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
efecto de sonrisa (inferior). El tamaño aparente (representado por la línea discontinua
(marcos abajo) se amplía en el eje rápido debido a la sonrisa.
Figura 6.
Los diferentes patrones de sonrisa (izquierda) producen diferentes intensidades de eje rápido
perfiles bajo la colimación del eje rápido (medio). La intensidad del campo lejano
perfil a lo largo del eje rápido es el resultado de superponer tantas
puntos en forma de línea como emisores dentro de la barra láser (derecha).
Sonría supresión. ¿Cuáles son las alternativas?
A pesar del desafío, la industria de HPDL encontró formas de superarlo. sonrisa
efecto. La solución más extendida se denomina “soldadura dura”. Esta
consiste en utilizar una aleación AuSn como material de interfaz, y CuW como
disipador de calor.
De esta manera, el CTE del semiconductor, el metal del disipador de calor y la soldadura
La interfaz está mucho más cerca, la articulación es aún más fiable que en la
caso de indio, y el sonrisa el efecto se minimiza. Sin embargo,
nada aquí es gratis. El CuW muestra una notable reducción térmica
conductividad en comparación con el cobre (aproximadamente un 50 % menor), un grado mucho menor
de maquinabilidad y un costo mucho mayor. Como consecuencia, normalmente el CuW es
usado solo como un volumen intermedio entre la barra láser y el
disipador de calor, que de hecho está hecho de cobre. Esto añade aún más térmica
resistencia salta al encapsulado del diodo láser. Al final, las ventajas
las de dicho enfoque se limitan a un conjunto reducido de aplicaciones.
Entonces,
¿qué se puede hacer aparte del indio y la soldadura fuerte? El último
Monocrom ha demostrado y presentado una alternativa durante los últimos 20
años, y se basa en un concepto extremadamente simple: la presión mecánica
PinzaTM). Sin embargo, como el lector podría suponer, conceptual
la simplicidad no implica necesariamente ingeniería fácil, y para esto
razón Monocrom sigue siendo la única empresa capaz de traer tal
enfoque revolucionario para el empaquetado de diodos láser. SujeciónTM
la tecnología se basa (principalmente) en un acabado superficial superior del cobre
disipador de calor, y el establecimiento de térmica y eléctrica directa
contacto con la barra láser, realzado por la aplicación de mecánica
fuerza. Mientras que las barras soldadas entran en contacto con el lado p por el disipador de calor
(ánodo) y unión de alambre al lado n (cátodo), las barras sujetas están
“atrapado” entre disipadores de calor voluminosos que actúan como ánodo y
cátodo.
Figura 7. Comparación entre los enfoques de soldadura más comunes para el empaquetado de barras láser y el sujeciónTM tecnología.
Las ventajas de la sujeciónTM son numerosos:
– Proceso en frío. No se generan tensiones residuales por CTE dispares, por lo que sonrisa se limita a la planitud superficial lograda en el disipador de calor (típicamente μm en 1 cm2).
–
Resistencia térmica mínima de saltos. El calor se evacúa directamente desde
láser a la disipador de calor. Solo la resistencia de contacto entre cobre
y el material semiconductor debe ser considerado desde un punto de vista técnico
punto de vista.
–
El calor se disipa tanto del lado p como del lado n, añadiendo una ruta adicional para
disipación de calor. Adicionalmente, esto permite el uso de agua/glicol
canales de enfriamiento mecanizados en ambos electrodos en el caso de CW y alta
operación QCW de servicio. Igualmente, este hecho relaja el requisito para
refrigeración por microcanales. Se pueden usar canales del tamaño de un milímetro en su lugar,
cuáles son menos sensibles a la corrosión y, en consecuencia, permiten minimizar
mantenimiento.
–
Simplicidad y reducción de costes. No hay material de interfaz involucrado
y no hay equipo de soldadura. La fuerza mecánica es aplicada por el operario
mediante un tornillo de acero inoxidable. La clave está en la superficie perfecta
acabado del disipador de calor de cobre (pero por supuesto este no es el único).
–
Rendimiento superior en modo pulsado. La falta de residuo horizontal
El estrés elimina la fatiga que sufren la articulación y la barra láser
durante ciclos sucesivos de encendido/apagado, mejorando la vida útil del
dispositivo.
Figura 8.
Perfil de intensidad típico de los emisores individuales (eje rápido)
(colimación más imagen de eje lento) dentro de una barra láser soldada (izquierda)
y una barra láser sujeta (derecha).
En conclusión, SujeciónTM
puede ser visto como una solución inteligente a un problema de empaque desafiante,
que se
proceso de fabricación estándar.
_________________
[1] CTEEn = 33 µm·m-1·K-1; CTEcu = 17 micrómetros-metros-1·K-1; CTEGaAs = 5 µm·m-1·K-1
[2] CTEAu(80)Sn(20) 16 μm·m-1·K-1; CTECobre tungsteno = 5-9 μm·m-1·K-1
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