MATERIAŁY ELEKTRONICZNE

E. Dąbrowska, M. Teodorczyk, G. Sobczak, A. Maląg INSTYTUT TECHNOLOGII MATERIAŁÓW ELEKTRONICZNYCH MATERIAŁY ELEKTRONICZNE KWARTALNIK T. 37-2009 nr 4 Wydanie publikacji dofinansowane przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego WARSZAWA ITME 2009 1

Badanie naprężeń wprowadzanych do diod laserowych podczas montażu za pomocą In... KOLEGIUM REDAKCYJNE: prof. dr hab. inż. Andrzej JELEŃSKI (redaktor naczelny), doc. dr hab. inż. Paweł KAMIŃSKI (z-ca redaktora naczelnego) prof. dr hab. inż. Zdzisław JANKIEWICZ doc. dr hab. inż. Jan KOWALCZYK doc. dr Zdzisław LIBRANT dr Zygmunt ŁUCZYŃSKI prof. dr hab. inż. Tadeusz ŁUKASIEWICZ prof. dr hab. inż. Wiesław MARCINIAK prof. dr inż. Anna PAJĄCZKOWSKA prof.dr hab. inż. Władysław K. WŁOSIŃSKI mgr Anna WAGA (sekretarz redakcji) Adres Redakcji: INSTYTUT TECHNOLOGII MATERIAŁÓW ELEKTRONICZNYCH ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa, e-mail: ointe@itme.edu.pl; http://www.itme.edu.pl tel. (22) 835 44 16 lub 835 30 41 w. 454 - redaktor naczelny (22) 835 30 41 w. 426 - z-ca redaktora naczelnego (22) 835 30 41 w. 129 - sekretarz redakcji PL ISSN 0209-0058 Kwartalnik notowany na liście czasopism naukowych Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego (4 pkt.) SPIS TREŚCI A HELICAL-COIL RESONATOR MAGNETICALLY COUPLED WITH MICROSTRIP TRANSMISSION LINE FOR EPR SPECTROSCOPY Marek Mossakowski, Jan Koprowski...3 NOWE KOMPOZYTY GRUBOWARSTWOWE O OBNIŻONEJ TEMEPRATURZE SPIEKANIA PRZEZNACZONE NA KONTAKTY OGNIWA SŁONECZNEGO Anna Młożniak, Piotr Ungier, Małgorzata Jakubowska...8 BADANIE NAPRĘŻEŃ WPROWADZANYCH DO DIOD LASEROWYCH PODCZAS MONTAŻU ZA POMOCĄ In ORAZ STOPU EUTEKTYCZNEGO AuSn Elżbieta Dąbrowska, Marian Teodorczyk, Grzegorz Sobczak, Andrzej Maląg...13 PREZENTACJA GŁÓWNEGO ZAKRESU MOŻLIWOŚCI OBRAZOWANIA I ANALIZY ZA POMOCĄ MIKROSKOPU AURIGA CROSSBEAM WORKSTATION FIRMY CARL ZEISS ZNAJDUJĄCEGO SIĘ W INSTYTUCIE TECHNOLOGII MATERIAŁÓW ELEKTRONICZNYCH W WARSZAWIE Iwona Jóźwik, Anna Piątkowska...31 INSTYTUT TECHNOLOGII MATERIAŁÓW ELEKTRONICZNYCH - WCZORAJ I DZIŚ Andrzej Jeleński, Tadeusz Żero...34 2

E. PL Dąbrowska, ISSN 0209-0058 M. Teodorczyk, G. Sobczak, A. MATERIAŁY Maląg ELEKTRONICZNE T. 37-2009 Nr 4 A HELICAL-COIL RESONATOR MAGNETICALLY COUPLED WITH MICROSTRIP TRANSMISSION LINE FOR EPR SPECTROSCOPY Marek Mossakowski 1,2, Jan Koprowski 1 1 Akademia Górniczo-Hutnicza University of Science and Technology, Department of Electronics, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland; koprowsk@agh.edu.pl 2 Uniwersytet Jagielloński Jagiellonian University, Faculty of Biotechnology, ul. Gronostajowa 7, 30-387 Kraków, Poland This simple resonator consists of silver wire formed as coil of two turns. Compared to cavity resonators working in the same frequency band, our resonator is substantially smaller - 0.8 mm inner diameter and 0.2 mm wire diameter (AWG of 32). The coil is suspended over the microstrip supply line which is connected to EPR spectrometer. The whole apparatus is an X band EPR probe for biological tissue research. The main advantage of our project in this simple construction of the probe is the convenient resonator s coupling and supplying RF power by a microstrip line. Simulations and real measurements of electromagnetic field distribution revealed impressive symmetry and an enormous magnetic field concentration along resonator s main axis where tissue samples are placed. The Λ factor for this resonator is over 20Gs W. Analysis of resonance circuit shows a very wide resonance band (small quality factor about 300). This is the desired feature in pulse EPR spectroscopy. Keywords: EPR spectroscopy, microstrip circuits, microwave resonators 1. INTRODUCTION Electron paramagnetic resonance (EPR) is the process of resonant absorption of microwaves by paramagnetic atoms or molecules, with at least one unpaired electron spin, and in the presence of a static magnetic field B 0 (Fig. 1). The great majority of EPR Fig. 1. EPR-spectrometer set-up. Rys. 1. Budowa spektrometru EPR. spectrometers is working at B 0 34 T (X band) or B 0 1.25 T (Q band). The resonators (also qualified as cavities or probeheads) connected to the microwave bridge are the most important parts of EPR spectrometers (Fig. 2). Fig. 2. Microwave signal path in EPR spectrometer. Rys. 2. Tor mikrofalowy w spektrometrze EPR. In spectrometers built on rectangular the waveguides, resonators are critically coupled with the transmission line by an adjustable hole in one of the cavity s wall or adjustable rod screwed into the waveguide close to the cavity s entrance. The microwave magnetic flux density b can be written as: j( t k ) (, ) 0 z z b z t b m e (1) where: b m is the amplitude of the harmonic magnetic flux density orthogonal to B 0, ω the signal pulsation, k 0, z = 2 /λ 0 - the wave number in the 0z direction of propagation. The absorption of microwaves begins in the resonator cavity pertially filled with a tested simple of the volume V prob (Fig. 2). During absorption, coupling with a partially filled resonator becomes not critical. Part of the delivered microwave energy is reflected and can be measured. Therefore, the performance of these resonators must 3

Badanie naprężeń wprowadzanych A helical-coil do diod resonator laserowych magnetically podczas coupled montażu with za pomocą microstrip... In... be carefully tuned to the overall system s capacity to operate effectively at low or high modulation frequencies and amplitudes, low and high microwave power, and for lossy samples such as water or biological tissue probes. The quality factor of the resonator is defined as: 1 W 2 Q1 P 0 0 2 bdv 0 V resonator where: W is the magnetic energy stored in the resonator, μ 0 - the magnetic permeability of free space (μ 0 = 4 x 10-7 H/m), P 0 - the incident microwave power. Generally, a higher Q 1 means higher sensitivity. However in pulse applications high Q 1 is not desired because increases measurement dead time. There is also a need to consider the cavity s filling factor and the quality of the microwave source. The filling factor is the ratio of the integral of the microwave field over the sample volume relative to the integral of the total microwave field in the cavity: P 2 bdv Vprobe 2 bdv Vresonator For pulse and continuous wave applications there is another important parameter Λ - the resonator efficiency defined by the equation [4]: (2) (3) B Gs / W (4) P 0 where B 1 is the maximum available microwave flux density for a given incident microwave power [3]. At higher Λ factor the microwave source can have lower output power which also permits minimizing dead time in pulse spectroscopy The volume of resonator s cavity is much bigger than the volume of samples. Thus in a modern EPR spectroscopy other resonator constructions are used and developed as helical, ceramic and loop gap resonators (LGR). The helical resonators have much smaller dimensions compared to the wavelength in the measurement system, called as microcoil-based probes or microresonators. They have high value of η. 2. EXPERIMENTAL The microresonator, projected and built to our experiments, consists of the coil with the number of turns N = 2, diameter α = 0.8 mm and length l = 0.3 mm, mounted on the low-loss PCB (Printed Circuit Board) (Fig. 3a). a) b) Fig. 3. Helix resonator electrically coupled with microstrip line: a) electrical coupling with the resonator; b) equivalent circuit diagram. Rys. 3. Rezonator sprzężony polem elektrycznym z linią mikropaskową: a) rysunek poglądowy; b) schemat zastępczy. For estimation purposes we used the inductance formula: 2 an L 0.45a l nh which is valid for l 0.4 α and all dimensions provided in [mm] [2]. Because of used winding technique, final relation between dimensions is l = 0.375 α. According to the formula (5) the inductance L = 3.88 nh, which is acceptable comparing to FEM simulator result L = 3.92 nh. The self resonance frequency for LC circuit is defined as: f o 2 1 LC For the coil without additional capacitors the resonance frequency is observed at the 23.5 GHz. This gives the capacitance between two coil s wires C L 0.012 C pf. 1 (5) (6) 4

E. M. Dąbrowska, Mossakowski, M. J. Teodorczyk, KoprowskiG. Sobczak, A. Maląg The inter-turns capacitance of the coil has a very small value and the main part of total capacitance is shared by two mounting pads of the microcoil resonator. Its capacitances are marked by C 1 and C 2 as shown in Fig. 3b. and Fig. 4b. Because of additional capacitances, the resonance frequency could be decreased to about 9.5 GHz. The equivalent series resistance R S of the coil at the frequency f 0 is: R S d 4 where δ s is the skin depth. For two turns of silver wire of d = 0.2 mm, R DC = 2.62 m and R S = 202 m (for σ(ag) = 61.10 3 S/mm and δ s = 0.64 m at 10 GHz). This value and the former solved data allows us, using the equation [4]: L Q0 (8) RS to estimate the two-turns coil s quality Q 0 = 573. According the general microwave circuit theory of resonators [5]: Q0 QL (9) 1 where β is the coupling coefficient of the resonator with supply line. Pads under the coil were created by etching away a copper from 0.2 inch thick microwave laminate (ROGERS 5880). They are used are to fix the main part of the resonator and to tune resonance frequency. Very small diameters and sample volume has allowed to obtain a very high Λ factor over 20 Gs/ W. Small dimensions of the resonator evoke coupling problems because of very low values of lumped elements. Each pad under the coil has area of 0.8 mm x 2.4 mm and the both introduce two additional capacities C 1 = C 2 = 0.05 pf. The coil has the very low inductance L and self-capacitance C L between the wire turns. The first successful attempt of coupling the microresonator with supply line was made by two series capacitors coupling by electric field. Estimated values of capacitors C A and C B were about 0.01 pf. Such a small capacitance could be achieved only by leaving an air gap between the substrates with the microstrip line and the resonator (Fig. 3b). By adjusting the width of the gap we have a full control of the coupling factor. However, during experiments some construction imperfections were discovered: Changing gap s width caused C 2 capacity change, which provided significant changes of the resonance frequency during coupling process. s R DC (7) Significant influence of mechanical precision to capacity changes of C A and C B. For example 10% variation was caused by a 50- m sweep what in the next step resulted in the loss of critical coupling. Significant microwave leakage by the gaps forced to extend shield from resonator onto the gap. Results of experiments with electric field coupling inspired us to apply magnetic coupling between the microstrip line and coil microresonator (Fig. 4). a) b) Fig. 4. Magnetically coupled helix resonator with microstrip line: a) microcoil-resonator above the microstrip line; b) equivalent circuit diagram. Rys. 4. Rezonator sprzężony polem magnetycznym z linią mikropaskową: a) rysunek poglądowy; b) schemat zastępczy. The next solution also is not mechanically complex and very easy to make (Fig. 5). Feeding microstrip line is in the same distance to the coil during coupling process what practically means that all physical dimensions around coil are constant, which causes better stability of lumped elements in an equivalent circuit. We exploited field pattern of TEM mode in the microstrip line and the resonator was placed in the way that its axis is parallel to magnetic field lines, generated by the coupled microstrip line. The coil is suspended over the microstrip supply line (Figs. 5 6). 5

Badanie naprężeń wprowadzanych A helical-coil do diod resonator laserowych magnetically podczas coupled montażu with za pomocą microstrip... In... The colours on the diagram provide us the magnetic field intensity from 20 Gs (red) down to 0.2 Gs (green). The scale is logarithmic. On this pattern of the magnetic field inside the microresonator, there are shown very clear interactions between a quasi- TEM mode of the microstrip line and the inducted magnetic field. In situ measurements of S 11 parameter of the magnetically coupled microresonator were made using a vector network analyzer, HP8720C (Fig. 7). Fig. 5. Decomposed resonator with magnetic coupling. Rys. 5. Rozłożony rezonator sprzężony magnetycznie. The microstrip line, placed directly under the resonator was narrowed-down to increase the density of microwave magnetic field lines. This procedure according to circuit analysis resulted in increasing the density of the surface current J sz : J sz jk0 b x z z ( x, z) e [A/m] 0 (10) along the line in the 0z direction (Fig. 4a.). The inductance of microstrip is also growing due to increasing the density of the magnetic flux b(x) around the microstrip line [6]: 0 b x ð I m 2 w x 2 2 (11) Fig. 6. Visualization of microwave magnetic field in resonator. Rys. 6. Kształt pola magnetycznego w rezonatorze. where: I m is the amplitude of the ac current in the microstrip, w the width of the microstrip The end part of 50-Ωm transmission line was narrowed-down 10 times. Its open end assures the boundary condition b = 0. The length of narroweddown part of the line is in the range of λ 0 / 4 < L < λ 0. The coupling point is situated at a distance l from the end of the line (Fig. 4b). 3. RESULTS Simulations made on Ansoft HFSSvs10 were helpful to illustrate very precisely the magnetic field distribution near the coupling point (Fig. 6). Fig. 7. Resonator response. Rys. 7. Odpowiedź rezonatora. 6

E. M. Dąbrowska, Mossakowski, M. J. Teodorczyk, KoprowskiG. Sobczak, A. Maląg The 3-dB bandwidth f 3dB = 77 MHz and resonant frequency f 0 = 9.28 GHz, directly readout from the resonance curve, gives Q 0 = 241. 4. DISCUSSION The results of the al built-in resonator measurements, the electromagnetic (EM) field simulation in the resonator and its lumped element equivalent circuit simulation are compared in Fig. 8. In the EM simulation, all dimensions and electro magnetic parameters of actual resonator were taken into account. Lumped elements were estimated using equations presented in this paper. The level of additional insertion losses is about 3 db. These insertion losses are noticeable in the results measurements of the actual construction of the resonator and in the results from the EM simulator. The lack of additional insertion losses in the results from the circuit simulator infers that in the equivalent circuit an additional lossy lumped element should be included. we may state that the amplitude of the microwave field inside the coil of length l is: And following the equation (12), we express it as: B B 2N l Q L L 1 0 P0 ~ B1 ~ P 0 2N l QL L It can be written in the CGS system as the formula (4). So, at microwave power 1 W supplied to the twoturns resonator with Q L = 308 we introduce to the microcoil a magnetic field B 1 = 20.04 Gs to get Λ = 20.04 Gs/ W. The accurate values of the magnetic field and Λ factor were obtained using the simulator based on the implementation of finite elements method to electromagnetic calculations. N 0 2P 0 1 ~ (13) 0 l RS (14) This equation allows us to define and understand the Λ coefficient: (15) 5. CONCLUSION Fig. 8. Comparison of measured and calculated characteristics of S 11 and f 0.resonator parameters. Rys. 8. Porównanie zmierzonych i obliczonych charakterystyk parametrów rezonatora S 11 i f 0. The resonant frequency of the actual resonator is different in comparison to that one provided by the EM simulations. The error is about 4%. The error of the resonant frequency provided by the equivalent circuit simulations is about 4.3% compared to the EM simulation. At critical coupling (β = 1 in eqn. (9)), a quality of the loaded resonator is: Q Loaded L 2R Analysing current induced by the incident microwave power P 0 in the turns with series resistance R S, S (12) Our investigations open new possibilities in adaptation of the helical microresonators for EPR spectroscopy working in X band frequencies. The analysis of the resonator equivalent circuit, based on lumped elements and transmission lines, provides characteristic parameters of the microresonator. Statements of the results are simple for interpretation and should be helpful in designing of the helical microresonators for EPR spectroscopy. ACKNOWLEDGEMENT The Authors would like to thank Prof. Wojciech Froncisz from Jagiellonian University, Ph.D. James Hyde and M.Sc. Jason Sidabras from Medical College of Wisconsin for inspirations and first common experiments with such a microresonator undertaken during the short stage at Medical College of co-author Marek Mossakowski. 7

Badanie naprężeń Nowe wprowadzanych kompozyty grubowarstwowe do diod laserowych o obniżonej podczas temperaturze montażu za pomocą spiekania... In... REFERENCES [1] Lurie D.J.: Techniques and applications of EPR imaging, Electron Paramagnetic Resonance, 18, RSC, ed. The Royal Society of Chemistry, 2002 [2] Vizmuller P.: RF design guide: systems, circuits, and equations, ARTECH HOUSE Inc., 1995, 218-219 [3] Hyde J.S., Froncisz W.: Advanced EPR: Applications in biology and biochemistry, ed. by A. J. Hoff, Amsterdam, ELSEVIER, 1989, 277-306 [4] Sadiku M.N.O.: Elements of electromagnetics, Oxford University Press 2001, 428 [5] Galwas B.: Wielowrotniki i rezonatory mikrofalowe, Wydawn.Politechniki Warszawskiej, 1985 [6] Wadell B.C.: Transmission line design book; Artech House Inc. 1991 REZONATOR HELIKALNY SPRZĘŻONY MAGNETYCZNIE Z LINIĄ MIKROPASKOWĄ DO ZASTOSOWAŃ W SPEKTROSKO- PII EPR Opisany rezonator zbudowany został ze srebrnego drutu o średnicy 0.2 mm uformowanego w dwuzwojową cewkę o wewnętrznej średnicy 0.8 mm. W porównaniu do rezonatorów wnękowych pracujących w tym samym zakresie częstotliwości, przedstawiony rezonator helikalny stanowi niewielki ich ułamek objętości. Cewka jest zawieszona nad linią mikropaskową podłączoną do mostka mikrofalowego spektrometru EPR. Rezonator zbudowany został z przeznaczeniem do badań uwodnionych próbek biologicznych w paśmie X. Głównym zamierzeniem autorów było udoskonalenie sprzężenia rezonatora z mikropaskową linią zasilającą. Przeprowadzone symulacje i rzeczywiste pomiary rozkładu pola elektromagnetycznego ujawniły dużą symetrię i olbrzymią koncentrację pola magnetycznego wzdłuż głównej osi rezonatora, w miejscu gdzie znajduje się badana próbka. Współczynnik Λ dla opisanego rezonatora przewyższa wartość 20 GS/ W, natomiast pasmo rezonansowe jest bardzo szerokie mała dobroć układu ~ 300. Powyższe cechy rezonatora są pożądane w impulsowej spektroskopii EPR. Słowa kluczowe: rezonator EPR, sprzężenie magnetyczne, rezonator helikalny NOWE KOMPOZYTY GRUBOWARSTWOWE O OBNIŻONEJ TEMPERATURZE SPIEKANIA PRZEZNACZONE NA KONTAKTY OGNIWA SŁONECZNEGO Anna Młożniak 1), Piotr Ungier 2), Małgorzata Jakubowska 1,2) 1) Wydział Mechatroniki, Politechnika Warszawska, ul. Św. Andrzeja Boboli 8, 02-525 Warszawa, e-mail: maljakub@mchtr.pw.edu.pl 2) Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa e-mail: maljakub@itme.edu.pl W pracy przedstawiono nowa generację materiałów grubowarstwowych przeznaczonych do nanoszenia sitodrukiem, w których fazę przewodzącą stanowią proszki srebra o submikronowej wielkości ziaren. Zaletą tych past jest to, że nie zawierają fazy szkliwa, które wspomagało proces spiekania, a jednocześnie pogarszało przewodnictwo elektryczne warstwy. Kolejna zaleta tych past to możliwość spiekania w niższych temperaturach, co zwieksza obszar stosowania tych past w róznych procesach technologicznych 8 Słowa kluczowe: technologia grubowarstwowa, nanoproszek srebra, ogniwo słoneczne 1. WSTĘP Dotychczas stosowane pasty srebrowe do technologii grubowarstwowej przeznaczone do nanoszenia na podłoża techniką sitodruku składały się z fazy przewodzącej, którą stanowił proszek srebra

E. A. Dąbrowska, Młożniak, P. M. Ungier, Teodorczyk, M. Jakubowska G. Sobczak, A. Maląg o wielkości ziaren 1-3 μm, z fazy pomocniczej wspomagającej proces spiekania ziaren fazy stałej, którą stanowiło szkliwo powstałe ze stopienia mieszaniny tlenków nieorganicznych oraz z nośnika organicznego, który umożliwia proces sitodruku, ulegając spaleniu w procesie wypalania warstwy. Charakterystyczną temperaturą spiekania warstw srebrowych jest 850 o C. Przy odpowiedniej kompozycji szkliwa możliwe było obniżenie temperatury spiekania do 650 o C. Jednak tak wysoka temperatura spiekania ograniczała możliwość zastosowania tych past na kontakty omowe w technologii ogniw słonecznych, ze względu na konieczność narażania całego ogniwa na zbyt wysoką temperaturę. W ostatnich latach nastąpił rozwój nanotechnologii, obejmującej materiały, technologie lub urządzenia funkcjonujące na poziomie nano, a więc w skali 10-9 danej wielkości, wysuwając się obecnie na czoło najintensywniej rozwijających się kierunków badawczych. Nanomateria przejawia często nowe, specyficzne właściwości: fizykochemiczne; mechaniczne, optyczne, elektryczne, magnetyczne czy też katalityczne. Wynika to z efektów kwantowych oraz z wysokiego udziału atomów powierzchniowych, powodującego wysoką reaktywność. W efekcie np. temperatura topnienia nanocząstek może być znacznie niższa, niż mikrokrystalicznej fazy stałej. W nanoskali pojawiają się również nowe zjawiska, nieznane dla obiektów mikrokrystalicznych. Z tego powodu powstały opracowania zmierzające do zastosowania nanoproszków metali, a zwłaszcza nanosrebra jako dodatku do srebrowych past przewodzących stosowanych w technologii grubowarstwowej. Pasty te mogą składać się z mikroproszku srebra, szkliwa bezołowiowego, różnych ilości i frakcji nanosrebra oraz nośnika organicznego. Badania takie prowadził m.in. zespół naukowców koreańskich: Sunghyun Park i in. [1 2]. Autorzy niniejszej pracy podjęli próbę wytworzenia pasty przewodzącej zawierającej jedynie nanosrebro i nośnik organiczny przeznaczonej do nanoszenia metodą sitodruku. Celem pracy było opracowanie pasty przewodzącej na kontakty omowe ogniwa słonecznego, które można by wytworzyć poprzez wypalanie warstwy srebrowej w znacznie niższej temperaturze. Cel ten osiągnięto poprzez zastosowanie w paście nanoproszków srebra. 2. PRACE DOŚWIADCZALNE 2.1. PASTY I PROCES WYTWARZANIA WARSTWY W celu otrzymania nanosrebra zastosowano sposób polegający na termicznym rozkładzie srebrowych soli kwasów tłuszczowych [3-5], przy czym pozostałości kwasów tłuszczowych stwarzają naturalną otoczkę wokół wytworzonych nanoziaren i zapobiegają ich aglomeracji. Metoda ta jest niezwykle prosta, przyjazna dla środowiska i nie wymaga kosztownej aparatury. Uzyskano materiał, złożony z ziaren nanosrebra oraz części organicznej, stanowiącej skuteczny środek powierzchniowo czynny. W celu oceny otrzymywanych materiałów przeprowadzono badania ich właściwości termicznych przy pomocy symultanicznego analizatora termicznego, łączącego pomiary kalorymetryczne z termograwimetrią DSC-TG (urządzenie typu STA 449 F1 Jupiter firmy Netzach). Próbki były grzane ze stałą szybkością 10 K/min od temperatury pokojowej do 500 C w tlenie bądź azocie. Wyniki badania otrzymanych nanoproszków srebra z kilku procesów rozkładu ilustruje Rys. 1. Rys. 1. Analiza DSC-TG nanocząstek srebra z otoczką organiczną w tlenie. Fig. 1. Differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric (TG) analysis of silver nanoparticles with organic coating (in oxygen). 9

Badanie naprężeń Nowe wprowadzanych kompozyty grubowarstwowe do diod laserowych o obniżonej podczas temperaturze montażu za pomocą spiekania... In... Stwierdzono, że nanoziarna są pokryte otoczką organiczną zapobiegającą ich rozrostowi i w zależności od warunków procesu różnią się ilością otoczki i stopniem oczyszczenia z pozostałości substratów. Otrzymane nanoproszki srebra zawieszono w niewielkiej ilości toluenu. Umożliwiło to wykonanie zdjęć SEM. Zdjęcia SEM (wykonane przy użyciu mikroskopu firmy Carl Zeiss, model AURIGA Cross- Beam Workstation) otrzymanego materiału (Rys. 2.) potwierdzają, iż składa się on z ziaren o wielkości od kilku do kilkunastu nanometrów. rzania tradycyjnych past do sitodruku. Nanosrebro w otoczce organicznej rozpuszczono w niewielkiej ilości toluenu i dodano nośnik organiczny. Następnie pastę nanoszono na podłoża metodą sitodruku, stosując test ze ścieżką przewodzącą zawierającą 200 kwadratów oraz polami umożliwiającymi sprawdzenie lutowności. Jako podłoża stosowano płytki krzemowe polerowane i niepolerowane (matowe). Wytworzono również warstwy na szkle, płytkach alundowych i folii organicznej Kapton HN. Pasty wypalano w atmosferze powietrza w piecu komorowym lub tunelowym w różnych temperaturach. Płytki szklane wypalano w temperaturze 200-600 C w atmosferze powietrza w piecu komorowym, stosując szybkość nagrzewania 12 C/min. Czas przetrzymania w maksymalnej temperaturze wynosił 60 min. 3. WYNIKI I DYSKUSJA Rys. 2. Obraz SEM ziaren nanosrebra z otoczką organiczną. Fig. 2. SEM image of silver nanoparticles with organic coating. Z otrzymanego materiału wykonano pastę, stosując jako nośnik roztwór etylocelulozy w kompozycji rozpuszczalników organicznych, używany do wytwa- Ponieważ pasta jest przeznaczona do wytwarzania kontaktów omowych w ogniwach słonecznych, dlatego autorzy zdecydowali się przytoczyć w niniejszej pracy wyniki uzyskane przede wszystkim na podłożach krzemowych. Wykonano nadruki na płytkach krzemowych, zarówno na stronie matowej, jak i na stronie polerowanej. Wypał przeprowadzono w atmosferze powietrza w piecu tunelowym w temperaturze 600 C oraz w piecu komorowym w temperaturze 300 C. Wygląd warstw ilustruje Rys. 3, a ich obraz uzyskany za pomocą elektronowego mikroskopu scanningowego Rys. 4-5. (a) (b) Rys. 3. Obraz mikroskopowy warstwy nadrukowanej na podłożu krzemowym: a) na stronie matowej, b) na stronie polerowanej. Wypał w 300 o C. Fig. 3. Top view of the layer printed and fired on Si substrate: a) on no polished side, b) on polished side. Firing temperature 300 o C. 10

E. A. Dąbrowska, Młożniak, P. M. Ungier, Teodorczyk, M. Jakubowska G. Sobczak, A. Maląg (a) (b) Rys. 4. Mikrostruktura wypalonej warstwy na podłożu krzemowym (SEM): a) na stronie matowej, b) na stronie polerowanej. Wypał w 300 o C. Fig. 4. Microstructure of the sintered silver nanopowder layer on Si substrate (SEM): a) on non-polished side, b ) on polished side. Firing temperature 300 o C. (a) (b) Rys. 5. Mikrostruktura warstwy nadrukowanej na podłożu krzemowym (SEM): a) na stronie matowej, b) na stronie polerowanej. Wypał w 600 o C. Fig. 5. Microstructure of the sintered silver nanopowder layer on Si substrate (SEM): a) on non-polished side, b) on polished side. Firing temperature 300 o C. Badania mikrostruktury warstw wskazują, że warstwy są bardzo dobrze spieczone i to już w temperaturze 300 o C. Stopień spieczenia warstw w 300 o C jest porównywalny z warstwami spiekanymi w 600 o C. Natomiast powierzchnia warstw jest niezbyt gładka (Rys. 3). Potwierdzają to badania profilu warstw, przedstawione na Rys. 6. Rys. 6. Profil ścieżek z pasty nanosrebrowej na podłożach krzemowych: a) na stronie matowej, b) na stronie polerowanej. Wypał w 600 o C Fig. 6. Conductive paths profiles on Si substrate: a) on nonpolished side, b) on polished side. Firing temperature 600 o C. 11

Badanie naprężeń Nowe wprowadzanych kompozyty grubowarstwowe do diod laserowych o obniżonej podczas temperaturze montażu za pomocą spiekania... In... Badania profilu warstw wykazały, że warstwy charakteryzują się małą grubością 1-2 μm w stosunku do tradycyjnych warstw srebrowych nakładanych metodą sitodruku powyżej 15 μm. Określono zależność rezystywności warstwy wykonanej z nanosrebra od temperatury wypału, dla warstw nakładanych na podłożu szklanym (Rys. 7). Z badania tego wynika, że już od 250 C warstwy wykazują bardzo dobre przewodnictwo elektryczne, która waha się nieznacznie w miarę wzrostu temperatur wypału. W tym miejscu należy zauważyć, że warstwy oparte na mikroproszkach srebra spiekają się w temperaturze 850 o C i to w obecności fazy ciekłej, którą stanowi stopione szkliwo. Szkliwo to po procesie spiekania pozostaje w warstwie, pogarszając zdolność przewodnictwa warstwy. W Tab. 1 przedstawiono właściwości warstw otrzymanych z nanoproszku srebra na podłożu krzemowym. Zmierzono grubość i rezystancję ścieżek, przeliczono je na rezystancję na kwadrat i rezystywność. Adhezję mierzono metodą zarysowania prętem metalowym. Wszystkie warstwy wykazywały dobrą lutowność lutowiami tradycyjnymi. 4. PODSUMOWANIE W wyniku przeprowadzonych prac opracowano pastę zawierającą nanoproszki srebra o wielkości ziaren od kilku do kilkudziesięciu nanometrów. Pasta ta jest przeznaczona do nakładania sitodrukiem i umożliwia wytwarzanie warstw dobrze przewodzących elektrycznie poprzez wypalanie w znacznie niższych temperaturach w porównaniu z dotychczas stosowanymi pastami. Umożliwia to stosowanie tych warstw jako kontakty omowe w ogniwach fotowoltaicznych i w tym kierunku badania te będą kontynuowane. PODZIĘKOWANIA Rys. 7. Zależność rezystywności warstw z nanoproszku srebra drukowanych na szkle od temperatury wypału Fig. 7. Relation between resistivity changes in function of firing temperature for silver nanopowder layers on glass. Tablica 1. Właściwości warstwy nanosrebrowej na podłożach krzemowych. Table 1. Properties of nanosilver layers on Si substrates. Symbol próbki Strona polerowana, wypał w 300 C Strona matowa, wypał w 300 C Strona polerowana wypał w 600 C Strona matowa, wypał w 600 C Rezystancja/, mω/ Grubość, μm Rezystywność, Ωm x10-8 Adhezja 12,2 2 2,44 + 12,0 2 2,40 + 14,35 2 2,87 + 14,7 2 2,94 + Powyższą pracę sfinansowano w ramach tematu statutowego Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych, numer zlecenia 16-1-1024-9. LITERATURA [1] Sunghyun Park, Dongseok Seo, Jongkook Lee: Fabrication of Pb-free silver paste and trick film adding silver nanoparticles, Solid State Phenomena, 124-126, (2007), 639-642 [2] Sunghyun Park, Dongseok Seo, Jongkook Lee: Electrical properties of silver paste prepared from nanoparticles and lead-free frit, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 7, 11, (2007), 3917-3919 [3] Koji Abe et al.: Two-dimensional array of silver nanoparticles, Thin Solid Films, 327-329 (1998) 524-527 [4] Nagasawa H., Maruyama M., Komatu T., Soda S., Kobayashi T.: Physical characteristics of stabilized silver nanoparticles fordem rusing a new thermaldecomposition method, Phys. Stat. Sol. (a), 191, 1, (2002), 67-76 [5] Young-Il Lee, Hye-Jin Cho, Metal nanoparticles and method for producing the same, US 2007/ 0018140A1 12

E. Dąbrowska, M. Teodorczyk, G. Sobczak, A. Maląg NEW THICK FILM COMPOSITES OF LOWER SINTERING TEMPE- RATURE FOR OHIMIC CON- TACTS FOR SOLLAR CELLS New generation of screen printed thick film materials where conducting phase was of submicron silver powder. The main advantage of these pastes compare with the standard ones is that they do not contain glassy phase. This phase helped sintering process, but caused the worse electrical conductivity. Another advantage of this paste is the lower sintering temperature which enables its application in much wider range of technological processes. Key words: thick-film technology, silver nanopowder, solar cell BADANIE NAPRĘŻEŃ WPROWADZANYCH DO DIOD LASEROWYCH PODCZAS MONTAŻU ZA POMOCĄ In ORAZ STOPU EUTEKTYCZNEGO AuSn Elżbieta Dąbrowska 1, Marian Teodorczyk 1, Grzegorz Sobczak 1, Andrzej Maląg 1 Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych 01-919 Warszawa, ul. Wólczyńska 133; e-mail: elzbieta.dabrowska@itme.edu.pl Montaż diod laserowych wprowadza naprężenia do warstwy aktywnej chipu laserowego, zmieniając jej parametry elektrooptyczne. Dla ich charakteryzacji w ramach niniejszego opracowania badano charakterystyki mocowo- -prądowe, spektralne promieniowania laserowego, niskoprądowe I-V oraz charakterystyki promieniowania spontanicznego poniżej progu dla samego chipu i po każdym etapie montażu. Diody montowano do chłodnic w próżni i w atmosferze azotu przy użyciu lutowia miękkiego (In), a także przy zastosowaniu lutowia twardego (eutektycznego AuSn). W drugim przypadku chipy lutowano do miedzianej chłodnicy bezpośrednio i z zastosowaniem przekładki diamentowej. Stosowane lutowie AuSn było w postaci folii, jak również w postaci cienkich warstw Au i Sn lub stopu eutektycznego AuSn napylanych na chłodnicę lub przekładkę diamentową. Na każdym etapie montażu w diodach obserwowano różne naprężenia w zależności od zastosowanej metody. Sprawdzono również skuteczności procesów termicznej relaksacji naprężeń w diodach wykonanych poprzez wygrzewanie. Słowa kluczowe: dioda laserowa, heterostruktura, montaż DL, In, eutektyk AuSn 1. WSTĘP Proces wytwarzania diody laserowej obejmuje wiele operacji technologicznych. Bardzo ważnym elementem tej technologii jest montaż, a przede wszystkim lutowanie chipu laserowego do podło- ża, którym jest chłodnica lub przekładka odprowadzająca ciepło, tzw. heat spreader. Lutowie ma za zadanie stabilne mechaniczne połączenie. Musi przy tym wykazywać się niską elektryczną i termiczną rezystancją połączenia. Jakość lutowania wpływa na elektrooptyczne własności urządzenia i jest krytyczna dla pracy i niezawodności diody laserowej (DL). Jako chłodnic (DL810) we wszystkich badaniach używano bloków wykonanych z miedzi, obrobionych mechanicznie i chemicznie w wysokiej klasie dokładności wymiarów i gładkości powierzchni, a następnie pokrytych galwanicznie Ni i Au. Znaczna część energii elektrycznej dostarczanej podczas pracy diody laserowej zamieniana jest na ciepło. Dla diod montowanych stroną epitaksjalną do chłodnicy (epi-down) strumień ciepła przepływa z obszaru aktywnego poprzez warstwę p-emitera, metalizację po stronie epitaksjalnej i poprzez lutowie do chłodnicy. Transfer ciepła z obszaru aktywnego jest generalnie słaby z powodu niskiej przewodności cieplnej obszaru aktywnego i warstwy p-emitera. Skuteczność odprowadzenia tego ciepła z obszaru aktywnego odpowiada za parametry elektryczne i optyczne (długość fali promieniowania laserowego, prąd progowy I th, sprawność optyczną η ), czas życia diody, oraz jej niezawodność. 13

Badanie naprężeń wprowadzanych do diod laserowych podczas montażu za pomocą In... Na termiczne własności lasera istotny wpływ ma m.in. struktura i grubość metalizacji Au po stronie epitaksjalnej. Przewodność cieplna Au jest dość duża (315 W/m/K) i sama metalizacja znajduje się w odległości na ogół poniżej 3 μm od źródła ciepła, tak więc może ona rozszerzać strumień cieplny, mając jednocześnie znaczny wpływ na termiczne zachowanie diody laserowej. Gruba warstwa Au może znacząco zredukować rezystancję termiczną przez skierowanie części strumienia ciepła do szerszych bocznych obszarów (Rys. 1.1) [1]. Rys. 1.1. Wpływ grubości warstwy Au osadzonej na stronie epitaksjalnej na rozpływ strumienia cieplnego emitowanego przez obszar aktywny diody laserowej. Punkt 0 jest środkiem obszaru aktywnego. Fig. 1.1. Influence of thickness of an Au layer electroplated on the chip s epi-side on spreading of a heat flux emitted by active layer. The point 0 is a center of active layer. Rezystancja termiczna według X. Liu i innych [1] może być zredukowana o 17% dla 3 μm warstwy Au i o 21% dla warstwy Au grubości 5 μm w porównaniu z warstwą Au grubości 0,2 μm (Rys. 1.2). Rys. 1.2. Termiczna rezystancja diody laserowej w funkcji grubości warstwy Au. Fig. 1.2. Thermal resistance of a laser diode as a function of Au layer thickness. 14 Dodatkowo gruba warstwa złota na stronie p chipu ma zabezpieczyć obszar aktywny przed ściskaniem lub nawet zniszczeniem w momencie umiejscowienia chipu na chłodnicy w czasie lutowania, jak również zmniejszyć naprężenie termiczne w tym obszarze. Przy lutowaniu należy zabezpieczyć się przed tworzeniem takich związków jak tlenki, węgiel czy krzem na powierzchni rozpuszczonej warstwy lutowia. Materiały te tworząc stały film na warstwie lutowia uniemożliwiają wykonanie poprawnego połączenia. Warstwa tlenku dodatkowo narasta na materiale lutowia w czasie kiedy lutowie mięknie [2]. Lutowie, podłoże i cały proces lutowania mają zapewnić połączenie bez pustych przestrzeni (voids), niskie naprężenia i stabilne, bardzo precyzyjne ustawienie. Przy montażu epi-down diod laserowych odległość pomiędzy obszarem aktywnym zawierającym studnie kwantowe i światłowód, a chłodnicą jest zredukowana do kilku mikrometrów. Konstrukcja taka pozwala na lepsze odprowadzanie ciepła z obszaru aktywnego, w porównaniu z montażem epi-up (stroną epitaksjalną do góry), co jest istotne zwłaszcza w diodach dużej mocy. Jednakże mała odległość obszaru aktywnego od chłodnicy wprowadza w nim naprężenia. Całkowite naprężenie w diodzie laserowej składa się z kilku niezależnych składowych: 1) misfit strain - niedopasowanie powstające w czasie wzrostu epitaksjalnego. Różne stałe sieci krystalicznej a 1 i a 2 warstw lub warstwy i podłoża wprowadzają deformację opisaną parametrem niedopasowania: Δa/a = (a 1 -a 2 )/a 1. Naprężenie to ściśle zależy od grubości i składu warstwy, jest często zamierzone i uwzględnione w konstrukcji, 2) podczas lutowania chipu do chłodnicy metodą epi-down chip i chłodnica grzane są do temperatury lutowania T s, a następnie chłodzone do temperatury otoczenia T a. Generuje to naprężenie w heterostrukturze є p dane wzorem [2]: є p = (α 1 - α 2 ) x (T s -T a ) gdzie: α 1 i α 2 są współczynnikami rozszerzalności termicznej (CTE coefficient of thermal expansion) chipu i chłodnicy. Naprężenie є p powoduje zmianę stałej sieci krystalicznej w heterostrukturze, a tym samym zmianę parametrów diody laserowej w porównaniu z parametrami niezmontowanego chipu. Gdy є p przyjmuje wartość ujemną warstwa jest ściskana, gdy dodatnią warstwa jest rozciągana.

E. Dąbrowska, M. Teodorczyk, G. Sobczak, A. Maląg Ważne jest, jaka część tego naprężenia przejdzie od lutowia do warstwy aktywnej. C.C. Lee i inni wykazali [2], że do studni kwantowej przechodzi od ¼ nawet do ½ naprężenia pochodzącego od montażu. Ta wielkość zależy od własności i grubości materiału lutowia oraz technologicznych detali procesu montażowego. Autorzy prezentowanej pracy sprawdzali charakter i wielkość naprężeń indukowanych podczas różnych sposobów montażu poprzez pomiary wynikłych z tego zmian podstawowych parametrów DL. Do badań przeznaczono chipy wyselekcjonowane w czasie pomiarów impulsowych. Zostały one wykonane z heterostruktury otrzymanej techniką MOVPE w ITME, budowę której przedstawiono w Tab. 1. Konstrukcja DL obejmowała wyznaczenie obszaru aktywnego (paska o szerokości 100 μm) poprzez implantację jonów He+, wykonanie kontaktów oraz wykonanie pokryć Tabela 1. Heterostruktura DBSCH SQW / 808 nm. Table 1. Heterostructure DBSCH SQW/808 nm. 13 12 GaAs Warstwa Skład x Grubość - warstwa kontaktowa Domieszkowanie Koncentacja [cm -3 ] 0 0.3 μm Zn > 2E19 2.4 μm Zn 7E17 ~ 0.1 μm Zn domieszkowanie gradientowe AlGaAs - p-emiter 0.45 11 0.5 μm Zn 1E17 10 AlGaAs - gradient 0.65 0.45 30 nm Zn 1E17 9 AlGaAs - bariera 0.65 30 nm Zn 1E17 8 AlGaAs - falowód 0.35 130 nm n 7 GaAsP - QW dla λ = 808 nm 15 nm n 6 AlGaAs - falowód 0.35 130 nm n 5 AlGaAs - bariera 0.65 30 nm Si ~1E16 4 AlGaAs - gradient 0.45 0.65 30 nm Si 1E17 3 0.5 μm Si 1E17 ~ 0.1 μm Si domieszkowanie gradientowe AlGaAs - n-emiter 0.45 2 2.4 μm Si 5E17 1 GaAs - bufor 0 ~1 μm Si 2E18 dielektrycznych luster. Jedynie nieprawidłowy montaż lub nieujawnione defekty mogą spowodować, że tak dobrane diody nie będą pracować w pracy ciągłej (CW). Diody montowano w atmosferze azotu i próżni przy użyciu lutowia miękkiego (In) bezpośrednio do chłodnicy, jak również przy użyciu lutowia twardego (eutektycznego AuSn) do chłodnicy lub przekładki diamentowej. Lutowie AuSn stosowano w postaci folii lub w postaci napylanych cienkich warstw Au i Sn lub stopu eutektycznego AuSn. Badano charakterystyki mocowo-prądowe (P-I), napięciowo-prądowe (I-V), spektralne promieniowania laserowego, niskoprądowe I-V i charakterystyki spektralne promieniowania spontanicznego poniżej prądu progowego dla samego chipu, a następnie po każdym etapie montażu. Do każdego rodzaju montażu przygotowano po 8 chipów. Naprężenia indukowane montażem deformują wszystkie warstwy heterostruktury powodując zmia nę szerokości przerwy energetycznej studni kwantowej (QW) stąd przesunięcia charakterystyk spektralnych. Zakładając określony sposób montażu, zatem przewidując typ i wielkość wytworzonych naprężeń, można kompensować je na etapie projektowania heterostruktury przez wprowadzenie modyfikacji składu warstw. Stwarza to niedopasowanie sieciowe powodujące naprężenie rozciągające wtedy ulega zwężeniu przerwa energetyczna, lub naprężeniu ściskającemu wtedy przerwa energetyczna rozszerza się. Zwężenie przerwy energetycznej wywołane grzaniem występuje również przy pracy ciągłej (CW). W ramach pracy sprawdzono skuteczności procesu termicznej relaksacji naprężeń w diodach montowanych różnymi metodami poprzez wygrzewanie ich w temperaturze 70 o C przez 170 godzin. Parametry te wynikają z możliwości technicznych stosowanej do tego celu aparatury. Są to parametry porównywalne ze stosowanymi przez firmy produkujące DL. Optymalizacja warunków odprężania jest przedmiotem dalszych badań. 2. LUTOWANIE LUTOWIEM MIĘKKIM Ponieważ istnieje duże niedopasowanie współczynników rozszerzalności termicznej pomiędzy GaAs (~ 5.8 ppm/k) i Cu (~ 17.8 ppm/k), montaż DL wydaje się możliwy tylko przy użyciu miękkiego lutowia takiego jak PbSn lub In. Według J.W. Tomm 15

Badanie naprężeń wprowadzanych do diod laserowych podczas montażu za pomocą In... Rys. 2.1. Chip oznaczony LD b9 zmontowany indem w próżni: a) charakterystyka mocowo-prądowa (P-I); b) charakterystyka napięciowo-prądowa (I-V); c) charakterystyka spektralna; d) charakterystyka promieniowania spontanicznego; e) charakterystyka niskoprądowa (I-V). Dla wszystkich rysunków zachowane kolory z Rys.a). Obok umieszczono zdjęcie struktury od strony przedniego lustra. Fig. 2.1. Chip denoted LD b9 soldered with In in vacuum: a) light-current (P-I) characteristics; b) I-V characteristics; c) spectral characteristics above laser threshold; d) spectral characteristics below threshold; e) low-current I-V characteristics. Colors used in Fig. a) and described in the legend therein of are common for all other graphs. Photograph shows the front facet of the laser diode. 16

E. Dąbrowska, M. Teodorczyk, G. Sobczak, A. Maląg i in. [3] przy lutowaniu miękkimi lutowiami brak jest naprężenia, bo lutowia te plastycznie deformują się, relaksując naprężenia. Ta deformacja plastyczna powoduje jednak termiczne zmęczenie i pełzanie lutowia po ściankach chipu, skutkiem czego problemem staje się długoterminowa niezawodność diody laserowej. W prezentowanej przez nas pracy badano dwa sposoby przylutowania diod laserowych do chłodnicy DL810 za pomocą indu: po napyleniu na złocone chłodnice odpowiedniej grubości warstwy In, chipy laserowe, po dokładnym ich ustawieniu za pomocą urządzenia do precyzyjnego lutowania chipów (die-bondera) były umieszczane z chłodnicami w specjalnych uchwytach i grzane do temperatury topnienia In w próżni, zgodnie z procedurami opracowanymi w ITME [4-5], przy pełnym wykorzystaniu die-bondera firmy Fine-Tech. W tym przypadku, po optymalnym ustaleniu programów grzania stolika i ssawki oraz ustaleniu siły nacisku tej ssawki, chipy były lutowane w atmosferze azotu. Okazało się, że w przypadku lutowania miękkim lutowiem mamy również do czynienia z naprężeniami indukowanymi w czasie montażu. Dla chipów lutowanych w próżni wpływ naprężenia na parametry elektrooptyczne dla przykładowej struktury widoczny jest na Rys. 2.1. Oprócz charakterystyki mocowo-prądowej (P-I) i napięciowo-prądowej (I-V) pokazano na nim charakterystyki spektralne promieniowania laserowego i emisji spontanicznej poniżej prądu progowego, oraz charakterystyki niskoprądowe I-V. Nie widać znaczących różnic (w stosunku do parametrów chipów niezmontowanych) w przebiegu charakterystyk niskoprądowych (co świadczy o braku upływności związanych z migracją indu lub zwarć indem), oraz w charakterystykach P-I. Widoczne różnice występują natomiast w charakterystykach I-V dla przypadków przed i po montażu drutowym. Podczas pomiaru pojedynczą sondą ostrzową ustawioną na środku chipu laserowego, przy kontakcie na styk rozpływ prądu po powierzchni chipu jest słaby, stąd dużo większe mierzone napięcie w porównaniu z chipami z drutami aluminiowymi przymocowanymi wzdłuż całej struktury, po obu stronach aktywnego paska,. Zjawisko to występuje w przypadku wszystkich sposobów lutowania. Znacznie też przesuwa się charakterystyka spektralna w kierunku krótkofalowym po przylutowaniu chipu indem do chłodnicy miedzianej (kolor niebieski na Rys. 2.1.c) w porównaniu ze spektrum niezmontowanego chipu (kolor czarny). Miedź ma CTE prawie trzykrotnie większy niż chip laserowy z GaAs, w związku z czym po procesie lutowania, w czasie chłodzenia, szybko kurcząca się chłodnica napręża - ściska nie nadążający chip z GaAs. Naprężenie ściskające warstw epitaksjalnych, w tym aktywnej, powoduje poszerzenie przerwy energetycznej. Stąd przesunięcie charakterystyki spektralnej w kierunku krótkofalowym, w tym przypadku o ponad 2 nm. Przyłączenie drutów aluminiowych metodą ultrakompresyjną (kolor pomarańczowy) powoduje dalsze, już tym razem niewielkie (< 0,5 nm), przesunięcie charakterystyki spektralnej w kierunku krótkofalowym. Stwierdzono, że już same ultradźwięki, przy pomocy których następuje przyłączenie wyprowadzeń elektrycznych do chipu (Rys. 2.2 - w tym przypadku 5 symulowanych połączeń), powodują wprowadzenie naprężeń, co przejawia się rozszerzeniem charakterystyki spektralnej lub jej przesunięciem, w tym przypadku, w kierunku krótkofalowym. Nie ma natomiast różnicy w charakterystykach P-I. W praktyce wykonuje się ~ 10 połączeń drutowych (w zależności od oczekiwanych mocy diod). Wygrzewanie diody montowanej przy pomocy In w próżni przez 170 godz. w temperaturze 70 o C (kolor zielony) relaksuje wprowadzone naprężenia i widać przesunięcie piku charakterystyki w kierunku długofalowym o ponad 1 nm. W rezultacie pik charakterystyki spektralnej DL po ostatnim procesie montażowym jest przesunięty w kierunku krótkofalowym, w stosunku do piku niezmontowanego chipu, o ~ 1 nm (Rys. 2.1.c). Zmiany spowodowane naprężeniami indukowanymi w czasie lutowania widoczne są również w charakterystykach widmowych emisji spontanicznej. Pik tego promieniowania przesuwa się w takim kierunku jak pik charakterystyki spektralnej promieniowania laserowego i dla pracy w reżimie impulsowym o taką samą wartość. Różnice, ze względu na grzanie się obszaru aktywnego występują dopiero przy pracy w reżimie CW. Na Rys. 2.1.d pokazano charakterystyki spektralne emisji spontanicznej rozdzielone polaryzacyjnie na składowe TM i TE. Są to wartości znormalizowane, ale jest zachowany stosunek pomiędzy składowymi polaryzacji. Nieznacznie, wraz z następującymi procesami montażowymi, wzrasta udział składowej TE. Różnica pomiędzy pikami charakterystyki spektralnej (Rys. 2.1.c) lasera pracującego w reżimie pracy impulsowej i CW wynosi ponad 4 nm, podczas gdy dla emisji spontanicznej tylko ~ 1 nm. Tej różnicy 1 nm odpowiada naprężenie ściskające 16 MPa [6-7]. Pozostała różnica 3 nm spowodowana jest grzaniem obszaru aktywnego w czasie pracy CW. 17

Badanie naprężeń wprowadzanych do diod laserowych podczas montażu za pomocą In... Rys. 2.2. Wpływ ultradźwięków na parametry diod laserowych montowanych: a) indem; b) Au80Sn20 przy zastosowaniu przekładki diamentowej. Fig. 2.2. Influence of ultrasounds on electro-optical parameters of laser diodes mounted using: a) indium; b) Au80Sn20 alloy with a diamond heat-spreader. Przesunięcie to będzie tym większe, im wyższa jest temperatura w obszarze aktywnym. Na Rys. 2.3 przedstawione są charakterystyki P-I, I-V, spektralne promieniowania laserowego i emisji spontanicznej oraz niskoprądowe charakterystyki I-V dla diody montowanej lutowiem indowym przy pomocy die-bondera. Dla tej diody zmieniono dotychczasową kolejność operacji technologicznych. Diodę poddano wygrzewaniu przed montażem drutowym. Charakterystyki I-V potwierdzają gorszy rozpływ prądu przy pomiarach ostrzowych. Po przylutowaniu chipu do chłodnicy przesunięcie charakterystyki spektralnej o ponad 2,5 nm w kierunku krótkofalowym jest porównywalne do przesunięcia obserwowanego dla diod montowanych w próżni. Wygrzewanie w temperaturze 70 o C w czasie 170 godz. częściowo uwalnia naprężenia powstałe w laserach podczas lutowania. Montaż drutowy wprowadza tym razem naprężenia rozciągające i charakterystyka spektralna przesuwa się znacznie w kierunku długofalowym. 18 Przesunięcie charakterystyk spektralnych promieniowania laserowego przy pracy CW względem impulsowej jest o ~ 2 nm mniejsze niż dla diody montowanej próżniowo (Rys. 2.1.c - tam wynosiła ~ 4 nm). Dla charakterystyk spektralnych promieniowania spontanicznego obserwujemy, podobnie jak dla diod montowanych w próżni, przesunięcia analogiczne do przesunięć charakterystyk spektralnych. Wyniki dla przebadanych diod nieznacznie różnią się między sobą, tak więc nie można jednoznacznie stwierdzić, że lutowanie indem przy przepływie azotu jest korzystniejsze niż w próżni. Jednak montaż w azocie z zastosowaniem die-bondera jest mniej pracochłonny i wydaje się przyszłościowy. Dla porównania na Rys. 2.4. pokazane są charakterystyki P-I, I-V i spektralne wadliwie zlutowanej diody laserowej z lustrem przednim częściowo przysłoniętym lutowiem. Pomimo braku upływności lub zwarć (charakterystyki niskoprądowe przed i po montażu pokrywają się), po przylutowaniu znacznie

E. Dąbrowska, M. Teodorczyk, G. Sobczak, A. Maląg Rys. 2.3. Chip oznaczony LD c5 zmontowany indem w azocie: a) charakterystyka P-I; b) charakterystyka I-V; c) charakterystyka spektralna,promieniowania laserowego; d) charakterystyka promieniowania spontanicznego, e) charakterystyka niskoprądowa I-V. Dla wszystkich rysunków zachowane kolory z Rys. a). Obok umieszczono zdjęcie struktury od strony przedniego lustra. Fig. 2.3. LD denoted chip c5 soldered with In in N 2 atmosphere: a) P-I characteristics; b) I-V characteristics; c) spectral characteristics above laser threshold; d) spectral characteristics above and below laser threshold, respectively; e) low current I-V characteristics. Colors used in Fig. a) are common for all graphs. Photograph shows the front facet of the laser diode. 19

Badanie naprężeń wprowadzanych do diod laserowych podczas montażu za pomocą In... Rys. 2.4. Chip LD b7 przylutowany indem w atmosterze azotu: a) charakterystyka P-I; b) charakterystyka I-V, c) charakterystyka spektralna promieniowania laserowego; d) charakterystyka promieniowania spontanicznego; e) charakterystyka niskoprądowa I-V. Dla wszystkich rysunków zachowane kolory z Rys. a). Obok umieszczono zdjęcie struktury od strony częściowo przesłoniętego przedniego lustra. Fig. 2.4. Chip LD b7 soldered by In in N 2 atmosphere: a) characteristics P-I; b) I-V characteristics, c) spectral characteristics above laser threshold; d) spectral characteristics above and below laser threshold, respectively, e) low current I-V characteristic. Colors used in Fig. a) are common for all graphs. The photograph shows a fragment of the front facet of laser diode. It is seen, its partially hidden by the solder. 20