Laserretako erdieroaleak: errendimendu hobetzeko konponbide eraginkorrak

Laserra erdieroaleek, diseinu arinengatik, diseinu arinengatik, energia-kontsumo txikikoagatik, modulazio erraztasunagatik, modulazio erraztasunagatik eta ekoizpen masiboko gaitasunagatik, erabilera zabala aurkitu dute hainbat arlotan, hala nola, industria prozesamendua, telekomunikazioak, osasun laguntza, bizitza zientziak eta militarrak. Laseren erdieroaleen irteerako indarrak handitzen jarraitzen duen heinean, potentzia elektrikoaren zati garrantzitsu bat bero bihurtzen da. Ezaugarri optikoak, irteerako potentzia eta gailu horien fidagarritasuna oso lotuta daude beren funtzionamendu-tenperaturarekin, kudeaketa termikoa faktore kritikoa eginez, batez ere potentzia handiko erdieroale laserrentzat.

1. Hozteko laserra erdieroaleen printzipioak

Laserren erdieroaleentzako hozte metodo nagusiak, konbekzio naturalaren beroa, mikrokanelak, hozte termoelektrikoa, spray hozteko eta bero hodien soluzioak dira. Txip bakarreko erdieroaleen laserrentzat, konbekzio naturalaren bero konketa askotan fabrikazio eta muntaian sinpletasunagatik erabiltzen diren ekonomikoenak dira. Erorketa termiko handiko materialak konbekzio naturalaren azalera handitzeko erabiltzen dira normalean, eta, horrela, beroaren xahutzea eta txiparen tenperatura murrizten da. Bero transferentziaren bidea laburtu eta xahutzen termikoa azkartzeko, flip-chip-en lotura normalean adoptatzen da, non laser txipa bero-harraskari atxikitzen zaion indio edo urrezko soldadura bezalako materialak erabiliz.

Laserren erdieroaleen bero gehiena txiparen eskualde aktiboan sortzen da eta, ondoren, soldadura, isolamendua eta interfazea bezalako geruzetan transferitzen da, azkenean, ohiko bero-konketa iristen denean hozte konbentzionalaren bidez xahutzen da. Erorketa termiko altuko materialetatik egindako bero-konketa erabiltzea modu eraginkorra da Lasers erdieroaleen laneko tenperatura murrizteko, errendimendua eta fidagarritasuna bermatuz. Bero-konketa-materialak hautatzerakoan, bi faktore funtsezko kontuan hartu beharko lirateke:

1. Materialak eroankortasun termiko handia izan beharko luke, beroa modu eraginkorrean xahutzeko.
2. Materialaren hedapen termikoaren koefizienteak laser txiparekin bat egin beharko luke estresa eragindako kalteak ekiditeko.

2. Bero husteko materialak laserra erdieroaleentzako

Bero-husteko material aproposak eroankortasun termiko altua konbinatu beharko luke laser txipa estuki bat datorren hedapen termikoko koefizientearekin. Kobrea maiz erabiltzen da eroankortasun termiko bikaina eta propietate elektrikoak direla eta. Hala ere, kobrearen hedapen termikoen koefizientea laser txiparena da nabarmen, eta horrek estres termikoa sor dezake eta laser-errendimendua eragin dezake. Erorketa termiko altua duten materialek egindako transalizazio-bero-harraska eta txiparekin lotura hurbilagoa duten materialak gai hau arintzen lagun dezake. Trantsizio-bero-hunkigune horien material arruntak aluminiozko nitruro zeramikak, berilio oxido zeramikoak, silizio karburo zeramikoak, tungsteno-kobre aleazioak, silizio karburo-ogiak eta diamantezko film meheak daude.

i. Tungsteno-kobre aleazio tungsteno-kobre aleazioek tungstenoaren hedapen baxua kobrearen eroankortasun termiko handia uztartzen dute, laserra erdieroaleentzako aproposa bihurtuz. Sasi-aleazio horren hedapen termikoa eta eroankortasuna bere konposizioa egokituz neurrira egin daiteke, eta silizioarekin, galio arsenidearekin eta zeramikazko materialekin bat dator. Laserra goiztiarrek Wolframio-kobre C mendiko egitura erabiltzen zuten maiz, geroago wolframio-kobre tabernetan eboluzionatu zen.

II. Aluminiozko nitruro nitruro nitride zeramikak errendimendu orokorra eskaintzen du, 320W / k) eroankortasun termiko teorikoarekin, eta produktu komertzialak normalean 180W / m) bitartekoak dira 260w / (m · k). Hedapen termikoko koefizientea laser chips-etik nahiko gertu dago, trantsizioko beroaren hustubide arrunta bihurtuz.

III. Silicon Carbide (SIC) SIC azpimarragarria da, propietate fisiko eta kimiko bikainak dituen polifikatzaile homogeneo bat da. Bere gogortasuna eta higadura erresistentzia bigarrenak dira diamanteentzat bakarrik, eta 490W / k (m · k) eroankortasun termiko teorikoa da. Hedapen baxua, bero-xahutze bikaina eta egonkortasun termiko handia, SIC oso egokia da potentzia handiko gailuetarako. Korrosioari eusten dio eta ez da presio normalaren azpian urtzen, gainazaleko oxidazioak oxidazio gehiago ekiditen duen silizio dioxido geruza sortzen du.

IV. Diamante disipazio termiko optimoa lortzeko, diamantea txiparen eta kobrearen arteko lotura material gisa erabil daiteke. Diamante naturalak 2000W / (m · k) eta bost aldiz kobrearen koefiziente termikoko eroankortasun termikoa du. Horrela, diamantea bero-husteko material aproposa da, potentzia handiko erdieroale laserrentzat. Kostua dela eta, diamante naturala ez da bideragarria, doako erdieroaleentzat, baina diamantea bero-konketa gisa erabiltzen da bi formetan: diamante meheak (CVD Diamond) eta konposatuak kobrea eta aluminioa bezalako metalekin. Hala ere, diamanteen prozesamendua ebakitzeko, leuntzeko eta metalizazioaren konplexutasuna - eskala handiko aplikazioa mugatzen du Laser berotzeko hotzetan.

v. Graphene Graphene bi dimentsiotako karbono nanomaterial berria da, propietate elektriko, optiko eta termiko bikainak dituena. Alboko eroankortasun termikoa 5300W / (m · k) arte iritsi daiteke, silizio karburoa eta aluminio nitride bezalako beste bero-materialak gainditzen ditu. Grafenoa aplikatuz, laserra erdieroaleen bero-konketa gisa, bero xahutzeko eta gailuaren errendimendua hobetzeko potentzial handia da.