Thermal and mechanical optimisation of diode laser bar packaging

Scholz, Christian; Poprawe, Reinhart

doi:1976

Thermal and mechanical optimisation of diode laser bar packaging = Thermische und mechanische Optimierung der Diodenlaserbarren Konfektionierung

Scholz, Christian

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christian Scholz

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangIII, 124 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Herstellung und Verlag: Books on demand GmbH

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-05-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-19765
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/52622/files/Scholz_Christian.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Laserdiode (Genormte SW) ; Aachen / Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (Genormte SW) ; Lasertechnologie (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; diode laser (frei) ; packaging (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

Increasing the reliability of high power diode laser bars as a viable photon source in pumping and direct applications is necessary as increased reliability reduces costs and makes diode lasers more attractive for use. High stress levels and high thermal loads are the limiting factors for the lifetime of diode lasers. Large amounts of stress can be caused by the packaging process due to the expansion mismatch of the semiconductor and heat sink materials. Ductile solder is used to compensate for the mismatch. By using an expansion matched submount, a brittle solder such as gold-tin can be used. At the same time, due to the lower thermal conductivity of this expansion matched material, the thermal load increases. Here, the effects of expansion matching work against the reduction of the thermal load. For higher reliability of diode lasers, the packaging induced stress and thermal load need to be reduced.The thermal and mechanical influence of the packaging process on diode laser bars is described. One method to reduce mechanical strain is to use expansion matched heat sinks. To demonstrate this, expansion matched packages using two different types of actively cooled expansion matched heat sinks were developed. The integrated design has the advantage of having low thermal resistance. As the simulated as well as the experimental results show, the expansion mismatch of the expansion matched heat sink is nearly 1 ppm/K, instead of the 10 ppm/K mismatch seen in a conventional copper package. The thermal resistance is 0.55 K/W compared to 0.45 KW seen in the reference copper heat sink. The expansion matched heat sink increases the thermal load when compared with copper heat sinks. Stress measurements show that the stress is also reduced by a factor of 2.5. These results lead to an increase in the lifetime of diode lasers mounted on these expansion matched heat sinks compared to the reference bars packaged on copper heat sinks. The FEM-simulations have been confirmed as accurate, so that this simulation tool can be used to design new types of expansion matched heat sinks with advanced materials such as diamond composites. Another method utilised to reduce mechanical stress, which is also used in standard packages with copper heat sinks, is to optimise the solder layer. The soft and ductile indium solder has the task of reducing the packaging induced stress during plastic deformation. The possibility of reducing stress by adapting the solder metallurgy was investigated in detail. Diffusion takes place during the soldering process which allows all of the gold available in the contact plating of the heat sink and the laser bar to diffuse into the indium solder. There, the brittle AuIn2 intermetallic compound is formed. It is shown that the possibility of plastic deformation decreases with an increase of the intermetallic compound fraction. If the indium layer is thick enough, the intermetallic compound has nearly no influence on the relaxation behaviour of the solder joint. The thermal influence of a thicker solder layer is similar to that of a thin solder layer. Simulations and experiments show that the temperature increases caused by increasing the thickness from 2 µm to 10 µm is less than 1 K. The increased solder thickness is a way to reduce significantly the packaging induced stress for packages on copper heat sinks and has nearly no effect on the thermal behaviour. It was also shown, that a thicker solder layer and expansion matched heat sink can lower packaging induced stress.

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