Examining the thermal characteristics of solder used between the heatsink and submount in high power fiber coupled laser diodes and investigating the effects of solder characteristics on the laser

Abstract

Yüksek güçlü fiber akuple yarıiletken lazer diyotlarda, termal yönetim; cihazın optik verimliliği, dalga boyu stabilitesi ve güvenli çalışma sınırları üzerinde doğrudan etkili olan kritik bir parametredir. Bu tez çalışmasında, altlıklı çip (CoS) yapısı ile altın kaplı bakır paket arasındaki bağlantıyı sağlayan farklı lehim malzemelerinin termal performansları ve bunların lazer diyot üzerindeki etkileri deneysel olarak araştırılmıştır. İncelenen malzemeler arasında SAC305, Au80Sn20, Bi57Sn42Ag1 lehimleri ile gümüş (Ag) epoksi yer almaktadır. Deneylerde, her bir lehim tipi için optimize edilmiş reflow lehimleme veya kürleme süreçleri uygulanarak, sürekli dalga (CW) modunda çalışan, 915 nm merkez dalga boyuna sahip 13 W ’lık tek yayıcılı lazer diyotlar test edilmiştir. Diyotlara 0 A’den 13 A’e kadar değişen akım değerleri uygulanarak yapılan Işık-Akım-Gerilim (LIV) analizlerinde, kullanılan lehim malzemelerinin eklem sıcaklığı (Tj), dalga boyu (kızıla kayma), optik çıkış gücü, termal çöküş davranışı ve kuantum verimliliği üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir. Ayrıca, sıcaklık kaynaklı performans sapmaları da analiz edilmiştir. Deneysel bulgulara göre, en başarılı termal performans SAC305 ve Au80Sn20 lehimleri tarafından sergilenmiş, bu ikisinin ısı yayma kabiliyetlerinin birbirine oldukça yakın olduğu gözlemlenmiştir. SAC305, maliyet etkinliğinin yanı sıra düşük termal direnç ve stabil dalga boyu karakteristiği ile performans açısından da en başarılı sonuçları vermiştir. Buna karşılık, gümüş (Ag) epoksi, düşük termal iletkenliği nedeniyle en zayıf performansı göstermiştir. Bi57Sn42Ag1 lehimi ise orta düzeyde performans sergilemiş ancak yüksek sıcaklıklarda kısıtlayıcı etkiler göstermiştir. Tüm testler sırasında kalıcı optik hasar (COD) oluşumu gözlenmemiştir. Bu çalışma, yüksek güçlü lazer diyot paketlemesinde kullanılan lehim malzemelerinin, sistemin termal davranışı ve optoelektronik performansı üzerindeki etkilerini karşılaştırmalı olarak ortaya koymakta; yüksek verimli ve güvenli çalışma sınırlarına sahip fiber akuple lazer sistemleri tasarımı için bilimsel bir temel sunmaktadır.In high-power fiber-coupled semiconductor laser diodes, thermal management is a critical parameter that directly affects optical efficiency, wavelength stability, and safe operating limits of the device. In this thesis, the thermal performances of different solder materials providing the connection between the Chip on Submount (CoS) structure and the gold-plated copper package and their effects on the laser diode were investigated experimentally. The materials examined include SAC305, Au80Sn20, Bi57Sn42Ag1 solders, and silver (Ag) epoxy. In the experiments, 13 W single-emitter laser diodes with a center wavelength of 915 nm operating in continuous wave (CW) mode were tested using reflow soldering or curing processes optimized for each solder type. Light–Current–Voltage (LIV) measurements were performed under current values ranging from 0 A to 13 A. The effects of each bonding materials on the junction temperature (Tj), wavelength (red shift), optical output power, thermal rollover behavior, and quantum efficiency were evaluated. Additionally, temperature-induced performance deviations were analyzed. According to the experimental findings, the best thermal performance was exhibited by SAC305 and Au80Sn20 solders, with both showing very similar heat dissipation capabilities. SAC305 demonstrated the most successful overall performance, offering low thermal resistance and stable wavelength characteristics, along with cost-effectiveness. In contrast, silver (Ag) epoxy exhibited the weakest performance due to its low thermal conductivity, while Bi57Sn42Ag1 solder showed moderate performance but presented limitations at higher temperatures. No catastrophic optical damage (COD) was observed during any of the tests. This study provides a comparative analysis of the effects of solder materials used in high-power laser diode packaging on the system’s thermal behavior and optoelectronic performance, offering a scientific basis for designing fiber-coupled laser systems with high efficiency and safe operational limits