لیزرهای نیمه هادی: راه حل های خنک کننده کارآمد برای عملکرد پیشرفته

لیزرهای نیمه هادی ، که به اندازه جمع و جور ، طراحی سبک ، مصرف انرژی کم ، سهولت مدولاسیون و توانایی تولید انبوه شناخته شده اند ، در زمینه های مختلف مانند پردازش صنعتی ، ارتباطات از راه دور ، مراقبت های بهداشتی ، علوم زندگی و ارتش استفاده گسترده ای پیدا کرده اند. از آنجا که قدرت خروجی لیزرهای نیمه هادی همچنان در حال افزایش است ، بخش قابل توجهی از انرژی الکتریکی به گرما تبدیل می شود. خصوصیات نوری ، قدرت خروجی و قابلیت اطمینان این دستگاه ها از نزدیک با دمای عملیاتی آنها گره خورده است و مدیریت حرارتی را به عنوان یک عامل مهم ، به ویژه برای لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا تبدیل می کند.

1. اصول خنک کننده لیزرهای نیمه هادی

روشهای خنک کننده اصلی برای لیزرهای نیمه هادی شامل سینک های گرمای همرفت طبیعی ، میکرو کانن ها ، خنک کننده ترموالکتریک ، خنک کننده اسپری و محلول های لوله حرارتی است. برای لیزرهای نیمه هادی تک تراشه ، سینک های گرمای همرفت طبیعی اغلب به دلیل سادگی در تولید و مونتاژ ، اقتصادی ترین و معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند. از مواد هدایت حرارتی بالا به طور معمول برای افزایش سطح سطح برای همرفت طبیعی استفاده می شود ، در نتیجه باعث افزایش اتلاف گرما و کاهش دمای تراشه می شود. برای کوتاه کردن مسیر انتقال حرارت و تسریع در اتلاف حرارتی ، اکنون پیوند فلیپ تراشه معمولاً اتخاذ می شود ، جایی که تراشه لیزر با استفاده از موادی مانند ایندیم یا لحیم طلای طلا به سینک گرما وصل می شود.

بیشتر گرما در لیزرهای نیمه هادی در ناحیه فعال تراشه ایجاد می شود که سپس از طریق لایه هایی مانند لحیم ، عایق و رابط منتقل می شود و در نهایت به سینک گرمای معمولی می رسد که در آنجا از طریق خنک کننده همرفتی از بین می رود. استفاده از سینک های گرمای ساخته شده از مواد هدایت حرارتی بالا ، روشی مؤثر برای کاهش دمای کار لیزرهای نیمه هادی ، اطمینان از عملکرد و قابلیت اطمینان است. هنگام انتخاب مواد سینک گرما ، باید دو عامل اصلی در نظر گرفته شود:

1. این ماده برای از بین بردن گرما باید از هدایت حرارتی بالایی برخوردار باشد.
2. ضریب انبساط حرارتی مواد باید با تراشه لیزر مطابقت داشته باشد تا از آسیب ناشی از استرس جلوگیری شود.

2. مواد سینک حرارتی برای لیزرهای نیمه هادی

یک ماده سینک حرارتی ایده آل باید هدایت حرارتی بالا را با ضریب انبساط حرارتی ترکیب کند که از نزدیک با تراشه لیزر مطابقت دارد. مس اغلب به دلیل هدایت حرارتی عالی و خاصیت الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد. با این حال ، ضریب انبساط حرارتی مس تفاوت قابل توجهی با تراشه لیزر دارد ، که می تواند استرس حرارتی ایجاد کند و بر عملکرد لیزر تأثیر بگذارد. یک سینک گرمای انتقالی ساخته شده از مواد با هدایت حرارتی بالا و مطابقت نزدیکتر به تراشه می تواند به کاهش این مسئله کمک کند. مواد متداول برای این سینک های گرمای انتقالی شامل سرامیک نیترید آلومینیوم ، سرامیک اکسید بریلیم ، سرامیک کاربید سیلیکون ، آلیاژهای تنگستن-مس ، ویفرهای کاربید سیلیکون و فیلم های نازک الماس است.

من آلیاژهای تنگستن-مس آلیاژ تنگستن-مس ، گسترش پایین تنگستن را با هدایت حرارتی بالای مس ترکیب می کنند و آنها را برای لیزرهای نیمه هادی ایده آل می کند. انبساط حرارتی و هدایت این شبه آلیاژ با تنظیم ترکیب آن می تواند تنظیم شود و به خوبی با سیلیکون ، آرسنید گالیم و مواد سرامیکی مطابقت دارد. لیزرهای اولیه غالباً از ساختار c-mount تنگستن-مس استفاده می کردند ، که بعداً در میله های تنگستن-مس تکامل یافت.

ii. سرامیک نیترید آلومینیوم آلومینیوم آلومینیوم عملکرد کلی عالی را ارائه می دهد ، با هدایت حرارتی نظری تا 320W/(M · K) ، و محصولات تجاری به طور معمول از 180W/(M · K) تا 260W/(M · K) متغیر است. ضریب انبساط حرارتی آن نیز کاملاً نزدیک به تراشه های لیزر است و آن را به یک ماده سینک گرمای انتقالی متداول تبدیل می کند.

iii کاربید سیلیکون (SIC) SIC یک پلی تیپ همگن فوق العاده طبیعی طبیعی است که دارای خواص فیزیکی و شیمیایی برجسته ای است. سختی و مقاومت در برابر سایش فقط در برابر الماس دوم است و دارای هدایت حرارتی نظری حداکثر 490W/(M · K) است - سه برابر سیلیکون. با انبساط کم ، اتلاف گرمای عالی و پایداری حرارتی بالا ، SIC برای دستگاه های با قدرت بالا بسیار مناسب است. در برابر خوردگی مقاومت می کند و تحت فشار طبیعی ذوب نمی شود ، در حالی که اکسیداسیون سطح آن یک لایه دی اکسید سیلیکون ایجاد می کند که از اکسیداسیون بیشتر جلوگیری می کند.

IV الماس برای اتلاف حرارتی بهینه ، از الماس می تواند به عنوان یک ماده اتصال بین تراشه و مس استفاده شود. الماس طبیعی دارای هدایت حرارتی استثنایی 2000W/(M · K) ، پنج برابر مس ، با ضریب انبساط حرارتی کم است. بنابراین ، الماس یک ماده سینک گرما ایده آل برای لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا است. با توجه به هزینه ، الماس طبیعی برای بسته بندی نیمه هادی امکان پذیر نیست ، اما از الماس به عنوان سینک گرما به دو شکل استفاده می شود: فیلم های نازک الماس (CVD Diamond) و کامپوزیت هایی با فلزات مانند مس و آلومینیوم. با این حال ، پیچیدگی پردازش الماس-برش ، پولیش و فلز سازی-کاربرد در مقیاس بزرگ آن را در سینک های گرمای لیزر نیمه هادی محدود می کند.

v. Graphene Graphene یک نانومواد جدید کربن دو بعدی با خاصیت عالی الکتریکی ، نوری و حرارتی است. هدایت حرارتی جانبی آن می تواند به 5300W/(M · K) برسد ، بسیار بیش از سایر مواد سینک گرما مانند کاربید سیلیکون و نیترید آلومینیوم. استفاده از گرافن به عنوان سینک گرما در لیزرهای نیمه هادی پتانسیل بسیار خوبی برای بهبود اتلاف گرما و عملکرد دستگاه نشان می دهد.