3.1. Chế tạo mô đun laser bán dẫn 4W
3.1.3. Chế tạo mô đun laser bán dẫn
• Lựa chọn chíp laser bán dẫn:
Bước sóng làm việc của laser diode phụ thuộc vào vật liệu chế tạo [14]. Do vậy, bước đầu tiên trong công nghệ chế tạo laser bán dẫn là phải lựa chọn loại chíp
laser phù hợp. Vật liệu chế tạo laser bán dẫn thường là vật liệu nhóm III đến nhóm V. Sự phụ thuộc của bước sóng vào vật liệu được mơ tả trên hình 3.3.
Hình 3. 3: Sự phụ thuộc của bước sóng laser vào vật liệu chế tạo
Trong luận văn này chúng tôi sử dụng chíp laser bán dẫn là loại GaAs với thơng số kỹ thuật được mô tả trong bảng 3.1.
Bảng 3.1: Thơng số của chíp laser bán dẫn 8W
Thơng số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Bước sóng trung tâm λ 940 Nm Công suất quang lối ra Popt 8 W
Độ rộng vùng phát xạ W 100 x 1 µm
Dịng ngưỡng Ith 1 A
Dòng làm việc tại Popt 8 W Iop 9.2 A
Điện áp làm việc Vop 1.65 V
• Kiểm tra chíp:
Trước khi chế tạo mô đun laser bán dẫn, chúng tôi đã kiểm tra chíp laser bán dẫn dưới kính hiển vi nhằm loại bỏ những chíp bị rạn, nứt trong quá trình vận chuyển (hình 3.4).
• Hàn chíp:
Để gắn chíp lên đế, chúng tơi đã sử dụng thiết bị hàn chíp 7372E của hãng
Westbond. Thiết bị được đặt ở chế độ hàn Epoxy (hình 3.5).
Hình 3. 5: Thiết bị hàn chíp 7372E – Westbond
Thiết bị hàn chíp 7372E cho phép đầu hàn xuống sâu các đế hàn có kích thước lớn. Các thơng số cài đặt chế độ hàn được lưu trong bộ nhớ của thiết bị và có thể gọi lại được khi cần thiết. Có ba thơng số cơ bản nhất, quan trọng nhất đối với bất cứ thiết bị hàn chíp nào. Đó là lực hút chíp, áp lực đặt lên chíp và nhiệt độ hàn. Bảng 3.2 dưới đây liệt kê những thông số cơ bản đã được cài đặt trong q trình
hàn chíp.
Bảng 3.2: Chế độ làm việc của thiết bị hàn chíp
Thơng số Đơn vị Giá trị trung bình Giá trị lớn nhất
Lực nhặt chíp g 10 200 Áp lực đặt lên chíp g 20 250
Nhiệt độ hàn 0C 120 250
Lực nhặt chíp là áp lực hút của đầu gắn chíp đặt lên linh kiện trong q trình nhặt chíp; Áp lực đặt lên chíp là lực mà đầu gắn chíp ép lên linh kiện trong q trình gắn chíp lên đế; Nhiệt độ hàn là nhiệt độ của bếp hàn, phù hợp với loại keo
Epoxy đã sử dụng để đảm bảo mối hàn là tốt nhất.
Quy trình gắn chíp lên đế đã được thực hiện theo các cơng đoạn sau:
+) Công đoạn 1 – chuẩn bị: Cố định đế gắn chíp trên bàn thao tác (work stage) và
+) Công đoạn 2 - phủ lớp keo Epoxy: Keo Epoxy được nhỏ vào vị trí nơi cần gắn
chíp. Việc nhỏ keo phải đảm bảo keo khơng được chùm lên các cực và bề mặt phát của chíp laser.
+) Công đoạn 3 – Định vị đế và chíp: Đế được định vị trước, sau đó mới định vị
chíp. Vị trí hàn đế cần được đặt chính xác để đảm bảo chíp bán dẫn có bề mặt phát xạ vng góc với bề mặt sợi quang và hướng về phía sợi quang lối ra.
+) Cơng đoạn 4 – Gắn chíp: Sau khi cố định đế xong, di chuyển đầu gắn chíp đến
vị trí của chíp và đặt một áp lực vừa phải (khoảng 20g) lên chíp. Q trình gắn chíp kết thúc sau khoảng 24 giờ kể từ thời điểm gắn keo.
Hình 3.6 mơ tả một số hình ảnh trong quá trình gắn chíp thực tế.
Hình 3. 6: Một số hình ảnh trong q trình gắn chíp lên đế
• Kỹ thuật hàn dây vàng:
Trong luận văn này, chúng tôi đã sử dụng thiết bị hàn dây vàng 7476D của hãng Westbond (hình 3.7).
Hình 3. 7: Thiết bị hàn dây vàng 7476D – Westbond
Thiết bị cho phép hàn những chi tiết có kích thước nhỏ với độ chính xác cao.
Độ đồng đều và khả năng lặp lại trong q trình hàn có thể dễ dàng đạt được nhờ
nhau) có thể được lên chương trình và lưu trữ trong bộ nhớ. Chúng ta có thể gọi lại các chế độ này khi cần thiết.
Chíp được sử dụng trong luận văn này là loại có lớp bán dẫn loại p nằm phía dưới, tương ứng với cực “+”. Cực “+” được tiếp xúc tốt với đế tỏa nhiệt nhờ phủ
lớp keo chuyên dụng. Dây vàng kết nối với cực “-” (tương ứng với lớp bán dẫn n) có đường kính 50 µm.
Các cực “+”, “-” được kết nối điện với các chân lối ra của mô đun laser bán dẫn. Hình 3.8 mơ tả một số hình ảnh trong quá trình hàn dây vàng.
Hình 3. 8: Một số hình ảnh trong q trình hàn dây vàng
• Tích hợp với sợi quang lối ra:
Sau khi kết thúc q trình hàn dây, mơ đun laser được tích hợp với sợi quang lối ra. Sợi quang được sử dụng trong luận văn này là loại đa mode, đường kính lõi sợi 105µm. Sợi quang có một đầu được kết nối với connector lối ra, một đầu được tích hợp với chíp laser.
Q trình tích hợp sợi quang được thực hiện theo sơ đồ mô tả trên hình 3.9.
Hình 3. 9: Cấu hình tích hợp chíp laser bán dẫn với sợi quang
Sợi quang được đặt cố định trên bàn vi chỉnh sao cho đầu sợi quang, phía
tiếp xúc với chíp laser có thể di chuyển theo các trục x, y, z và có thể quay theo góc nghiêng. Đầu kia sợi quang được đưa đến thiết bị đo cơng suất quang.
Chíp laser Pin 1 Pin 2 Cực + Cực - Bề mặt phát xạ Thiết bị đo công suất quang Sợi quang Bàn vi chỉnh
Trong quá trình điều chỉnh sợi quang, chùm laser lối ra sẽ được tích hợp vào sợi quang nhiều hay ít tùy thuộc vào mức độ đồng trục quang học cũng như vị trí của sợi quang. Công suất quang lối ra được ghi nhận bởi thiết bị đo cơng suất
quang. Vị trí tích hợp tốt nhất là vị trí có cơng suất đo đạt giá trị lớn nhất. Hình 3.10 mơ tả hình ảnh thực tế trong q trình tích hợp sợi quang.
Hình 3. 10: Hình ảnh thực tế trong quá trình tích hợp sợi quang
• Đóng vỏ mơ đun:
Đây là cơng đoạn cuối cùng của q trình chế tạo mô đun laser bán dẫn 4W.
Vỏ mô đun laser bán dẫn 4W gồm 02 nửa, trong đó, nửa dưới dùng để đặt chíp laser bán dẫn, đế tỏa nhiệt và sợi quang lối ra.
Hai nửa của vỏ mơ đun được hàn kín theo cơng nghệ hàn Epoxy. Một lớp
keo Epoxy chuyên dụng được phủ giữa hai nửa vỏ mô đun trước khi chúng được
gắn kết. Lớp keo sẽ liên kết hai nửa vỏ một cách chắc chắn sau 24 giờ.