ITTO970921A1 - Laser a diodi di elevate prestazioni e procedimento per il suo montaggio - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dai titolo: "Laser a diodi di elevate prestazioni e procedimento per il suo montaggio"
DESCRIZIONE
Per il montaggio di laser a diodi di elevate prestazioni, é noto il fatto di applicare mediante brasatura delle barre del laser per mezzo di una brasatura morbida, ad esempio una brasatura contenente inaio o stagno-piombo, su di un dispersore termico il quale presenta un coefficiente di dilatazione termica il quale differisce fortemente da quello della barra del laser (1)( 2).
In tal caso si intende con barra del laser una striscia di un materiale semiconduttore che ha normalmente una larghezza di 10 mm, la quale è ripartita ad esempio per mezzo delle cosiddette fosse a forma di V in singoli diodi del laser i quali agiscono dal punto di vis ta ottico e d elettrico come un dispositivo provvisto di una pluralità di diodi singoli dei laser collegati in parallelo, i quali però non sono fisicamente separati gii uni dagli altri. Di conseguenza si intende riferirsi nel seguito con la definizione ''diodi singoli del laser" a diodi dei laserseparati fisicamente gii uni dagli altri, mentre "i singoli diodi dei laser ai una barra" sono diodi del laser collegati fisicamente gli uni agii altri. Le barre del laser presentano un lato provvisto di una drogatura p flato p). sui quale si trovano le regioni attive. Il lato opposto della barra del laser viene indicato come lato n. Con il nome di diodi del laser si intendono degli elementi costruttivi che emettono una luce laser con una cosiddetta "broad area" o con una cosiddetta struttura "arrav" . Si intende con il nome di lasera diodi di elevate prestazioni l'intero dispositivo formato da una barra del laser, un dispersore termico e una zona di contatto del lato n della barra del laser, il quale viene realizzato ad esempio con un coperchio applicato mediante brasatura oppure mediante dei cordoni di giunzione.
Nei noto procedimento di montaggio, avviene una compensazione delle sollecitazioni meccaniche che si originano durante l'operazione di brasatura a causa dei diversi coefficienti di dilatazione termica delie barre laser e del dispersore termico, a causa dello scorrimento plastico della brasatura morbida fi).
In questo caso è in particolare svantaggioso l 'invecchiamento della zona di brasatura provocato dalla formazione di fasi in termetalliche, la formazione di "baffi" e una forte migrazione elettrica in presenza delle elevate densità di corrente che si verificano (3) (7). Ciò comporta nel comportamento a lungo tempo un peggioramento delle caratteristiche elettroottiche e ad una limitazione della durata di impiego di questi tipi di laser a diodi di elevate prestazioni, limitata a qualche migliaio di ore.
Questi inconvenienti possono venire evitati impiegando una brasatura di oro e stagno, la quale presenta una ridotta duttilità alla temperatura ambiente. Impiegando un tal genere di brasatura, avviene però soltanto seguendo quanto è riportato nella Letteratura, una compensazione difettosa delle sollecitazioni meccaniche (.4), il che comporta una rottura (5 ) del materiale del semiconduttore oppure una accelerazione nella degradazione del laser a diodi (3 ) di elevate prestazioni.
di fatto nei caso di tentativi di brasare barre laser su dispersori termici, che hanno un coefficiente di dilatazione termica notevolmente inferiore a quello delle barre laser, sono state rilevate delie micro fessurazioni nella barra laser il che indicava la presenza di sollecitazioni meccaniche estremamelite elevate. Ciò si è potuto confermare mediante calcoli di sollecitazione. Le fessurazioni riscontrate nella, zona attiva del diodo laser ne provocano la rottura.
Secondo un giudizio teorico (8), è possibile aumentare la stabilità meccanica della giunzione mediante riempimento delle fosse a forma di V con la brasatura (.8) In questo modo però non è possibile evitare le sollecitazioni meccaniche.
Il problema delle formazione delle fessurazioni può venire evitato in pratica mediante il montaggio di singoli diodi del laser (9). E' anche ovvio il montaggio di gruppi di diodi laser·, per cui si deve intendere come gruppi una unità fisica formata da una pluralità di singoli diodi dei laser, normalmente da due a cinque diodi sìngoli del laser. A seguito del montaggio dei -diodi singoli dei laser o di gruppi di diodi del laser si verificano però problemi di registrazione a causa delie ridotte dimensioni geometriche, inoltre si riduce la densità ottica di potenza a causa dei vani intermedi necessari tra i singoli diodi del laser oppure i gruppi dì diodi del laser. Inoltre aumenta in modo rilevante il costo di fabbricazione.
Alla base della invenzione sta il problema di migliorare .la potenzialità di un laser a diodi di elevate prestazioni con un dispersore termico, il quale presenta un coefficiente di dilatazione termica inferiore rispetto a quello del laser, e di aumentarne la sua durata di esercizio.
Questo problema viene risolto con un laser a diodi di elevate prestazioni secondo la rivendicazione 1 e con un procedimento per il suo montaggio secondo la rivendicazione 7.
Vantaggiose esecuzioni sono descritte nelle rivendicazioni subordinate.
E' importata per l'invenzione l'esecuzione di definite zone di rottura nominale nelle barre del laser, le quali provocano la rottura della barra del laser a seguito di un raffreddamento dopo ia saldatura mediante brasatura della barra del laser su di un dispersore termico avente un coefficiente di dilatazione interiore, tra i diodi del laser e quindi non nelle zone attive della barra del laser. A seguito del montaggio del laser a diodi dì elevate prestazioni diventano quindi completamente efficaci i vantaggi di una barra laser rispetto ai singoli diodi' dei laser, ossia ìa barra dei laser è piu maneggevole grazie alle sue dimensioni nei riguardi dei singoli diodi del laser e nel suo insieme si deve registrare solamente una volta.
Dal punto di vista del funzionamento viceversa la barra del laser non agisce soltanto nel modo tradizionale ottico-elettrico come un dispositivo formato da singoli dìodi del laser, bensì per mezzo delle rotture, che comportano anche una separazione fisica dei singoli diodi del laser secondo singoli diodi del laser oppure gruppi di diodi del laser, anche dal punto di vista della nica delle sollecitazioni come diodi singoli del laser o gruppi di diodi del laser. Si evita quindi una possibile formazione di fessurazioni nelle regioni attive della barra a diodi del laser. La maggiore densità ottica di potenza e una migliore collimazione di una barra del laser rispetto ad un dispositivo Formato da diodi singoli del laser non viene in tal caso compromessa . Mediante la ripartizione fisica secondo diodi singoli dei laser o gruppi di diodi del laser, è possibile impiegare all'atto del montaggio una brasatura avente una duttilità minore alla temperatura ambiente (brasatura dura ) la quale finora non ha potuto essere impiegata per i motivi già descritti nei montaggio di barre di laser aventi normalmente una larghezza di 10 nm.
Per evitare un danneggiamento delle zone attive della barra del laser, le zone di rottura nominale vengono praticate secondo l'invenzione tra le zone attive, ossia tra i singoli diodi del laser di una barra. Nel caso delle barre laser oggi normalmente impiegate provviste di fosse a forma di V. queste zone di rottura nominale vengono praticate di preferenza come un prolungamento delle fosse a forma di V. Ciò può avvenire sia dal lato p. dal lato n come anche da entrambi i lati, oppure anche già all'atto della operazione di formazione delle stesse fosse a forma di V.
L'esecuzione delle zone di rottura nominale può avvenire ad esempi mediante un attacco chimico reattivo con ioni, rnediante attacco chimico anisotropo a umido, mediatita lavorazione a raggio laser, mediante incisioni o tagli di sega. Eventualmente è già sufficiente la riduzione di sezione della barra laser che si verifica in funzione della produzione per mezzo delle fosse a forma di V per ottenere zone di rottura nominale con un effetto rilevante per l'invenzione.
Per soddisfare il problema secondo l’invenzione.. non è tassativamente necessario separare gli uni dagli altri fisicamente tutti i diodi laser di una barra, ossia separare la barra laser in singoli diodi del laser. Si può anche pensare ad una ripartizione secondo gruppi di diodi del laser. La distanza tra le zone di rottura nominale non dovrebbe però convenientemente essere superiore a 2 rnm .
Par fare in modo che si verifichi la formazione di una rottura in cor rispondenza delle zone di rottura nominale, è necessario che la barra del laser dopo la saldatura con brasatura del dispersore termico venga raffreddata in modo relativamente rapido, ad 'esempio con una velocità di raffreddamento pari a 40 K al minuto fino alla temperatura ambiente. In conseguenza di questo rapido raffreddamento. si formano delle fessurazioni in corrispondenza delle zone di rottura nominale nel materiale semiconduttore della barra laser, per il fatto che le sollecitazioni di trazione indotte termicamente nella barra laser sono dell'ordine di grandezza della resistenza a trazione del materiale del semiconduttore. In questo modo avviene una separazione della barra dei diodo laser in singoli diodi laser oppure secondo gruppi di diodi laser. Dal momento che le fessurazioni si diffondono nelle regioni del materiale del semiconduttore che non sono attive dal punto di vista elettrico e ottico. le fessurazioni non influenzano il funzionamento e la potenzialità del laser' a diodi di elevate prestazioni .
E’ conveniente effettuare successivamente un processo di trattamento termico della barra laser applicata mediante brasatura, a seguito del quale avviene una riduzione delle sollecitazioni meccaniche nelle regioni attive dal punto di vista ottico. Per mezzo dello scorrimento che si verifica nel materiale di brasatura ( "creep") si eliminano le sollecitazioni meccaniche nella giunzione, il che ha un effetto positivo sulle caratteristiche elettro-ottiche dei diodi laser come pure sulla loro durata di esercizio e affidabilità. Contrariamente alla lega di brasatura morbida, lo scorrimento 1 "creep" delle leghe dure come AuSn può essere trascurabile a temperatura ambiente, però è rilevante alla temperature di circa 200 "C (6 }.
E ‘ conveniente che in un primo tempo ia barra laser venga saldata mediante brasatura sul dispersore termico e dopo un corrispondente raffreddamento il quale porta alla rottura in cor rispondenza delle zone di rottura nominale, 11 processo di trattamento termico venga combinato con il processo di brasatura sul secondo lato della barra laser. Ciò può avvenire in modo tale per cui il dispositivo viene riscaldato fino alla temperatura di brasatura sul lato n. per il collegamento del lato n di un coperchio, viene raffreddato di preferenza fino a 190"C e viene mantenuto o alloggiato alcuni minuti alcune ore a questa temperatura. Quanto maggiore è il tempo di trattamento termico, quanto maggiore è la riduzione delle sollecitazioni meccaniche.
E’ particolarmente conveniente che venga impiegato un coperchio provvisto di feritoie sul lato n della barra laser per il contatto. Ciò impedisce ad esempio che il materiale di brasatura dal coperchio penetri nelle fessurazioni prodotte nella barra laser' a seguito del p riino rapioo raffreddamento e danneggi il materiale del semi conduttore .
La soluzione secondo l" invenzione ha il vantaggio che si possono ottenere i valori di durata di funzionamento e di affidabilità noti nel montaggio dei diodi singoli del laser, dovere fare a meno dei vantaggi rivelanti che si possono ottenere con un montaggio delle barre del laser, come l’elevata densità ottica di potenza ed una rapida registrazione di elevata precisione. Un altro vantaggio della soluzione seco rido l'invenzione è la più ridotta possibilità di piegamento della struttura, il che contribuisce a ridurre il cosiddetto "srniles" di laser a diodi di elevate prestazioni.
Una forma di esecuzione vantaggiosa di un laser a diodi di elevate prestazioni secondo l’invenzione è illustrata nella figura 1 e verrà descritta nell'esempio di esecuzione 1.
Esempio di esecuzione 1
Il laser a diodi di elevate prestazioni secondo 1 'invenzione illustrato in Figura 1 formato da una barra i dei laser, da un dispersore termico 5 ii quale è un diamante che è saldato mediante brasatura su di un blocco di raffreddamento in rame non illustrato e da un coperchio 3 applicato mediante brasatura..
Il lato p 4 della barra i del laser viene ripartito secondo fosse a forma di V 5.1, 5.2, 5.3 in singoli diodi 6.1. 6.2, 6.5, 6.4 dei laser, "ra il primo diodo del laser 6.1 e il secondo diodo del laser 6.2 si sviluppa una prima linea di rottura 7.1. Una seconda linea di rottura 7.2 si sviluppa nello stesso modo tra il terz.o diodo dei laser 6.5 e il quarto diodo del laser 6.4. Cosi il primo diodo del laser 6.1 della barra i del laser e effettivamente un diodo singolo del laser, mentre il secondo e il terzo diodo del laser 6.2, 6.3 formano un gruppo di diodi del laser. La barra 1 del laser è collegata sul lato p 4 per mezzo di una lega di brasatura 8 di oro e stagno con il dispersore termico. Il coperchio 3 è provvisto di feritoie 9 almeno sul prolungamento delle linee di rottura 7.1, 7.2.
Verrà descritto nel seguito il procedimento secondo l’invenzione per il montaggio di laser a dìodi dì elevate prestazioni secondo l'invenzione. in base agii esempi di esecuzione da 1 a 8, Esempio di esecuzione 2
in questo esempio di esecuzione, ia barra dei laser viene trattata con un raggio laser sui lato p neìle fosse a forma di V le quali ripartiscono il lato p in una pluralità di regioni attive, le quali agiscono dal punto di vista op to-elett rico come diodi singoli del laser, per cui si verifica una variazione iocaie della struttura. ed eventualmente anche una asportazione di materiale. Successivamente la barra del laser viene saldata mediante brasatura su di un coperchio di rame dorato con il lato m con una lega di brasatura di oro e stagno approssimativamente eutettica. Successivamente sul lato p della barra laser vi è applicato mediante brasatura con una lega di brasatura di oro e stagno approssimativamente eutettica un dispersore termico con un più basso coefficiente di dilatazione termica, ad esempio un diamante metallizzato e il dispositivo viene raffreddato fino alla temperatura ambiente con una velocità di raffreddamento di 40 K al minuto. Durante questa operazione di raffreddamento si verificano forti sollecitazioni di trazione nella barra del laser e le zone che sono stata elaborate con il raggio laser agiscono come zone di rottura nominale, dalle quali partono le fessurazioni che si diffondono attraverso la barra del laser fino all'altro lato della barra del laser. In questo modo la barra del laser viene separata secondo diodi sìngoli del laser oppure gruppi di diodi del laser. Il dispositivo viene successiva inente riscaldato di solito sino a 190"C e viene mantenuta per una ora a questa temperatura. In tal modo si verifica un "scorrimento·' della lega di brasatura, il che provoca una eli m inazione delle sollecitazioni meccaniche nel dispositivo.
Esempio di esecuzione 3
A differenza con il secondo esempio di esecuzione, le zone di rottura nominale vengono ricavate già all'atto della produzione della barra laser, dal momento che le fosse a forma di V vengono praticate sul lato p della barra laser ad una profondità pari ad esempio X 20 micron (maggiore e la profondità altrimenti necessaria per una separazione ottica ed elettrica del lato p), ad esempio mediante un adatto acido ad attacco ionico reattivo. La lega dì brasatura dì oro e stagno approssimativamente eutettica viene ogni volta riportata mediante rivestimento catodico di un sistema a multistrato di oro e stagno sull’altra parte di accoppiamento.
Esempio di esecuzione 4
In un quarto esempio di esecuzione, la barra de.l laser viene provvista sul lato n mediante taglio di sega a diamante e secondo distanze di 2 min. di intagli profondi 25 micron i quali agiscono come zone di rottura nominale a seguito dei raffreddamento a 40 K al minuto. In tal caso gli intagli profondi 25 micron sono disposti ciascuno con precisione davanti ad una fossa ad una forma di V. Per il resto, lo svolgimento del procedimento corrisponde a quello dell'esempio di esecuzione 2. Esempio di esecuzione 5
Nell'esempio di esecuzione 5, vengono ricavate sul lato n della barra del laser mediante attacco zinco anisotropo a umido, delle fosse a distanza di 2 mm l'una dall'altra in modo tale per cui queste fosse si trovano ciascuna con precisione di fronte ad una fossa a forma di V sul lato p. Successivamente la barra del laser viene saldata a brasatura su di un·dispersore termico In diamante provvisto di un sistema multistrato di oro e stagno e viene raffreddato a 40 K al minuto fino a circa 190°C . In corrispondenza delle fosse sul la co n si formano i n tal caso per effetto delle sollecicazioni meccaniche di trazione c he hanno origine all atto del raffreddamento delle microfessurazioni le quali si diffondono attraverso la barra del laser e la ripartiscono secondo diodi singoli dei laser gruppi di diodi del laser. Successivamente questo dispositivo viene trattato termicamente per circa un'ora a circa 190 "C . In questo modo vengono eliminate ìe sollecitazioni meccaniche nel materiale del semiconduttore . Successivamente si effettua la brasatura del coperchio con una lega morbida oppure si realizza il contatto elettrico sul lato n mediante collegamento a filo.
Esempio di esecuzione 6
Questo esempio di esecuzione è analogo all'esempio di esecuzione 5, però il processo di trattamento termico viene effettuato per un'ora a circa 190 “C unitamente alla brasatura del coperchio. Ciò è vantaggioso perchè viene a mancare una operazione dì trattamento termico..
Esempio di esecuzione 7
Questo esempio di esecuz ione può cor risponde re nello svolgimento del suo procedimento a uno a piacere era quelli descritti, viene però impiegato un coperchio provvisto di feritoie, il che ha l'effetto vantaggioso che all'atto della brasatura del lato n il materiale di brasatura non può arrivare dal coperchio negli spazi vuoti. Si evita quindi un danneggiamento del materiale del semiconduttore .
Esempio di esecuzione 8
In questo esempio di esecuzione, un dispersore termico in diamante e il coperchio vengono contemporaneamente collegati e messi in contatto in un unico ciclo di trattamento termico e in una singola operazione di brasatura con la barra del laser .
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1. - Laser a diodi di elevare prestazioni con ona barra dèi laser, formata da una striscia in materiale semiconduttore la quaie è ripartita in modo ottico-elettrico in singoli diodi del laser, con un dispersore termico il quaie presenta un coefficiente di dilatazione molto inferiore a quello del materiale del semiconduttore delia barra del laser e che é collegato per mezzo dì una lega di brasatura con la barra dei laser sui lato p, e con un contatto che é collegato sul lato n con la barra del laser, caratterizzato dal fatto. che la lega di brasatura che collega la barra del laser con il dispersore termico è una lega con una ridotta duttilità alla temperatura ambiente (legatura chiusa) e la barra del laser presenta dopo il montaggio delle rotture tra i singoli diodi del laser in distanze definite e in posizioni determinate, per cui i diodi del laser della barra del laser vengono separati fisicamente gli uni dagli altri secondo singoli diodi del laser e/o gruppi di diodi del laser, per cui non può avvenire alcuna trasmissione di sollecitazioni meccaniche. 2. - Laser a diodi di elevate prestazioni secondo la rivendicazione i . nel quale la ripartizione del materiale del semiconduttore avviene mediante fosse a forma di V, caratterizzato dal fatto che le rotture si sviluppano secondo il prolungamento delle Fosse a forma di V. 5 - - Laser a diodi dì elevate prestazioni secondo la rivendicazione i o 2, caratterizzato dai fatto, che le distanze tra le rotture sono inferiori a 2 mm e il numero dei diodi laser per- ogni gruppo dì diodi laser è a piacere. 4 . - Laser a diodi di elevate prestazioni secondo una delle rivendicazioni da i a 3 , caratterizzato dal fatto, che la lega di brasatura contiene oro e s tagno . 5. - Laser a diodi di elevate prestazioni secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto, che la lega di brasatura è un sisterna stratificato multistrato, il quale dà luogo all '‘atto della brasatura ad una lega di brasatura in oro e stagno. 6. - Laser a diodi di elevate prestazioni secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto . che la zona di contatta è un coperchi, o provvisto di feritoie. 7. - Procedimento per il montaggio di un laser a diodi di elevate prestazioni con una barra del laser', formato da una striscia di m ateriale semiconduttore che è ripartita in modo otticoeisttrico in singoli diodi del laser, da un dispersore termico il quale presenta un coefficiente di dilatazione notevolmente inferiore rispetto al materiale del semiconduttore della barra del laser che è collegato per mezzo di una lega di brasatura con la barra del laser sul lato p e presenta un contatto che è collegato sul lato n con là barra del laser, caratterizzato dalle seguenti operazioni: - produzione di zone dì rottura nominale in corrispondenza di posizioni definite e a distanze determinate tra i singoli diodi del laser applicazione mediante bras atura del dispersore termico per mezzo di una lega di brasatura che a temperatura ambiente ha una ridotta duttilità (legatura) - rapido raffreddamento della barra del laser saldata a brasatura sul dispersore termico, per cui si verifica la rottura della barra del laser in cor rispondenza delle zone di rottura nominale - montaggio della zona di contatto. 8. - Procedimento secondo la rivendicazione 7. caratterizzato dal fatto, che la lega di brasatura contiene oro e s tagno . 9 . - Procedimento secondo la rivendicazione 7, caratterizza to dal fatto, che la lega di brasatura viene applicata come un sistema stratificato multistrato, il quale all'atto della brasatura dà luogo ad una lega di brasatura di oro e stagno nella lega di brasatura risul tante . 10. - Procedimento secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto, che dopo aver prodotto le rotture la barra del laser viene trattata termicamente, ossia ad una temperatura nella quale la lega scorre, viene riscaldata e viene manten a almeno approssimativamente a questa temperatura per un periodo che va da qualche minuto a qualche ora, per cui vengono eliminate le sollecitazioni meccaniche. 1 1 . Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 7 a 10, caratterizzato dal fatto, che le zone di rottura nominale vengono prodotte mediante lavorazione con un caciaio laser. 12 . Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 10. caratterizzato dal fatto. che le zone di rottura nominale vengono prodotte mediante attacco ionico reattivo. to . Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 7 a 10. caratterizzato dal fatto. che le zone di rottura nominale vengono prodotte mediante incisione. 14 . Procedimento secondo una delle rivendicaz ioni da 7 a 10. caratterizzato dal Fatto che. che le zone di rottura nominale venaono prodotte mediante .attacco chimico a umido. 15 . Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 7 a 10, caratterizzato dal fatto, che le zone di rottura nominale vengono prodotte mediante taglio di sega 1ó . Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 7 a 10, caratterizzato dal fatto, che le zone di rottura nominale vengono prodotte già all'atto della produzione della barra del laser, per il fatto che le fosse a forma di. vengono eseguite con una profondità superiore a quella che è necessaria per la loro funzione vera e propria . 17. - Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 7 a 16, caratterizzato dal fatto, che il raffreddamento avviene con una velocità pari almeno a 40 K al minuto fino almeno a 190°C. 18. - Procedimento secondo la rivendicai iurie 10, caratterizzato dal fatto, che il trattamento termico fa parte integrante del raffreddamento, per il fatto che il raffreddamento viene interrotto ad una temperatura alia quale la lega di brasatura è ancora fluida.
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