Pusvadītāju lāzeri: efektīvi dzesēšanas risinājumi uzlabotai veiktspējai

Pusvadītāju lāzeri, kas pazīstami ar kompakto izmēru, vieglo dizainu, zemu enerģijas patēriņu, modulācijas vienkāršību un masveida ražošanas iespējām, ir plaši izmantoti dažādās jomās, piemēram, rūpniecības pārstrādē, telekomunikācijās, veselības aprūpē, dzīvības zinātnēs un militārajā jomā. Tā kā pusvadītāju lāzeru izejas jauda turpina palielināties, ievērojama elektriskās jaudas daļa tiek pārveidota par siltumu. Šo ierīču optiskie raksturlielumi, izejas jauda un uzticamība ir cieši saistīti ar to darbības temperatūru, padarot termisko pārvaldību par kritisku faktoru, īpaši lieljaudas pusvadītāju lāzeriem.

1. Pusvadītāju lāzeru dzesēšanas principi

Pusvadītāju lāzeru primārās dzesēšanas metodes ir dabiskās konvekcijas siltuma izlietnes, mikrokanāli, termoelektriskā dzesēšana, smidzināšanas dzesēšana un siltuma cauruļu šķīdumi. Vienas mikroshēmas pusvadītāju lāzeriem dabiskās konvekcijas siltuma izlietnes bieži ir ekonomiskākās un parasti izmantotās to vienkāršības dēļ ražošanā un montāžā. Augstas siltumvadītspējas materiālus parasti izmanto, lai palielinātu dabisko konvekciju virsmas laukumu, tādējādi uzlabojot siltuma izkliedi un pazeminot mikroshēmas temperatūru. Lai saīsinātu siltuma pārneses ceļu un paātrinātu termisko izkliedi, tagad parasti tiek pieņemta flip-chip savienošana, kur lāzera mikroshēma ir piestiprināta pie siltuma izlietnes, izmantojot tādus materiālus kā indijs vai zelta krāsas lodētājs.

Lielākā daļa karstuma pusvadītāju lāzeru rodas aktīvajā mikroshēmas reģionā, kas pēc tam pāriet caur tādiem slāņiem kā lodēt, izolācijai un saskarnei, galu galā sasniedzot parasto siltuma izlietni tur, kur tas izkliedējas, izmantojot konvektīvu dzesēšanu. Siltuma izlietnes, kas izgatavotas no augstas siltumvadītspējas materiāliem, ir efektīvs veids, kā samazināt pusvadītāju lāzeru darba temperatūru, nodrošinot veiktspēju un uzticamību. Izvēloties siltuma izlietnes materiālus, jāņem vērā divi galvenie faktori:

1. Materiālam jābūt augstai siltumvadītspējai, lai efektīvi izkliedētu siltumu.
2. Lai izvairītos no stresa izraisītiem bojājumiem, materiāla termiskās izplešanās koeficientam jāsakrīt ar lāzera mikroshēmu.

2. Siltuma izlietnes materiāli pusvadītāju lāzeriem

Ideālam siltuma izlietnes materiālam jāapvieno augsta siltumvadītspēja ar termiskās izplešanās koeficientu, kas cieši atbilst lāzera mikroshēmai. Varš bieži tiek izmantots tā lieliskās siltumvadītspējas un elektrisko īpašību dēļ. Tomēr vara termiskās izplešanās koeficients ievērojami atšķiras no lāzera mikroshēmas, kas var radīt termisko spriegumu un ietekmēt lāzera veiktspēju. Pārejas siltuma izlietne, kas izgatavota no materiāliem ar augstu siltumvadītspēju un ciešāku izplešanās atbilstību mikroshēmai, var palīdzēt mazināt šo problēmu. Parastie materiāli šīm pārejas siltuma izlietnēm ir alumīnija nitrīda keramikas, berilija oksīda keramikas, silīcija karbīda keramikas, volframa-korpusa sakausējumi, silīcija karbīda vafeles un dimanta plānas plēves.

i. Volframa-šķirnes sakausējuma volframa-copper sakausējumi apvieno zemo volframa izplešanos ar vara augsto siltumvadītspēju, padarot tos ideāli piemērots pusvadītāju lāzeriem. Šī pseido-sakausējuma termisko izplešanos un vadītspēju var pielāgot, pielāgojot tā sastāvu, un tas labi sakrīt ar silīciju, gallija arsenīdu un keramikas materiāliem. Agrīnie lāzeri bieži izmantoja volframa-copper C-stiprinājuma struktūru, kas vēlāk pārtapa par volframa-copper stieņiem.

II. Alumīnija nitrīda alumīnija nitrīda keramika piedāvā lielisku kopējo veiktspēju ar teorētisko siltumvadītspēju līdz 320 W/(M · K), un komerciālie produkti parasti svārstās no 180 W/(M · K) līdz 260W/(M · K). Tā termiskā izplešanās koeficients ir arī diezgan tuvu lāzera mikroshēmām, padarot to par kopīgu pārejas siltuma izlietnes materiālu.

III. Silīcija karbīda (sic) sic ir tipisks dabisks superlattice viendabīgs polipips ar izcilām fizikālām un ķīmiskām īpašībām. Tās cietība un nodilumizturība ir otrā tikai dimantiem, un tā lepojas ar teorētisko siltumvadītspēju līdz 490W/(m · k) - trīs reizes silīcija. Ar zemu izplešanos, lielisku karstuma izkliedi un augstu termisko stabilitāti SIC ir ļoti piemērota lieljaudas ierīcēm. Tas pretojas korozijai un neizkausē normālu spiedienu, savukārt tā virsmas oksidācija rada silīcija dioksīda slāni, kas novērš turpmāku oksidāciju.

iv. Dimants optimālai termiskai izkliedei, dimantu var izmantot kā savienojošu materiālu starp mikroshēmu un varu. Dabiskā dimanta izņēmuma termiskā vadītspēja ir 2000W/(M · K), kas ir piecas reizes lielāka par varu ar zemu termiskās izplešanās koeficientu. Tādējādi dimants ir ideāls siltuma izlietnes materiāls lieljaudas pusvadītāju lāzeriem. Izmaksu dēļ dabiskais dimants nav iespējams pusvadītāju iepakojumam, bet dimants tiek izmantots kā siltuma izlietne divās formās: dimanta plānas plēves (CVD dimants) un kompozītus ar metāliem, piemēram, vara un alumīniju. Tomēr dimantu apstrādes sarežģītība-griešana, pulēšana un metalizācija-mazina tā liela mēroga pielietojumu pusvadītāju lāzera siltuma izlietnēs.

v. Grafēna grafēns ir jauns divdimensiju oglekļa nanomateriāla ar izcilām elektriskajām, optiskajām un termiskajām īpašībām. Tās sānu siltumvadītspēja var sasniegt līdz 5300W/(M · K), ievērojot citus siltuma izlietnes materiālus, piemēram, silīcija karbīdu un alumīnija nitrīdu. Grafēna kā siltuma izlietnes piemērošana pusvadītāju lāzeros parāda lielu potenciālu siltuma izkliedes un ierīces veiktspējas uzlabošanai.