Diodi Laser (IV)

Montaggio e raffreddamento dei diodi laser

Rif (http://www.torreyhillstech.com/Documents/Laser_package_white_paper.pdf)

(42) I diodi laser non sono acquistati come semplici chip a semiconduttore, ma montati in un contenitore che permette di maneggiarli agevolmente e di accoppiarli ad un sistema di raffreddamento. Sono incorporati anche contatti elettrici attacati al didpositivo.

(43) E' richirsto un inscatolamento del diodo laser per proteggere da qualunque stress meccanico o termico (GaAs è un materiale molto fragile). Il packaging del diodo laser evita la penetrazione di polvere, olio o fumi che possono danneggiare il dipdositivo. Ancora più importante, l'emergere sul mergato di diodi laser di potenza richiede un packaging sofisticato per permettere di disssipare il calore svilippato.

Fig. 11 Integrazione dei monatggi in un diodo laser

(44) Normalmente i cristallo laser è monato su un materiale con coefficiente di espansione termica (CTE) simile. Questo submontaggio serve cone diffusore del calore ed è a sua volta montato sun rappreddatore ettrotemico (TEC) per un trasferimento rapido del calore. L'intero montaggio è poi fissato su uno strato di rame puro o su una lega di rame/tungsteno per didssipazione del calore, come mostrato in fig. 11.

(45) Per aiutare a dissipare il calore, il metodo convenzionale è saldare la barra laser sul dissipatore fatto di rame- Tradizionalmente, viene utilizzata una lega di saldatura a base di Indio, perchè il CTE del rame non si accoppia molyo bene con quello del GaAs. L'Indio presenta maggiore duttilità del rame, fornisce più affidabilità sia in funzionamentp continuo (Coontinous Wave CW) sia in funzionamento pulsato (Quasi (Coontinous Wave QCW).

(46) Con l'avanzare della tecnologia, molte aziende hanno sviluppato diodi laser di potenza più sofisticati e con performance maggiori, funzionanti in modalità CW e QCW e con potenze > 900 W. Tuttavia i sistemi di montaggio non sono cambiati molto in terini di performance di conduzione del calore, resistenza, espansione etc.Sebbene i sottomontaggi di rame offrono una soluzione economica, il disaccoppiamento del CTE del rame e del matriale GaAs rimane un problema che è ingigantito dall'aumento di potenza dei dispositivi. Il problema è dovuto alla tendenza che ha il rame ad espandersi all'aumentare della temperatura, provocando degli stress meccanici sul diodo.

(47) Alternativamente, il rame tungsteno fornisce un CTE minore rispetto al rame puro, pur mantenendo una conduzione termica accettabile. Il rame tungsteno è una lega che contiene normarlmente tra il 10 ed il 50 percento di rame ed il resto è formato da tungsteno. Maggiore è la percentuale di tungsteno, minore è il CTE della lega.

	CuW	AlN	BeO
CTE (ppm/°C)	6,5 – 9,0	4,5	7
Conduttività termica (W/mK)	180 – 230	170 – 200	280
Densità g/cm3	14,9 – 17	3,3	2,9
Informazioni sul materiale	Composto metallico, conduttore elettrico, può funzionare come lato p in una giunzione p-n. Tenace e resistente , il CTE si combina bene con quello del GaAs	Ceramico, isolatore elettrico, buona risposta ad alta frequenza, CTE che si combina bene con quello del InP, facilmente placcabile in oro.	Ceramico, isolatore elettrico, alta conduttività termica, CTE che si combina bene con quello del GaAs, tossico.

Tabella 2 caratteristiche dei materiali per packaging diodi laser

(48) Tipicamente, CuW, AlN e BeO vengono utilizzati come sottomontaggi nei diodi laser. CuW è un metallo composito, mentre AlN e BeO sono ceramiche. La tabella precedente mosttra le caratteristiche di ciascun materiale

Fig. 12 Montaggio c-mount

 (49) Package C-mount (fig. 12 ) Questo tipo di montggio viene utilizzato pe sistemi laser di misura e controllo, e ottica di precisione. Le lunghezze d'onda tipiche sono comprese tra 680 m, e 980 nm, con potenze fino a 7W. Il diodo laser è direttamente sladato sul dissipatore rame tungsteno, che agisce come lato p, el'altro lato del diodo è collegato con un contatto metallico, che rappresenta il catodo. Il foro la centro viene utilizzato per fissare il tutto.

Fig 13 Montaggio TO3

(50) Montaggio TO3 (fig 12).  Il numero di pin può essere fino ad un massimo di 6 o 8. Il materiale di base è CuW o CLS (acciaio laminato a freddo).

Fig 14 Montaggio a farfalla

(51) Montaggio a farfalla - E' il montaggio standard per le trasmissioni ottiche e le pompe a diodo laser. La figur mostra un tipico montaggio a afrafalla con 14 pin in cui il laser è alloggiato in un sottomontaggio in AlN. Questo è a sua volta appoggiato ad un sottomontaggio TEC che è attaccato ad una piastra di base fatta di CuW, Kovar o CuMo.

Fig 15 Montaggio Mini-DIL

(52) Montaggio Mini-DIL - Il montaggio Dual IN LIne (DIL) è utilizzato per applicazioni Telecom e di solito presenta 6 - 8 pin. Il materiale di base può essere CuW, CRS o Allumina.

Fig 16 Montaggio TOSA

(53) Montaggio TOSA - o sottoassemblaggio trasmettitore/ricevitore è utilizzato soprattutto nei tranceiver e transponders per trasmissione dati. La base è fatta tipicamente di CuW per permettere la dissipazione di calore

Fig 17 Montaggio HHL

(54) Montaggio HHL (o High Heat Load) - è lo standard più elevato per il package dei diodi laser. E' progettato per applicazioni di alta potenza e di solito presenta 9 pin. Il materiale di base varia: kovar, CuW o CuMo.

Fig 18 Montaggio ASM

(55) Montsaggio ASM - Laser Array Sub Module. Utilizzato in applicazioni di pompaggio laser con lunghezze d'onda tipiche: 803-808nm, 880nm, 885nm, 940nm (Golden bullet package) 800-1550nm (Silver bullet package) e potenze di uscita 20-40 W continui e 50-300 W pulsato. Esistono design a 1, 2 o 3 barre. La base è solitamente un dissipatore in ceramica mentre i blocchi finali su entrambi i lati sono fatti di CuW per favorire la conduzione termica ed elettrica.