Laser bán dẫn công suất cao

Nôi dung
MỞ ĐẦU............................................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO....................................................................2
1.

Khái niệm laser diode công suất cao......................................................................2

2.

Nguyên lý hoạt động cơ bản của laser...................................................................2

3.

Một số cấu trúc cơ bản của laser bán dẫn công suất cao..................................5

4.

Ứng dụng laser diode công suất cao.......................................................................9

CHƯƠNG 2: ĐÓNG GÓI LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO.............................................10
1.

Vai trò của đóng gói laser........................................................................................10

2.

Gắn các thanh Laser Diode......................................................................................10

3.

Kỹ thuật hàn...............................................................................................................12

4.

Thông số đóng gói ảnh hưởng đến tuổi thọ và độ tin cậy..............................13

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM ĐÓNG GÓI LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO..............15
1.

Các linh kiện cần thiết.............................................................................................15

2.

Thiết bị và dụng cụ thực nghiệm..........................................................................17

3.

Các bước tiến hành đóng gói laser........................................................................18

4.

Định vị các chi tiết của module laser diode công suất cao..............................24

5.

Đóng vỏ cho module laser diode công suất cao..................................................25

6.

Khảo sát các thông số của module laser diode công suất cao........................26

KẾT LUẬN..................................................................................................................................... 27
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................ 28

1


Danh mục hình ảnh
Hình 1: (a) Laser chuyển tiếp đồng chất. (b) Laser với chuyển tiếp dị chất kép.............3
Hình 2: Cấu trúc buồng công hưởng......................................................................................3
Hình 3: Đô rông vùng cầm của vật liệu bán dẫn nhóm III-V..............................................4
Hình 4: Sơ đồ mức năng lượng của cấu trúc giếng lượng tử InGaAs..................................4
Hình 5: Vật liệu cho cấu trúc giếng lượng tử........................................................................5
Hình 6: Cấu trúc laser công suất cao điển hình.....................................................................5
Hình 7: Sơ đồ của môt laser taper với ống dẫn sóng sườn để lọc chế đô.........................7
Hình 8: Cấu trúc laser mảng công suất cao...........................................................................8
Hình 9: Sơ đồ cấu trúc của môt ngăn laser diode. Các bô phát được thể hiện bằng màu
xanh lam và bô làm mát có màu xám đen...............................................................................8
Hình 10: Hình ảnh của môt ngăn xếp diode ngang chứa 12 thanh laser............................9
Hình 11: Thanh laser trực tiếp gắn vào tản nhiệt bằng cách sử dụng hàn mềm............11
Hình 12: Đế được điều chỉnh hệ số CTE cho thanh laser gắn với hàn cứng....................11
Hình 13: Dụng cụ kẹp với tản nhiệt kim loại, thanh laser và tấm tiếp xúc .....................12
Hình 14: Mẫu cặn kết tủa.....................................................................................................14
Hình 15: Sự sai hỏng di xuất hiện những lỗ rồng bọt khí..................................................14
Hình 16: (a) Đế gia nhiệt (b) Hình ảnh khi hoàn thành công đoạn hàn ...........................19
Hình 17: West bond 7400C version 2.8................................................................................19
Hình 18: Sơ đồ hệ đo các đặc trưng quang điện của laser và module laser diode CSC..20
Hình 19: Sơ đồ hệ đo các đặc trưng phổ của laser diode CSC..........................................20
Hình 20: Đặc trưng phân bố trường xa của chip laser 940 nm tại dòng bơm 2,0 A, đo t ại
nhiệt đô đế 25°C: a) hướng song song với chuyển tiếp; b) hướng vuông góc với chuyển
tiếp...........................................................................................................................................21

Hình 21: Đặc trưng công suất quang – dòng bơm (P-I) vào nhiệt đô của chip laser 940
nm............................................................................................................................................21
Hình 22: Hệ phóng hồ quang cao áp.....................................................................................22
Hình 23: Hình ảnh của laser sau khi cố định sợi quang.....................................................23
Hình 24: Cấu hình của module laser công suất cao với các chi tiết cần định vị bên trong
module.....................................................................................................................................24
Hình 25: Kết nối điện của chốt cấp dòng SMA với chíp laser..........................................25
Hình 26: Module laser diode hoàn chỉnh sau đóng vỏ........................................................25
Hình 27: Đặc trưng P-I của module laser.............................................................................26
Hình 28: Đô ổn định của công suất quang theo thời gian tại dòng bơm I= 1,67 A.........26
Hình 29: Đặc trưng phân bố trường xa của chip laser 940 nm.........................................26

2


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây laser bán dẫn công suất cao phát đ ược nghiên
cứu trong nhiều phòng thí nghiệm về quang tử trên thế giới cũng nh ư đang
được triển khai ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như phục v ụ nghiên
cứu khoa học, trong công nghiệp, y tế và an ninh quốc phòng.
Các laser bán dẫn công suất cao hiện nay được chế tạo chủ y ếu trên cơ s ở
cấu trúc giếng lượng tử ở vùng tích cực (vùng xảy ra dao đ ông laser). Vùng
tích cực thường gồm nhiều lớp giếng lượng tử với đô dày khoảng vài tới vài
chục nano mét. Laser bán dẫn công suất cao có m ôt số nh ững cấu trúc đi ển
hình như dải rông, vuốt thon hay cấu trúc dạng mảng (laser array) và c ấu
trúc dạng xếp ngăn (laser stack).
Từ cấu trúc laser diode, ta phải trải qua quá trình đóng gói, k ết n ối các
thành phần quan trọng để tạo thành môt module laser công suất cao hoàn
chỉnh. Quá trình đóng gói có những công đoạn cần thi ết đ ể đ ảm b ảo cho quá
trình hoạt đông của laser làm việc ổn định, đạt hi ệu suất cao và kéo dài tu ổi

thọ. Bên cạnh việc thiết kế cấu trúc bên trong của từng thành ph ần laser
diode nhỏ thì chất lượng của quá trình đóng gói cũng sẽ quy ết đ ịnh ch ế đ ô
hoạt đông và đặc tính chùm tia phát ra của laser, cũng nh ư chi ếm ph ần l ớn
giá thành trong việc sản suất môt laser diode hoàn chỉnh.
Nhận thấy tầm quan trọng của quá trình đóng gói, chúng tôi đã có quá
trình nghiên cứu, làm việc thực tế với quá trình đóng gói laser bán d ẫn công
suất cao. Và chúng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc TS. Nguy ễn Thanh Ph ương
đã hết lòng giúp đỡ, hướng dẫn chúng tôi thực hiện đê tài nghiên cứu này! Xin
trân thành cảm ơn Viện Hàn Lâm Khoa Học Và Công Ngh ệ Vi ệt Nam đã t ạo
điều kiện, cung cấp trang thiết bị phục vụ quá trình nghiên cứu!
Đề tài đóng gói laser bán dẫn công suất cao của chúng tôi sẽ đ ược trình
bày như sau:
Mở đầu.
Chương 1: Giới thiệu về laser bán dẫn công suất cao.
Chương 2: Đóng gói laser bán dẫn công suất cao.
Chương 3: Thực nghiệm đóng gói laser bán dẫn công suất cao.
1


Kết luận.

CHƯƠNG 1: LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO

1. Khái niệm laser diode công suất cao
Đã hơn 40 năm kể từ khi laser bán dẫn ra đới, rất nhiều nghiên cứu đã
được thực hiện nhằm nâng caao công suất và mở rông vùng b ước sóng phát.
Với lợi thế nhỏ gọn, hiệu suất cao và thời gian s ống l ớn, laser siode có kh ả
năng thay thế phần lớn các laser khác trong các ứng dụng khoa h ọc và tr ở
thành cầu nối giữa các hệ điện tử và thông tin liên l ạc. Ph ần l ớn các ứng
dụng đều nhằm duy trì công suất ra và chất lượng chùm tia theo th ời gian.

Trong bài luận này. Chúng ra đi vào tìm hiểu và nghiên cứu môt s ố c ấu trúc
của laser diode công suất cao và công nghệ đóng gói chúng.
Trong thực tế không có quy định rõ ràng gi ữa laser diode th ường và laser
diode công suất cao, nó phụ thuôc vào loại laser và ứng d ụng cho m ục đích gì
mà nó được thiết kế cho phù hợp. Nói chung, đối với các loại laser tần s ố đ ơn,
laser đơn mode liên tục có công suất 50 mW trở lên và các laser đa mode d ải
rông, mảng laser có công suất lớn hơn 50 mW thì gọi là laser diode công su ất
cao. Mặc dù các laser diode công suất cao có thể phát ra công su ất đ ỉnh lên
đến vài kW ở chế đô xung, nhưng năng lượng xung bị giới hạn nhỏ hơn rất
nhiều so với các loại laser rắn khác do th ời gian s ống c ủa h ạt t ải diode ng ắn
(cỡ vài ns).

2. Nguyên lý hoạt động cơ bản của laser
Laser hoạt đông dựa trên hai điều kiện là kích thích phát xạ của môi
trường khuếch đại và phản hồi quang học trong buồng công hưởng quang
học. Ngưỡng hoạt đông của laser xác định được khi khuếch đại l ớn h ơn m ất
mát trong buồng công hưởng quang học.
a)
Khuếch đại quang trong laser bán dẫn
Laser bán dẫn có thể được kích thích bởi các photon có đủ năng l ượng
hoặc bằng các chùm electron. Cách bơm laser diode bán d ẫn b ằng cách s ử
dụng dòng điện vẫn chiếm lợi thế. Điều kiện khuếch đại là tồn tại tr ạng thái
đảo mật đô: mức năng lượng Efc nằm trên mức năng lượng Ec và mức năng
lượng Efv nằm dưới mức năng lượng E v. Đô pha tạp phải lên đến 10 18-1019 cm-3
để photon tạo ra vượt qua tổn thất, mất mát.

2


Để khuếch đại ta cấp điện áp phân cực thuận cho laser, sẽ tạo dòng phun

điện tử e- từ bán dẫn loại n và phun dòng lỗ trống h + từ bán dẫn loại p, mật
đô dòng tăng dẫn đến xác suất tái hợp điện tử lỗ trống và phát ra laser.

Hình 1: (a) Laser chuyển tiếp đồng chất. (b) Laser với chuyển tiếp dị chất kép

b)

Cấu trúc buồng công hưởng

Bô công hưởng quang của laser diode bán dẫn bao gồm cấu trúc ống d ẫn
sóng giữa các gương được tạo bởi mặt tinh thể (Hình 2).

Hình 2: Cấu trúc buồng cộng hưởng

3


Những mặt tinh thể này được tráng để đạt được đô phản xạ tối ưu,
vuông góc với tiếp giáp p-n. Phương thức phân bố cường đô và số mode được
xác định bởi đô dày và thành phần của các lớp vật liệu.

c)
Vật liệu chế tạo và cấu trúc giếng lượng tử
Bản chất của laser bán dẫn là lớp tiếp xúc p-n. Khi cặp đi ện tử-l ỗ tr ống
tái hợp sẽ phát ra photon. Năng lượng photon sinh ra hay b ước sóng phát ph ụ
thuôc vào đô rông vùng cấm của vật liệu chế tạo. Vật liệu được sử dụng là
vật liệu bán dẫn có vùng cấm thẳng. Vật liệu đặc trưng là nhóm v ật li ệu III-V.
Các laser bán dẫn công suất cao phát ra trong vùng b ước sóng 0,7-1,0 µm,
thường được thực hiện trên GaAs và các hợp kim được kết hợp với GaAs.

Hình 3: Độ rộng vùng cầm của vật liệu bán dẫn nhóm III-V

Cấu trúc laser bán dẫn trước kia được chế tạo theo cấu trúc chuy ển ti ếp
đồng chất. Hiện nay, công nghệ chế tạo màng mỏng phát tr ển , người ta áp
dụng cấu trúc giếng lượng tử hay chấm lượng tử. Cấu trúc này đạt được bằng
cách phủ chồng các lớp vật liệu bán dẫn có đô rông vùng cấm khác nhau.
Ví dụ như hình dưới, giếng lượng tử bao gồm InGaAs, được bao b ọc trong
AlGaAs có đô rông vùng cấm lớn hơn nhưng có hằng s ố mạng g ần tương
đương.

4


Hình 4: Sơ đồ mức năng lượng của cấu trúc giếng lượng tử InGaAs

Sử dụng vùng hoạt đông là giếng lượng tử sẽ có những ưu điểm:
Vì đô rông vùng cấm tăng bên ngoài giếng lượng tử (QW) nên ch ỉ
có vùng QW mới được bơm để tạo trạng thái đảo mật đô. Do vùng này r ất bé
nên mật đô dòng tiêm vào giảm khoảng ba bậc đô lớn so với laser khác.
Hiệu suất tái hợp điện tử lỗ trống tăng lên đến 90% và có th ể đ ạt
đến 100% nếu được chế tạo với vật liệu có chất lượng cao.
Giếng lượng tử là môt lớp có đô dày khoảng 10nm. Các l ớp mỏng
như vậy cho phép các thành phần vật liệu có hằng s ố mạng không c ần kh ớp
hoàn toàn với GaAs. Bằng cách thay thế môt phần gallium bằng indium, ph ạm
vi bước sóng có thể tăng lên tới 1100nm. Hay có thể thay th ế Asen b ằng Ph ốt
pho, phạm vi bước sóng có thể được mở rông xuống tới 730nm.

Hình 5: Vật liệu cho cấu trúc giếng lượng tử

3. Một số cấu trúc cơ bản của laser bán dẫn công suất cao

5


a)

Cấu trúc buồng công hưởng rông (Large Optical Cavity). Laser BA

Cấu trúc dẫn sóng của lớp lõi có chiết suất cao h ơn chi ết suất của l ớp v ỏ.
Miền tích cực được tạo ra trong lớp lõi thường là môt hoặc nhi ều gi ếng lượng
tử.

Hình 6: Cấu trúc laser công suất cao điển hình

Cấu trúc buồng công hưởng rông (LOC) với lớp dẫn sóng được mở rông
dẫn đến trường gần có phân bố xấp xỉ dạng gauss. Trong trường hợp này
thừa số giam giữ quang và mật đô công suất bề mặt là nhỏ nhất. H ơn nữa
phân bố cường đô có dạng tù hơn, năng lượng được truyền trong lớp vỏ là rất
nhỏ, bởi vậy lớp vỏ có thể được pha tạp tương đối mạnh và được ch ế t ạo có
kích thước mỏng. Điều này dẫn đến nhiệt trở là nhỏ. Suy giảm thấp cho phép
chúng ta chế tạo buồng công hưởng dài trong dải 2 mm mà vẫn gi ữ đ ược
hiệu suất ngoại cao. Sự phân kỳ theo phương thẳng đứng là do s ự chênh l ệch
chiết suất giữa lớp vỏ và lớp dẫn sóng. Môt cấu trúc dẫn sóng khả thi ph ụ
thuôc vào thành phần vật liệu và đô dày của các l ớp epitaxy tạo thành l ớp
dẫn sóng cũng như các lớp vỏ.
Laser BA là laser phát cạnh, vùng phát ở mặt trước có hình dải rông. Do
sự bất đối xứng của vùng phát, tính chất chùm theo hai hướng là khác nhau:
Đô lớn theo hướng thẳng đứng là đủ nhỏ cỡ môt vài µm để tạo được sự
dẫn đơn mốt. Do khẩu đô số nhỏ, sự phân kỳ theo hướng này là tương đối
nhanh nên trục theo hướng này còn được gọi là trục nhanh (fast axis).
Theo hướng ngang, đô rông dải có thể là 50, 100, 200 μm thậm chí là lớn

hơn nên ánh sáng được phân bố qua nhiều mode không gian theo hướng này.
Kết quả sự phân kỳ theo hướng này là nhỏ hơn so với hướng th ẳng đứng
(thông thường là 5-10o FWHM).

6


b)

Laser bán dẫn cấu trúc Taper

Ngày nay, laser diode dải rông được sử dụng để đạt được công suất đầu
ra cao. Nhưng các thiết kế ống dẫn sóng dải rông tiêu chuẩn dễ b ị m ất ổn
định, tạo sợi và hư hỏng gương quang học (COMD). Điều này dẫn đến chất
lượng và đô lớn của chùm tia thấp, với cường đô giới hạn trong khoảng 1 ×
107 Wcm-2sr-1. Mặt khác, chất lượng chùm tia cao được tạo với các tia laser
phát ra trong chùm tia quang học giới hạn nhiễu xạ. Do chi ều r ông s ọc nh ỏ
chỉ môt vài micron, công suất đầu ra thường bị giới hạn ở khoảng 700 mW,
dẫn đến cường đô dưới 7 × 107 Wcm-2sr-1.

Hình 7: Sơ đồ của một laser taper với ống dẫn sóng sườn để lọc chế độ

Rất nhiều giải pháp khác nhau đã được đề xuất trong vài năm qua đ ể
khắc phục những vấn đề này và để đạt được công suất đầu ra cao cùng v ới
chất lượng chùm tia cao. Các thiết bị taper, laser phản hồi phân tán (DFB) và
bô khuếch đại công suất dao đông tổng thể (MOPAs) đã được chứng minh, và
tất cả chúng đều có thể tạo ra công suất đầu ra tốt trên 1W cùng v ới ch ất
lượng chùm tia cao. Trong số này, các thiết bị dựa trên các phần khu ếch đ ại
theo chiều ngang trong các phần kết hợp với ống dẫn sóng nhọn (Taper laser)
được mô tả trong hình.

Buồng công hưởng của laser Taper được chế tạo có cấu trúc mặt laser lối
ra có diện tích lớn làm giảm được mật đô công suất quang trên b ề m ặt laser.
Ví dụ như hình trên, cấu trúc laser taper có chi ều dài L1 của ph ần dao đ ông là
500 µm, góc taper 6◦ cùng với chiều dài phần taper L2 là 2 mm dẫn đến khẩu
đô phát ra W2 khoảng 200 μm. Các mặt được phủ màng chống ph ản xạ
(R=0.05%) và màng phản xạ cao (R= 90 %) đ ể đạt được công su ất tối đa ở
mặt chống phản xạ.
7


c)

Cấu trúc array (dạng mảng)

Nếu ứng dụng yêu cầu công suất vượt quá vài watt, thì ph ải k ết h ợp đ ầu
ra của nhiều bô phát laser. Cấp đô tiếp theo trong hệ th ống phân c ấp năng
lượng laser là mảng laser, là môt dãy gồm 10 đến 50 laser đa mode song song
được tích hợp vào môt chip đơn. Kích thước mảng tiêu chuẩn có chi ều r ông
từ 1 cm đến 500 cm. Môt mảng đơn có thể phát ra công su ất trung bình từ 20
đến 60 W khi hoạt đông sóng liên tục (CW) hoặc công su ất cực đ ại trên 100
W khi hoạt đông ở chế đô xung.
Ứng dụng phổ biến nhất của laser dạng mảng là b ơm laser tr ạng thái
rắn. Do đó, các bước sóng yêu cầu bởi các tinh th ể laser khác nhau. Ph ổ bi ến
nhất là 808nm, được sử dụng để bơm Nd: YAG. Những loại khác bao gồm 785,
792, 915 và 940 nm.

Hình 8:
laser
suất cao

Cấu trúc
mảng công

d)
stack
xếp ngăn)

Cấu
(cấu

trúc
trúc

Ta vẫn có thể đạt được công suất cao hơn bằng cách gắn các mảng laser
thành dạng ngăn xếp, cách sắp xếp phổ bi ến nhất là môt ngăn x ếp th ẳng
đứng. Thực tế, đây là môt mảng hai chiều của các bô phát cạnh, trong đó t ất
cả các thanh được điều khiển nối tiếp. Cấu trúc xếp thanh cung cấp mật đ ô
năng lượng cao. Do các thanh được mắc nối tiếp nên môt thanh 40 W sẽ c ần
40 đến 50 A dòng điện ở điện áp khoảng 2 V, trong khi cấu trúc stack nhi ều
thanh yêu cầu điện áp lớn hơn nhưng có các yêu cầu dòng điện gi ống nh ư
môt thanh duy nhất.
Các ngăn diode có thể cung cấp công suất đầu ra cực cao hàng trăm ho ặc
hàng nghìn watt, có thể sử dụng để bơm các laser trạng thái r ắn công su ất
cao hoặc được sử dụng trực tiếp trong nhiều lĩnh vực.

8


Hình 9: Sơ đồ cấu trúc của một ngăn laser diode. Các bộ phát được thể hiện bằng màu
xanh lam và bộ làm mát có màu xám đen

Để có chất lượng chùm tia cao nhất, các thanh diode phải càng gần nhau
càng tốt. Mặt khác, làm mát hiệu quả đòi hỏi môt s ố đ ô dày t ối thi ểu c ủa các
bô tản nhiệt cần được gắn giữa các thanh. Do khoảng cách của b ô tản nhi ệt
đó, chất lượng chùm tia của đầu ra kết hợp của môt ngăn diode theo hướng
dọc thấp hơn nhiều so với môt thanh diode.
Ngoài ra còn có các ngăn xếp ngang, trong đó các thanh diode đ ược s ắp
xếp cạnh nhau, dẫn đến môt dãy các bô phát tuyến tính dài. Sự s ắp xếp như
vậy dễ dàng được làm mát hơn, và do đó cũng có th ể cho phép công su ất đ ầu
ra cao hơn trên mỗi bô phát.

Hình 10: Hình ảnh của một ngăn xếp diode ngang chứa 12 thanh laser

4. Ứng dụng laser diode công suất cao
Laser diode trong dải công suất của môt vài mW đã xuất hiện trong nhi ều
thập kỷ và ứng dụng của chúng trong viễn thông dựa trên s ợi quang, thi ết b ị
CD-DVD và máy quét mã vạch. Laser diode công su ất cao trong ph ạm vi hàng
chục watt đã được giới thiệu vào cuối những năm 1990 và các đặc tính c ực kỳ
hứa hẹn của chúng vượt quá mong đợi của chúng tôi cho các ứng dụng công
nghiệp trong tương lai trong sản xuất. Các ứng dụng đầu tiên trong hàn
polymer được thể hiện trong phòng thí nghiệm, và những giới thiệu quy mô
lớn đầu tiên cho các ứng dụng công nghiệp cũng được hi ện th ực hóa vào th ời
điểm đó.
9


Sau nhiều năm nghiên cứu và phát triển, hiện nay laser diode công su ất
cao có tiềm năng ứng dụng rông lớn. Trong các quy trình s ản xu ất nh ư hàn
kim loại, hàn, nối polymer, cắt và xử lý bề mặt. Ngoài ra, có th ể dùng laser
diode công suất cao để bơm laser khí hoặc laser rắn.

Trong y tế, laser bán dẫn công suất cao được ứng dụng để phẫu thu ật,
thẩm mỹ, cắt khối u, trị ung thư và có thể chữa trị môt số bệnh ngoài da.
Trong nghiên cứu vũ trụ, sử dụng theo các hướng áp dụng nh ư: Đo những
khoảng cách cực lớn trong ngành thiên văn; Xác định vị trí của các v ật th ể
trong vũ trụ; Theo dõi, điều khiển và liên lạc với các tàu vũ trụ.
Trong quân sự, chùm tia laser năng lượng cao khi chi ếu vào v ật th ể kim
loại, trong nháy mắt sẽ làm cho kim loại nóng chảy, bốc hơi, th ậm chí bi ến
thành ion. Tác dụng đó gọi là “hiệu ứng lan ch ảy nhi ệt”. Vũ khí laser phá ho ại
mục tiêu chủ yếu nhờ vào hiệu ứng đó.
Ngoài ra, laser diode công suất cao còn có nhiều ứng dụng hữu ích trong
nhiều lĩnh vực khác nhau và hứa hẹn nhiều ứng dụng khác nữa trong tương
lai.

CHƯƠNG 2: ĐÓNG GÓI LASER BÁN DẪN CÔNG
SUẤT CAO
1. Vai trò của đóng gói laser
Về mặt kỹ thuật: Laser không thể hoạt đông mà không được đóng gói,
chất lượng đóng gói ảnh hưởng nghiêm trọng đến các đặc tính chính của
laser, chẳng hạn như công suất ra, bước sóng, tuổi thọ và thậm chí cả tính
chất phân cực.
Về mặt kinh tế: Quá trình đóng gói chiếm hơn 50% tổng chi phí s ản xu ất
của môt laser diode hoàn chỉnh (bao gồm thử nghiệm và các bi ện pháp ki ểm
tra chất lượng).
Yêu cầu đóng gói laser công suất cao : cần đạt được chất lượng ghép laser
với đế. Ổn định cơ học cho lắp và xử lý, đáp ứng sự giãn n ở không phù h ơp
của laser và đế, đảm bảo tiếp điểm điện cả ở phía tiếp giáp bán dẫn n và bán
dẫn p của thiết bị, đảm bảo tín hiệu quang khi gh ếp n ối v ới s ợi quang. Ngoài
ra cần đạt được tiêu chuẩn làm mát cho laser.
Các vấn đề khi ghép laser với đế: Hệ số giãn nở nhiệt của đồng là
17ppm/K (tản nhiệt), laser GaAs ~ 6.8 ppm/K. Đô giãn n ở khác nhau có ảnh

hưởng lớn đến tuổi thọ và khả năng làm việc của laser, vì vậy kỹ thuật gắn
10


kết được sử dụng cho các laser cần được nghiên cứu. Để khắc phục vấn đề
trên, sử dụng hàn mềm indium có khả năng biến dạng để gắn laser với tản
nhiệt. Đây là môt công nghệ chủ chốt cho việc đóng gói các thanh laser.

2. Gắn các thanh Laser Diode
a) Nguyên tắc lắp
Cần đáp ứng những yêu cầu sau:
-

Định vị chính xác tiếp xúc nhiệt và điện cao.
Ổn định (các tiếp xúc chính xác giữa tất cả các vật li ệu liên quan
trong suốt thời gian vận hành).
Đáp ứng các điều kiện hoạt đông nhất định - ví dụ, v ận hành trong
sóng bán liên tục (xung).

Các Phương pháp:
-

-

-

Hàn mềm với hàn dễ uốn, như indium, với môt bô tản nhiệt bằng
đồng ở phía cực p (Hình 11);
Hàn với chất hàn cứng hơn, giống như hợp kim AuSn, tới các đ ế
được điều chỉnh CTE (hệ số giãn nở nhiệt) ở phía p được tạo ra, ví

dụ, đồng/vonfram (Hình 12);
Hàn mềm với hàn dẻo, chẳng hạn như indium hoặc hàn ch ất hàn
tương tự, với đế sứ gần như giãn nở phù hợp với GaAs với các rãnh
riêng biệt cho mỗi laser;
Cố định p-n giữa hai tấm tản nhiệt đồng thau và đồng mạ b ằng
vàng và có bề dày phù hợp, bằng cách dùng môt áp lực rất đồng
đều lên;

Hình 11: Thanh laser trực tiếp gắn vào tản nhiệt bằng cách sử dụng hàn mềm

11


Hình 12: Đế được điều chỉnh hệ số CTE cho thanh laser gắn với hàn cứng

Trong hầu hết các trường hợp, môt hàn dẻo được sử dụng đ ể cố định
laser 10 mm vào tản nhiệt. Lựa chọn chất hàn thích hợp phụ thuôc vào kh ả
năng khắc phục cho sự chênh lệch giãn nở nhiệt của laser và v ật li ệu t ản
nhiệt. Đối với vật liệu CTE không phù hợp, hàn dẻo được sử dụng. Ngoài ra
phải có nhiệt đô nóng chảy thích hợp.
Bên cạnh kỹ thuật gia công kim loại, công nghệ được sử dụng đ ể sắp xếp
và nối laser với tản nhiệt cũng rất quan trọng đ ể cho k ết qu ả đ ạt ch ất l ượng
cao.
b) Quy trình định vị trí của thanh laser
Quá trình PPJ:
Laser được giữ bằng công cụ giữ chân không có đô chính xác cao và cân
bằng. Điều khiển vị trí của thanh laser bằng dụng cụ căn ch ỉnh nhi ều tr ục,
điều khiển quang với phần mềm xử lý hình ảnh phù h ợp. D ụng cụ gi ữ sẽ gi ữ
thanh trong quá trình hàn kết tiếp. Điều này đảm bảo sự sê d ịch không đáng
kể của thanh laser sau khi lắp, vì công cụ chân không gi ữ thanh ở v ị trí cân

bằng.
Quy trình định vị thanh laser có thể phụ thuôc nhiều vào người v ận hành.
Mặt khác, trong môt quy trình lựa chọn và đặt đ ể đi ều ch ỉnh thanh vào t ản
nhiệt có thể sử dụng máy tạo xung. Nhờ vậy, quy trình có th ể hoàn toàn tự
đông, tránh sự phụ thuôc của người vận hành. Trong và sau quá trình căn
chỉnh này, thanh và tản nhiệt được cố định nhờ môt công cụ kẹp, bảo quản
đặc biệt là các vị trí bên của các bô phận trong các bước ti ếp theo (Hình 13).

Hình 13: Dụng cụ kẹp với tản nhiệt kim loại, thanh laser và tấm tiếp xúc

12


Sau đó hệ sẽ được chuyển sang lò điều nhiệt, có th ể xử lý thường tới 100
bô phận trong môt quy trình và cho phép buồng lò kín, đi ều ki ện môi tr ường
và khí được kiểm soát chặt chẽ và giảm áp suất chân không kho ảng tr ống
trong mối nối hàn. Tuy nhiên, sự xê dịch không th ể ki ểm soát cũng nh ư trong
quá trình PPJ; sử dụng các công cụ kẹp rất tinh vi, có th ể đ ạt đ ược đ ô xê d ịch
là 4μm với năng suất cao. Môt ưu đi ểm khác của quy trình này là kh ả năng
hàn các tấm tiếp xúc n hoặc các phần tử bổ sung trực ti ếp vào thi ết b ị laser
diode trong cùng môt bước quy trình. Do đó, từ quan đi ểm kinh t ế, quy trình
liên tục sẽ cho năng suất cao và tiết kiệm chi phí, càng nhiều thành ph ần có
thể được gắn vào thiết bị laser diode.

3. Kỹ thuật hàn
Ngày nay, chủ yếu có hai kỹ thuật hàn được sử dụng để sản xuất các laser
diode thương mại: công nghệ indium và Công nghệ AuSn.
Công nghệ indium
Ưu điểm: Indium rất mềm, chỉ >= 1,5N/mm2 sẽ biến dạng, do vậy sẽ bù
sự không phù hợp giãn nở giữa tản nhiệt và GaAs của laser, cân b ằng đ ô d ịch

chuyển của chúng do giãn nở nhiệt mà không hình thành các vết nứt, l ỗ r ỗng.
Nhược điểm: Nhiệt đô hoạt đông hạn chế nếu cơ hoặc nhiệt với tốc đô
biến dạng dẻo cao tác đông lên lớp indium.
Kỹ thuật: Phương pháp bay hơi trực tiếp vật liệu hàn vào tản nhi ệt ho ặc
đế tương ứng; phương pháp sử dụng phôi, mẫu phôi indium mỏng nhất có đô
dày 20μm; phương pháp lắng đọng hơi (PVD) là phù hợp nhất, đô tinh khi ết
của chất hàn indium lắng đọng có thể được kiểm soát bởi các thông s ố PVD,
chủ yếu là áp suất còn lại trong quá trình lắng đọng (<10−6 mbar).
Công nghệ AuSn
AuSn có đô cứng tương đối.
Ưu điểm: Đô tin cậy của khớp AuSn rất tốt. Không suy gi ảm trong quá
trình dao đông cơ học, khi thiết kế thiết bị yêu cầu được đặt ra là không vượt
quá biến dạng đàn hồi của khớp hàn.
Nhược điểm: AuSn không cho phép nén giãn và bi ến dạng, toàn b ô l ực
gây stress truyền vào laser, giới hạn đô bền đối với dòng điện cao gây ra đi ện
đông hoặc chu kỳ co giãn gây ra các lỗ rỗng và v ết n ứt là r ất cao. N ếu không
có vật liệu tản nhiệt rất gần với hệ số giãn nở nhiệt là 6,5×10 −6 K−1, AuSn có
thể gây ra stress rất cao trong laser, bắt đầu xuống cấp nhanh.
13


Kỹ thuật: phương pháp sử dụng phôi hoặc bằng cách bay h ơi tr ực ti ếp
vật liệu hàn vào tản nhiệt hoặc đế tương ứng (mẫu phôi AuSn có s ẵn v ới đ ô
dày dưới 20μm).

4. Thông số đóng gói ảnh hưởng đến tuổi thọ và độ tin cậy
Có môt tập hợp rông các tham số ảnh hưởng đến giao diện hàn gi ữa
laser/tản nhiệt như: Nhiệt đô/thời gian, lực nhấn/kẹp, kim loại hóa b ề m ặt
và đô tinh khiết của chúng, đô lệch hình học, đi ều ki ện môi tr ường trong quá
trình hàn, v.v ... Các thông số này phải được điều chỉnh và tối ưu hóa cho quy

trình riêng và thiết bị được sử dụng.
Laser là môt thiết bị rất dễ vỡ vì vậy đòi hỏi m ôt số bi ện pháp tránh gây
vỡ nhất định trong quá trình xử lý và quy trình sản xuất đ ể ngăn ngừa l ỗi.
Ví dụ, đối với môt số laser, việc làm sạch mặt trước sẽ gây thi ệt h ại, do
quá trình phủ chúng được làm bởi nhà sản xuất laser diode. Do đó, ph ải tránh
nhiễm bẩn hoặc khuyết tật do chạm vào các bề mặt này bằng các dụng cụ,
bằng cách loại bỏ cặn từ bề mặt hàn hoặc làm ướt phải được tránh tuyệt đối.

Hình 14: Mẫu cặn kết tủa

Sự không đồng nhất của giao diện hàn (chẳng hạn như bọt khí và l ỗ
rỗng) là nguyên nhân gây sai hỏng (Hình 15) hoặc không song song gi ữa laser
và bề mặt lắp tản nhiệt. Điều này không chỉ dẫn đến sự thay đổi đi ện tr ở
nhiệt, mà còn có thể gây ra các khu vực giòn cục bô trong m ối hàn do s ự hình
thành của vật liệu đối xứng giữa vật liệu hàn và các l ớp mạ kim lo ại, cu ối
cùng dẫn đến việc không đồng nhất các laser, dẫn đến nhanh hỏng.

14


Hình 15: Sự sai hỏng di xuất hiện những lỗ rồng bọt khí

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM ĐÓNG GÓI LASER
BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO

Quá trình thực nghiệm có mục đích là đóng gói hoàn ch ỉnh m ôt laser bán
dẫn công suất cao, có bước sóng phát ra 940 nm v ới công suất thoát ra t ối đa
1-2 W và quan trọng nhất là laser phải hoạt đông ổn định.

1. Các linh kiện cần thiết

15


Chip laser diode diện rông BA
(Broad Area) model SPL CG94-2S
(Osram, Đức), bước sóng phát
=940±10 nm, công suất phát P=2W
(T = 25oC), đô dài chip 1,5 mm, chiều
rông 0,6 mm hàn trên đế C-mount
(kích thước 6,9 x 6,35 x 2,18 mm).

Vỏ laser đồng vàng cũng được
dùng để chế tạo vỏ module laser.
Nắp vỏ module sau khi đã gia công
cơ khí và được mạ vàng.
Đầu giữ sợi quang:Tổng chiều dài
của đầu giữ sợi quang là 28 mm với
hình dạng côn thu từ đường kính 8
mm. Chính giữa lõi đầu giữ sợi
quang là dạng ống rỗng đường kính
3,2 mm

Gioăng cao su: Vật liệu chế tạo
gioăng là cao su chân không của Nga.
Gioăng dày 0,5 mm và có các lỗ để
bắt vừa ốc vít trên thành vỏ module.

16

Đế định vị đầu sợi quang: yêu
cầu thiết kế đế định vị đầu sợi
quang: tránh cho sợi quang bị gãy
gập, định vị chắc chắn sau khi đã
được ghép nối tối ưu với chíp laser.
Thiết kế đế định vị đầu sợi quang
như sau: trên đế có môt rãnh có đô
sâu 0,8 mm, để định vị phần vỏ của
sợi quang, đế được thiết kế có hai lỗ
ø2 để gắn liền được với đế giữ Cmount.

Đế tản nhiệt C mount chiều dài
24,9mm chiều rông 24,9 mm chiều
cao 12,52mm được chế tạo hợp kim
vàng đồng

Sợi quang có đường kính lõi là
400

Chốt cấp dòng SMA

17


2. Thiết bị và dụng cụ thực nghiệm
- Nguồn cấp dòng và điều khiển nhiệt đô hoạt đông cho laser ITC4005
(Thorlabs, Mỹ), dải dòng cấp 0 - 5A cho laser diode, đô ổn định dòng
±0,1%; dải dòng cấp cho pin nhiệt điện peltier (TEC) -15 A đến +15A,
đô ổn định nhiệt đô ± 0,2oC.

- Máy đo công suất quang Newport 842-PE (Newport, Mỹ), có dải đo là 0
÷ 3W, đô chính xác : ± 0,5% hoặc 13 PEM001 (Melles Griot, Mỹ).
- Máy phổ kế phân giải cao HR4000 và HR2000 (Ocean Optics, Mỹ) kết
nối máy tính (RBW: 0,08 nm).
- Hệ bàn vi chỉnh 6 chiều Nanomax-HS-Melles Griot (Melles Griot, Mỹ),
đô chính xác dịch chuyển: ± 50 nm (khi sử dụng các vi dịch chuy ển c ơ
học), ± 7nm (khi kết hợp sử dụng các vi dịch chuyển bằng gốm áp điện
piezo) cho các trục X, Y, Z. Đô chính xác dịch chuyển theo góc x, y, z:
0,3 arc sec.
- Dao đông ký 2 kênh KIKUSUI 100 MHz (Kikusui, Nhật).
- Nguồn chiếu sáng tử ngoại Thorlabs CS410 (Thorlabs), mật đô công
suất quang ở đầu dẫn ánh sáng UV là 90 mW/cm2 ( = 300 400 nm).
- Bàn quang học chống rung 1200 x 1200 mm (Melles Griot, Mỹ).
- Ray quang học dạng tam giác.
- Kính hiển vi soi nổi Stemi-2000C (Carl Zeiss, Đức), đô phóng đại tối đa:
-

230 lần.
Hệ vi chỉnh 3 chiều X,Y,Z model 17AMB503/R (Melles Griot, Mỹ).
Đồng hồ vạn năng.
Dụng cụ cắt sợi quang đầu kim cương.
Photodiode Silic FD-2 (Nga).
Kính lọc trung tính NE540B, OD4 (Thorlabs, Mỹ).
Kính bảo vệ mắt LG4 (OD4 trong dải 625 – 850 nm) và LG10 (OD5
trong dải 850 – 1064 nm) (Thorlabs, Mỹ).
18


- Pin nhiệt điện Standard Peltier-Element 7105 (Condrad, Đức) và hệ tản
nhiệt.

- Epoxy đặc chủng: epoxy đóng rắn bằng tia tử ngoại UV NOA 61, NOA
81 (Norland, Thụy Điển); epoxy đóng rắn bằng nhiệt: epoxy kín chân
không TorrSeal TS10 (Thorlabs, Mỹ), epoxy Araldite 2014-1 (Huntsman,
Mỹ), epoxy dẫn nhiệt, cách điện Epo-tek H-70E có đô dẫn nhi ệt 0,9
W/m.K.
- Thiếc hàn nhiệt đô nóng chảy thấp (120oC và 160oC).
- Đồng vàng, vàng 99,9 , Indium đô sạch 99,9 hoặc lá Indium.

3. Các bước tiến hành đóng gói laser
a) Hàn
Trước khi hàn chúng ta tiến hành làm sạch vật liệu hàn. Làm s ạch b ề m ặt
đế CuAu bằng bằng dung dịch ancol từ 3 – 5 lần sau đó để khô chúng trong
không khí từ 30- 50 phút. Sau đó tiến tiến hành các bước tiếp theo:
Hàn cứng chúng ta sử dụng vật liệu hàn là thi ếc, đế laser (Cuw) được đ ặt
lên hot caution nhằm gia nhiệt cho mặt đế ở nhiệt đô 120 - 180 trong thời
gian là 10 phút. Sau đó các lá thiếc sẽ được đặt lên mặt đ ế đ ể chúng nóng
chảy dàn đều trên bề mặt của đế chúng ta ti ến hành đ ặt chuy ển ti ếp p-n lên
mặt đế sao cho mặt p sẽ tiếp xúc với mặt đế. Ti ến hành h ạ nhi ệt đ ô c ủa hot
caution xuống 60 để thiếc đóng cứng và tiếp tục chuyển sang giai đo ạn ti ếp
theo.

19


a)

b)

Hình 16: (a) Đế gia nhiệt (b) Hình ảnh khi hoàn thành công đoạn hàn

Hàn mềm (hàn dây vàng) : sử dụng dây vàng có kích cỡ 50nm, thi ết bị hỗ
trợ cho quá trình hàn là máy hàn west bond 7400C. Hot caution đ ược đi ều
chỉnh ở nhiệt đô 60 - điều chỉnh tiêu cự của thấu kính hi ển vi sao cho phù
hợp để quan sát dễ dàng trong quá trình hàn, điều chỉnh áp suất khí ở 50 psi ,
điều chỉnh công suất ở 460 W. Sử dụng tay điều khiển để điều khi ển kim hàn
đưa mũi hàn tiếp xúc với mặt n (trong khoảng th ời gian từ 1s-2s) đ ể cho Au
nóng chảy dính trên mặt đế khi đó ta tiến hành kéo dây cho đ ến khi mũi hàn
tiếp xúc với mặt điện cực đã được mạ vàng giữ mặt tiếp xúc trong đó từ 2s –
3s để kết thúc mối hàn. Ta thực hiện tương tự để hàn các dây vàng ti ếp theo
(chip laser 940 nm cần hàn 4 dây vàng từ mặt tiếp xúc n đến điện cực).

Hình 17: West bond 7400C version 2.8

20


b) Khảo sát thông số chip laser
Mục đích: Khảo sát các đặc trưng quang điện, các đặc trưng phổ phát xạ
laser,

các đặc trưng tính chất chùm tia bức xạ của các chíp laser

Thực hiện: Quá trình thực hiện lắp ráp theo theo sơ đồ sau:

Hình 18: Sơ đồ hệ đo các đặc trưng quang điện của laser và module laser diode CSC

Tiến hành khảo sát các đặc trưng quang điện: dòng điện bơm - thế rơi trên
chuyển tiếp (I-V), công suất quang ra phụ thuôc dòng bơm (P-I), hiệu suất
biến đổi năng lượng phụ thuôc dòng bơm (c-I), sự phụ thuôc của đặc trưng PI theo nhiệt đô trên hệ đo ở hình 16; phổ phát xạ, tính chất chùm tia bức xạ
của các chíp laser diode CSC trên hệ đo ở hình 17:

Hình 19: Sơ đồ hệ đo các đặc trưng phổ của laser diode CSC

21


Đo phân bố trường xa của các chip laser sử dụng phương pháp quay đầu
phát laser nhằm xác định góc mở giúp cho việc lựa chọn s ợi quang v ới khẩu
đô số cần thiết khi ghép nối quang module laser. Laser được đặt trên tâm của
môt đế có thể điều chỉnh quay theo các góc khác nhau, đầu thu là đi ốt quang
điện (PD) được gắn sau môt khe hẹp nhỏ hơn 100 µm dùng để thu bức xạ
laser trong môt góc đủ hẹp. Khoảng cách giữa laser và đi ốt quang đi ện
khoảng 10 cm, ở trước đầu thu có thể dùng các kính lọc trung tính đ ể tránh
bão hòa đầu thu. Laser được cấp dòng xung từ nguồn dòng ITC 4005 hoặc từ
máy phát xung vuông. Xung thu từ điốt quang điện được đo trên dao đông ký
KIKUSUI 100 MHz.

Hình 20: Đặc trưng phân bố trường xa của chip laser 940 nm tại dòng bơm 2,0 A, đo tại
nhiệt độ đế 25°C: a) hướng song song với chuyển tiếp; b) hướng vuông góc với chuyển
tiếp

Kết quả đo từ hình 20 ta thấy góc mở trung bình theo hướng song song
chuyển tiếp khoảng 8,2 µm và hướng vuông góc vào khoảng 39,5 µm. Với
kích thước đô rông miền tích cực lên tới 200 m.

22


Hình 21: Đặc trưng công suất quang – dòng bơm (P-I) vào nhiệt độ của chip laser 940
nm

Từ hình trên ta nhận thấy rằng. Đặc trưng P-I của các chíp laser 940
nm cũng tuyến tính trong dải làm việc từ 0,5A đến 2,0 A khi tăng nhi ệt đ ô.
Phổ quang của các chíp laser dịch về phía sóng dài khi tăng nhi ệt đ ô phù h ợp
với sự giảm đô rông vùng cấm của vật liệu vùng tích cực. Về phổ phân b ố
không gian của các chip laser, trong khoảng nhi ệt đ ô hẹp từ 15-30°C hầu nh ư
không có sự thay đổi đáng kể nào về phân bố không gian tr ường xa, góc phân
kỳ hầu như giữ nguyên.
c) Định vị sợi quang
Tạo thấu kính:
Sử dụng hệ phóng hồ quang cao áp để tạo ra thấy kính hình parabol. Tiến
hành gắn sợi quang lên giá đỡ để điều chỉnh sao cho đ ầu s ợi quang vào v ị trí
giữa hai kim của hệ phóng hồ quang điện khi cung cấp dòng đi ện thì ở gi ữa
hai kim sinh ra hiện tượng hồ quang phát sinh ra m ôt nhi ệt lượng l ớn kho ảng
2000xuất hiện hiện tượng nóng chảy ở đầu sợi quang sau 2-4s di chuy ển đầu
sợi quang ra khỏi vùng phát ra hồ quang điện ta được thấu kính hình parabol .

23