Thèse

"Méthodes de l'optimisation des techniques de montage et de jonction
des barrettes de diode laser de haute puissance menées par l'aspect de la fiabilité"



thèse présentée par
Dirk Lorenzen
physicien diplômé
habitant à Jena, Allemagne

soumise à
la faculté IV - faculté d'électrotechnique et d'informatique -
de l'université technique de Berlin
pour obtenir le grade de doctor ingénieur (Dr.-Ing.)

acceptée par le jury composé de
Prof. Dr.-Ing. Hans-Ulrich Post (président)
Prof. Dr.-Ing. Dr. E.h. Herbert Reichl (rapporteur),
Prof. Dr. rer. nat. Thomas Elsässer (Humboldt-Universität Berlin, rapporteur)

date de dépôt: 21 janvier 2003
jour de la soutenance: 1 septembre 2003

mois de publication: octobre 2003
langue de publication: allemande
ISBN 3-89574-502-2
éditéé par Verlag Dr. Köster

résumé

La fiabilité d'une barrette de diode laser de haute puissance dépend surtout des contraintes méchaniques introduites au cours de sa montage et des contraintes thermiques suscitées par l'opération. En outre, la résistance à la fatigue de la soudure utilisée pour le montage joue un rôle important concernant un cycle de vie élevé de l'élément.

Dans ce travail, des méthodes de conception, calculation et caractérisation sont présentées en vue d'optimiser les techniques de montage des barrettes de diode laser de haute puissance sous les aspects de la fiabilité. Les méthodes de conception définissent la géométrie et les conditions aux bords pour une acquisition analytique et numérique, quantification et minisation des valeurs problématiques dont la température et la tension mécanique. Les méthodes de caractérisation servent à faire l'épreuve de l'optimisation réalisée à l'échantillon - la barrette laser elle-même.

Les méthodes citées sont spécialement appliquées aux domaines du refroidissement à micro-canaux ainsi qu'au montage à l'aide d'un alliage de soudage ayant une forte déformation plastique et aux substrats adaptés au CDT de la barrette et donc aptes au montage avec une soudure de haute ténacité.


TABLE DES MATIÉRES

(les chiffres entre parenthéses donnent les nombres de pages
de la section concernée)

1   Introduction (2)1
2   Diodes laser à haute puissance (26)3
        2.1   Structure et fabrication des diodes laser (5)4
        2.2   La courbe de puissance d'une diode laser (4)9
        2.3   Propriétés optiques des diodes laser (6)13
        2.4   Fiabilité et vieillissement de diodes laser (9)19
        2.5   Développement de produit d'un diode laser (1)28
3   Méthodes d'optimisation thermique (46)29
        3.1   Refroidissement des diodes laser (9)29
              3.1.1   Définition de la résistance thermique (2)29
              3.1.2   Techniques de refroidissement pour les diodes laser (5)31
              3.1.3   Expression de l'objectif d'une optimisation thermique (2)36
        3.2   Manière de fonctionnement d'un refroidisseur à micro-canaux (6)38
              3.2.1   Topologie des refroidisseurs à micro-canaux (3)38
              3.2.2   Modèles de calculations pour les refroidisseur à micro-canaux (3)41
        3.3   Résistance thermique de micro-canaux (14)44
              3.3.1   Transfer convectif de chaleur dans les micro-canaux (4)44
              3.3.2   Résistance thermique d'une structure 2D à micro-canaux (5)48
              3.3.3   Optimisation thermo-hydraulique de structures à micro-
                        canaux (5)
53
        3.4   Résistance thermique de refroidisseurs à micro-canaux (17)58
              3.4.1   Entrée de la chaleur et chauffement de l'eau de refroidisse-
                        ment (5)
58
              3.4.2   Résultats de differents modèles de calculation (4)63
              3.4.3   Détermination des dimensions optimales de la couche
                        couvrante (3)
67
              3.4.4   Optimisation thermique de la structure des barrettes de diodes
                        laser (5)
70
4   Méthodes d'optimisation mécanique (44)75
        4.1   Techniques de montage et de jonction des diodes laser (9)  75
              4.1.1   Techniques de montage des diodes laser (2)76
              4.1.2   Techniques de jonctions des diodes laser (5)78
              4.1.3   Expression de l'objectif d'une optimisation mécanique (1)83
        4.2   Thermomécanique élastique de systèmes multi-couches (14)  84
              4.2.1   Notions de base sur l'élasticité (6)84
              4.2.2   Jonctions de deux couches (3)90
              4.2.3   Jonctions de trois couches (5)90
        4.3   Thermomécanique plastique de systèmes multi-couches (12)  98
              4.3.1   Notions de base sur la plasticité (3)98
              4.3.2   Modéle pseudo-élastique d'une zone de jonction plastique (3)101
              4.3.3   Réduction de tension auprés des soudures d'indium (6)104
        4.4   Techniques de montage à faible tension (9)  110
              4.4.1   Techniques de montage relaxatives (2)110
              4.4.2   Techniques de montage liées à l'adaptation de la dilatation
                        thermique (4)
112
              4.4.3   Techniques de montage mixtes (3)116
5   Analyses méchaniques de composants à diode laser (26)119
        5.1   Méthodes de mesurage thermomécaniques (15)  119
              5.1.1   Interférométrie électronique de motifs speckle (5)119
              5.1.2   Polarimétrie laser en réflexion (5)124
              5.1.3   Spectroscopie de courant photoélectrique (5)129
        5.2   Résultats d'analyses mécaniques (11)  134
              5.2.1   Isolement d'émitteurs induit par le substrat (3)134
              5.2.2   Contre-couches plastiquement tenue (3)137
              5.2.3   Systèmes multi-couches relaxatifs adaptés au CDT du laser (5)140
6   Analyses thermiques des diodes laser (20)145
        6.1   Détermination de la résistance thermique (9)  145
              6.1.1   Distribution de temperature dans la barette de diode laser (3)145
              6.1.2   Mesurage du chauffement en mode cw et pulsé (3)148
              6.1.3   Analyse et estimation d'influence d'erreurs (3)151
        6.2   Résultats d'ananlyses thermiques (11)  154
              6.2.1   Refroidisseurs à cascades en cuivre (4)154
              6.2.2   Emploi de diffuseurs thermiques en diamant (4)158
              6.2.3   Emitteurs séparément adressables (3)162
7   Discussion des résultats (8)165
        7.1   Qualification des méthodes d'optimisation mécanique (5)  165
              7.1.1   Evaluation des méthodes d'analyse mecanique (2)165
              7.1.2   Propriétés mécaniques des composants à diode laser (3)167
        7.2   Qualification des méthodes d'optmisation thermique (3)  170
              7.2.1   Stratégies d'optimisation du refroidissement de diodes laser (1)170
              7.2.2   Propriétés thermiques des diodes laser (2)171
8   Conclusion et regard vers l'avenir (1) 173
ANNEXE (24)  175
Propiétés des matériaux (3)  176
Symbols des grandeurs physiques (6)  179
Abbréviations (2)  185
Littérature (7)  187
Publications (2)  194
Remerciements (2)  196
Curriculum vitae (1)  198