Vật liệu hàn cho thanh điốt laser: Cầu nối quan trọng giữa hiệu suất và độ tin cậy

Trong thiết kế và sản xuất laser bán dẫn công suất cao, thanh diode laser đóng vai trò là đơn vị phát sáng cốt lõi. Hiệu suất của chúng không chỉ phụ thuộc vào chất lượng vốn có của chip laser mà còn phụ thuộc rất nhiều vào quy trình đóng gói. Trong số các thành phần khác nhau tham gia vào quá trình đóng gói, vật liệu hàn đóng vai trò quan trọng như là giao diện nhiệt và điện giữa chip và bộ tản nhiệt.

1. Vai trò của chất hàn trong thanh điốt laser

Các thanh diode laser thường tích hợp nhiều bộ phát, dẫn đến mật độ công suất cao và yêu cầu quản lý nhiệt nghiêm ngặt. Để đạt được khả năng tản nhiệt hiệu quả và độ ổn định cấu trúc, vật liệu hàn phải đáp ứng các tiêu chí sau:

① Độ dẫn nhiệt cao:

Đảm bảo truyền nhiệt hiệu quả từ chip laser.

② Khả năng thấm ướt tốt:

Giúp tạo liên kết chặt chẽ giữa chip và chất nền.

③ Điểm nóng chảy thích hợp:

Ngăn ngừa hiện tượng chảy lại hoặc hư hỏng trong quá trình xử lý hoặc vận hành tiếp theo.

④ Hệ số giãn nở nhiệt tương thích (CTE):

Giảm thiểu ứng suất nhiệt trên chip.

⑤ Khả năng chống mỏi tuyệt vời:

Giúp kéo dài tuổi thọ của thiết bị.

2. Các loại chất hàn thông dụng dùng trong đóng gói thanh laser

Sau đây là ba loại vật liệu hàn chính thường được sử dụng trong việc đóng gói các thanh diode laser:

①Hợp kim vàng-thiếc (AuSn)

Của cải:

Hợp kim eutectic có thành phần 80Au/20Sn với điểm nóng chảy 280°C; độ dẫn nhiệt và độ bền cơ học cao.

Thuận lợi:

Độ ổn định nhiệt độ cao tuyệt vời, tuổi thọ mỏi nhiệt dài, không bị nhiễm bẩn hữu cơ, độ tin cậy cao.

Ứng dụng:

Các hệ thống laser quân sự, hàng không vũ trụ và công nghiệp cao cấp.

②Indium nguyên chất (In)

Của cải:

Điểm nóng chảy 157°C; mềm và rất dễ uốn.

Thuận lợi:

Hiệu năng chịu chu kỳ nhiệt vượt trội, giảm thiểu ứng suất lên chip, lý tưởng để bảo vệ các cấu trúc dễ vỡ, phù hợp với các yêu cầu liên kết ở nhiệt độ thấp.

Hạn chế:

Dễ bị oxy hóa; cần môi trường khí trơ trong quá trình gia công; độ bền cơ học thấp hơn; không lý tưởng cho các ứng dụng chịu tải trọng cao.

③Hệ thống hàn hỗn hợp (ví dụ: AuSn + In)

Kết cấu:

Thông thường, AuSn được sử dụng bên dưới chip để tăng độ bám dính, trong khi In được phủ lên trên để tăng cường khả năng tản nhiệt.

Thuận lợi:

Kết hợp độ tin cậy cao với khả năng giảm ứng suất, cải thiện độ bền tổng thể của bao bì, thích ứng tốt với nhiều môi trường hoạt động khác nhau.

3. Ảnh hưởng của chất lượng mối hàn đến hiệu suất thiết bị

Việc lựa chọn vật liệu hàn và kiểm soát quy trình có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất quang điện và độ ổn định lâu dài của các thiết bị laser:

Trong điều kiện vận hành liên tục ở công suất cao, ngay cả những sai sót nhỏ trong quá trình hàn cũng có thể dẫn đến tích tụ nhiệt, gây suy giảm hiệu năng hoặc hỏng thiết bị. Do đó, việc lựa chọn chất hàn chất lượng cao và thực hiện quy trình hàn chính xác là yếu tố cơ bản để đạt được độ tin cậy cao trong đóng gói laser.

4. Xu hướng và sự phát triển trong tương lai

Khi công nghệ laser tiếp tục được ứng dụng rộng rãi trong xử lý công nghiệp, phẫu thuật y tế, LiDAR và các lĩnh vực khác, vật liệu hàn dùng cho bao bì laser đang phát triển theo các hướng sau:

①Hàn ở nhiệt độ thấp:

Để tích hợp với các vật liệu nhạy nhiệt

②Thiếc hàn không chì:

Đáp ứng tiêu chuẩn RoHS và các quy định môi trường khác.

③Vật liệu giao diện nhiệt hiệu suất cao (TIM):

Để giảm điện trở nhiệt hơn nữa

④Công nghệ hàn siêu nhỏ:

Để hỗ trợ việc thu nhỏ và tích hợp mật độ cao.

5. Kết luận

Mặc dù có khối lượng nhỏ, vật liệu hàn là các chất kết nối quan trọng đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của các thiết bị laser công suất cao. Trong quá trình đóng gói thanh diode laser, việc lựa chọn chất hàn phù hợp và tối ưu hóa quy trình liên kết là rất cần thiết để đạt được hoạt động ổn định lâu dài.

6. Về chúng tôi

Lumispot cam kết cung cấp cho khách hàng các linh kiện laser chuyên nghiệp và đáng tin cậy cùng các giải pháp đóng gói. Với kinh nghiệm sâu rộng trong việc lựa chọn vật liệu hàn, thiết kế quản lý nhiệt và đánh giá độ tin cậy, chúng tôi tin rằng mọi sự tinh chỉnh chi tiết đều dẫn đến sự hoàn hảo. Để biết thêm thông tin về công nghệ đóng gói laser công suất cao, vui lòng liên hệ với chúng tôi.