダイオード(100a)は第1実施例と同様にレーザー素子(110)、フレーム部(120)、樹脂部(130)及び空気通路部(140a)で構成され、第1実施例と同一な部材に対しては同一符合を付し、これに対する詳細な説明は省略する。
上記空気通路部(140a)は上記出射窓(131)の幅より小さい幅を有し上記出射軸と直交する樹脂枠(130a)の前面に少なくとも2個以上凹設される分割凹溝(142)で構成されることができる。
この際、上記複数個の分割凹溝(142)は幅方向へ同一間隔で同一な大きさの幅で設けられることが好ましく、上記複数個の分割凹溝(142)中いずれか一つは発熱源である上記レーザー素子(110)とほぼ同一な垂直軸上に配されることが好ましい。
こうした場合、上記ホルダー(150)とレーザーダイオード(100a)の組立の際上記凹溝(142)によって上記挿入孔(151)の内部面と上記樹脂枠(130a)の上部面との間に一定の大きさの空気流路を少なくとも2個以上形成することになる。
こうして、上記出射孔(131)を通して外部から流入する空気は上記分割凹溝(142)を経てリードフレーム部(120d)側へ流れる空気の流れを形成し、内部に流入した空気は発熱源であるレーザー素子(110)及び発熱源の影響で加熱される素子配置部(120a)と接触しながら熱交換してこれらを冷却させ、熱交換された空気は上記と同様に上記挿入孔(151)を通して外部へ放出されるのである。
この際、上記分割凹溝(142)が上記樹脂枠(130a)の前面に複数個形成されると、上記空気通路部(140a)の表面積は上記樹脂枠(130a)の前面に一つの単一凹溝(141)を形成して備える空気通路部(140)の表面積より広く形成されるので、上記垂直枠(130a)を通した放熱面積がより広くなり、これにより上記樹脂部(130)を利用した放熱特性を高められるのである。
図5は本発明による半導体レーザーダイオードの第3実施例を示す斜視図で、図6は本発明による半導体レーザーダイオードの第3実施例を示す正面図と断面図として、図5と図6に示すように本発明のレーザーダイオード(100b)は第1、2実施例と同様にレーザー素子(110)、フレーム部(120)、樹脂部(130)及び空気通路部(140b)で構成され、第1、2実施例と同一な部材に対しては同一符合を付し、これに対する詳細な説明は省略する。
上記空気通路部(140b)は、上記出射窓(131)の幅より小さい幅を有する入口(143a)と出口(143b)とが上記出射軸と直交する樹脂枠(130a)の前面に凹設される連結溝(143c)を通して連結される折曲型凹溝(143)で構成されることができる。
この際、上記折曲型凹溝(143)はこれを経て通過する空気の流路を長くさせるよう上記連結溝(143c)を上記入口(143a)から直下方へ延長しては直角方向へ折り曲げた後上記出口(143b)と連結されるよう直下方へ折曲形状で設けられるか、上記入口(143a)から出口(143b)に向かって対角線方向へ延長される形状で設けられることができる。
こうした場合、上記ホルダー(150)とレーザーダイオード(100b)の組立の際、上記凹溝(143)によって上記挿入孔(151)の内部面と上記樹脂枠(130a)の上部面との間に外部から内部へ流入した空気の流れを長く形成する空気流路を形成する。
これにより、上記出射孔(131)を通して外部から流入する空気は上記凹溝(143)の入口(143a)、連結溝(143c)及び出口(143c)を経てリードフレーム部(120d)側へ流れる空気の流れを形成し、内部に流入した空気は発熱源であるレーザー素子(110)及び発熱源の影響で加熱される素子配置部(120a)と接触しながら熱交換してこれを冷却させ、熱交換された空気は上記凹溝(143)を経て挿入孔(151)を通して外部へ放出されるのである。
この際、上記凹溝(143)の空気流路の長さは上記樹脂枠(130a)の前面に単一凹溝(141)や複数個の分割凹溝(142)を形成した空気通路部の空気流路の長さより長く形成されるので、上記垂直枠(130a)を通した放熱面積がより広くなり、これにより上記樹脂部(130)を利用した放熱特性を高められるのである。
本発明は特定の実施例に係わり図示し説明したが、本願の請求範囲により設けられる本発明の精神や分野を外れない限度内で本発明が多様に改造及び変化できることは当業界において通常の知識を有する者であれば容易に想到すること明かしておく。
本発明による半導体レーザーダイオードの第1実施例を示す斜視図である。 本発明による半導体レーザーダイオードの第1実施例を示すものとして、(a)は正面図で、(b)は(a)のA-A'線に沿って切開した断面図である。 本発明による半導体レーザーダイオードの第2実施例を示す斜視図である。 本発明による半導体レーザーダイオードの第2実施例を示すものとして、(a)は正面図で、(b)は(a)のB-B'線に沿って切開した断面図である。 本発明による半導体レーザーダイオードの第3実施例を示す斜視図である。 本発明による半導体レーザーダイオードの第3実施例を示すものとして、(a)は正面図で、(b)は(a)のC-C'線に沿って切開した断面図である。 本発明による半導体レーザーダイオードとホルダーが組立てられる状態図である。 本発明による半導体レーザーダイオードとホルダーが組立てられる断面図として、(a)は図7のD-D'線に沿って切開した横断面図で、(b)は出射軸(X)に沿って切開した縦断面図である。 従来の技術による半導体レーザーダイオードの斜視図である。 従来の技術による半導体レーザーダイオードとホルダーの組立状態を示した断面図である。
符号の説明
110 レーザー素子
115 サブマウント
120 フレーム部
120a 素子配置部
120b、120c 左右翼部
120d リードフレーム
120e 補助フレーム
130 樹脂部
130a 樹脂枠
130b 裏面樹脂
140 空気通路部
141 単一凹溝
142 分割凹溝
143 折曲型凹溝
143a 入口
143b 出口
143c 連結溝
X 出射軸

Claims (9)

  1. レーザー素子と、上記レーザー素子が上部面に搭載されるサブマウントと、上記サブマウントが搭載されるフレーム部と、上記フレーム部を固定する樹脂部とを設け、本体中央に挿入孔を貫通形成したホルダーに組立てられる半導体レーザーダイオードであって、
    上記フレーム部の上部に安着され、上記フレーム部の前方に配置される上記レーザー素子を外部に露出させる出射孔が形成された樹脂枠と、
    上記樹脂枠において、上記出射孔と連通して上記ホルダーとの組立時上記挿入孔内に空気流路を形成する空気通路部と、を備える半導体レーザーダイオード。
  2. 上記空気通路部は、三角、四角などの多角断面状で形成される、請求項1に記載の半導体レーザーダイオード。
  3. 上記空気通路部は、弧断面状で形成される、請求項1に記載の半導体レーザーダイオード。
  4. 上記空気通路部は、出射軸とほぼ同一な直線型で形成される、請求項1に記載の半導体レーザーダイオード。
  5. 上記空気通路部は、上記出射窓の幅とほぼ同一な大きさの幅で上記樹脂枠の前面に出射軸方向へ凹設される単一凹溝で構成される、請求項1に記載の半導体レーザーダイオード。
  6. 上記単一凹溝の幅中心は、上記レーザー素子とほぼ同一な垂直軸上に配される、請求項5に記載の半導体レーザーダイオード。
  7. 上記空気通路部は、上記出射窓の幅より小さい幅で上記樹脂枠の前面に出射軸方向へ少なくとも2個以上凹設される分割凹溝で構成される、請求項1に記載の半導体レーザーダイオード。
  8. 上記複数個の分割凹溝のうちいずれか一つは、上記レーザー素子とほぼ同一な垂直軸上に配される、請求項7に記載の半導体レーザーダイオード。
  9. 上記空気通路部は、上記出射窓の幅より小さい幅を有する入口と出口とが上記樹脂枠の前面に幅方向へ凹設される連結溝を通して連結される折曲型凹溝で構成される、請求項1に記載の半導体レーザーダイオード。
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