Effect of the substrate geometry on the residual stress state induced in a heat sink-laser diode system

• Autorzy: Chmielewski M. , Kaliński D. , Pietrzak K. , Golański D.

Warianty tytułu

PL

Wpływ geometrii podłoża na stan termicznych naprężeń własnych w układzie odbiornik ciepła - dioda laserowa

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The thermal residual stresses generated during the joining process are very important in the technology of ceramic-metal joints. The distribution and magnitude of these stresses mostly depend on the differences in the thermal and mechanical properties of the components being joined, on the joining technique employed and also on the geometry of the joint. The knowledge of the effects exerted by each of these factors permits designing joints with the most advantageous distribution of stresses, so as to avoid or restrict their adverse effect on the operation of the system. In the present study, the residual stress state induced in a heat sink-laser diode system with various geometries of the heat-dissipating component was analyzed using the finite element method. The substrate was an aluminum nitride ceramic/copper joint. The variation of the stress level on a cross-section of the joint was examined and the stress concentration regions were determined. Based on the results obtained, the optimum configuration of the joint was found, such that ensured the maximum possible reduction of residual stresses.

PL

W technologii połączeń ceramiczno - metalowych bardzo istotnym czynnikiem są termiczne naprężenia własne, generowane w trakcie procesu spajania. Na ich rozkład i wielkość największy wpływ mają różnice we właściwościach cieplnych i mechanicznych spajanych elementów, rodzaj techniki spajania, a także geometria samego układu. Znajomość oddziaływania poszczególnych czynników pozwala projektować połączenia o najkorzystniejszym rozkładzie naprężeń, tak aby uniknąć bądź ograniczyć ich niekorzystny wpływ na pracę gotowych wyrobów. W pracy wykorzystano metodę elementów skończonych do analizy stanu termicznych naprężeń własnych w układzie odbiornik ciepła - dioda laserowa dla różnych geometrii układu odprowadzającego ciepło. Jako podłoże wykorzystano połączenie ceramiki z azotku glinu z miedzią. Analizowano zmiany poziomu naprężeń na przekroju złącza oraz wyznaczono obszary ich koncentracji. Na podstawie przeprowadzonych badań określono optymalną konfigurację złącza z punktu widzenia termicznych naprężeń własnych.

Słowa kluczowe

EN

thermal residual stresse; heat-sink material; ceramic-metal joints; composite

PL

termiczne naprężenie własne; odbiornik ciepła; połączenie ceramika-metal; kompozyt; materiał gradientowy

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych
• Czasopismo: Materiały Elektroniczne
• Rocznik: 2009
• Tom: T. 37, nr 3
• Strony: 21--29
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Chmielewski M.

autor

Kaliński D.

autor

Pietrzak K.

autor

Golański D.

• Institute of Electronic Materials Technology, Composite Materials Laboratory, 01-919 Warszawa, ul. Wólczyńska 133

Bibliografia

• [1] Sakamoto M., Welch D., Endriz 1, Scifres D., Streifer W.: 76 W cw monolithic laser diode arrays, Applied Physics Letterrs, 54, (1989), 2299-2300
• [2] Włosiński W.: The joining of advanced materials, Publishing House of Warsaw University of Technology, Warsaw, 1999
• [3] Murakawa H., Ueda Y.: Effect of singularity in stress field on optimum shape of ceramic/metal joints, Transactions of Japanese Welding Research Institute, 20(1), (1991), 109-116
• [4] Seo K., Kusuka M., Nogato E, Terasaki T., Nakao Y., Saida K.: Study of thermal stress at ceramic-metal joint, JSME International Journal Series 1, 33(3), (1990), 756-763
• [5] Włosiński W, Golański D.: The key issues affecting the strength of bonded ceramic to metal joints, Advances in Manufacturing, Science and Technology, 25(4), (2001), 21-37
• [6] Yu H.Y., Sanday S., Rath B.: Residual stresses in ceramic-interlayer-metal joints, Journal of American Ceramic Society, 76(7), (1993), 1661-1664
• [7] Kaliński D., Pietrzak K., Chmielewski M.: Relationship between the design of the joint and the residual stress state in diffusion-bonded A12O3-15 steel joint - FEM analysis, Advances in Manufacturing, Science and Technology, 27(1), (2003), 27-39
• [8] Grujicic M., Zhao H.: Optimization of 316 stainless steel/alumina functionally graded material for reduction of damage by thermal residual stresses, Materials Science and Engineering, A252, (1998), 117-132
• [9] Bruck H., Gershon A. Three-dimensional effects near the interface in a functionally graded Ni-Al2O3 plate specimen, International Journal of Solids and Structures, 39, (2002), 547-557
• [10] Pietrzak K., Kaliński D., Chmielewski M.: Interlayer of Al2O3-Cr functionally graded material for reduction of thermal stresses in alumina - heat resisting steel joints, Journal of European Ceramic Society, 27(2-3), (2007), 1281-1286
• [11] LUSAS User Guide Manual v. 13, FEA Ltd.
• [12] Drake J.T., Williamson R.L., Rabin B.H.: Finite element analysis of thermal residual stresses at graded ceramic-metal interfaces. Part 2. Interface optimization for residual stress reduction, Journal of Applied Physics, 74, (1993), 1321-1326
• [13] Ho S., Lavernia E.: Investigation of thermal residual stresses in layered composite using the finite element method and X-ray diffraction, Metallurgical and Materials Transactions B, 28B, (1997), 969-978
• [14] Golański D.: Modelling of residual thermal stresses in ceramic-metals joints, Publishing House of the Warsaw University of Technology, Warsaw, 2008