En el mundo del grabado con láser, la elección de la tecnología de envasado es un factor crítico que puede influir significativamente en el rendimiento y la confiabilidad de los sistemas láser. En medio de las diversas soluciones de empaque disponibles, la adopción de la tecnología 'Chip on Submunt' (COS) se ha convertido en una decisión estratégica por numerosas razones. COS, con su combinación única de manejo térmico excepcional, resiliencia mecánica y alineación óptica precisa, ha aumentado a medida que la solución de empaque preferida para aplicaciones de grabado láser. Este artículo explora las motivaciones clave detrás de la selección de la tecnología COS en el ámbito del grabado láser y cómo es fundamental para dar forma a las capacidades y resultados de esta industria dinámica.

del láser de diodo azul (DL) se basa en la alta energía de fotones de 450 nm láser azul y el alto brillo del láser. Mediante un delicado diseño óptico y acoplamiento, una mancha láser azul de tamaño de 0.15 mm con una energía de 5W a 40W se enfoca justo en o unos pocos milímetros debajo de la superficie del material. La temperatura aumenta inmediatamente, se quema e incluso vaporizando el material. Acompañado por soplado de aire de alta presión, el material oxidado está volado, creando hermosos patrones de grabado y corte.

El DL azul actual puede satisfacer la demanda de grabado o incluso cortar madera, cuero, plástico de colores y acero. En comparación con el láser CO2 tradicional aplicado para el mismo propósito, el diseño azul de diseño más compacto tiene ventajas únicas para el procesamiento de material de escritorio. Debido a su pequeño tamaño, bajo consumo de energía, flexibilidad y rentabilidad, el procesamiento de material DL azul tiene más potencial para reemplazar los métodos tradicionales de grabado y corte.

Un dispositivo DL azul de 20W, como se muestra en la Fig. 1, normalmente incluye un módulo DL azul de 20W, una unidad de control eléctrico y una unidad de enfriamiento de aire. Como un solo diodo láser azul comercial (LD) puede emitir una potencia óptica de hasta 5W, tomaría un acoplamiento óptico de 4 diodos a la salida de 20W. Para garantizar que el SUD funcione en el rango de temperatura adecuado, el módulo DL está rodeado de canales de enfriamiento de aire (aletas de enfriamiento). La brecha entre estas dos unidades se llena con el material conductor de calor (por ejemplo, la grasa de silicona térmicamente conductora) 

El del módulo de grabador láser de diodo se refiere a la configuración del haz láser óptico, la disipación de calor y el sellado hermético del diodo láser. A medida que la eficiencia de conversión eléctrica de la LD de 5W Blue es de alrededor del 30%, el LD generará 10W. Para la estabilidad térmica y el empaquetado adicional, el diodo debe soldarse en un sub-montaje de disipación de calor, tal como se muestra en la Fig. 3 (a). El material de sustrato de la sub-montaje no solo tiene una alta conductividad térmica, sino también un coeficiente de expansión térmica que coincide con el diodo. Las cerámicas como ALN y SIC generalmente se usan como sustrato sub-montaje con ambos lados recubiertos con capas de Ti/Cu/Au.

Excepto por el paquete COS, otro estilo de embalaje que se aplica en la producción de LD Blue es el paquete de compras. Como se muestra en la Fig.3 (b), el diodo está sellado en una lata de metal. En este caso, el diodo se empaquetará dos veces, el primer paquete es el paquete COS, donde el emisor LD único se solda en el primer capullo térmico, es decir, el sub-montaje. Luego, el COS es soldado sobre la base del To-Header. Finalmente, el diodo está encapsulado con una tapa con una ventana transparente (lente de vidrio delgado). El LD azul empaquetado para Canal se usa ampliamente en el área de iluminación y proyección. 

Los diodos láser que se usaron por primera vez para el grabado y el corte láser azul de bricolaje están empaquetados en términos de TO-90 (TO-CAN del diámetro exterior de 9 mm) como se muestra en la Fig. 4 (a). La razón por la cual se aplica este tipo de paquete se debe a la amplia aplicación de SUD azul-canales en el área de proyección e iluminación, donde la potencia de salida de todo el módulo DL es pequeña y el brillo del haz láser es relativamente bajo. Tomando el módulo DL azul de 20W, por ejemplo, 4 PC de To-Can SUD primero deberán estar sin límite para que el acoplamiento óptico pueda continuar. Después del acoplamiento óptico del eje vertical, la to-can sin límite se volverá a cubrir. Después de eso, los diodos de la venta generalmente están pegados a la carcasa de metal para el acoplamiento óptico del resto. Por fin, todo el paquete es sellado con pegamento. Tomando el COS como el paquete preliminar, los diodos son tiempos triples empaquetados en este módulo DL azul con sede en Canal.

En comparación con la solución de envasado de la Tarra, el proceso de fabricación de la solución COS es más simple. Como se muestra en la Fig. 4 (b), los LDS COS se soldan en la carcasa de cobre. Después del delicado acoplamiento óptico, los SUD y las lentes ópticas se sellan con sellado de costura paralela y técnicas de soldadura de vidrio.

Debido a las diferentes estrategias de embalaje, teóricamente, el módulo empaquetado COS tiene una mejor opresión del aire en comparación con el módulo empaquetado para que los canales. Con sellado de costura y soldadura de vidrio, el módulo COS puede lograr un sellado hermético a nivel de átomo. El módulo empaquetado para poder, por otro lado, es un sellado no hermético, donde las lentes ópticas son vulnerables a la humedad invasora si el módulo funciona en un entorno altamente húmedo.

En cuanto a la estabilidad térmica, el calor creado por el chip se disipa a lo largo de una ruta más corta en el módulo empaquetado COS LD. Los chips de diodo están empaquetados solo dos veces. El material de soldadura que fija COS en la carcasa de cobre es una aleación de soldadura con una conductividad térmica de 20 a 60 W • M-1 • K-1, mientras que los SUD para Canal se unen a la carcasa de metal con el pegamento. La resistencia térmica del módulo COS es menor, lo que trae una mejor capacidad de disipación de calor.

Los efectos combinados de estos elementos darán como resultado las diferencias en la confiabilidad de estas dos estrategias de empaque diferentes. La solución COS tiene ventajas en términos de simplicidad de producción, opresión del aire y capacidad de disipación de calor.

Teniendo en cuenta la mayor capacidad de ajuste del aire y disipación de calor, la confiabilidad del módulo DL empacado COS es teóricamente mejor en términos de operación a largo plazo. Normalmente en el área láser industrial, el COS se ha considerado una mejor solución para el envasado DL de alta potencia. Se ha informado la salida de un solo módulo DL de 250W según la solución COS.

Figura 5. La prueba de por vida del módulo DL azul de salida de fibra de 60W (A) y el módulo DL de salida de espacio libre de 20W (B).

X Photonics se especializa en tecnología láser de diodos de alta potencia, con el objetivo de construir productos DL azul de nivel de consumo-electronics con estándares de confiabilidad industrial. Los datos de prueba de por vida de los módulos DL de salida de fibra y los módulos DL de salida de espacio libre, como se muestra en la Fig.5, demuestran que los DL empaquetados con COS tienen un buen rendimiento de operación a largo plazo. La caída de potencia óptica promedio del módulo de salida de fibra de 60W es inferior al 2% después de operar 800 horas. En cuanto al módulo DL de salida de espacio libre con un diseño mucho más compacto, la caída de potencia óptica promedio de 19 módulos de 20W PC es inferior al 10% después del envejecimiento de 1800 horas. Los datos de confiabilidad de diferentes parches producidos continuarán siendo recopilados para una prueba más científica y estadística de los módulos COS. 

En conclusión, el costo total de propiedad (TCO) de la solución COS es mejor, a pesar de que el costo actual correspondiente podría ser ligeramente mayor. Mejor opresión del aire y estabilidad térmica Endow Blue Cos DL módulos con ventajas únicas para el empaque DL de alta potencia. Con la expansión de la electrónica de consumo y el mercado de aplicaciones industriales, el precio del Blue Cos Ld seguirá disminuyendo a medida que aumente su escala de fabricación. El TCO a largo plazo de la solución COS es más competitivo, y el Algolaser junto con X Photonics seguirá en el desarrollo y la iteración de los módulos y sistemas de láser de diodo de alta potencia COS.