સેમિકન્ડક્ટર લેસરો: ઉન્નત પ્રદર્શન માટે કાર્યક્ષમ ઠંડક ઉકેલો

સેમિકન્ડક્ટર લેસરો, જે તેમના કોમ્પેક્ટ કદ, હળવા વજનની રચના, ઓછી energy ર્જા વપરાશ, મોડ્યુલેશનની સરળતા અને સામૂહિક ઉત્પાદન ક્ષમતા માટે જાણીતા છે, વિવિધ ક્ષેત્રો જેવા કે industrial દ્યોગિક પ્રક્રિયા, ટેલિકમ્યુનિકેશંસ, આરોગ્યસંભાળ, જીવન વિજ્ .ાન અને સૈન્યમાં વ્યાપક ઉપયોગ જોવા મળ્યો છે. જેમ જેમ સેમિકન્ડક્ટર લેસરોની આઉટપુટ પાવર વધતો જાય છે, ઇલેક્ટ્રિકલ પાવરનો નોંધપાત્ર ભાગ ગરમીમાં રૂપાંતરિત થાય છે. આ ઉપકરણોની opt પ્ટિકલ લાક્ષણિકતાઓ, આઉટપુટ પાવર અને વિશ્વસનીયતા તેમના operating પરેટિંગ તાપમાન સાથે ગા closely રીતે બંધાયેલ છે, થર્મલ મેનેજમેન્ટને ખાસ કરીને ઉચ્ચ-પાવર સેમિકન્ડક્ટર લેસરો માટે એક મહત્વપૂર્ણ પરિબળ બનાવે છે.

1. સેમિકન્ડક્ટર લેસરોના ઠંડક સિદ્ધાંતો

સેમિકન્ડક્ટર લેસરો માટેની પ્રાથમિક ઠંડક પદ્ધતિઓમાં કુદરતી કન્વેક્શન હીટ સિંક, માઇક્રોચેનલ, થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ, સ્પ્રે કૂલિંગ અને હીટ પાઇપ સોલ્યુશન્સ શામેલ છે. સિંગલ-ચિપ સેમિકન્ડક્ટર લેસરો માટે, કુદરતી કન્વેક્શન હીટ સિંક ઘણીવાર સૌથી આર્થિક અને સામાન્ય રીતે મેન્યુફેક્ચરિંગ અને એસેમ્બલીમાં તેમની સરળતાને કારણે ઉપયોગમાં લેવાય છે. ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સામગ્રીનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે કુદરતી સંવર્ધન માટે સપાટીના ક્ષેત્રને વધારવા માટે થાય છે, ત્યાં ગરમીના વિસર્જનમાં વધારો થાય છે અને ચિપનું તાપમાન ઓછું થાય છે. હીટ ટ્રાન્સફર પાથને ટૂંકા કરવા અને થર્મલ ડિસીપિશનને ઝડપી બનાવવા માટે, ફ્લિપ-ચિપ બોન્ડિંગ હવે સામાન્ય રીતે અપનાવવામાં આવે છે, જ્યાં લેસર ચિપ ઇન્ડિયમ અથવા ગોલ્ડ-ટીન સોલ્ડર જેવી સામગ્રીનો ઉપયોગ કરીને હીટ સિંક સાથે જોડાયેલ છે.

સેમિકન્ડક્ટર લેસરોમાં મોટાભાગની ગરમી ચિપના સક્રિય ક્ષેત્રમાં ઉત્પન્ન થાય છે, જે પછી સોલ્ડર, ઇન્સ્યુલેશન અને ઇન્ટરફેસ જેવા સ્તરો દ્વારા સ્થાનાંતરિત થાય છે, આખરે પરંપરાગત ગરમી સિંક પર પહોંચે છે જ્યાં તે સંવેદનાત્મક ઠંડક દ્વારા વિખેરી નાખવામાં આવે છે. ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સામગ્રીમાંથી બનેલા હીટ સિંકનો ઉપયોગ એ સેમિકન્ડક્ટર લેસરોના કાર્યકારી તાપમાનને ઘટાડવાનો અસરકારક માર્ગ છે, કામગીરી અને વિશ્વસનીયતાને સુનિશ્ચિત કરે છે. હીટ સિંક મટિરીયલ્સ પસંદ કરતી વખતે, બે કી પરિબળો ધ્યાનમાં લેવા જોઈએ:

1. ગરમીને અસરકારક રીતે વિખેરવા માટે સામગ્રીમાં ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા હોવી જોઈએ.
2. તણાવ-પ્રેરિત નુકસાનને ટાળવા માટે સામગ્રીના થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક લેસર ચિપ સાથે મેળ ખાતી હોવી જોઈએ.

2. સેમિકન્ડક્ટર લેસરો માટે હીટ સિંક સામગ્રી

એક આદર્શ ગરમી સિંક સામગ્રીએ થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક સાથે ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતાને જોડવી જોઈએ જે લેસર ચિપની નજીકથી મેળ ખાય છે. કોપરનો ઉપયોગ તેની ઉત્તમ થર્મલ વાહકતા અને વિદ્યુત ગુણધર્મોને કારણે થાય છે. જો કે, કોપરનું થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક લેસર ચિપ કરતા નોંધપાત્ર રીતે અલગ છે, જે થર્મલ તાણ બનાવી શકે છે અને લેસર પ્રભાવને અસર કરી શકે છે. ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા અને ચિપની નજીકના વિસ્તરણ સાથેની સામગ્રીથી બનેલી સંક્રમિત ગરમી સિંક આ મુદ્દાને ઘટાડવામાં મદદ કરી શકે છે. આ સંક્રમિત ગરમી સિંક માટે સામાન્ય સામગ્રીમાં એલ્યુમિનિયમ નાઇટ્રાઇડ સિરામિક, બેરીલિયમ ox કસાઈડ સિરામિક, સિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક, ટંગસ્ટન-કોપર એલોય, સિલિકોન કાર્બાઇડ વેફર અને ડાયમંડ પાતળા ફિલ્મો શામેલ છે.

i. ટંગસ્ટન-કોપર એલોય ટંગસ્ટન-કોપર એલોય્સ કોપરની ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સાથે ટંગસ્ટનના નીચા વિસ્તરણને જોડે છે, જે તેમને સેમિકન્ડક્ટર લેસરો માટે આદર્શ બનાવે છે. આ સ્યુડો-એલોયની થર્મલ વિસ્તરણ અને વાહકતા તેની રચનાને સમાયોજિત કરીને તૈયાર કરી શકાય છે, અને તે સિલિકોન, ગેલિયમ આર્સેનાઇડ અને સિરામિક સામગ્રી સાથે સારી રીતે મેળ ખાય છે. પ્રારંભિક લેસરો ઘણીવાર ટંગસ્ટન-કોપર સી-માઉન્ટ સ્ટ્રક્ચરનો ઉપયોગ કરે છે, જે પછીથી ટંગસ્ટન-કોપર બારમાં વિકસિત થઈ.

ii. એલ્યુમિનિયમ નાઇટ્રાઇડ એલ્યુમિનિયમ નાઇટ્રાઇડ સિરામિક ઉત્તમ એકંદર પ્રદર્શન પ્રદાન કરે છે, જેમાં 320W/(M · K) સુધીની સૈદ્ધાંતિક થર્મલ વાહકતા હોય છે, અને વ્યાપારી ઉત્પાદનો સામાન્ય રીતે 180W/(M · K) થી 260W/(M · K) સુધીની હોય છે. તેના થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક પણ લેસર ચિપ્સની ખૂબ નજીક છે, જે તેને સામાન્ય સંક્રમિત ગરમી સિંક સામગ્રી બનાવે છે.

iii. સિલિકોન કાર્બાઇડ (એસઆઈસી) એસઆઈસી એ એક લાક્ષણિક કુદરતી સુપરલાટીસ સજાતીય પોલિટીપ છે જેમાં ઉત્કૃષ્ટ શારીરિક અને રાસાયણિક ગુણધર્મો છે. તેની કઠિનતા અને વસ્ત્રો પ્રતિકાર માત્ર હીરા પછી બીજા છે, અને તે સિલિકોન કરતા 490W/(M · K) સુધીની સૈદ્ધાંતિક થર્મલ વાહકતાને પ્રોત્સાહન આપે છે. નીચા વિસ્તરણ, ઉત્તમ ગરમીનું વિસર્જન અને ઉચ્ચ થર્મલ સ્થિરતા સાથે, ઉચ્ચ-પાવર ઉપકરણો માટે એસઆઈસી ખૂબ યોગ્ય છે. તે કાટનો પ્રતિકાર કરે છે અને સામાન્ય દબાણ હેઠળ ઓગળતો નથી, જ્યારે તેની સપાટી ઓક્સિડેશન સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ સ્તર બનાવે છે જે વધુ ઓક્સિડેશનને અટકાવે છે.

iv. મહત્તમ થર્મલ ડિસીપિશન માટે હીરા , હીરાનો ઉપયોગ ચિપ અને કોપર વચ્ચે કનેક્ટિંગ સામગ્રી તરીકે થઈ શકે છે. નેચરલ ડાયમંડમાં 2000 ડબલ્યુ/(એમ · કે) ની અપવાદરૂપ થર્મલ વાહકતા હોય છે, જે તાંબા કરતા પાંચ ગણા હોય છે, જેમાં નીચા થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક હોય છે. આમ, હીરા એ ઉચ્ચ-પાવર સેમિકન્ડક્ટર લેસરો માટે એક આદર્શ ગરમી સિંક સામગ્રી છે. ખર્ચને કારણે, સેમિકન્ડક્ટર પેકેજિંગ માટે કુદરતી હીરા શક્ય નથી, પરંતુ હીરાનો ઉપયોગ બે સ્વરૂપોમાં હીટ સિંક તરીકે થાય છે: ડાયમંડ પાતળા ફિલ્મો (સીવીડી ડાયમંડ) અને કોપર અને કોપર અને કોપર અને કોપર અને એલ્યુમિનિયમ જેવા મેટલ્સવાળા કમ્પોઝિટ્સ. જો કે, ડાયમંડ પ્રોસેસિંગની જટિલતા-કાપવા, પોલિશિંગ અને મેટલાઇઝેશન-સેમિકન્ડક્ટર લેસર હીટ સિંકમાં તેની મોટા પાયે એપ્લિકેશનને મર્યાદિત કરે છે.

વી. ગ્રાફિન ગ્રાફિન એ એક નવું દ્વિ-પરિમાણીય કાર્બન નેનોમેટ્રીયલ છે જેમાં ઉત્તમ વિદ્યુત, opt પ્ટિકલ અને થર્મલ ગુણધર્મો છે. તેની બાજુની થર્મલ વાહકતા 5300W/(M · K) સુધી પહોંચી શકે છે, જે સિલિકોન કાર્બાઇડ અને એલ્યુમિનિયમ નાઇટ્રાઇડ જેવી અન્ય હીટ સિંક સામગ્રીથી વધુ છે. સેમિકન્ડક્ટર લેસરોમાં હીટ સિંક તરીકે ગ્રાફિન લાગુ કરવાથી ગરમીના વિસર્જન અને ઉપકરણની કામગીરીમાં સુધારો કરવાની મોટી સંભાવના દર્શાવે છે.