Жартылай өткізгіш лазерлер: Жақсартылған өнімділікке арналған салқындатудың тиімді шешімдері

Олардың ықшам мөлшері, жеңіл дизайны, аз энергия шығыны, модуляцияның қарапайымдылығы, модуляцияның қарапайымдылығы және жаппай өндіріс қабілеттерімен танымал жартылай өткізгіш лазерлер, мысалы, өнеркәсіптік өңдеу, телекоммуникация, денсаулық сақтау, өмір туралы ғылымдар және әскери. Жартылай өткізгіш лазерлердің шығу қуаты өсуде, өйткені электр қуатының едәуір бөлігі жылуға айналады. Оптикалық сипаттамалары, шығу қуаты және осы құрылғылардың сенімділігі олардың жұмыс температурасына сәйкес келеді, жылу менеджмент, әсіресе жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлер үшін.

1. Жартылай өткізгіш лазерлердің салқындату принциптері

Жартылай өткізгіш лазерлерге арналған алғашқы салқындату әдістеріне табиғи конвекция, микрокханельдер, термоэлектрлік салқындату, шашырату және жылу құбырлары бар. Бір-бір чипті жартылай өткізгіш лазерлер үшін табиғи конвекцияның жылу раковиналары көбінесе өндірістік және құрастырудағы қарапайымдылығы арқасында ең үнемді және жиі қолданылатын. Жоғары жылу өткізгіштік материалдары, әдетте, табиғи конвекцияның беткі бөлігін ұлғайту үшін қолданылады, осылайша жылу таратуды жақсартады және чиптің температурасын төмендетеді. Жылу беру жолын қысқарту және термиялық диссипацияны тездету үшін, флип-чипті байланыстыру қазір жиі қабылданады, мұнда лазерлік чип индий немесе алтын-қалдық дәнекерлеуі сияқты лазерлік чип жылу раковинасына бекітілген.

Жартылай өткізгіш лазерлердегі жылудың көп бөлігі чиптің белсенді аймағында пайда болады, содан кейін дәнекерлеу, оқшаулау және интерфейс сияқты қабаттар арқылы трансляция жасайды, содан кейін кәдімгі жылу раковинасы арқылы, ол конвективті салқындату арқылы таратылады. Жоғары жылу өткізгіштік материалдардан жасалған жылу раковиналарын қолдану - бұл жартылай өткізгіш лазерлердің жұмыс температурасын азайтудың тиімді әдісі, өнімділік пен сенімділік. Жылу раковинатын материалдарды таңдағанда, екі негізгі факторды қарау керек:

1. Материал ыстықты тиімді түрде тарату үшін жоғары жылу өткізгіштікке ие болуы керек.
2. Материалдың жылу кеңею коэффициенті стресстің әсерінен зақым келтірмеу үшін лазерлік чиптің сәйкес келуі керек.

2. Жартылай өткізгіш лазерлерге арналған жылу раковиналы материалдар

Мінсіз жылу раковинасы жоғары жылу өткізгіштікті жылу өткізгіштігін лазерлік чиптің дәл сәйкес келетін жылу кеңею коэффициентімен біріктіруі керек. Мыс көбінесе оның жылу өткізгіштігі мен электрлік қасиеттерінің арқасында қолданылады. Алайда, мыс жылу кеңею коэффициенті лазерлік чиптің одан едәуір ерекшеленеді, ол термиялық стрессті құра алады және лазерлік қойылымға әсер ете алады. Жоғары жылу өткізгіштігі бар материалдардан жасалған өтпелі жылу раковинасы және чипке жақын кеңею матчы осы мәселені жеңілдетуге көмектеседі. Бұл өтпелі жылу раковиналарына арналған жалпы материалдар құрамына алюминий нитридтік керамика, бериллий оксиді керамика, кремний карбиді керамет, вольфрам-мыс қорытпалар, кремний карбид вафлиі және гауһар тастар кіреді.

мен. Вольфрам-мыс баллоны вольфрам-мыс қорытпалары вольфрамның төмен кеңеюін мысдың жоғары кеңеюін біріктіреді, мысдың жоғары жылу өткізгіштігімен оларды жартылай өткізгіш лазерлер үшін өте жақсы етеді. Осы жалған қорытпаның жылу кеңеюі мен өткізгіштігін оның құрамын түзету арқылы, және ол кремниймен, галлий арсенидімен және керамикалық материалдармен жақсы сәйкес келеді. Ерте лазерлер көбінесе вольфн-мот-бекіту құрылымын қолданады, олар кейін вольфрам-мыс жолақтарына айналды.

ii. Алюминий нитридi алюминий нитридлі керамика керемет өнімділікті ұсынады, жалпы өнімділікке ие, 320 Вт / (Мықты / (МК) және коммерциялық өнімдер, әдетте, 180 Вт / (Мықты) және 260 Вт / (М). Оның жылу кеңею коэффициенті сонымен қатар лазерлік чиптермен тығыз байланысты, оны жалпы өтпелі жылу раковинасы.

iii. Кремний карбиді (SIC) SIC - ерекше физикалық және химиялық қасиеттері бар тәндік табиғи лизогенді политытпа. Оның қаттылығы мен тозуға төзімділігі тек гауһардан екінші, және ол 490 Вт / (Мақт / (Мақт)-(Мықты) және кремнийден тұратын теориялық жылу өткізгіштікке ие. Төмен кеңейту, өте жақсы жылу тарату және жоғары жылу тұрақтылығы, SIC жоғары қуатты құрылғыларға өте қолайлы. Ол коррозияға қарсы тұрады және қалыпты қысыммен еріпейді, ал оның беттік тотығуы одан әрі тотығудың алдын алатын кремний диоксиді қабатын жасайды.

iv. Оңтайлы термиялық диссипация үшін гауһар , гауһар алмаз чип пен мыс арасындағы байланыс материалы ретінде қолданыла алады. Табиғи гауһардың құрамында 2000 Вт / (МВт), мыстан бес есе, жылу кеңею коэффициенті бар бес рет ерекше жылу өткізгіштік бар. Осылайша, гауһар - жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлер үшін өте жақсы жылу раковинасы. Табиғи алмаздың арқасында жартылай өткізгіш қаптамасы үшін мүмкін емес, бірақ гауһар алмаз екі пішінде жылу раковинасы ретінде қолданылады: гауһарданған жұқа қабықшалар (CVD-гауһар) және мыс пен алюминий сияқты металдармен композиттер. Алайда, алмаз өңдеуді кесу, жылтырату және металдандырудың күрделілігі - жартылай өткізгіш лазерлік лазерлі жылу раковиналарында кең ауқымды қосымшаны шектейді.

v. Графен графені - бұл өте электр, оптикалық және жылу қасиеттері бар жаңа екі өлшемді көміртекті наноматериал. Оның бүйір жылу өткізгіштігі 5300 Вт / (Мақт / (М »(Мақт), кремний карбиді және алюминий нитриді сияқты басқа жылу раковиналарынан асып кетуі мүмкін. Графенді жартылай өткізгіш лазерлерде жылу раковинасы ретінде қолдану жылуды тарату және құрылғының жұмысын жақсарту үшін үлкен әлеуетті көрсетеді.