ليزر أشباه الموصلات: حلول تبريد فعالة لتحسين الأداء

وجدت ليزر أشباه الموصلات ، والمعروفة بحجمها المدمج ، وتصميمها الخفيف ، والاستهلاك المنخفض للطاقة ، وسهولة التعديل ، وقدرة الإنتاج الضخم ، استخدامًا واسع النطاق في مختلف المجالات مثل المعالجة الصناعية ، والاتصالات ، والرعاية الصحية ، وعلوم الحياة ، والجيش. مع استمرار زيادة الطاقة الناتج لليزر أشباه الموصلات ، يتم تحويل جزء كبير من الطاقة الكهربائية إلى حرارة. ترتبط الخصائص البصرية ، وطاقة الخرج ، وموثوقية هذه الأجهزة ارتباطًا وثيقًا بدرجة حرارة التشغيل ، مما يجعل الإدارة الحرارية عاملاً حاسماً ، وخاصة بالنسبة لليزر أشباه الموصلات عالية الطاقة.

1. مبادئ التبريد من أشباه أشباه أشباه الموصلات

تشمل طرق التبريد الأولية لليزر أشباه الموصلات أحواض حرارة الحمل الحراري الطبيعية ، القنوات الدقيقة ، التبريد الحراري ، تبريد الرش ، وحلول أنابيب الحرارة. بالنسبة لليزر أشباه الموصلات أحادية الرقاقة ، غالبًا ما تكون أحواض حرارة الحمل الحراري الأكثر اقتصادا وتستخدم بشكل شائع بسبب بساطتها في التصنيع والتجميع. عادةً ما تستخدم مواد الموصلية الحرارية العالية لزيادة مساحة السطح للحمل الحراري الطبيعي ، وبالتالي تعزيز تبديد الحرارة وخفض درجة حرارة الشريحة. لتقصير مسار نقل الحرارة وإسراع التبديد الحراري ، يتم الآن اعتماد الترابط الوجه بشكل شائع ، حيث يتم توصيل شريحة الليزر بالوعة الحرارية باستخدام مواد مثل اللوح الإنديوم أو لحام الذهب.

يتم إنشاء معظم الحرارة في ليزر أشباه الموصلات في المنطقة النشطة من الشريحة ، والتي تنتقل بعد ذلك عبر طبقات مثل اللحام والعزل والواجهة ، في النهاية تصل إلى بالوعة الحرارة التقليدية حيث يتم تبديدها من خلال التبريد الحراري. يعد استخدام الأحواض الحرارية المصنوعة من مواد الموصلية الحرارية العالية وسيلة فعالة لتقليل درجة حرارة عمل أشباه الموصلات ، مما يضمن الأداء والموثوقية. عند اختيار مواد الحرارة الحرارية ، ينبغي النظر في عاملين رئيسيين:

1. يجب أن يكون للمادة الموصلية الحرارية العالية لتبديد الحرارة بشكل فعال.
2. يجب أن يتطابق معامل التمدد الحراري للمادة مع معامل شريحة الليزر لتجنب الأضرار الناجمة عن الإجهاد.

2. مواد الحرارة الحرارية لليزر أشباه الموصلات

يجب أن تجمع مادة بالوعة الحرارة المثالية بين الموصلية الحرارية العالية ومعامل التمدد الحراري الذي يطابق بشكل وثيق مع شريحة الليزر. غالبًا ما يستخدم النحاس بسبب الموصلية الحرارية الممتازة والخصائص الكهربائية. ومع ذلك ، يختلف معامل التمدد الحراري للنحاس بشكل كبير عن معامل شريحة الليزر ، والذي يمكن أن يخلق الإجهاد الحراري ويؤثر على أداء الليزر. يمكن أن تساعد الجارق الحراري الانتقالي المصنوع من مواد ذات موصلية حرارية عالية ومطابقة توسيع أوثق إلى الشريحة في تخفيف هذه المشكلة. تشمل المواد الشائعة لهذه الأحواض الحرارية الانتقالية سيراميك نيتريد الألومنيوم ، وخزون أكسيد البريليوم ، والسيراميك السيليكون ، وسبائك التنغستن ، والرقصات كربيد السيليكون ، والأفلام الرقيقة الماسية.

أنا. تجمع سبائك Tungsten-Copper من سبائك Tungsten-Copper بين التوسع المنخفض في التنغستن مع الموصلية الحرارية العالية للنحاس ، مما يجعلها مثالية لليزر أشباه الموصلات. يمكن تصميم التوسع الحراري وموصلية هذا الفئة الزائفة عن طريق ضبط تكوينه ، ويتطابق بشكل جيد مع السيليكون وأزنيد الغاليوم والمواد الخزفية. غالبًا ما تستخدم الليزر المبكرة بنية C-Mount Copper ، والتي تطورت لاحقًا إلى قضبان التنغستن.

الثاني. يوفر السيراميك من نيتريد الألومنيوم من الألومنيوم أداءً شاملاً ممتازًا ، مع توصيل حراري نظري يصل إلى 320 واط/(م · ك) ، وعادة ما تتراوح المنتجات التجارية من 180 واط/(م · ك) إلى 260 واط/(م · ك). معامل التمدد الحراري الخاص به قريب جدًا من معامل رقائق الليزر ، مما يجعله مادة بالوعة حرارة انتقالية شائعة.

ثالثا. SIC CARBIDE (SIC) SIC هو polytype متجانسة طبيعية نموذجية مع خصائص الفيزيائية والكيميائية المتميزة. صلابة ومقاومة التآكل هي في المرتبة الثانية بعد الماس فقط ، وتتميز بتوصيل حراري نظري يصل إلى 490 واط/(م · ك) - ثلاث مرات من السيليكون. مع انخفاض التوسع ، وتبديد الحرارة الممتاز ، والاستقرار الحراري العالي ، يعد SIC مناسبًا للغاية للأجهزة عالية الطاقة. إنه يقاوم التآكل ولا يذوب تحت الضغط الطبيعي ، في حين أن أكسدة السطح يخلق طبقة ثاني أكسيد السيليكون التي تمنع المزيد من الأكسدة.

رابعا. الماس للتبديد الحراري الأمثل ، يمكن استخدام الماس كمواد توصيل بين الرقاقة والنحاس. يتمتع Diamond Natural Diamond بتوصيل حراري استثنائي من 2000 واط/(M · K) ، خمسة أضعاف النحاس ، مع معامل تمدد حراري منخفض. وبالتالي ، فإن الماس هو مادة بالوعة حرارة مثالية لليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة. بسبب التكلفة ، لا يكون الماس الطبيعي ممكنًا بالنسبة لتعبئة أشباه الموصلات ، ولكن يتم استخدام الماس كشركة حرارة في شكلين: أفلام رقيقة الماس (CVD Diamond) والمركبات ذات المعادن مثل النحاس والألومنيوم. ومع ذلك ، فإن تعقيد معالجة الماس-تصحيح ، تلميع ، والمعادن-يحدد تطبيقه على نطاق واسع في أحواض الحرارة بالليزر أشباه الموصلات.

v. الجرافين الجرافين عبارة عن مادة نانوية كربونية ثنائية الأبعاد جديدة ذات خصائص كهربائية وبصرية وحرارية ممتازة. يمكن أن تصل الموصلية الحرارية الجانبية إلى ما يصل إلى 5300 واط/(م · ك) ، مما يتجاوز بكثير مواد الحرارة الحرارية الأخرى مثل كربيد السيليكون ونيتريد الألومنيوم. يوضح تطبيق الجرافين كفتحة حرارية في الليزر أشباه الموصلات إمكانات كبيرة لتحسين تبديد الحرارة وأداء الجهاز.