Yarıiletken Lazerler: Geliştirilmiş Performans için Verimli Soğutma Çözümleri

Kompakt boyutları, hafif tasarımları, düşük enerji tüketimi, modülasyon kolaylığı ve seri üretim kabiliyeti ile bilinen yarı iletken lazerler, endüstriyel işleme, telekomünikasyon, sağlık, yaşam bilimleri ve ordu gibi çeşitli alanlarda yaygın kullanım bulmuştur. Yarı iletken lazerlerin çıkış gücü artmaya devam ettikçe, elektrik gücünün önemli bir kısmı ısıya dönüştürülür. Bu cihazların optik özellikleri, çıkış gücü ve güvenilirliği, çalışma sıcaklıklarına yakından bağlıdır, bu da özellikle yüksek güçlü yarı iletken lazerler için termal yönetimi kritik bir faktör haline getirir.

1. Yarıiletken lazerlerin soğutma ilkeleri

Yarı iletken lazerler için birincil soğutma yöntemleri, doğal konveksiyon ısı lavaboları, mikrokanallar, termoelektrik soğutma, sprey soğutma ve ısı borusu çözeltileri içerir. Tek çipli yarı iletken lazerler için, doğal konveksiyon ısı lavaboları, üretim ve montajdaki basitlikleri nedeniyle genellikle en ekonomiktir ve yaygın olarak kullanılanlardır. Yüksek termal iletkenlik malzemeleri tipik olarak doğal konveksiyon için yüzey alanını arttırmak için kullanılır, böylece ısı dağılmasını arttırır ve çipin sıcaklığını düşürür. Isı transfer yolunu kısaltmak ve termal dağılımı hızlandırmak için, lazer çipinin indiyum veya altın tinli lehim gibi malzemeler kullanılarak ısı batmasına takıldığı artık flip-çip bağı artık yaygın olarak benimsenmiştir.

Yarı iletken lazerlerdeki ısının çoğu, çipin aktif bölgesinde üretilir, bu da daha sonra lehim, yalıtım ve arayüz gibi katmanlardan aktarılır ve sonunda konvektif soğutma yoluyla dağıldığı geleneksel ısı batmasına ulaşır. Yüksek termal iletkenlik malzemelerinden yapılan ısı lavabolarının kullanılması, yarı iletken lazerlerin çalışma sıcaklığını azaltmanın, performans ve güvenilirliği sağlamanın etkili bir yoludur. Isı lavabo malzemeleri seçerken, iki temel faktör dikkate alınmalıdır:

1. Malzeme, ısıyı etkili bir şekilde dağıtmak için yüksek termal iletkenliğe sahip olmalıdır.
2. Malzemenin termal genleşme katsayısı, stres kaynaklı hasarı önlemek için lazer çipininkine uymalıdır.

2. Yarıiletken lazerler için ısı emici malzemeler

İdeal bir ısı emici malzemesi, yüksek termal iletkenliği lazer çipininkine yakından eşleştiren bir termal genleşme katsayısıyla birleştirmelidir. Bakır genellikle mükemmel termal iletkenliği ve elektriksel özellikleri nedeniyle kullanılır. Bununla birlikte, bakırın termal genleşme katsayısı, termal stres oluşturabilen ve lazer performansını etkileyebilen lazer çipinden önemli ölçüde farklıdır. Yüksek termal iletkenliğe ve çiple daha yakın bir genişleme eşleşmesi olan malzemelerden yapılmış bir geçişli ısı emici, bu sorunun azaltılmasına yardımcı olabilir. Bu geçişli ısı lavaboları için yaygın malzemeler arasında alüminyum nitrür seramik, berilyum oksit seramik, silikon karbür seramik, tungsten-copper alaşımları, silikon karbür gofretler ve elmas ince filmler bulunur.

Ben. Tungsten-Copper Alaşım Tungsten-Copper alaşımları, tungsten'in düşük genişlemesini bakırın yüksek termal iletkenliği ile birleştirerek onları yarı iletken lazerler için ideal hale getirir. Bu sahte alaşımın termal genişlemesi ve iletkenliği, bileşimi ayarlanarak uyarlanabilir ve silikon, galyum arsenit ve seramik malzemelerle iyi eşleşir. Erken lazerler genellikle daha sonra tungsten-bakır çubuklara dönüşen bir tungsten-bakır C-montaj yapısı kullanıldı.

ii. Alüminyum nitrür alüminyum nitrür seramik, 320W/(m · k) teorik termal iletkenliğiyle mükemmel bir genel performans sunar ve ticari ürünler tipik olarak 180W/(m · k) ila 260W/(M · K) arasında değişir. Termal genleşme katsayısı da lazer yongalarınınkine oldukça yakındır, bu da onu yaygın bir geçişli ısı emici malzemesi haline getirir.

III. Silikon karbür (sic) sic, olağanüstü fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip tipik bir doğal süper tabak homojen politiptir. Sertliği ve aşınma direnci sadece elmaslarda ikinci sırada ve 490W/(m · k) - silikonun üç katına kadar teorik bir termal iletkenliğe sahiptir. Düşük genişleme, mükemmel ısı dağılımı ve yüksek termal stabilite ile SIC, yüksek güçlü cihazlar için oldukça uygundur. Korozyona direnir ve normal basınç altında eriymezken, yüzey oksidasyonu daha fazla oksidasyonu önleyen bir silikon dioksit tabakası oluşturur.

IV. Optimal termal dağılma için elmas , elmas çip ve bakır arasında bir bağlantı malzemesi olarak kullanılabilir. Doğal elmas, düşük termal genleşme katsayısına sahip, bakırın beş katı olan 2000W/(M · K) olağanüstü bir termal iletkenliğe sahiptir. Bu nedenle, elmas yüksek güçlü yarı iletken lazerler için ideal bir ısı emici malzemesidir. Maliyet nedeniyle, doğal elmas yarı iletken ambalaj için mümkün değildir, ancak elmas iki formda bir ısı lavabosu olarak kullanılır: elmas ince filmler (CVD elmas) ve bakır ve alüminyum gibi metallere sahip kompozitler. Bununla birlikte, elmas işlemenin karmaşıklığı-kesme, parlatma ve metalleştirme-büyük ölçekli uygulamasını yarı iletken lazer ısı lavabolarında sınırlar.

v. Grafen grafen, mükemmel elektriksel, optik ve termal özelliklere sahip yeni iki boyutlu karbon nanomalzemesidir. Yanal termal iletkenliği, silikon karbür ve alüminyum nitrür gibi diğer ısı emici malzemelerini çok aşan 5300W/(M · K) 'ya kadar ulaşabilir. Yarıiletken lazerlerde grafenin bir ısı lavabosu olarak uygulanması, ısı dağılmasını ve cihaz performansını iyileştirmek için büyük bir potansiyel gösterir.