Thermal and mechanical optimisation of diode laser bar packaging

Aachen / Publikationsserver der RWTH Aachen University (2007) [Doktorarbeit]

Seite(n): III, 124 S. : Ill., graph. Darst.

Kurzfassung

Diodenlaser haben sich als Lichtquelle für das optische Pumpen und für die Direktbearbeitung etabliert. Eine Steigerung der Lebensdauer lässt die Kosten sinken und macht den Einsatz der Diodenlaser noch attraktiver. Thermische und mechanische Spannungen begrenzen die Lebensdauer der Diodenlaser. Die Hauptbeanspruchung entsteht durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung während der Montage des Halbleiter- mit dem Wärmesenkenmaterials. Laserbarren werden typischerweise mit Indiumlot auf die kupfernen Wärmesenken aufgelötet. Duktile Lote nutzt man, um die Ausdehnungsunterschiede zwischen Halbleiter- und Wärmesenkenmaterial auszugleichen. Schwer verformbare Lote, wie Gold-Zinn, kommen bei der Benutzung ausdehnungsangepasster Submounts zum Einsatz. Gleichzeitig steigt die thermische Belastung durch die geringere thermische Leitfähigkeit der ausdehnungsangepassten Materialien. Dabei arbeitet die Ausdehnungs¬anpassung der thermischen Belastung entgegen. Für längere Lebensdauern der Diodenlaser müssen die durch die Montage induzierten mechanischen und thermischen Spannungen reduziert werden. Die vorliegende Arbeit untersucht den thermischen und mechanischen Einfluss des Montageprozesses auf Diodenlaserbarren. Die Benutzung ausdehnungsangepasster Wärmesenken ist eine Methode zur Senkung der mechanischen Spannungen. Für die Untersuchungen sind zwei Typen von aktiv gekühlten ausdehnungs¬angepassten Wärmesenken entwickelt worden. Ein Vorteil des integrierten Designs ist der geringere thermische Widerstand. Die simulierten und auch die experimentell ermittelten Ergebnisse zeigen, dass der Ausdehnungsunterschied der ausdehnungsangepassten Wärmesenke im Bereich 1 ppm/K anstatt 10 ppm/K bei konventionellen Kupferwärmesenken liegt. Der thermische Widerstand liegt bei 0,55 K/W im Vergleich zu 0,45 K/W für den auf einer Kupferwärmesenke montierten Referenzdiodenlaser. Spannungsmessungen zeigen eine Reduktion um den Faktor 2,5. Dieser Effekt verlängert die Lebensdauer der auf ausdehnungsangepassten Wärmesenken montierten Diodenlaser im Vergleich zu den Referenzdiodenlasern, die auf Kupferwärmesenken montiert sind. Die ausdehnungsangepassten Wärmesenken erhöhen die thermische Belastung im Vergleich zu Kupferwärmesenken. Die FEM-Simulationen haben sich bewährt, so dass damit und mit neuartigen Materialien, wie Diamantverbundwerkstoffe, neue ausdehnungsangepasste Wärmesenken entwickelt werden können. Eine andere Methode zur Reduzierung der beim Montieren aufgebauten Spannungen ist die Optimierung der Lotschicht. Durch plastische Verformung des weichen und duktilen Indiumlotes werden die Spannungen reduziert. Die Möglichkeiten der Spannungsminderung durch Änderung der Lotzusammensetzung sind im Detail untersucht worden. Während des Lötvorganges diffundiert das Gold in die Indiumschicht. Das zur Verfügung stehende Gold löst sich vollständig in der Indiumschicht und bildet die spröde intermetallische Phase AuIn2. Es wurde gezeigt, dass die plastische Verformung mit ansteigendem Anteil der intermetallischen Phase abnimmt. Wenn die Indiumschicht dick genug ist, hat die intermetallische Phase kaum einen Einfluss auf das plastische Verhalten. Der thermische Einfluss der dickeren Lotschicht ähnelt der dünneren. Simulationen und Experimente haben gezeigt, dass der Temperaturanstieg bei einem Lotschichtdickenänderung von 2 µm auf 10 µm kleiner 1 K ist. Eine dickere Lotschicht hat damit einen positiven Einfluss auf die Spannungsreduzierung, ohne die thermische Belastung zu erhöhen. Es ist gezeigt worden, dass eine dickere Lotschicht und auch ausdehnungsangepasste Wärmesenken die mechanischen Spannungen, die beim Montageprozess erzeugt werden, mindern.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Scholz, Christian

Gutachterinnen und Gutachter

Poprawe, Reinhart

Identifikationsnummern

  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-19765
  • REPORT NUMBER: RWTH-CONV-114831