1. Principio dell'imballaggio della barra laser
L'imballaggio delle barre laser è un processo di integrazione di più barre di diodi laser in un unico pacchetto. Questa struttura di confezionamento è comunemente utilizzata per i laser a semiconduttore ad alta potenza, come l'impilamento verticale (V-stack) e l'array orizzontale (H-array). Lo scopo principale del confezionamento è aumentare la potenza di uscita del laser mantenendo la qualità e la stabilità del raggio.
Durante il processo di confezionamento, le barre dei diodi laser vengono disposte con precisione e fissate su un dissipatore di calore. La funzione del dissipatore di calore è quella di dissipare il calore generato dalle barre del diodo laser per mantenere la temperatura operativa stabile. Inoltre, la struttura dell'imballaggio comprende anche componenti quali elettrodi, elementi ottici e connettori per inviare il laser a dispositivi esterni.
2. Sfide nel processo di confezionamento
Le sfide principali nel processo di confezionamento includono il controllo della posizione ad alta precisione, il controllo della qualità eutettica e il controllo delle curve di temperatura. Queste sfide richiedono attrezzature e tecnologie ad alta precisione da risolvere per garantire la qualità e l'affidabilità della confezione.
In termini di controllo della posizione, è necessario garantire che la posizione e l'angolo di ciascuna barra di diodi laser siano molto precisi per garantire la qualità e la stabilità del raggio. In termini di controllo della qualità eutettica, è necessario controllare la temperatura e il tempo dell'eutettico per garantire che la qualità eutettica tra la barra del diodo laser e il dissipatore di calore sia ottimale. In termini di controllo della curva di temperatura, è necessario garantire che la variazione di temperatura della barra del diodo laser durante il processo di confezionamento soddisfi i requisiti di progettazione per evitare di influire sulle prestazioni del laser.
Il processo di incollaggio è la fase di confezionamento più critica nella produzione di diodi laser. In questo processo, il processo di legame eutettico oro-stagno viene utilizzato per collegare il chip a tubo singolo o barra-barra al substrato del dissipatore di calore. Il legame tra il chip e il substrato del dissipatore di calore è solitamente una lega di oro-stagno (AuSn) che utilizza la tecnologia di collegamento eutettico. I chip HPLD possono essere chip laser a tubo singolo o chip laser barra-barra multi-tubo. Il processo di incollaggio è fondamentale per l'efficienza ottica e l'affidabilità sul campo dei prodotti HPLD. Alcune sfide di questo processo critico sono evidenziate di seguito:
Alta precisione
Il diodo laser ha requisiti di posizione ad alta precisione tra la superficie di emissione della luce del chip a tubo singolo o barra-barra e il bordo del substrato del dissipatore di calore. In generale, il risultato dopo l'incollaggio non dovrebbe presentare alcuna depressione dalla superficie di emissione della luce al bordo del substrato e la sporgenza della superficie di emissione della luce dovrebbe essere inferiore a 5-10μm. A tal fine, la precisione di incollaggio dell'incollatrice dovrebbe essere generalmente inferiore<±2.5μm. The edges of the laser tube die and the substrate may also have a tolerance of <1μm. Therefore, the accuracy of the machine must be <±1.5μm.
Qualità eutettica
Oltre alla precisione della posizione, anche il profilo della temperatura nel processo di rifusione è molto critico per il processo di incollaggio dei diodi laser. Durante il processo eutettico, è necessario prestare particolare attenzione per ottenere un'interfaccia eutettica sottile, uniforme e priva di vuoti tra il chip e il substrato di dissipazione del calore per una dissipazione del calore efficace e uniforme. Ciò richiede che la macchina incollatrice abbia un controllo preciso e uniforme della temperatura di riflusso eutettico su tutta l'area di incollaggio. Il processo di incollaggio HPLD richiede uno stadio di riscaldamento eutettico uniforme programmabile con riscaldamento/raffreddamento rapido e la temperatura durante l'eutettico deve rimanere stabile. La fase di riscaldamento deve inoltre essere dotata di una copertura di gas protettivo per evitare l'ossidazione della superficie eutettica, ottenendo così una buona bagnabilità e formando un'interfaccia priva di vuoti durante il raffreddamento.
Complanarità e assenza di vuoti
As the power of laser diode chips increases, single-tube chips become longer, and the aspect ratio of certain chip sizes becomes larger, such as aspect ratio>10. I diodi laser a barra sono estremamente impegnativi a causa della loro ampia superficie di incollaggio, che amplifica i difetti caratteristici dopo l'incollaggio, come il tasso di vuoto% e l'angolo di inclinazione della barra. Anche l'accurata complanarità tra il chip singolo o a barra del diodo laser e il substrato del dissipatore di calore è fondamentale perché influenza il tasso di vuoti e induce stress. Pertanto, la mancanza di una complanarità accurata può influire sulle prestazioni e sull'affidabilità dei prodotti a diodi laser. Senza un buon controllo della complanarità, la barra può deformarsi a causa dello stress residuo formatosi nella barra dopo la formazione dell'eutettico, che viene spesso definita curva "sorriso" [3]. I chip lunghi possono causare una dissipazione del calore non uniforme, con conseguente stress termico lungo la lunghezza del singolo chip. Durante il riflusso eutettico, dimensioni diverse di chip a barra singola o laser richiedono forze di legame diverse e un controllo preciso della forza.
Mix elevato e produzione rapida
L’industria dei diodi laser è attualmente in uno stato di rapido sviluppo e transizione. A causa della mancanza di standardizzazione, i produttori devono far fronte alla crescente domanda e a situazioni di confezionamento dei prodotti complesse e diversificate. Esistono molte variazioni nei progetti di diodi laser industriali single chip-to-substrate (CoS) e bar-to-substrate (BoS) di diversi fornitori. I design dei pacchetti di diodi laser hanno più forme di confezionamento per adattarsi a diverse applicazioni. Pertanto, la produzione ad alto mix rappresenta un’altra grande sfida nella produzione di diodi laser.
Schema di chip
Per affrontare le sfide di questi processi di posizionamento dei chip nelle applicazioni di diodi laser, i produttori necessitano di una macchina di posizionamento dei chip completamente automatica ad altissima precisione, ad alta velocità e altamente flessibile. I requisiti della macchina includono la precisione<±1.5μm, programmable force control, friction movement in the eutectic phase (micro-movement along X, Y, Z under the action of controlled force) and other features.
3. L'importanza dell'imballaggio della barra laser
L'imballaggio delle barre laser è una delle tecnologie chiave per ottenere laser a semiconduttore ad alta potenza, alta efficienza e alta stabilità. Integrando più barre di diodi laser in un unico pacchetto, la potenza di uscita del laser può essere notevolmente migliorata mantenendo la qualità e la stabilità del raggio. Questa struttura di imballaggio è ampiamente utilizzata nel taglio laser, nella saldatura laser, nella marcatura laser e in altri campi, fornendo un forte supporto alla produzione industriale e alla ricerca scientifica.
In generale, l'imballaggio delle barre laser è una tecnologia complessa e critica, di grande importanza per ottenere laser a semiconduttore ad alta potenza, alta efficienza e alta stabilità. Con il continuo progresso della scienza e della tecnologia, la tecnologia di confezionamento delle barre laser continuerà a svilupparsi e migliorare, fornendo prodotti laser di migliore qualità per una gamma più ampia di applicazioni.
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