Полупроводникови лазери: Ефективни охлаждащи решения за подобрена производителност

Полупроводниковите лазери, известни със своите компактни размери, лек дизайн, ниска консумация на енергия, лекота на модулация и масово производство, са открили широко използване в различни области като индустриална обработка, телекомуникации, здравни грижи, науки за живота и военни. Тъй като изходната мощност на полупроводниковите лазери продължава да се увеличава, значителна част от електрическата енергия се преобразува в топлина. Оптичните характеристики, изходната мощност и надеждността на тези устройства са тясно обвързани с работната им температура, което прави термичното управление критичен фактор, особено за полупроводниковите лазери с висока мощност.

1. Принципи на охлаждане на полупроводниковите лазери

Основните методи за охлаждане за полупроводникови лазери включват естествени конвекционни радиатори, микроканали, термоелектрическо охлаждане, охлаждане на спрей и разтвори за топлинни тръби. За полупроводникови лазери с едно чип, естествените конвекционни радиатори често са най-икономичните и често се използват поради тяхната простота в производството и сглобяването. Материалите с висока термична проводимост обикновено се използват за увеличаване на повърхността за естествена конвекция, като по този начин засилват разсейването на топлината и понижаване на температурата на чипа. За да се съкрати пътя на пренос на топлина и да ускорите термичното разсейване, сега се приемат връзка с флип-чип, където лазерният чип е прикрепен към радиатора, използвайки материали като индий или златен сонд.

По -голямата част от топлината в полупроводниковите лазери се генерира в активната област на чипа, която след това се прехвърля през слоеве като спойка, изолация и интерфейс, в крайна сметка достига до конвенционалния радиатор, където се разсейва чрез конвективно охлаждане. Използването на радиаторни мивки, направени от материали с висока топлопроводимост, е ефективен начин за намаляване на работната температура на полупроводниковите лазери, осигуряване на производителност и надеждност. При избора на материали за радиатор трябва да се вземат предвид два ключови фактора:

1. Материалът трябва да има висока топлопроводимост за ефективно разсейване на топлината.
2. Коефициентът на термично разширение на материала трябва да съответства на този на лазерния чип, за да се избегне увреждане, предизвикано от стрес.

2. Материали за радиатор за полупроводникови лазери

Идеалният материал за радиатор трябва да комбинира висока топлинна проводимост с коефициент на термично разширение, който да съвпада отблизо с този на лазерния чип. Медта често се използва поради отличната си топлопроводимост и електрически свойства. Въпреки това коефициентът на термично разширяване на медта обаче се различава значително от този на лазерния чип, който може да създаде топлинно напрежение и да повлияе на лазерната ефективност. Преходният радиатор, изработен от материали с висока топлопроводимост и по -близко съвпадение на разширяване с чипа, може да помогне за смекчаване на този проблем. Често срещаните материали за тези преходни радиатори включват керамика от алуминиев нитрид, керамика от берилиев оксид, керамика от силициев карбид, сплави от волфрамов мек, силициеви карбидни вафли и тънки филми за диаманти.

i. Сплави от волфрамов сплав от волфрамов сплави комбинира ниското разширяване на волфрамовата с високата топлинна проводимост на медта, което ги прави идеални за полупроводникови лазери. Термичното разширяване и проводимост на този псевдо-сплав може да бъде пригоден чрез регулиране на неговия състав и той съвпада добре със силиций, галиев арсенид и керамични материали. Ранните лазери често използваха структура на волфрамово-местния C-монтиране, която по-късно еволюира в барове-волфрамов-мек.

II. Алуминиевият нитрид алуминиев нитрид керамика предлага отлична цялостна производителност, с теоретична топлинна проводимост до 320W/(m · k), а търговските продукти обикновено варират от 180W/(m · K) до 260W/(m · K). Неговият коефициент на термично разширяване също е доста близък до този на лазерните чипове, което го прави общ преходен материал за радиатор.

iii. Силициев карбид (SIC) SIC е типичен естествен хомогенен политип на суперплатината с изключителни физически и химични свойства. Твърдостта и устойчивостта му на износване са на второ място след диамантите и може да се похвали с теоретична топлинна проводимост до 490W/(m · k) - три пъти тази на силиций. С ниско разширяване, отлично разсейване на топлина и висока термична стабилност, SIC е много подходящ за устройства с висока мощност. Той се съпротивлява на корозия и не се стопява при нормално налягане, докато повърхностното му окисляване създава силициев диоксид, който предотвратява по -нататъшното окисляване.

IV. Диамант за оптимално термично разсейване, диамантът може да се използва като свързващ материал между чипа и медта. Естественият диамант има изключителна топлинна проводимост 2000W/(M · K), пет пъти по -голяма от тази на медта, с нисък коефициент на термично разширение. По този начин Diamond е идеален материал за радиатор за полупроводникови лазери с висока мощност. Поради цената, естественият диамант не е осъществим за опаковане на полупроводници, но диамантът се използва като радиатор в две форми: Diamond Thin Films (CVD Diamond) и композити с метали като мед и алуминий. Въпреки това, сложността на обработката на диаманти-намаляване, полиране и метализация-ограничава мащабното му приложение в полупроводникови лазерни радиатори.

v. Графен графен е нов двуизмерен въглероден наноматериал с отлични електрически, оптични и топлинни свойства. Страничната му термична проводимост може да достигне до 5300W/(M · K), далеч надвишаващи други материали за радиатор като силициев карбид и алуминиев нитрид. Прилагането на графен като радиатор в полупроводникови лазери показва голям потенциал за подобряване на разсейването на топлина и работата на устройството.