Chapitre I. Etat de l’art de la diode laser de puissance
IV. Contraintes mécaniques dans les diodes laser
IV.3. Contraintes mécaniques extrinsèques
Les contraintes extrinsèques dans les diodes laser de puissance sont principalement induites pendant les processus d’assemblage. Compte tenu des dimensions géométriques des barrettes (1cm de large et 1,2mm de cavité), ces contraintes sont très importantes et peuvent affecter la durée de vie du composant [23]. Le report d’une barrette de diodes laser de puissance sur son dissipateur induit des contraintes mécaniques essentiellement liées à la différence existant entre le coefficient d’expansion thermique (CTE) du substrat GaAs et du dissipateur thermique utilisé, qui est généralement à base de cuivre.
Chapitre I - Etat de l’art de la diode laser de puissance
L’utilisation d’une brasure plus ou moins ductile va atténuer une partie du stress mécanique induit par le processus d’assemblage, ce type de brasure est choisi pour sa ductilité et compense les différences de CTE des matériaux à assembler. Mais, même avec des matériaux très tendres, comme l'indium, se caractérisant par une faible limite d’élasticité, l’accumulation de petites zones mécaniquement stressées sur l'ensemble de la barrette n’est pas négligeable et génère une concentration de contraintes au centre de la barrette [24]. Par contre, le report à l’indium représente un problème majeur dans les DLPs. En effet, le fonctionnement des DLPs et plus précisément la densité de courant injectée est à l’origine du phénomène d’électro-migration de l’Indium. Après plusieurs milliers d’heures de fonctionnement, des analyses métallurgiques ont permis de détecter la croissance de composés intermétalliques, de type AuIn et AuIn2, issus d’une réaction entre la brasure et les couches de métallisation (Au) présentes à la fois sur la barrette et sur l’embase [25].
En revanche, les joints AuSn utilisés pour le report des barrettes sur un intermédiaire en CuW, sont moins ductiles et d’une épaisseur très faible (5µm) de façon à atténuer les contraintes mécaniques résiduelles liées à la brasure. Toutes les contraintes mécaniques résultant de la désadaptation du CTE entre le dissipateur et le substrat GaAs sont directement transférées à la barrette. L’usage d’un intermédiaire mécaniquement adapté au substrat attenue fortement les contraintes mécaniques résiduelles dans la barrette [36]. Par contre, la fiabilité des joints AuSn est grande; l’AuSn est bien adapté à un fonctionnement à haute température (~125°C) et il est souvent utilisé pour les applications spatiales et militaires. Il ne montre aucune dégradation significative pendant les chocs mécaniques et le seuil de la densité de courant responsable du phénomène d'électro-migration est très élevée [26]. Sans l’usage d’un intermédiaire avec un CTE très proche de GaAs (6,5×10-6K-1), la solidification de la brasure AuSn pendant le processus de report va induire des contraintes mécaniques dans la barrette initiant ainsi la dégradation rapide du composant. Dans le cas où l’AuSn est utilisé pour braser directement des barrettes GaAs sur embase en cuivre, la barrette peut se fissurer pendant le processus de solidification de la brasure [27]. Néanmoins, l'utilisation de l’AuSn reste un compromis entre les caractéristiques mécanique du dissipateur d'un côté et la résistance thermique du composant de l'autre. Ceci est dû à la faible conductivité thermique des matériaux à base de cuivre adapté mécaniquement aux substrats GaAs.
Pour les deux techniques de brasage l'indium et l’AuSn, la brasure se présente sous une préforme ou un dépôt par évaporation sur le dissipateur. Les préformes AuSn sont disponibles avec une épaisseur inférieure à 20μm, alors que les préformes indium sont limitées à 20μm d'épaisseur.
Les facteurs à l’origine de l’augmentation du stress mécanique dans la brasure située entre la barrette et le dissipateur thermique, sont :
• la température,
• la qualité et la pureté des métallisations de la barrette, • l’alignement géométrique de la barrette lors du report,
• les conditions ambiantes pendant le brasage (température, atmosphère, …),
• la force d’appui appliquée sur la barrette pendant le brasage et les forces de serrage des vis utilisée pour finaliser le composant.
Ces paramètres doivent donc être parfaitement adaptés et optimisés pour les différents processus de fabrication. Outre les paramètres généraux, la barrette reste un élément très fragile, nécessitant des précautions de manipulation très importantes lors du processus de fabrication, afin de d’anticiper les défauts et les pollutions. Par exemple, pour certaines barrettes, le nettoyage de la facette miroir n’est pas réalisable sans dégradations de la passivation, en raison des matériaux utilisés par le fabricant pour la passivation des facettes miroirs. Par conséquent, il faut éviter les points suivants :
• la contamination ou les chocs mécaniques causés lors de la manipulation des barrettes, • les émanations de résidus provenant de la brasure (solvants organiques),
• l’application de flux sur les surfaces à joindre pour améliorer la mouillabilité.
L’inhomogénéité de la brasure le long de la barrette et l’apparition de bulles de brasures est le résultat de l’échec de l’assemblage qui peut être du à un mauvais parallélisme de la barrette et l’axe de montage. Ces défauts peuvent conduire à une dégradation de la résistance thermique et provoquer des zones fragiles dans la brasure qui est due à la formation d’intermétalliques entre la brasure et la couche de métallisation de la barrette, ceci se traduit par un manque de brasure. Ce type de défauts induit une inhomogénéité des contraintes mécaniques le long de la barrette et accélère la dégradation du composant.
La Figure I.17 schématise un exemple de la courbure de la barrette après les étapes d’assemblage, cette courbure est facilement obtenue au moyen de la mesure de la courbure géométrique (ou Smile) de la barrette. On peut en déduire que les couches constituant la barrette peuvent être impactées suivant deux directions : en tension et/ou en compression, en pratique le type de contraintes n’est pas homogène le long de la barrette.
L R Brasure a) Dissipateur Substrat Couches Epi L R Brasure b) Dissipateur Substrat Couches Epi
Figure I.17 - Représentation de la courbure de la barrette de diode laser liée au processus d’assemblage (effet de "smile")
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