ნახევარგამტარული ლაზერები: ეფექტური გაგრილების გადაწყვეტილებები გაძლიერებული შესრულებისთვის

ნახევარგამტარული ლაზერები, რომლებიც ცნობილია მათი კომპაქტური ზომით, მსუბუქი წონის დიზაინით, ენერგიის დაბალი მოხმარებით, მოდულაციის მარტივად და მასობრივი წარმოების შესაძლებლობებით, აღმოაჩინეს ფართო გამოყენება სხვადასხვა სფეროში, როგორიცაა სამრეწველო დამუშავება, ტელეკომუნიკაცია, ჯანდაცვა, ცხოვრების მეცნიერებები და სამხედროები. როგორც ნახევარგამტარული ლაზერების გამომავალი ძალა აგრძელებს ზრდას, ელექტროენერგიის მნიშვნელოვანი ნაწილი გარდაიქმნება სითბოს. ამ მოწყობილობების ოპტიკური მახასიათებლები, გამომავალი ენერგია და საიმედოობა მჭიდრო კავშირშია მათ ოპერაციულ ტემპერატურასთან, რაც თერმული მენეჯმენტს კრიტიკულ ფაქტორად აქცევს, განსაკუთრებით მაღალი ენერგიის ნახევარგამტარული ლაზერებისთვის.

1. ნახევარგამტარული ლაზერების გაგრილების პრინციპები

ნახევარგამტარული ლაზერების გაგრილების პირველადი მეთოდები მოიცავს ბუნებრივი კონვექციის სითბოს ნიჟარებს, მიკროქანელებს, თერმოელექტრულ გაციებას, სპრეის გაგრილებას და სითბოს მილის ხსნარებს. ერთჯერადი ნახევარგამტარული ლაზერებისთვის, ბუნებრივი კონვექციის სითბოს ნიჟარები ხშირად ყველაზე ეკონომიური და ჩვეულებრივ გამოიყენება წარმოებისა და შეკრების სიმარტივის გამო. თერმული გამტარობის მაღალი მასალები, როგორც წესი, გამოიყენება ზედაპირის ფართობის გასაზრდელად ბუნებრივი კონვექციისთვის, რითაც აძლიერებს სითბოს დაშლას და ჩიპის ტემპერატურის შემცირებას. სითბოს გადაცემის ბილიკის შესამცირებლად და თერმული გაფუჭების დაჩქარებისთვის, ახლა ჩვეულებრივ მიღებულია ფლიპ-ჩიპის შემაკავშირებელი, სადაც ლაზერული ჩიპი მიმაგრებულია სითბოს ჩაძირვასთან ერთად, მასალების გამოყენებით, როგორიცაა ინდიუმი ან ოქროსფერი საყრდენი.

ნახევარგამტარული ლაზერების სითბოს უმეტესი ნაწილი წარმოიქმნება ჩიპის აქტიურ რეგიონში, რომელიც შემდეგ გადადის ისეთი ფენებით, როგორიცაა solder, საიზოლაციო და ინტერფეისი, საბოლოოდ მიაღწევს ჩვეულებრივი სითბოს ნიჟარას, სადაც ის იშლება კონვექციური გაგრილების გზით. მაღალი თერმული გამტარ მასალებისგან დამზადებული სითბოს ნიჟარების გამოყენება ეფექტური საშუალებაა ნახევარგამტარული ლაზერების სამუშაო ტემპერატურის შესამცირებლად, შესრულებისა და საიმედოობის უზრუნველსაყოფად. სითბოს ჩაძირვის მასალების არჩევისას უნდა განიხილებოდეს ორი ძირითადი ფაქტორი:

1. მასალას უნდა ჰქონდეს მაღალი თერმული კონდუქტომეტრული სითბოს ეფექტურად განადგურების მიზნით.
2. მასალის თერმული გაფართოების კოეფიციენტი უნდა შეესაბამებოდეს ლაზერულ ჩიპს, რათა თავიდან აიცილოს სტრესი გამოწვეული დაზიანებით.

2. სითბოს ჩაძირვის მასალები ნახევარგამტარული ლაზერებისთვის

სითბოს ჩაძირვის იდეალურმა მასალამ უნდა დააკავშიროთ მაღალი თერმული კონდუქტომეტრული თერმული გაფართოების კოეფიციენტთან, რომელიც მჭიდროდ შეესაბამება ლაზერულ ჩიპს. სპილენძი ხშირად გამოიყენება მისი შესანიშნავი თერმული კონდუქტომეტრული და ელექტრული თვისებების გამო. ამასთან, სპილენძის თერმული გაფართოების კოეფიციენტი მნიშვნელოვნად განსხვავდება ლაზერული ჩიპისგან, რამაც შეიძლება შექმნას თერმული სტრესი და გავლენა მოახდინოს ლაზერულ შესრულებაზე. მაღალი თერმული კონდუქტომეტრული მასალებისგან დამზადებული გარდამავალი სითბოს ნიჟარა და ჩიპთან უფრო მჭიდრო გაფართოება ხელს შეუწყობს ამ საკითხის შემსუბუქებას. ამ გარდამავალი სითბოს ნიჟარებისთვის საერთო მასალები მოიცავს ალუმინის ნიტრიდის კერამიკას, ბერილიუმის ოქსიდის კერამიკას, სილიკონის კარბიდის კერამიკას, ვოლფრამის სპექტრის შენადნობებს, სილიკონის კარბიდის ძაფებს და ალმასის თხელი ფილმებს.

მე. ვოლფრამის სპექტრის შენადნობები ვოლფრამის-სპილენძის შენადნობები აერთიანებს ვოლფრამის დაბალ გაფართოებას სპილენძის მაღალი თერმული კონდუქტომეტრით, რაც მათ იდეალურია ნახევარგამტარული ლაზერებისთვის. ამ ფსევდო-შენადნობის თერმული გაფართოება და გამტარობა შეიძლება მორგებული იყოს მისი შემადგენლობის რეგულირებით, და იგი კარგად შეესაბამება სილიკონს, გალიუმის არსენიდს და კერამიკულ მასალებს. ადრეული ლაზერები ხშირად იყენებდნენ ვოლფრამის-კოპერი C- დამონტაჟების სტრუქტურას, რომელიც მოგვიანებით გადაიქცა ვოლფრამის-სპილენძის ბარებში.

ii. ალუმინის ნიტრიდის ალუმინის ნიტრიდის კერამიკული გთავაზობთ შესანიშნავი საერთო შესრულებას, თეორიული თერმული კონდუქტომეტრით 320W/(M · K), ხოლო კომერციული პროდუქტები, როგორც წესი, მერყეობს 180W/(M · K) - დან 260W/(M · K). მისი თერმული გაფართოების კოეფიციენტი ასევე ახლოსაა ლაზერული ჩიპების მიმართ, რაც მას საერთო გარდამავალი სითბოს ჩაძირვის მასალად აქცევს.

iii. Silicon Carbide (sic) siC არის ტიპიური ბუნებრივი სუპერლატის ჰომოგენური პოლიტიპი, რომელსაც აქვს განსაკუთრებული ფიზიკური და ქიმიური თვისებები. მისი სიმტკიცე და აცვიათ წინააღმდეგობა მეორეა მხოლოდ ბრილიანტებით, და ის ამაყობს თეორიული თერმული კონდუქტომეტრით 490 ვტ/(M · K) - სილიკონის დროს. დაბალი გაფართოებით, შესანიშნავი სითბოს დაშლით და მაღალი თერმული სტაბილურობით, SIC ძალიან შესაფერისია მაღალი სიმძლავრის მოწყობილობებისთვის. იგი წინააღმდეგობას უწევს კოროზიას და არ დნება ნორმალური წნევის ქვეშ, ხოლო მისი ზედაპირის დაჟანგვა ქმნის სილიკონის დიოქსიდის ფენას, რაც ხელს უშლის შემდგომ დაჟანგვას.

iv. ბრილიანტი ოპტიმალური თერმული დაშლისთვის, ბრილიანტი შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც დამაკავშირებელი მასალა ჩიპსა და სპილენძს შორის. ბუნებრივ ბრილიანტს აქვს განსაკუთრებული თერმული კონდუქტომეტრული 2000W/(M · K), სპილენძის ხუთჯერ მეტი, დაბალი თერმული გაფართოების კოეფიციენტით. ამრიგად, ბრილიანტი არის იდეალური სითბოს ჩაძირვის მასალა მაღალი სიმძლავრის ნახევარგამტარული ლაზერებისთვის. ღირებულების გამო, ბუნებრივი ბრილიანტი შეუძლებელია ნახევარგამტარული შეფუთვისთვის, მაგრამ ბრილიანტი გამოიყენება როგორც სითბოს ჩაძირვა ორი ფორმით: ალმასის თხელი ფილმები (CVD ბრილიანტი) და კომპოზიციები მეტალებით, როგორიცაა სპილენძი და ალუმინი. ამასთან, ალმასის დამუშავების სირთულე-ჭუჭყიანი, გაპრიალებისა და მეტალიზაცია-შეამცირებს მის ფართომასშტაბიანი გამოყენებას ნახევარგამტარული ლაზერული სითბოს ნიჟარებში.

v. Graphene Graphene არის ახალი ორგანზომილებიანი ნახშირბადის ნანომეტრი, შესანიშნავი ელექტრული, ოპტიკური და თერმული თვისებებით. მისი გვერდითი თერმული კონდუქტომეტრული შეიძლება მიაღწიოს 5300W/(M · K) - მდე, რაც ბევრად აღემატება სითბოს ჩაძირვის სხვა მასალებს, როგორიცაა სილიკონის კარბიდი და ალუმინის ნიტრიდი. გრაფენის, როგორც სითბოს ჩაძირვის, ნახევარგამტარული ლაზერების გამოყენება, გვიჩვენებს დიდ პოტენციალს სითბოს დაშლისა და მოწყობილობის მუშაობის გაუმჯობესების მიზნით.