СПОСОБ КОРПУСИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ДИОДА ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ И ЛАЗЕРНЫЙ ДИОДНЫЙ МОДУЛЬ

Предпосылки к созданию настоящей полезной модели
Область техники полезной модели
Настоящая полезная модель относится к технологии изготовления полупроводниковых лазеров, в частности к модулю лазерного диода высокой мощности, характеризующемуся повышенной устойчивостью.
Предшествующий уровень техники настоящей полезной модели
Быстрое развитие технологии полупроводниковых лазеров способствовало использованию лазерных диодов высокой мощности. Постоянная гонка за высокими мощностями лазеров неизбежно влечет за собой необходимость усовершенствовать возможности терморегулирования при создании корпусов, что способствовало бы упрощению выполнения контролируемых операций. Лазерные диоды вырабатывают существенное количество тепла, которое может отрицательно сказываться на их производительности и надежности, поэтому необходимо найти термически эффективное решение корпусирования, которое позволит быстро отводить избыточное тепло, изучаемое лазерным диодом, в окружающее пространство.
В случаях, когда необходима высокая мощность излучения, следует учитывать не только тепловые проблемы, но и механическую целостность соединений в модуле. Таким образом, задача корпусирования усложняется, поскольку описанные далее факторы препятствуют созданию идеальной конструкции корпуса.
bar
sub
cool
bar
sub
bar
sub
sub
bar
cool
sub
bar
sub
sub
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является мощный полупроводниковый лазерный диод, раскрытый в публикации US 2009/0104727 А1, опубл. 23.04.2009. Высокомощный источник лазерного излучения содержит стержни лазерных диодов, плату-носитель, на которую устанавливаются упомянутые лазерные стержни и теплоотвод, на который прикреплена упомянутая плата-носитель. Лазерный стержень имеет первый коэффициент температурного расширения (CTE), плата-носитель имеет второй коэффициент температурного расширения (CTE) и теплоотвод имеет третий коэффициент температурного расширения (CTE), который является более высоким, чем оба упомянутых коэффициента температурного расширения лазерного стержня (CTE) и платы-носителя (CTE). В отличие от обычного подхода, при котором значения CTE и CTE совпадают, второй коэффициент CTE выбран более низким, чем другие два упомянутых коэффициента температурного расширения CTE и CTE. Предпочтительное значение составляет CTE=k*CTE, где 0,4<k<0,9. Плата-носитель может состоять или включать в себя два или более слоя различных материалов, имеющих различные коэффициенты температурного расширения, например: медный слой толщиной приблизительно 10-20 мкм и молибденовый слой толщиной приблизительно 200-300 мкм, в результате коэффициент температурного расширения платы-носителя (CTE) изменяется поперек ее толщины. Альтернативно, плата-носитель может состоять из одного или более однородных материалов с изменяющимся CTE поперек толщины платы-носителя.
На фиг. 1 показан стандартный корпус лазерного диода, в котором отвод тепла, излучаемого лазерным диодом в окружающую среду, достигается за счет крепления диода на подложке. Лазерный диод должен быть закреплен в корпусе наиболее оптимальным образом для обеспечения эффективной отдачи тепла через теплопроводящее соединение. Тонкое теплопроводящее соединение, например мягкий припой, в ходе процесса присоединения кристалла создает эффективный теплоотводящий канал. Глядя на чертеж, можно сказать, что для усовершенствования конструкции корпуса лазерного диода с точки зрения теплоотвода необходимо, кроме прочего, перенести источник тепла, такой как лазерный диод, максимально близко к теплоотводу, максимально уменьшить толщину соединения из мягкого припоя, увеличить теплопроводность материала и создать между лазерным диодом и теплоотводом плотный тепловой контакт.
Теплопроводящие соединения или припои нашли широкое применение во всех деталях лазерных диодов в сборе благодаря своей способности создавать электрический контакт, отводить тепло, а также механической прочности. Припои в целом можно разделить на два типа: твердый и мягкий. В целом, материал для припоя должен:
характеризоваться требуемой рабочей температурой для выполнения высокотемпературных операций;
снижать температурные напряжения, возникающие в результате разницы температурного расширения между лазерным диодом и теплоотводом;
не деформироваться или незначительно деформироваться во время длительных операций;
характеризоваться низким удельным электрическим сопротивлением для крепления кристалла к подложке для уменьшения джоулевой теплоты при высоком инжекционном токе.
Мягкий припой обычно содержит высокое количество свинца, олова и индия и характеризуется очень низким пределом текучести, что приводит к возникновению под напряжением пластической деформации. Способность мягких припоев пластически деформироваться помогает снизить напряжения, развивающиеся в местах соединения. С другой стороны, ввиду этого мягкий припой подвергается термической усталости и разрушению при ползучести, приводя к проблемам с долговременной надежностью.
Обычно, как показано на фиг. 1, для присоединения теплоотвода к керамической подложке используют мягкий припой на основе индия/Sn/Bi и т.д. Коэффициент температурного расширения (КТР) теплоотвода, выполненного, например, из меди, не совпадает с коэффициентом температурного расширения подложки. Повторение цикла включения-отключения генерации лазерного излучения, далее называемого термическим циклом, может привести к возникновению механических напряжений, вызванных разницей КТР теплоотвода и подложки соответственно, приводя к образованию трещин в слое мягкого материала и сдвиговой деформации и т.д. и/или миграции индия. Эти дефекты изначально приводят к повышению температуры диода. Со временем слой мягкого припоя разрушается, приводя к разъединению подложки и теплоотвода и, в конечном итоге, к разрушению лазерного диода от перегрева. Это особенно характерно для лазеров высокой мощности, поскольку в таких лазерах между кристаллом и теплоотводом выполнена большая поверхность контакта, а между циклами включения и отключения наблюдается высокий перепад температур.
С другой стороны, твердый припой характеризуется очень высоким пределом текучести, в результате чего под действием напряжений наблюдается не пластическая, а упругая деформация. Следовательно, твердый припой характеризуется высокой теплопроводностью, не подвержен термической усталости и разрушению при ползучести. К сожалению, температура плавления известных твердых припоев может быть слишком высокой и может нарушать целостность соединения подложки и теплоотвода.
Поэтому существует необходимость в усовершенствовании корпуса лазерного диода, устойчивого к воздействию термического цикла, как следствие, обеспечивающего устойчивый лазерный диодный модуль высокой мощности.
Краткое раскрытие настоящей полезной модели
В соответствии с одним аспектом настоящей полезной модели предлагается корпус лазерного диода, оснащенный двумя дополнительными теплоотводящими слоями, которые расположены между теплоотводом и керамической подложкой. Один из слоев выступает в качестве разделительного слоя между слоем мягкого припоя и слоем твердого припоя и, в свою очередь, соединен с теплоотводом. Разделительный слой изготовлен из материала, КТР которого по существу совпадает с КТР керамической подложки. Соответственно, во время выполнения термического цикла геометрические параметры разделительного слоя и подложки меняются по существу равномерно, максимально уменьшая таким образом растягивающие или сжимающие силы, крайне отрицательно влияющие на слой мягкого припоя. В то же время в случае применения разделительного слоя с раскрытой в настоящем документе конфигурацией действующие силы являются недостаточными для нарушения целостности мягкого припоя.
Слой твердого припоя применяют для соединения разделительного слоя и теплоотвода. Твердый припой практически невосприимчив к неравномерной деформации слоев многослойной структуры из материалов, характеризующихся разными КТР, в данном случае материалов разделительного слоя и теплоотвода соответственно. При этом во время соединения разделительного слоя с теплоотводом высокая температура не влияет на целостность мягкого припоя и кристалла.
В соответствии с другим аспектом настоящей полезной модели корпус содержит слой из высокопластичного однородного металла, который гальванически наносят на керамическую подложку или непосредственно соединяют с ней перед тем, как последняя будет соединена с теплоотводом с помощью слоя мягкого припоя. В отличие от технологий, хорошо известных в уровне техники настоящей полезной модели, для которых характерно использование тонкого слоя металла, толщина которого не превышает 1-2 мкм, толщина металлического слоя предлагаемой структуры составляет по меньшей мере 10 мкм, а его КТР отличается от КТР подложки. Однако пластичность гальванически нанесенного или непосредственно соединенного металлического слоя компенсирует температурные напряжения, а благодаря большей толщине существенно увеличивается срок эксплуатации. Исходя из описанного выше, базовая структура раскрываемого многослойного корпуса лазерного диода выполнена с подложкой, имеющей одну поверхность для установки на нее лазерного диода. Структура дополнительно содержит теплоотвод, направленный к поверхности подложки, противоположной указанной поверхности, и расположенный на расстоянии от нее. Подложка и теплоотвод характеризуются соответствующими коэффициентами температурного расширения (КТР), отличающимися друг от друга. Металлический слой этой структуры нанесен на противоположную поверхность подложки и взаимодействует с ней; его толщина составляет приблизительно сотни микрон. Слой мягкого припоя связывают с металлическим слоем и соединяют с теплоотводом, так что температура p-n-перехода лазерного диода остается по существу постоянной даже через заданное количество повторений термических циклов, по меньшей мере несколько сотен циклов, при перепаде температур ДТ в пределах каждого цикла, превышающем одну сотню °C. Край металлического слоя находится на расстоянии от периферии противоположной поверхности подложки.
В раскрытой выше структуре корпуса p-n-переход работает при температуре, которая через заданное количество повторений термических циклов остается постоянной в диапазоне 0-2°C. Предпочтительно температура p-n-перехода через заданное количество повторений термических циклов остается на уровне ниже 1°C.
Базовая структура корпуса дополнительно содержит разделительный слой, изготовленный из материала, КТР которого совпадает с КТР подложки, и который соединен со слоем мягкого припоя, и слой твердого припоя, расположенный между разделительным слоем и теплоотводом и соединен с ними. Такие дополнительные компоненты действуют таким образом, что заданная температура p-n-структуры, которая находится в диапазоне 0-2°C, предпочтительно ниже 1°C, остается неизменной.
Краткое описание чертежей
Описанные выше аспекты и признаки настоящей полезной модели вместе с другими признаками станут более понятными после прочтения подробного описания, выполненного со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 показан поэлементный вид обычного корпуса лазерного диода;
на фиг. 2А и 2В показаны соответственно поэлементный вид в изометрии и вид сбоку корпуса лазерного диода в соответствии с одним аспектом настоящей полезной модели;
на фиг. 3 показана зависимость изменения температуры p-n-перехода лазерного диода от тепловой нагрузки, действующей на лазерный диод, который находится в корпусе, показанном на фиг. 2А и 2В;
на фиг. 4 показан вид сбоку раскрытого корпуса лазерного диода в соответствии с другим аспектом настоящей полезной модели;
на фиг. 5А показан вид снизу основы во время процесса производства корпуса, показанного на фиг. 4; и
на фиг. 5В показан вид сбоку обработанного корпуса, показанного на фиг. 4.
Подробное раскрытие настоящей полезной модели
Далее будет приведено подробное описание, выполненное со ссылками на варианты осуществления настоящей полезной модели. Там, где это возможно, на чертежах используются одинаковые или похожие ссылочные позиции, а в описании ссылки делаются на одинаковые или похожие элементы или стадии. Чертежи выполнены упрощенно и без соблюдения точного масштаба. Если специально не указано другое, слова и выражения в описании и в формуле полезной модели имеют привычное значение для специалистов в области лазерных диодов и волоконных лазеров. Термин «соединять» и слова с аналогичным смыслом необязательно обозначают непосредственное соединение, они также предполагают механическое и оптическое соединение через свободное пространство или промежуточные элементы.
Терморегулирование, механическое напряжение и дефекты материала, возникающие в процессе установки или корпусирования, представляют крайне важные проблемы, требующие немедленного разрешения для создания надежного и производительного лазера высокой мощности. Помимо рабочей температуры важным фактором, влияющим на старение лазерных диодов, является термомеханическое напряжение. Такие напряжения возникают в ходе корпусирования, а их уменьшение становится возможным благодаря предлагаемым вариантам осуществления структуры, которые подробно описаны далее со ссылкой на фиг. 2-4.
На фиг. 2А и 2В показан один из вариантов осуществления корпуса 20 лазерного диода. Лазерный диод («ЛД») 22 соединен с металлическим слоем, гальванически нанесенным на поверхность подложки 18 для установки диода. Слой 16 мягкого припоя обеспечивает надежный контакт между противоположной металлизированной стороной подложки 18 и разделительным слоем 14. Материал разделительного слоя 14 выбран таким образом, чтобы его коэффициент температурного расширения (КТР) по существу совпадал с КТР подложки 18, а геометрические параметры разделительного слоя 14 были аналогичны геометрическим параметрами подложки 18, толщина которой может составлять порядка нескольких сотен микрон. Вся структура подложки дополнительно соединена с теплоотводом 10 с помощью слоя 12 твердого припоя.
В целом, когда через ЛД 22 проходит ток, его температура увеличивается. Если связь между подложкой 18 и теплоотводом 10 надежная, увеличение температуры будет меньше, поскольку тепло будет отводиться от ЛД; если же связь слабая, увеличение температуры будет больше, поскольку тепло будет накапливаться в кристалле. Обычно материалами, используемыми для изготовления подложки 18 для лазерных диодов высокой мощности, является керамика на основе ВеО и AIN. Теплоотвод 10 обычно изготавливают из меди или другого металла, обладающего тепло- и электропроводностью, близкими по значению к свойствам меди.
Несмотря на подбор материалов для теплоотвода 10 и подложки 18, их соответствующие КТР отличаются. Это может привести к возникновению высоких термомеханических напряжений в мягком припое 16. В качестве пластичного припоя обычно используют свинец, олово, индий и их соответствующие сплавы, такие как сплав индия и олова, которые классифицируются как мягкие припои благодаря своей пластичности. Соответственно, пластичные свойства мягких припоев, таких как индий, позволяют компенсировать несоответствие, вызванное пластической деформацией (ползучесть).
Однако, ввиду повторения термических циклов включения-отключения, каждый из которых длится десятки минут, в соединении из мягкого припоя образуются пустоты. Основной проблемой, вызванной пустотами, является потеря теплопроводности в соединении из мягкого припоя. Пустоты могут создавать зоны максимальных температур, образуя участки с каналами слабого отвода тепла. Соответственно, пустоты в соединении из мягкого припоя не только ограничивают способность отводить тепло, но и ухудшают электрические и механические свойства соединения. Это, в свою очередь, может стать причиной отделения подложки с закрепленным на ней ЛД от остальной части опорной структуры и разрушения ЛД.
Благодаря раскрытой конфигурация удается уменьшить нежелательные напряжения в мягком припое 16 и образование пустот в соединении за счет введения дополнительных промежуточных слоев 14 и 12 соответственно. Слой 14, также называемый разделительным слоем, выбирают таким образом, чтобы его КТР по существу совпадал с КТР подложки 18. Предпочтительно разделительный слой 14 изготовлен из того же материала, что и подложка 18. Таким образом относительное смещение разделительного слоя 14 и подложки 18 во время выполнения термических циклов сводится к минимальному значению. Как следствие, повышается надежность и продолжительность эксплуатации соединения 16 из мягкого припоя по сравнению с мягким припоем, используемым в конфигурации из уровня техники, показанной на фиг. 1.
Конечно, КТР разделительного слоя 14 отличается от КТР теплоотвода 10. В отличие от мягкого припоя твердый припой характеризуется очень высоким пределом текучести, в результате чего под действием напряжений наблюдается не пластическая, а упругая деформация. В лазерных диодах высокой мощности для повышения их надежности обычно используют различные сплавы, содержащие Au-Sn, Au-Ge, Au-Si и т.д., например эвтектический сплав Au80Sn20. Соответственно, в соединении 16 из твердого припоя практически не возникает термическая усталость и разрушение при ползучести, которые хорошо известны специалистам в области полупроводников.
В уровне техники, раскрытом ранее, известны различные конфигурации корпусов. Безусловно, все конфигурации проходят самые строгие проверки. Наиболее часто проверяют, как меняется длина волны излучаемого света в зависимости от тепловой нагрузки через заданное количество повторений термических циклов, которое, как правило, составляет сотни повторений, а иногда достигает более тысячи повторений. В ходе каждого термического цикла перепад температур между максимальным и минимальным значениями температуры превышает 100°C. Зависимость длины волны от увеличения температуры p-n-перехода для каждой рабочей длины волны хорошо известна. Например, для ЛД, излучающего свет на длине волны 970 нм, каждый градус соответствует сдвигу длины волны на 0,3 нм в сторону более длинных волн. Потребляемая мощность, как хорошо известно специалисту в области техники настоящей полезной модели, является функцией инжекционного тока, подаваемого на ЛД, напряжения в последнем за вычетом потерь оптической мощности. Соответственно, изменение температуры в активном соединении является достоверным показателем ухудшения соединения между поверхностью подложки, направленной к теплоотводу, и смежным слоем. В соответствии с вариантом осуществления, показанным на фиг. 2А и 2В, это соединение представляет собой соединение 16 из мягкого припоя.
На данный момент нет никакого универсального предписанного законом стандарта, регламентирующего заданное количество повторений циклов включения отключения, которое было бы достаточным для подтверждения качества корпуса ЛД, поэтому в области полупроводников используют следующую методику. Характеристика соединения p-n-перехода в зависимости от температуры через заданное количество повторений термических циклов, находящееся в диапазоне от 300 до 1000 повторений, считается достоверным показателем качества корпуса.
На фиг. 3 показана температура в активном соединении ЛД 22 в зависимости от тепловой нагрузки через заданное количество повторений циклов включения-отключения. Тепловая нагрузка является функцией инжекционного тока, напряжения в ЛД 22 и потерь оптической мощности. Последние включают большую часть непреобразованной мощности, обычно остающейся в устройстве, как сбросное тепло или потери. Чем меньше потери мощности, тем ниже температура в соединении. Скорость ухудшения рабочих характеристик лазерного диода высокой мощности, как правило, возрастает экспоненциально температуре: чем ниже температура, тем больше срок эксплуатации.
По результатам испытаний видно, что температура p-n-перехода остается по существу постоянной (изменяется в диапазоне 0-0,5°C) при увеличении тепловой нагрузки через 430 термических циклов. И наоборот, в структуре, показанной на фиг. 1, испытанной в таких же условиях, что и корпус согласно настоящей полезной модели, температура возрастает почти на 7,5°C. Эти результаты однозначно демонстрируют улучшенную целостность соединения 18 из мягкого припоя в структуре согласно настоящей полезной модели. Эта структура была испытана в отличающихся условиях, предусматривающих 1000 повторений термического цикла, и также продемонстрировала по существу постоянство температуры p-n-перехода, которая менялась в диапазоне 0-1,5°C в конце испытания. И наоборот, в структуре из уровня техники, показанной на фиг. 1, в конце испытания температура менялась в диапазоне 4-13°C.
На фиг. 4 показан другой вариант осуществления настоящей полезной модели, представляющий собой корпус 30, содержащий теплоотвод 10, непосредственно связанный с подложкой 18 с помощью соединения 16 из мягкого припоя. Однако, в отличие от структуры из уровня техники, показанной на фиг. 1, корпус 30 характеризуется наличием нижней поверхности 32, гальванически покрытой относительно толстым слоем 34 чистого металла. Традиционный способ корпусирования предусматривает выполнение максимально тонкого металлического слоя, толщиной приблизительно 1 мкм. В свою очередь металлический слой 34 структуры в соответствии с настоящей полезной моделью по меньшей мере в 10 раз толще слоя из уровня техники, и его толщина может достигать десятков микрон. Результаты испытаний очень похожи на результаты, показанные на фиг. 3, которые получены для структуры, показанной на фиг. 2А-2В.
Согласно фиг. 5А и 5В обычно перед соединением лазерных диодов с подложкой 18, на основу 40, выполненную из теплопроводящего материала, наносят гальваническое покрытие, а затем делят на несколько подложек 18. Поскольку нижний покрытый металлический слой 34, показанный на фиг. 4, относительно толстый, в результате разрезания основы образуются металлические задиры. Они крайне нежелательны. Способ устранения нежелательных последствий, создаваемых металлическими задирами, раскрыт в находящейся одновременно на рассмотрении заявке 61653083 этих же авторов. В частности, чтобы предотвратить образование задиров, основу 40 обрабатывают таким образом, чтобы на противоположных кромках нижней поверхности каждой отдельной подложки 18 не было соответствующих областей гальванически нанесенного металлического слоя 34.
Хотя настоящая полезная модель была описана со ссылками на примеры исполнения, специалистам в области техники лазерных технологий должны быть понятны различные изменения и/или дополнения к раскрытым выше вариантам осуществления, не выходящие за пределы сути и объема прилагаемой формулы полезной модели.