eng
Выпуск #5/2017
Д.Ху, Ц.Ван, С.Ли, Л.Гао, В.Цай, Х.Чжан, Ч.Ма, И.Шан, Х.Чжан, И.Фан, С.Лян, С.Лю
Усовершенствование компоновки высокомощных диодных лазеров киловаттного уровня для конфигураций DPSSLs
Усовершенствование компоновки высокомощных диодных лазеров киловаттного уровня для конфигураций DPSSLs
Просмотры: 3035
Высокомощные диодные лазеры обладают высокой эффективностью электрооптического преобразования, компактными размерами и длительным сроком службы. Поэтому они широко применяются в качестве источников накачки для традиционных твердотельных лазеров (DPSSLs). В статье сообщается о последних достижениях в области компоновки решеток высокомощных диодных лазеров.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.65.5.28.42
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.65.5.28.42
Теги: dpssls packaging of high power diode laser arrays компоновка решеток высокомощных диодных лазеров
ВВЕДЕНИЕ
Высокомощные диодные лазеры, благодаря высокой эффективности электрооптического преобразования, компактным размерам, высокой надежности и длительным срокам службы нашли применение в качестве источников накачки для традиционных твердотельных лазеров с диодной накачкой (DPSSLs) и волоконных лазеров, а также для прямого использования, например обработки поверхности материала, освещения, медицинского лечения, дисплеи и т. д. [1–3]. Накачка твердотельных лазеров является одним из наиболее важных применений высокомощных диодных лазеров. На производительность DPSSLS в значительной степени влияют основные параметры источников накачки диодных лазеров, такие как выходная мощность, длина волны, ширина спектра и качество луча и т. д. Ключевыми преимуществами твердотельных лазеров с диодной накачкой являются: 1) эффективный перенос мощности насоса в усиливающую среду; 2) эффективное поглощение излучения накачки; 3) высокая однородность плотности поглощаемой мощности насоса и 4) высокая прочность в различных условиях работы [4–5]. Поэтому необходимо учитывать выбор источников диодной лазерной накачки с правильной длиной волны, узкой спектральной шириной, правильным распределением пучка и высокой надежностью. Диодные лазеры киловаттного уровня применяются для накачки высокомощных твердотельных лазеров и состоят из нескольких решеток диодных лазеров. Они обычно представляют собой вертикальный стек, горизонтальную решетку или поверхностную решетку. Контроль температуры, процесс компоновки и оптические эффекты существенно влияют на работу диодных лазеров киловаттного уровня. По мере увеличения силы тока и выходной мощности надежность и срок службы высокомощных диодных лазеров становится проблемой, особенно в сложных условиях работы, таких как повторное включение-выключение питания с большой длительностью импульса и интенсивным рабочим циклом. В результате технологии компоновки для решеток высокомощных диодных лазеров становятся критическими.
Развитие технологии компоновки нацелено на улучшение оптической выходной мощности решеток диодных лазеров. Качество технологии компоновки существенно влияет на основные характеристики работы диодного лазера, такие как выходная мощность, длина волны, спектр, срок службы и даже поляризационные свойства. Современные материалы, используемые для соединения стержней высокомощных диодных лазеров, обычно являются припоями из индия и золота-олова, при этом пайка индия остается приоритетным подходом [6–10]. Технология сварки твердым припоем становится общепринятым направлением, обеспечивая большую надежность и более длительный срок службы [5]. В настоящей статье представлены ключевые факторы, такие как контроль температуры, развитие процесса, анализ отказов и оценка надежности при разработке диодных лазеров киловаттного уровня для твердотельной лазерной накачки. В настоящей работе также сообщается о последних достижениях в области компоновки решеток высокомощных диодных лазеров, включая стеки диодных лазеров с охлаждением за счет теплопроводности, стеки микроканальных диодных лазеров с водяным охлаждением и горизонтальные решетки диодных лазеров. Выходная мощность стека диодного лазера, состоящего из нескольких лазерных стержней, может достигать нескольких тысяч ватт в непрерывном режиме и десятки тысяч ватт в импульсном режиме. На основе технологий, рассмотренных выше, изготавливаются и проводятся испытания различных решеток высокомощных лазеров. Результаты показывают, что устройства обладают преимуществами высокой мощности, узкого спектра, высокой электрооптической эффективности и высокой надежности, которые подходят для твердотельной лазерной накачки.
ТЕХНОЛОГИИ КОМПОНОВКИ ДЛЯ ВЫСОКОМОЩНЫХ ДИОДНЫХ ЛАЗЕРОВ
Основная структура компоновки диодного лазерного устройства состоит из лазерного чипа, скрепляющего слоя и монтажной подложки. Назначение компоновки состоит в том, чтобы закрепить диодный лазерный стержень на монтажной подложке или на подложке с нанесенной на нее металлизацией для обеспечения механической поддержки, контроля температуры и функциональных соединений. Качество компоновки критично влияет на основные характеристики диодного лазера, такие как температурное поведение, достигаемая выходная мощность, длина волны, спектр, срок службы и даже поляризационные свойства и т. д. [10–12]. Контроль температуры, конструкция и выбор материалов очень важны для рассеивания тепла, снижения напряжения и повышения производительности. Металлизация имеет решающее значение для достижения высококачественной компоновки и долгосрочной стабильности. Подходящий слой припоя и монтажная основа выбираются и оптимизируются в соответствии с требованиями конфигурации.
Проектирование структуры
Структура компоновки диодного лазера влияет на основные характеристики, такие как температурное поведение, выходная мощность и поляризация [13]. При проектировании структуры компоновки следует учитывать монтажный материал, металлизацию, связывающий слой и процесс соединения. Примерная структура компоновки одностержневого диодного лазера, в которой стержень диодного лазера установлен на теплоотводе, показан на рис.1. Теплоотвод может представлять собой материал с охлаждением за счет теплопроводности, например медь, или конструкцию с жидкостным охлаждением, а также охладитель с микроканальным охлаждением. Лазерный стержень установлен на теплоотводе. Для соединения со стержнем из индия, диодный лазерный стержень обычно непосредственно соединен с монтажным теплоотводом припоем из индия, как показано на рис.1 (а). Чтобы повысить надежность и срок службы, в последние годы была разработана технология твердосплавной пайки. В этой структуре компоновки высокомощные диодные лазерные стержни могут быть припаяны к подставке, совместимой по коэффициенту теплового расширения (Coefficiency of Thermal Expansion – CTE), например из медно-вольфрамового сплава (CuW) или керамики. Затем полученный узел припаивается к теплоотводу с использованием других припоев, таких как SnAgCu или AuSn, как показано на рис.1 (b). Одностержневой диодный лазер является базовой структурой, которую можно расширить до различных категорий решеток диодных лазеров, таких как горизонтальные решетки и вертикальные стеки. Горизонтальная решетка компонуется с одностержневым диодным лазером, горизонтально расположенным вдоль охлаждаемой пластины, а вертикальный стек с одностержневым диодным лазером крепится вертикально зажимным приспособлением.
Структура компоновки диодного лазерного стека (G-стек) с охлаждением за счет теплопроводности выполнена иначе, как показано на рис.2 [14]. Стержень диодного лазера зажат в подставке, совместимой по CTE (например, CuW) с твердым припоем (AuSn) для достижения характеристик антитермической усталости, повышенной надежности и более длительного срока службы. Стержни диодного лазера изолируются от охлаждающей пластины (или теплоотвода) изолятором. В качестве изолятора выбирается керамический материал с высокой теплопроводностью. По сравнению с обычным процессом пайки индием, применение твердого припоя для пайки стека диодного лазера значительно повышает надежность и срок службы устройств. В этой конфигурации достигается двухстороннее охлаждение, так как тепло может рассеиваться как через анод, так и через катод монтажной подставки. Структура G-стек может непосредственно использоваться в качестве устройства с одним диодным лазером или может применяться в качестве основного устройства для компоновки как горизонтальных решеток, так и поверхностных решеток.
Контроль температуры
Для проектирования и оптимизации структуры компоновки температурный проект высокомощных лазеров имеет решающее значение, поскольку повышение температуры перехода, возникающее из-за больших тепловых потоков, сильно влияет на характеристики устройства, такие как длина волны, мощность, пороговый ток, эффективность и надежность [15]. Температурные характеристики тесно связаны с компоновкой устройства и материалами припоя. Возможность разработки и использования высококачественных интерфейсов пайки при компоновке лазерных устройств высокой мощности для понимания физики поведения компоновки и интерфейсов и для предотвращения возможных функциональных (оптических) и механических ("физических") отказов имеет очевидное практическое значение. Если накопленное тепло не рассеивается легко, повышенные температуры в месте расположения p-n-соединения отрицательно влияют на выходную мощность, эффективность наклона, пороговый ток и срок службы устройства. Чрезмерное тепло может также вызвать спектральное расширение и сдвиг длины волны. Контроль температуры высокомощными диодными лазерными устройствами становится серьезной проблемой при проектировании, изготовлении и применении лазеров. В общем случае эффективность электрооптического преобразования диодного лазера составляет около 55%, и поэтому 45% электрической энергии преобразуется в тепло вследствие неизлучательной рекомбинации, превращения в джоулево тепло, оптического поглощения и т. д. Чтобы уменьшить повышение температуры в области активного источника, необходимо проанализировать тепловое поведение диодных лазеров с охлаждением за счет теплопроводности и диодных лазеров с жидкостным охлаждением, а также оптимизировать конструкции различных диодных лазеров.
Одностержневые диодные лазеры с жидкостным охлаждением: микроканальный охладитель (МКО) обладает высокой эффективностью рассеивания тепла для высокомощных диодных лазеров, которые могут работать в непрерывном и импульсном режиме с интенсивным рабочим циклом. МКО изготавливается из очень тонкой медной фольги с вырезанными микроканалами, а размер микроканала составляет около сотни микрометров [5, 16]. Структура микроканала может быть оптимизирована для обеспечения эффективного охлаждения и более равномерного распределения температуры. На рис.3 показано распределение температуры, перепад давления и скорость потока высокоэффективного микроканального охладителя.
Температурное поведение одного бара мощностью 80 Вт, составленного из диодных лазеров,излучающих в непрерывном режиме и упакованных с МКО с помощью твердого припоя, показано на рис.4. Температурная мощность моделируемого устройства составляет 80 Вт с потоком 0,3 л/м. Результаты моделирования показывают, что максимальная температура решетки диодного лазера с МКО, припаянным твердым припоем, составляет 45,3 °C.
На рис.5 показана корреляция температуры перехода и выходной мощности высокомощных диодных лазеров при определенном температурном сопротивлении. Для 808-нм диодных лазеров предполагалась степень преобразования электрической энергии в оптическую 52%.
Срок службы высокомощных диодных лазеров в значительной степени зависит от температуры перехода. Для длительного срока службы полупроводникового прибора требуется малая расчетная термостойкость и низкая температура перехода. Если температура перехода диодного лазера ограничена до 40 °C, надежная выходная мощность от компоновки CS (HCS), спаянной твердой пайкой, составляет 60 Вт и может достигать 140 Вт для устройства с микроканальным охлаждением. Поскольку температурное сопротивление HCS составляет около 0,7 К/Вт, а температурное сопротивление МКО обычно ниже 0,3 К/Вт.
Вертикальные стеки с жидкостным охлаждением: на рис.6 показано моделирование характеристик температурного поведения 20-стержневого вертикального стека с микроканальным охлаждением для непрерывного режима [13]. Максимальная температура на охладителе 20-стержневого стека МКО составляет около 37 °C при непрерывном режиме 2000 Вт в устойчивом состоянии. Это способствует хорошей способности рассеивать тепло от структуры компоновки МКО.
Стек диодного лазера с охлаждением за счет теплопроводности (G-стек): стеки диодного лазера с охлаждением за счет теплопроводности в основном работают с низкоинтенсивным рабочим циклом. Переходное температурное поведение G-стека важно для достижения высокой производительности и надежности. Распределение температуры и тепловой поток G-стека диодного лазера мощностью 5000 Вт с 12 стержнями представлены на рис.7 (а) и (b) [17], соответственно. Параметры работы, такие как ширина импульса, рабочий цикл и частота, оказывают большое влияние на характеристики высокомощного диодного лазера. Когда длительность импульса меньше 300 мкс, влияние температуры между двумя соседними стержнями очень мало и не наблюдается "температурных перекрестных помех" между соседними стержнями диодного лазера; с другой стороны, когда время работы превышает 300 мкс, влияние температуры между двумя соседними лазерными стержнями значительно увеличивается.
Металлизация
Металлизация требуется для монтажа подложек, теплоотвода и других деталей при необходимости пайки. Металлизация служит диффузионным барьером и смачивающим слоем между материалом припоя и материалом подложки. Она также предотвращает окисление или воздействие влаги из атмосферы, уменьшает контактное сопротивление, увеличивает прочность пайки и повышает надежность устройства [5]. Для монтажной подложки, к которой непосредственно припаивается диодный лазерный стержень, металлизация обычно более сложная. Металлический слой, нанесенный на поверхность монтажной подложки, состоит из адгезионного слоя, диффузионного барьерного слоя, а также слоя предотвращения смачивания и окисления. Функция адгезионного слоя заключается в обеспечении хорошей адгезии к монтажной подложке и к барьерному слою, который может выдерживать высокие температуры, низкие температуры и цикличность температуры.
Существуют две общие структуры металлизации, используемые при изготовлении высокомощных диодных лазеров, как показано на рис.8. Одна из них – структура Ni/Au, а другая – структура Ti/Pt/Au. Слои металлизации Ni/Au наносятся на части, используемые в компоновке высокомощного диодного лазера, например на монтажную подложку, охладитель, теплоотвод, изолятор и электрод (см.рис.8a). Для последней структуры металлизации титан (Ti) широко используется в качестве адгезионного слоя, поскольку он обладает хорошей адгезией со многими видами металлических материалов, таких как медь, платина и керамика. Диффузионный барьерный слой осаждается на адгезионный слой для предотвращения или замедления диффузии между материалом припоя и связующей подложкой. Хороший барьер предотвращает интерметаллическое образование материала припоя и материалов монтажной подложки. Pt, Ni, W и Cr являются типичным диффузионным барьерным слоем в компоновке диодного лазера. Слой предотвращения смачивания и окисления представляет собой защитный слой, который обеспечивает хорошее смачивание материала припоя и предотвращает воздействие воздуха и окисления на барьерный слой. Слой предотвращения смачивания и окисления обычно расходуется или частично потребляется во время процесса пайки. Au является наиболее распространенным слоем предотвращения смачивания и окисления в компоновке диодного лазера. На рис.8b показана примерная трехслойная структура металлизации.
Связующие материалы
Слой припоя: различные припои, такие как припой из индия и золото-оловянный припой, являются обычно используемыми связующими материалами. Выбор материала припоя обычно обусловлен ограничениями температурного напряжения и температурными механическими характеристиками компоновки или подложки. Если это не важно, то вступают в силу факторы стоимости и окружающей среды. Хотя припой индия обладает пластичной способностью, в последние годы результаты показали, что лазеры, спаянные припоем индия, имеют более низкую надежность, чем устройства, спаянные припоем AuSn, из-за быстрой электромиграции, окисления и температурной усталости. Для некоторых конфигураций требуются лазеры высокой мощности с высокой надежностью и более длительным сроком службы без снижения высокой выходной мощности [18]. Чтобы получить высокую оптическую выходную мощность и повысить надежность, технология пайки твердым припоем становится тенденцией.
Припой AuSn успешно используется для высоконадежного крепления к матрице и беспоточной пайки в процессе компоновки высокомощных диодных лазеров. Припой AuSn обладает хорошей теплопроводностью и электропроводностью, высокой коррозионной стойкостью, отсутствием температурной усталости и возможностью беспоточной пайки. Как правило, рекомендуется использовать состав AuSn в точке эвтектики или вблизи нее с 80 мас.% Au и 20 мас.% Sn.
На рис.9 показаны напряженно-деформированные характеристики припоя индия и золота-олова. Припой AuSn не разрушается быстро от усталостного повреждения и, как правило, не демонстрирует усталости даже при температурном циклировании. Это делает AuSn предпочтительным выбором при использовании диодного лазера в сложных условиях окружающей среды или в импульсном режиме.
В последнее время были разработаны другие связывающие слои для пайки высокомощных диодных лазерных стержней. Паста Наносильвер (Nanosilver), новый материал крепления к матрице, использовалась при компоновке высокомощных диодных лазеров. Результаты испытаний показывают, что паста Наносильвер (Nanosilver) слыла многообещающим материалом крепления к кристаллам в компоновке высокомощного диодного лазера, хотя ее разработка еще находилась в начальной стадии.
Монтажные подложки: характеристики монтажной подложки отличаются в зависимости от разных материалов, и каждый материал имеет свои преимущества в некоторых аспектах. Выбор монтажной подложки обусловлен необходимостью совместимости с CTE чипа диодного лазера и обеспечения высокой теплопроводности для достижения высокоэффективной теплоотдачи и минимизации температуры перехода. В табл. 1 приведена серия широко используемых материалов для изготовления монтажных подложек [19–21].
Медь широко используется в качестве монтажной подложки из-за высокой теплопроводности и электропроводности. Однако из-за несоответствия CTE с GaAs применение меди по-прежнему ограничено в компоновке высокомощных диодных лазеров. CuW, который является металлическим композитом, также широко используется в качестве монтажной подложки благодаря тесной CTE-совместимости с диодной лазерной микросхемой на основе GaAs. Теплопроводность CuW значительно ниже, чем у меди. Для монтажа высокомощных лазерных стержней CuW обычно служит только как буферный слой для снятия напряжений, и он связан с высокой теплопроводностью меди, чтобы увеличить рассеивание тепла. Cu-алмаз предлагает не только более высокую теплопроводность, но также совместим с CTE чипа диодного лазера на основе GaAs. Однако сложный и неотработанный процесс изготовления и высокая стоимость не позволяют сегодня широко использовать этот материал при компоновке высокомощных полупроводниковых лазеров. Нитрид алюминия (AlN) и BeO представляют собой керамические материалы. Их CTE более близки к характеристикам диодного лазера, а теплопроводность материалов достаточна для конфигураций с низкой и средней мощностью. Алмаз можно использовать в высокомощных конфигурациях из-за высокой теплопроводности и высокого электросопротивления. Эти материалы используются в качестве монтажной подложки для диодных лазеров, особенно когда требуется электроизоляция [22].
Процесс пайки
Для компоновки паянного твердым припоем микроканального охладителя (МКО) и высокомощного лазерного стержня проводятся два этапа. Первым шагом является соединение лазерного стержня к подставке, совместимой с CTE, с использованием технологии пайки золотом и оловом. Далее следует второй этап – пайка завершенного лазерного стержня на теплоотвод МКО с использованием другого процесса пайки. Анод (металлизация p-стороны) электрически соединен с теплоотводом МКО, а катод (металлизация n-стороны) электрически соединен с медной N-фольгой. Изолятор впаивается между теплоотводом МКО и медной N-фольгой, как показано на рис.10. Узел требует точного позиционирования, превосходного теплового и электрического контакта и надежных контактных соединений между всеми задействованными компонентами.
Помимо технологии пайки припоем AuSn и индия, новые материалы и процессы изучаются при компоновке высокомощных диодных лазерных стержней. Сообщалось о новой конструкции диодного лазерного стержня с фиксированным зажимом без применения припоя. Модуль включает, по меньшей мере, один зажим для лазерных чипов между электродами, как показано на рис.11 [23].
Процесс соединения стека диодного лазера с охлаждением за счет теплопроводности (G-стек) показан на рис.12. Первым шагом является соединение диодных лазеров и изолятора на подставке, совместимой с CTE, с использованием припоя AuSn. Сложный монтажный инструмент применяется для точного позиционирования всех компонентов при пайке диодных лазеров. Следующий шаг заключается в креплении стека диодного лазера на теплоотводе через второй процесс пайки твердым припоем. Изолятор должен быть двухсторонним металлизированным как для крепления на подложку, так и крепления теплоотвода, с разным слоем припоя [14]. В этой конфигурации тепло может рассеиваться как через анод, так и на катод подставки.
Продолжение следует
ЛИТЕРАТУРА
1. Uwe Brauch, Peter Loosen, Hans Opower. High-Power Diode Lasers for Direct Applications. – Springer-Verlag (Berlin Heidelberg), p.1–2. (2000).
2. Divoky M., Smrz M., Chyla M. et al. Overview of the HiLASE project: high average power pulsed DPSSL systems for research and industry [J]. – High Power Laser Science and Engineering, 2014, 2: e14. .,
3. Brian Faircloth. High-brightness high-power fiber coupled diode laser system for material processing and laser pumping. – Proceedings of SPIE Vol. 4973, pp. 34–41 (2003).
4. Lucianetti A., Pilar J., Pranovich A.et al. Assessment of high-power kW-class single-diode bars for use in highly efficient pulsed solid state laser systems[C]//SPIE LASE. – International Society for Optics and Photonics, 2015, 934811-934811-7.
5. Xingsheng Liu, Wei Zhao, Lingling Xiong, Hui Liu. Packaging of high power diode lasers. – Springer Science+Business Media New York, ISBN978-1-4614-9262-7, 2014.
6. Xiaoning Li, Yanxin Zhang, Jingwei Wang, Lingling Xiong, Pu Zhang, Zhiqiang Nie, Zhenfu Wang, Hui Liu, Xingsheng Liu. Influence of Package Structure on the Performance of the Single Emitter Diode Laser. – IEEE transactions on components, packaging and manufacturing technology, pp. 1592–1600, v 2, NO. 10, October 2012.
7. Jingwei Wang, Lijun Kang, Pu Zhang, Yanxin Zhang, Xingsheng Liu. High Power Semiconductor Laser Array Packaged on Micro-Channel Cooler using Gold-Tin soldering Technology. – Proceedings 82410H (2012).
8. Xiaoning Li, Lijun Kang, Jingwei Wang, Pu Zhang, Lingling Xiong, Xingsheng Liu. High Reliability 20KW QCW Area Array Diode Laser. – Proceedings 82410C (2012).
9. Jingwei Wang, Pu Zhang, Lingling Xiong, Xiaoning Li, Chenhui Peng, Zhenbang Yuan, Lu Guo, Xingsheng Liu. Packaging of High Power Density Double Quantum Well Semiconductor Laser Array using Double-side Cooling Technology. – Proceedings of 12th on Electronic Packaging Technology & High Density Packaging (ICEPT-HDP).
10. Y. Wang, L. Qin, Y. Zhang, Z. H. Tian, Y. Yang, Z. J. Li, C. Wang, D. Yao, H. H. Yin, Y. Liu, L. J. Wang. Packaging-induced strain measurement based on the degree of polarization in GaAsP-GaInP high-power diode laser bars. – IEEE photonics technology letters, 2009, 21(14), pp963–965.
11. K. Boucke. Packaging of diode laser bars. – Springer-Verlag: Berlin Heidelberg, 2007.
12. S. A. Merritt, F. Seiferth, V. Vusirikala, M. Dagenais, Y. J. Chen, D. R. Stone. rapid flip chip die bonding method for semiconductor laser diode arrays. – IEEE1997 Electronic Components and Technology Conference, 1997, pp775–779.
13. Jingwei Wang, Xiaoning Li, Dong hou, Feifei Feng, Yalong Liu, Xingsheng Liu. Advances in bonding technology for high power diode laser bars. – SPIE9346, Components and Packaging for Laser Systems, 934605 (February 20, 2015); doi: 10.1117/12.2079619.
14. Dong Hou, Jingwei Wang, Lei Cai, Ye Dai, Yingjie Li, Xingsheng Liu. High Power Diode Laser Stack Development using Gold-Tin Bonding Technology. – SPIE9346, 934604 (February 20, 2015); doi: 10.1117/12.2079610.
Focuslight Technologies Inc (Focuslight) (Китай) –
это быстроразвивающаяся высокотехнологичная компания, основанная в 2007 году и занимающаяся исследованием, разработкой и производством лазерных диодных систем и высокомощных диодных модулей. Представлены линейки одиночных лазерных диодов для диапазона 808–940 нм и матрицы, построенные на них, работающие при высоких температурах до 74 °C с мощностью до 300 Вт на линейку. Благодаря инженерному опыту разработок в области термодинамики, оптики и механики, Focuslight обеспечивает качественное выполнение таких производственных процессов, как монтаж кристаллов, сборка с коллимацией быстрой оси, оптоволоконное соединение и системная интеграция.
Компания "ОЭС Спецпоставка" представляет весь спектр продукции Focuslight на территории РФ и предлагает наиболее выгодные условия поставки продукции, полную техническую поддержку, а также предоставление образцов.
Высокомощные диодные лазеры, благодаря высокой эффективности электрооптического преобразования, компактным размерам, высокой надежности и длительным срокам службы нашли применение в качестве источников накачки для традиционных твердотельных лазеров с диодной накачкой (DPSSLs) и волоконных лазеров, а также для прямого использования, например обработки поверхности материала, освещения, медицинского лечения, дисплеи и т. д. [1–3]. Накачка твердотельных лазеров является одним из наиболее важных применений высокомощных диодных лазеров. На производительность DPSSLS в значительной степени влияют основные параметры источников накачки диодных лазеров, такие как выходная мощность, длина волны, ширина спектра и качество луча и т. д. Ключевыми преимуществами твердотельных лазеров с диодной накачкой являются: 1) эффективный перенос мощности насоса в усиливающую среду; 2) эффективное поглощение излучения накачки; 3) высокая однородность плотности поглощаемой мощности насоса и 4) высокая прочность в различных условиях работы [4–5]. Поэтому необходимо учитывать выбор источников диодной лазерной накачки с правильной длиной волны, узкой спектральной шириной, правильным распределением пучка и высокой надежностью. Диодные лазеры киловаттного уровня применяются для накачки высокомощных твердотельных лазеров и состоят из нескольких решеток диодных лазеров. Они обычно представляют собой вертикальный стек, горизонтальную решетку или поверхностную решетку. Контроль температуры, процесс компоновки и оптические эффекты существенно влияют на работу диодных лазеров киловаттного уровня. По мере увеличения силы тока и выходной мощности надежность и срок службы высокомощных диодных лазеров становится проблемой, особенно в сложных условиях работы, таких как повторное включение-выключение питания с большой длительностью импульса и интенсивным рабочим циклом. В результате технологии компоновки для решеток высокомощных диодных лазеров становятся критическими.
Развитие технологии компоновки нацелено на улучшение оптической выходной мощности решеток диодных лазеров. Качество технологии компоновки существенно влияет на основные характеристики работы диодного лазера, такие как выходная мощность, длина волны, спектр, срок службы и даже поляризационные свойства. Современные материалы, используемые для соединения стержней высокомощных диодных лазеров, обычно являются припоями из индия и золота-олова, при этом пайка индия остается приоритетным подходом [6–10]. Технология сварки твердым припоем становится общепринятым направлением, обеспечивая большую надежность и более длительный срок службы [5]. В настоящей статье представлены ключевые факторы, такие как контроль температуры, развитие процесса, анализ отказов и оценка надежности при разработке диодных лазеров киловаттного уровня для твердотельной лазерной накачки. В настоящей работе также сообщается о последних достижениях в области компоновки решеток высокомощных диодных лазеров, включая стеки диодных лазеров с охлаждением за счет теплопроводности, стеки микроканальных диодных лазеров с водяным охлаждением и горизонтальные решетки диодных лазеров. Выходная мощность стека диодного лазера, состоящего из нескольких лазерных стержней, может достигать нескольких тысяч ватт в непрерывном режиме и десятки тысяч ватт в импульсном режиме. На основе технологий, рассмотренных выше, изготавливаются и проводятся испытания различных решеток высокомощных лазеров. Результаты показывают, что устройства обладают преимуществами высокой мощности, узкого спектра, высокой электрооптической эффективности и высокой надежности, которые подходят для твердотельной лазерной накачки.
ТЕХНОЛОГИИ КОМПОНОВКИ ДЛЯ ВЫСОКОМОЩНЫХ ДИОДНЫХ ЛАЗЕРОВ
Основная структура компоновки диодного лазерного устройства состоит из лазерного чипа, скрепляющего слоя и монтажной подложки. Назначение компоновки состоит в том, чтобы закрепить диодный лазерный стержень на монтажной подложке или на подложке с нанесенной на нее металлизацией для обеспечения механической поддержки, контроля температуры и функциональных соединений. Качество компоновки критично влияет на основные характеристики диодного лазера, такие как температурное поведение, достигаемая выходная мощность, длина волны, спектр, срок службы и даже поляризационные свойства и т. д. [10–12]. Контроль температуры, конструкция и выбор материалов очень важны для рассеивания тепла, снижения напряжения и повышения производительности. Металлизация имеет решающее значение для достижения высококачественной компоновки и долгосрочной стабильности. Подходящий слой припоя и монтажная основа выбираются и оптимизируются в соответствии с требованиями конфигурации.
Проектирование структуры
Структура компоновки диодного лазера влияет на основные характеристики, такие как температурное поведение, выходная мощность и поляризация [13]. При проектировании структуры компоновки следует учитывать монтажный материал, металлизацию, связывающий слой и процесс соединения. Примерная структура компоновки одностержневого диодного лазера, в которой стержень диодного лазера установлен на теплоотводе, показан на рис.1. Теплоотвод может представлять собой материал с охлаждением за счет теплопроводности, например медь, или конструкцию с жидкостным охлаждением, а также охладитель с микроканальным охлаждением. Лазерный стержень установлен на теплоотводе. Для соединения со стержнем из индия, диодный лазерный стержень обычно непосредственно соединен с монтажным теплоотводом припоем из индия, как показано на рис.1 (а). Чтобы повысить надежность и срок службы, в последние годы была разработана технология твердосплавной пайки. В этой структуре компоновки высокомощные диодные лазерные стержни могут быть припаяны к подставке, совместимой по коэффициенту теплового расширения (Coefficiency of Thermal Expansion – CTE), например из медно-вольфрамового сплава (CuW) или керамики. Затем полученный узел припаивается к теплоотводу с использованием других припоев, таких как SnAgCu или AuSn, как показано на рис.1 (b). Одностержневой диодный лазер является базовой структурой, которую можно расширить до различных категорий решеток диодных лазеров, таких как горизонтальные решетки и вертикальные стеки. Горизонтальная решетка компонуется с одностержневым диодным лазером, горизонтально расположенным вдоль охлаждаемой пластины, а вертикальный стек с одностержневым диодным лазером крепится вертикально зажимным приспособлением.
Структура компоновки диодного лазерного стека (G-стек) с охлаждением за счет теплопроводности выполнена иначе, как показано на рис.2 [14]. Стержень диодного лазера зажат в подставке, совместимой по CTE (например, CuW) с твердым припоем (AuSn) для достижения характеристик антитермической усталости, повышенной надежности и более длительного срока службы. Стержни диодного лазера изолируются от охлаждающей пластины (или теплоотвода) изолятором. В качестве изолятора выбирается керамический материал с высокой теплопроводностью. По сравнению с обычным процессом пайки индием, применение твердого припоя для пайки стека диодного лазера значительно повышает надежность и срок службы устройств. В этой конфигурации достигается двухстороннее охлаждение, так как тепло может рассеиваться как через анод, так и через катод монтажной подставки. Структура G-стек может непосредственно использоваться в качестве устройства с одним диодным лазером или может применяться в качестве основного устройства для компоновки как горизонтальных решеток, так и поверхностных решеток.
Контроль температуры
Для проектирования и оптимизации структуры компоновки температурный проект высокомощных лазеров имеет решающее значение, поскольку повышение температуры перехода, возникающее из-за больших тепловых потоков, сильно влияет на характеристики устройства, такие как длина волны, мощность, пороговый ток, эффективность и надежность [15]. Температурные характеристики тесно связаны с компоновкой устройства и материалами припоя. Возможность разработки и использования высококачественных интерфейсов пайки при компоновке лазерных устройств высокой мощности для понимания физики поведения компоновки и интерфейсов и для предотвращения возможных функциональных (оптических) и механических ("физических") отказов имеет очевидное практическое значение. Если накопленное тепло не рассеивается легко, повышенные температуры в месте расположения p-n-соединения отрицательно влияют на выходную мощность, эффективность наклона, пороговый ток и срок службы устройства. Чрезмерное тепло может также вызвать спектральное расширение и сдвиг длины волны. Контроль температуры высокомощными диодными лазерными устройствами становится серьезной проблемой при проектировании, изготовлении и применении лазеров. В общем случае эффективность электрооптического преобразования диодного лазера составляет около 55%, и поэтому 45% электрической энергии преобразуется в тепло вследствие неизлучательной рекомбинации, превращения в джоулево тепло, оптического поглощения и т. д. Чтобы уменьшить повышение температуры в области активного источника, необходимо проанализировать тепловое поведение диодных лазеров с охлаждением за счет теплопроводности и диодных лазеров с жидкостным охлаждением, а также оптимизировать конструкции различных диодных лазеров.
Одностержневые диодные лазеры с жидкостным охлаждением: микроканальный охладитель (МКО) обладает высокой эффективностью рассеивания тепла для высокомощных диодных лазеров, которые могут работать в непрерывном и импульсном режиме с интенсивным рабочим циклом. МКО изготавливается из очень тонкой медной фольги с вырезанными микроканалами, а размер микроканала составляет около сотни микрометров [5, 16]. Структура микроканала может быть оптимизирована для обеспечения эффективного охлаждения и более равномерного распределения температуры. На рис.3 показано распределение температуры, перепад давления и скорость потока высокоэффективного микроканального охладителя.
Температурное поведение одного бара мощностью 80 Вт, составленного из диодных лазеров,излучающих в непрерывном режиме и упакованных с МКО с помощью твердого припоя, показано на рис.4. Температурная мощность моделируемого устройства составляет 80 Вт с потоком 0,3 л/м. Результаты моделирования показывают, что максимальная температура решетки диодного лазера с МКО, припаянным твердым припоем, составляет 45,3 °C.
На рис.5 показана корреляция температуры перехода и выходной мощности высокомощных диодных лазеров при определенном температурном сопротивлении. Для 808-нм диодных лазеров предполагалась степень преобразования электрической энергии в оптическую 52%.
Срок службы высокомощных диодных лазеров в значительной степени зависит от температуры перехода. Для длительного срока службы полупроводникового прибора требуется малая расчетная термостойкость и низкая температура перехода. Если температура перехода диодного лазера ограничена до 40 °C, надежная выходная мощность от компоновки CS (HCS), спаянной твердой пайкой, составляет 60 Вт и может достигать 140 Вт для устройства с микроканальным охлаждением. Поскольку температурное сопротивление HCS составляет около 0,7 К/Вт, а температурное сопротивление МКО обычно ниже 0,3 К/Вт.
Вертикальные стеки с жидкостным охлаждением: на рис.6 показано моделирование характеристик температурного поведения 20-стержневого вертикального стека с микроканальным охлаждением для непрерывного режима [13]. Максимальная температура на охладителе 20-стержневого стека МКО составляет около 37 °C при непрерывном режиме 2000 Вт в устойчивом состоянии. Это способствует хорошей способности рассеивать тепло от структуры компоновки МКО.
Стек диодного лазера с охлаждением за счет теплопроводности (G-стек): стеки диодного лазера с охлаждением за счет теплопроводности в основном работают с низкоинтенсивным рабочим циклом. Переходное температурное поведение G-стека важно для достижения высокой производительности и надежности. Распределение температуры и тепловой поток G-стека диодного лазера мощностью 5000 Вт с 12 стержнями представлены на рис.7 (а) и (b) [17], соответственно. Параметры работы, такие как ширина импульса, рабочий цикл и частота, оказывают большое влияние на характеристики высокомощного диодного лазера. Когда длительность импульса меньше 300 мкс, влияние температуры между двумя соседними стержнями очень мало и не наблюдается "температурных перекрестных помех" между соседними стержнями диодного лазера; с другой стороны, когда время работы превышает 300 мкс, влияние температуры между двумя соседними лазерными стержнями значительно увеличивается.
Металлизация
Металлизация требуется для монтажа подложек, теплоотвода и других деталей при необходимости пайки. Металлизация служит диффузионным барьером и смачивающим слоем между материалом припоя и материалом подложки. Она также предотвращает окисление или воздействие влаги из атмосферы, уменьшает контактное сопротивление, увеличивает прочность пайки и повышает надежность устройства [5]. Для монтажной подложки, к которой непосредственно припаивается диодный лазерный стержень, металлизация обычно более сложная. Металлический слой, нанесенный на поверхность монтажной подложки, состоит из адгезионного слоя, диффузионного барьерного слоя, а также слоя предотвращения смачивания и окисления. Функция адгезионного слоя заключается в обеспечении хорошей адгезии к монтажной подложке и к барьерному слою, который может выдерживать высокие температуры, низкие температуры и цикличность температуры.
Существуют две общие структуры металлизации, используемые при изготовлении высокомощных диодных лазеров, как показано на рис.8. Одна из них – структура Ni/Au, а другая – структура Ti/Pt/Au. Слои металлизации Ni/Au наносятся на части, используемые в компоновке высокомощного диодного лазера, например на монтажную подложку, охладитель, теплоотвод, изолятор и электрод (см.рис.8a). Для последней структуры металлизации титан (Ti) широко используется в качестве адгезионного слоя, поскольку он обладает хорошей адгезией со многими видами металлических материалов, таких как медь, платина и керамика. Диффузионный барьерный слой осаждается на адгезионный слой для предотвращения или замедления диффузии между материалом припоя и связующей подложкой. Хороший барьер предотвращает интерметаллическое образование материала припоя и материалов монтажной подложки. Pt, Ni, W и Cr являются типичным диффузионным барьерным слоем в компоновке диодного лазера. Слой предотвращения смачивания и окисления представляет собой защитный слой, который обеспечивает хорошее смачивание материала припоя и предотвращает воздействие воздуха и окисления на барьерный слой. Слой предотвращения смачивания и окисления обычно расходуется или частично потребляется во время процесса пайки. Au является наиболее распространенным слоем предотвращения смачивания и окисления в компоновке диодного лазера. На рис.8b показана примерная трехслойная структура металлизации.
Связующие материалы
Слой припоя: различные припои, такие как припой из индия и золото-оловянный припой, являются обычно используемыми связующими материалами. Выбор материала припоя обычно обусловлен ограничениями температурного напряжения и температурными механическими характеристиками компоновки или подложки. Если это не важно, то вступают в силу факторы стоимости и окружающей среды. Хотя припой индия обладает пластичной способностью, в последние годы результаты показали, что лазеры, спаянные припоем индия, имеют более низкую надежность, чем устройства, спаянные припоем AuSn, из-за быстрой электромиграции, окисления и температурной усталости. Для некоторых конфигураций требуются лазеры высокой мощности с высокой надежностью и более длительным сроком службы без снижения высокой выходной мощности [18]. Чтобы получить высокую оптическую выходную мощность и повысить надежность, технология пайки твердым припоем становится тенденцией.
Припой AuSn успешно используется для высоконадежного крепления к матрице и беспоточной пайки в процессе компоновки высокомощных диодных лазеров. Припой AuSn обладает хорошей теплопроводностью и электропроводностью, высокой коррозионной стойкостью, отсутствием температурной усталости и возможностью беспоточной пайки. Как правило, рекомендуется использовать состав AuSn в точке эвтектики или вблизи нее с 80 мас.% Au и 20 мас.% Sn.
На рис.9 показаны напряженно-деформированные характеристики припоя индия и золота-олова. Припой AuSn не разрушается быстро от усталостного повреждения и, как правило, не демонстрирует усталости даже при температурном циклировании. Это делает AuSn предпочтительным выбором при использовании диодного лазера в сложных условиях окружающей среды или в импульсном режиме.
В последнее время были разработаны другие связывающие слои для пайки высокомощных диодных лазерных стержней. Паста Наносильвер (Nanosilver), новый материал крепления к матрице, использовалась при компоновке высокомощных диодных лазеров. Результаты испытаний показывают, что паста Наносильвер (Nanosilver) слыла многообещающим материалом крепления к кристаллам в компоновке высокомощного диодного лазера, хотя ее разработка еще находилась в начальной стадии.
Монтажные подложки: характеристики монтажной подложки отличаются в зависимости от разных материалов, и каждый материал имеет свои преимущества в некоторых аспектах. Выбор монтажной подложки обусловлен необходимостью совместимости с CTE чипа диодного лазера и обеспечения высокой теплопроводности для достижения высокоэффективной теплоотдачи и минимизации температуры перехода. В табл. 1 приведена серия широко используемых материалов для изготовления монтажных подложек [19–21].
Медь широко используется в качестве монтажной подложки из-за высокой теплопроводности и электропроводности. Однако из-за несоответствия CTE с GaAs применение меди по-прежнему ограничено в компоновке высокомощных диодных лазеров. CuW, который является металлическим композитом, также широко используется в качестве монтажной подложки благодаря тесной CTE-совместимости с диодной лазерной микросхемой на основе GaAs. Теплопроводность CuW значительно ниже, чем у меди. Для монтажа высокомощных лазерных стержней CuW обычно служит только как буферный слой для снятия напряжений, и он связан с высокой теплопроводностью меди, чтобы увеличить рассеивание тепла. Cu-алмаз предлагает не только более высокую теплопроводность, но также совместим с CTE чипа диодного лазера на основе GaAs. Однако сложный и неотработанный процесс изготовления и высокая стоимость не позволяют сегодня широко использовать этот материал при компоновке высокомощных полупроводниковых лазеров. Нитрид алюминия (AlN) и BeO представляют собой керамические материалы. Их CTE более близки к характеристикам диодного лазера, а теплопроводность материалов достаточна для конфигураций с низкой и средней мощностью. Алмаз можно использовать в высокомощных конфигурациях из-за высокой теплопроводности и высокого электросопротивления. Эти материалы используются в качестве монтажной подложки для диодных лазеров, особенно когда требуется электроизоляция [22].
Процесс пайки
Для компоновки паянного твердым припоем микроканального охладителя (МКО) и высокомощного лазерного стержня проводятся два этапа. Первым шагом является соединение лазерного стержня к подставке, совместимой с CTE, с использованием технологии пайки золотом и оловом. Далее следует второй этап – пайка завершенного лазерного стержня на теплоотвод МКО с использованием другого процесса пайки. Анод (металлизация p-стороны) электрически соединен с теплоотводом МКО, а катод (металлизация n-стороны) электрически соединен с медной N-фольгой. Изолятор впаивается между теплоотводом МКО и медной N-фольгой, как показано на рис.10. Узел требует точного позиционирования, превосходного теплового и электрического контакта и надежных контактных соединений между всеми задействованными компонентами.
Помимо технологии пайки припоем AuSn и индия, новые материалы и процессы изучаются при компоновке высокомощных диодных лазерных стержней. Сообщалось о новой конструкции диодного лазерного стержня с фиксированным зажимом без применения припоя. Модуль включает, по меньшей мере, один зажим для лазерных чипов между электродами, как показано на рис.11 [23].
Процесс соединения стека диодного лазера с охлаждением за счет теплопроводности (G-стек) показан на рис.12. Первым шагом является соединение диодных лазеров и изолятора на подставке, совместимой с CTE, с использованием припоя AuSn. Сложный монтажный инструмент применяется для точного позиционирования всех компонентов при пайке диодных лазеров. Следующий шаг заключается в креплении стека диодного лазера на теплоотводе через второй процесс пайки твердым припоем. Изолятор должен быть двухсторонним металлизированным как для крепления на подложку, так и крепления теплоотвода, с разным слоем припоя [14]. В этой конфигурации тепло может рассеиваться как через анод, так и на катод подставки.
Продолжение следует
ЛИТЕРАТУРА
1. Uwe Brauch, Peter Loosen, Hans Opower. High-Power Diode Lasers for Direct Applications. – Springer-Verlag (Berlin Heidelberg), p.1–2. (2000).
2. Divoky M., Smrz M., Chyla M. et al. Overview of the HiLASE project: high average power pulsed DPSSL systems for research and industry [J]. – High Power Laser Science and Engineering, 2014, 2: e14. .,
3. Brian Faircloth. High-brightness high-power fiber coupled diode laser system for material processing and laser pumping. – Proceedings of SPIE Vol. 4973, pp. 34–41 (2003).
4. Lucianetti A., Pilar J., Pranovich A.et al. Assessment of high-power kW-class single-diode bars for use in highly efficient pulsed solid state laser systems[C]//SPIE LASE. – International Society for Optics and Photonics, 2015, 934811-934811-7.
5. Xingsheng Liu, Wei Zhao, Lingling Xiong, Hui Liu. Packaging of high power diode lasers. – Springer Science+Business Media New York, ISBN978-1-4614-9262-7, 2014.
6. Xiaoning Li, Yanxin Zhang, Jingwei Wang, Lingling Xiong, Pu Zhang, Zhiqiang Nie, Zhenfu Wang, Hui Liu, Xingsheng Liu. Influence of Package Structure on the Performance of the Single Emitter Diode Laser. – IEEE transactions on components, packaging and manufacturing technology, pp. 1592–1600, v 2, NO. 10, October 2012.
7. Jingwei Wang, Lijun Kang, Pu Zhang, Yanxin Zhang, Xingsheng Liu. High Power Semiconductor Laser Array Packaged on Micro-Channel Cooler using Gold-Tin soldering Technology. – Proceedings 82410H (2012).
8. Xiaoning Li, Lijun Kang, Jingwei Wang, Pu Zhang, Lingling Xiong, Xingsheng Liu. High Reliability 20KW QCW Area Array Diode Laser. – Proceedings 82410C (2012).
9. Jingwei Wang, Pu Zhang, Lingling Xiong, Xiaoning Li, Chenhui Peng, Zhenbang Yuan, Lu Guo, Xingsheng Liu. Packaging of High Power Density Double Quantum Well Semiconductor Laser Array using Double-side Cooling Technology. – Proceedings of 12th on Electronic Packaging Technology & High Density Packaging (ICEPT-HDP).
10. Y. Wang, L. Qin, Y. Zhang, Z. H. Tian, Y. Yang, Z. J. Li, C. Wang, D. Yao, H. H. Yin, Y. Liu, L. J. Wang. Packaging-induced strain measurement based on the degree of polarization in GaAsP-GaInP high-power diode laser bars. – IEEE photonics technology letters, 2009, 21(14), pp963–965.
11. K. Boucke. Packaging of diode laser bars. – Springer-Verlag: Berlin Heidelberg, 2007.
12. S. A. Merritt, F. Seiferth, V. Vusirikala, M. Dagenais, Y. J. Chen, D. R. Stone. rapid flip chip die bonding method for semiconductor laser diode arrays. – IEEE1997 Electronic Components and Technology Conference, 1997, pp775–779.
13. Jingwei Wang, Xiaoning Li, Dong hou, Feifei Feng, Yalong Liu, Xingsheng Liu. Advances in bonding technology for high power diode laser bars. – SPIE9346, Components and Packaging for Laser Systems, 934605 (February 20, 2015); doi: 10.1117/12.2079619.
14. Dong Hou, Jingwei Wang, Lei Cai, Ye Dai, Yingjie Li, Xingsheng Liu. High Power Diode Laser Stack Development using Gold-Tin Bonding Technology. – SPIE9346, 934604 (February 20, 2015); doi: 10.1117/12.2079610.
Focuslight Technologies Inc (Focuslight) (Китай) –
это быстроразвивающаяся высокотехнологичная компания, основанная в 2007 году и занимающаяся исследованием, разработкой и производством лазерных диодных систем и высокомощных диодных модулей. Представлены линейки одиночных лазерных диодов для диапазона 808–940 нм и матрицы, построенные на них, работающие при высоких температурах до 74 °C с мощностью до 300 Вт на линейку. Благодаря инженерному опыту разработок в области термодинамики, оптики и механики, Focuslight обеспечивает качественное выполнение таких производственных процессов, как монтаж кристаллов, сборка с коллимацией быстрой оси, оптоволоконное соединение и системная интеграция.
Компания "ОЭС Спецпоставка" представляет весь спектр продукции Focuslight на территории РФ и предлагает наиболее выгодные условия поставки продукции, полную техническую поддержку, а также предоставление образцов.
Отзывы читателей
