Innovador método de ensamblaje de barras de diodos sin soldadura
Empaquetado de arreglos de diodos láser. ¿Por qué y cómo?
Las matrices de láseres semiconductores de emisión lateral (o barras láser) son, sin duda, la arquitectura más conocida y todavía la más extendida de los diodos láser de alta potencia (HPDL). Bajo un esquema de bombeo electrónico, estas estructuras son capaces hoy en día de generar hasta 500 W de potencia óptica continua (CW) dentro de un volumen total de material activo inferior a 0.01 mm³.3. Aunque la eficiencia electroóptica de estos dispositivos puede superar fácilmente el 50 % (especialmente en el caso de los láseres de diodo basados en GaAlAs e InGaAs), la proporción de energía que no se convierte en luz es casi igual de elevada. Esto se traduce en una enorme cantidad de energía que debe disiparse del dispositivo láser en forma de calor. De lo contrario, el medio activo se fundiría en unos pocos microsegundos. Por esta razón, la disipación del calor es probablemente la principal preocupación en la tecnología de montaje de los HPDL. El calor generado se transmite en primer lugar por conducción al volumen circundante del sustrato, que suele estar comprendido entre 1 y 4 mm3. Sin embargo, la tasa de calor es demasiado alta para un volumen tan pequeño, y se requieren pasos de disipación adicionales para esparcir el calor a través de un mayor volumen de material antes de que pueda ser finalmente eliminado por el entorno (típicamente convección forzada hacia aire o agua). Además, este debe ser un proceso lo suficientemente rápido como para evitar un aumento excesivo de la temperatura en el medio activo. El cobre es la elección natural para tal aplicación, ya que permite una excelente conductividad electrónica y presenta la segunda conductividad térmica más alta entre todos los metales (k~385 W·m-1·K-1. Es superado ligeramente por la plata (k ~ 405 W·m-1·K-1), pero la plata no es una opción por obvias razones comerciales. Desde los inicios de la tecnología de los láseres de semiconductores, el cobre se ha utilizado como material de base preferido, pero entonces surgió el siguiente desafío técnico: ¿cómo establecer una interfaz adecuada entre la barra láser y el disipador de calor de cobre? La soldadura fue la primera respuesta y sigue siendo la tecnología más adoptada. Pero la soldadura conlleva varios problemas inherentes…
El material de interfaz elegido para fines de soldadura debe tener una temperatura de fusión muy por debajo de los puntos de fusión tanto de la barra láser como del disipador de calor. Además, debe ser lo suficientemente alta como para garantizar la estabilidad térmica y mecánica en la temperatura de operación del diodo láser (típicamente entre 15 ºC y 80 ºC). El indio fue el primer material empleado con este propósito (Tderretir ~ 157 ºC). Sin embargo, el proceso de soldadura implica crear una unión sólida entre la barra láser y el disipador de cobre alrededor de la temperatura de fusión del indio, y dado que los tres materiales involucrados muestran diferentes coeficientes de expansión térmica (CTE), el dispositivo presentará siempre una tensión residual al enfriarse hasta temperatura ambiente.
Sonría en arreglos de diodos láser. Un problema serio
Una de las implicaciones más importantes de esto es la aparición de la sonrisa fenómenos, lo que significa que la barra sufre una curvatura, haciendo que los emisores dentro de la matriz no láseren perfectamente paralelos al eje horizontal. En su lugar, aparece una separación en altura que va desde 2 μm hasta 5 μm (típicamente) desde el emisor inferior hasta el superior (ver Figura 1). Esta distancia suele ser la mejor medida para definir sonrisa magnitud. El sonrisa en las barras láser es fundamental siempre que se requieran configuraciones de resonador externo o simplemente si se exige el máximo brillo en el eje rápido.
Figura 1.
Patrón de intensidad de emisión teórica después de la colimación del eje rápido y
imagen de eje lento de una barra láser de 19 emisores. La imagen superior corresponde a
barra láser sin sonrisas. Las dos imágenes inferiores corresponden a dos diferentes
efecto de tipo sonrisa.
Configuraciones de resonador externo
A
construir un resonador externo usando una barra láser es una estrategia atractiva
usado principalmente para aumentar la potencia, el brillo o el brillo espectral de la
barra láser en sí. Alto brillo espacial (W·cm-2·sr) es
perseguidos en láseres de diodo de alta potencia cuando aplicaciones industriales como
corte de metales, taladrado o soldadura entren en juego. Además, alto
brillo espectral (W·cm-2Señor-1) y desplazamiento térmico de baja longitud de onda (nm·K-1)
típicamente se relacionan con aplicaciones de bombeo de láser de estado sólido. En la
caso de brillo de potencia, la retroalimentación externa se crea con un
rejilla de difracción reflectante de Bragg (véase la Figura 2).
El resultado de tal enfoque es la superposición espacial efectiva de
todos los haces láser que salen de la barra láser, como si todos los
la intensidad provenía de un único emisor dentro de la barra láser. Como
consecuencia, el brillo espacial se incrementa en un orden de
magnitud. Sin embargo, esto se puede lograr a costa de agrandar el
ancho de banda de emisión (menor brillo espectral) y admitiendo un cierto
porcentaje de pérdidas de potencia y ópticas (que oscila entre un total de 20 % y
40 % de reducción de potencia con respecto al funcionamiento en haz libre). Inherente (y
(inevitables) pérdidas ópticas se atribuyen a la eficiencia de la
celosía de difracción y la transmisión de las lentes. Pero la mayor parte
importante, las pérdidas ópticas también se ven afectadas por cómo incide el haz láser
devuelve el emisor después de que parte de su intensidad se refleja en
acoplamiento mutuo (emisión de retroalimentación desde el resonador externo). El
más grande sonrisa efecto, mayores son las pérdidas (véase la Figura 3 y la Figura 4).
Figura 2. Básico
esquema que ilustra el principio de combinación de haces espectrales. Espacialmente
emisores separados que emiten en longitudes de onda ligeramente diferentes inciden
la red de difracción en diferentes ángulos de incidencia. Sin embargo, la
el ángulo de difracción es común a todos ellos (se utilizan diferentes colores
aquí solo para ilustrar la diferencia en longitud de onda pero no son
representante de la longitud de onda en sí).
Figura 3. Más
de los emisores en una barra láser con sonrisa están parcial o totalmente apagados
del plano definido por el eje rápido y el eje óptico del
sistema. Esto resulta en una falta parcial de retroalimentación óptica en un
configuración de resonador externo (la mayoría de los haces emitidos y de retroalimentación
no son coincidentes total o parcialmente).
Figura 4.
Los emisores de una barra de láser sin sonrisa están contenidos en el plano
definido por el eje rápido y el eje óptico del sistema. Como
consecuencia, los haces láser emitidos y su parcialmente reflejado
la contraparte (retroalimentación) coincide espacialmente en un resonador externo
configuración.
Figura 4. Los emisores de una barra láser sin arqueo están contenidos en el plano definido por el eje rápido y el eje óptico del sistema. Como consecuencia, los haces láser emitidos y su contraparte parcialmente reflejada (retroalimentación) son espacialmente coincidentes en una configuración de resonador externo.
En el caso del brillo espectral
mejora, usualmente rejillas de Bragg de volumen (VBGs) se colocan delante de
una barra láser colimada de eje rápido. Una vez más, se requiere una retroalimentación externa
requerido por la red de Bragg, que ahora actúa estrechando y “bloqueando”
la longitud de onda de emisión de toda la barra láser. El efecto es una
reducción notable en el desplazamiento de la longitud de onda con respecto a la temperatura, de
0,3 nm·K-1 a menos de 0,08 nm·K-1, en un similar
manera en que sucede con los láseres de retroalimentación distribuida (ya sea aplicados en
la estructura del diodo en sí o mediante una fibra óptica acoplada a ella). El
La pregunta aquí es que, al tener un arreglo de diodos láser, la ausencia de sonrisa
es crucial para tener retroalimentación uniforme en cada emisor, especialmente
si tenemos en cuenta que los elementos ópticos son comunes a todos los emisores
(ver Figura 4).
Brillo del eje rápido
La emisión láser en el eje rápido está intrínsecamente casi limitada por difracción (M2~1).
Esto representa una ventaja sobresaliente en muchas aplicaciones donde
se exige el máximo brillo a lo largo de una mancha láser en forma de línea. Tal es
el caso de la impresión láser offset (máquinas que imprimen directamente desde el ordenador).
No obstante, la presencia de sonrisa efecto en una barra de láser
Reduce fácilmente el brillo general del eje rápido entre 50 % y 80 %. El
La razón principal es que la altura aparente de una fuente láser en el rápido
el eje se incrementa proporcionalmente a la sonrisa. De un
perspectiva práctica, las consecuencias de colocar un eje rápido
lente colimador (FAC) delante de la barra láser está obteniendo
mayor divergencia residual o un punto focal más grande (ver Figura 6).
Figura 5. Representación de campo cercano de una barra láser de 10 emisores sin "smile" (arriba) y con 3 μm
smile effect (bottom). The apparent size (represented by the dashed
frames below) is enlarged in the fast axis due to the smile.
Figure 6.
Different smile patterns (left) yield different fast axis intensity
profiles under fast axis collimation (middle). The far field intensity
profile along the fast axis is the result of superimposing as many
line-shaped spots as emitters within the laser bar (right).
Sonría suppression. What are the alternatives?
Despite the challenge, the HPDL industry found ways to overcome sonrisa
effect. The most extended solution is called “hard-soldering”. This
consists of using a AuSn alloy as the interface material, and CuW as the
heat sink.
This way, the CTE of the semiconductor, heat sink metal and soldering
interface are much closer, the joint is even more reliable than in the
case of indium, and the sonrisa effect is minimized. However,
nothing here is for free. CuW shows a remarkable reduction of thermal
conductivity compared to copper (around 50 % lower), a far lower degree
of machinability and far higher cost. As a consequence, usually CuW is
used just as an intermediate volume between the laser bar and the actual
heat sink, which is made of copper indeed. This adds further thermal
resistance jumps to the laser diode package. In the end, the advantages
of such an approach are restricted to a few set of applications.
So,
what can be done apart from indium and hard-soldering? The ultimate
alternative has been shown and demonstrated by Monocrom for the last 20
years, and it relies on an extremely simple concept: mechanical pressure
(ClampingTM). However, as the reader might guess, conceptual
simplicity does not necessarily imply easy engineering, and for this
reason Monocrom remains as the only company able to bring such a
revolutionary approach to laser diode packaging. ClampingTM
technology relies (mainly) on a superior surface finish of the copper
heat sink, and the establishment of direct thermal and electrical
contact with the laser bar, enhanced by the application of mechanical
force. While soldered bars are contacted to the p-side by the heat sink
(anode) and wire-bonding to the n-side (cathode), clamped bars are
“sandwiched” from both sides by bulky heat sinks acting as the anode and
cathode.
Figure 7. Comparison between the most common soldering approaches for laser bar packaging and ClampingTM technology.
The advantages of ClampingTM are numerous:
– Cold process. No residual stress is caused by dissimilar CTE, so the sonrisa is limited to the surface flatness achieved in the heat sink (typically μm over 1 cm2).
–
Minimum thermal resistance jumps. Heat is directly evacuated from the
laser bar to the heat sink. Only the contact resistance between copper
and the semiconductor material must be accounted from a technical point
of view.
–
Heat is dissipated from both p and n side, adding an extra path for
heat dissipation. Additionally, this allows the use of water/glycol
cooling channels machined on both electrodes in the case of CW and high
duty QCW operation. Likewise, this fact relaxes the requirement for
micro-channel cooling. Millimetre-sized channels can be used instead,
which are less corrosion sensitive and consequently allows to minimise
maintenance.
–
Simplicity and cost reduction. There is no interface material involved
and no soldering equipment. Mechanical force is applied by the operator
by means of a stainless steel screw. The key is on the perfect surface
finish of the copper heat sink (but of course this is not the only one).
–
Superior performance in pulsed mode. The lack of horizontal residual
stress eliminates the fatigue suffered by the joint and the laser bar
during successive on/off cycles, enhancing the service life of the
device.
Figure 8.
Typical intensity profile of the individual emitters (fast axis
collimation plus slow axis imaging) within a soldered laser bar (left)
and a clamped laser bar (right).
In conclusion, ClampingTM
can be seen as a smart solution to a challenging packaging problem,
which has been successfully implemented at Monocrom as part of the
standard manufacturing process.
_________________
[1] CTEIn = 33 μm·m-1·K-1; CTECu = 17 μm·m-1·K-1; CTEGaAs = 5 μm·m-1·K-1
[2] CTEAu(80)Sn(20) = 16 μm·m-1·K-1; CTECuW = 5-9 μm·m-1·K-1
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