సెమీకండక్టర్ లేజర్స్: మెరుగైన పనితీరు కోసం సమర్థవంతమైన శీతలీకరణ పరిష్కారాలు

కాంపాక్ట్ పరిమాణం, తేలికపాటి రూపకల్పన, తక్కువ శక్తి వినియోగం, మాడ్యులేషన్ సౌలభ్యం మరియు సామూహిక ఉత్పత్తి సామర్ధ్యానికి ప్రసిద్ధి చెందిన సెమీకండక్టర్ లేజర్స్ పారిశ్రామిక ప్రాసెసింగ్, టెలికమ్యూనికేషన్స్, హెల్త్‌కేర్, లైఫ్ సైన్సెస్ మరియు మిలిటరీ వంటి వివిధ రంగాలలో విస్తృతమైన ఉపయోగాన్ని కనుగొన్నాయి. సెమీకండక్టర్ లేజర్స్ యొక్క అవుట్పుట్ శక్తి పెరుగుతూనే ఉన్నందున, విద్యుత్ శక్తి యొక్క గణనీయమైన భాగం వేడిగా మార్చబడుతుంది. ఈ పరికరాల యొక్క ఆప్టికల్ లక్షణాలు, అవుట్పుట్ శక్తి మరియు విశ్వసనీయత వాటి ఆపరేటింగ్ ఉష్ణోగ్రతతో దగ్గరగా ముడిపడి ఉన్నాయి, ఇది ఉష్ణ నిర్వహణకు క్లిష్టమైన కారకంగా మారుతుంది, ముఖ్యంగా అధిక-పవర్ సెమీకండక్టర్ లేజర్లకు.

1. సెమీకండక్టర్ లేజర్స్ యొక్క శీతలీకరణ సూత్రాలు

సెమీకండక్టర్ లేజర్‌ల కోసం ప్రాధమిక శీతలీకరణ పద్ధతులు సహజ ఉష్ణప్రసరణ హీట్ సింక్‌లు, మైక్రోచానెల్స్, థర్మోఎలెక్ట్రిక్ శీతలీకరణ, స్ప్రే శీతలీకరణ మరియు హీట్ పైప్ పరిష్కారాలు. సింగిల్-చిప్ సెమీకండక్టర్ లేజర్‌ల కోసం, సహజ ఉష్ణప్రసరణ హీట్ సింక్‌లు తరచుగా అత్యంత పొదుపుగా ఉంటాయి మరియు తయారీ మరియు అసెంబ్లీలో వాటి సరళత కారణంగా సాధారణంగా ఉపయోగించబడతాయి. అధిక ఉష్ణ వాహకత పదార్థాలు సాధారణంగా సహజ ఉష్ణప్రసరణ కోసం ఉపరితల వైశాల్యాన్ని పెంచడానికి ఉపయోగిస్తారు, తద్వారా వేడి వెదజల్లడం మరియు చిప్ యొక్క ఉష్ణోగ్రతను తగ్గిస్తుంది. ఉష్ణ బదిలీ మార్గాన్ని తగ్గించడానికి మరియు థర్మల్ వెదజల్లడం వేగవంతం చేయడానికి, ఫ్లిప్-చిప్ బంధం ఇప్పుడు సాధారణంగా స్వీకరించబడుతుంది, ఇక్కడ లేజర్ చిప్ ఇండియం లేదా గోల్డ్-టిన్ టంకము వంటి పదార్థాలను ఉపయోగించి హీట్ సింక్‌కు జతచేయబడుతుంది.

సెమీకండక్టర్ లేజర్లలో చాలా వేడి చిప్ యొక్క క్రియాశీల ప్రాంతంలో ఉత్పత్తి అవుతుంది, తరువాత ఇది టంకము, ఇన్సులేషన్ మరియు ఇంటర్ఫేస్ వంటి పొరల ద్వారా బదిలీ అవుతుంది, చివరికి సాంప్రదాయిక హీట్ సింక్‌కు చేరుకుంటుంది, ఇక్కడ ఇది ఉష్ణప్రసరణ శీతలీకరణ ద్వారా వెదజల్లుతుంది. అధిక ఉష్ణ వాహకత పదార్థాల నుండి తయారైన హీట్ సింక్‌లను ఉపయోగించడం సెమీకండక్టర్ లేజర్‌ల పని ఉష్ణోగ్రతను తగ్గించడానికి, పనితీరు మరియు విశ్వసనీయతను నిర్ధారిస్తుంది. హీట్ సింక్ పదార్థాలను ఎన్నుకునేటప్పుడు, రెండు ముఖ్య అంశాలను పరిగణించాలి:

1. వేడిని సమర్థవంతంగా చెదరగొట్టడానికి పదార్థం అధిక ఉష్ణ వాహకత కలిగి ఉండాలి.
2. ఒత్తిడి-ప్రేరిత నష్టాన్ని నివారించడానికి పదార్థం యొక్క ఉష్ణ విస్తరణ గుణకం లేజర్ చిప్ యొక్క లేజర్ చిప్‌తో సరిపోలాలి.

2. సెమీకండక్టర్ లేజర్స్ కోసం హీట్ సింక్ పదార్థాలు

ఆదర్శవంతమైన హీట్ సింక్ పదార్థం అధిక ఉష్ణ వాహకతను థర్మల్ విస్తరణ గుణకంతో మిళితం చేయాలి, ఇది లేజర్ చిప్‌తో దగ్గరగా ఉంటుంది. అద్భుతమైన ఉష్ణ వాహకత మరియు విద్యుత్ లక్షణాల కారణంగా రాగి తరచుగా ఉపయోగించబడుతుంది. ఏదేమైనా, కాపర్ యొక్క ఉష్ణ విస్తరణ గుణకం లేజర్ చిప్ నుండి గణనీయంగా భిన్నంగా ఉంటుంది, ఇది ఉష్ణ ఒత్తిడిని సృష్టిస్తుంది మరియు లేజర్ పనితీరును ప్రభావితం చేస్తుంది. అధిక ఉష్ణ వాహకత కలిగిన పదార్థాలతో చేసిన పరివర్తన హీట్ సింక్ మరియు చిప్‌కు దగ్గరగా విస్తరణ మ్యాచ్ ఈ సమస్యను తగ్గించడానికి సహాయపడుతుంది. ఈ పరివర్తన హీట్ సింక్‌ల కోసం సాధారణ పదార్థాలు అల్యూమినియం నైట్రైడ్ సిరామిక్, బెరిలియం ఆక్సైడ్ సిరామిక్, సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్, టంగ్స్టన్-పాపర్ మిశ్రమాలు, సిలికాన్ కార్బైడ్ పొరలు మరియు డైమండ్ సన్నని చిత్రాలు.

i. టంగ్స్టన్-కాపర్ మిశ్రమం టంగ్స్టన్-పాపర్ మిశ్రమాలు టంగ్స్టన్ యొక్క తక్కువ విస్తరణను రాగి యొక్క అధిక ఉష్ణ వాహకతతో మిళితం చేస్తాయి, ఇవి సెమీకండక్టర్ లేజర్‌లకు అనువైనవిగా చేస్తాయి. ఈ నకిలీ-మిశ్రమం యొక్క ఉష్ణ విస్తరణ మరియు వాహకతను దాని కూర్పును సర్దుబాటు చేయడం ద్వారా రూపొందించవచ్చు మరియు ఇది సిలికాన్, గల్లియం ఆర్సెనైడ్ మరియు సిరామిక్ పదార్థాలతో బాగా సరిపోతుంది. ప్రారంభ లేజర్‌లు తరచూ టంగ్స్టన్-పాపర్ సి-మౌంట్ నిర్మాణాన్ని ఉపయోగించుకుంటాయి, తరువాత ఇది టంగ్స్టన్-పాపర్ బార్‌లుగా పరిణామం చెందింది.

ii. అల్యూమినియం నైట్రైడ్ అల్యూమినియం నైట్రైడ్ సిరామిక్ అద్భుతమైన మొత్తం పనితీరును అందిస్తుంది, 320W/(M · K) వరకు సైద్ధాంతిక ఉష్ణ వాహకత, మరియు వాణిజ్య ఉత్పత్తులు సాధారణంగా 180W/(M · K) నుండి 260W/(M · K) వరకు ఉంటాయి. దీని ఉష్ణ విస్తరణ గుణకం లేజర్ చిప్‌లకు కూడా చాలా దగ్గరగా ఉంటుంది, ఇది సాధారణ పరివర్తన హీట్ సింక్ పదార్థంగా మారుతుంది.

iii. సిలికాన్ కార్బైడ్ (sic) sic అనేది ఒక సాధారణ సహజమైన సూపర్ లాటిస్ సజాతీయ పాలిటైప్, ఇది అత్యుత్తమ భౌతిక మరియు రసాయన లక్షణాలతో ఉంటుంది. దాని కాఠిన్యం మరియు దుస్తులు నిరోధకత వజ్రాలకు రెండవ స్థానంలో ఉన్నాయి మరియు ఇది 490W/(M · K) వరకు సైద్ధాంతిక ఉష్ణ వాహకతను కలిగి ఉంది -సిలికాన్ కంటే మూడు రెట్లు. తక్కువ విస్తరణ, అద్భుతమైన ఉష్ణ వెదజల్లడం మరియు అధిక ఉష్ణ స్థిరత్వంతో, అధిక-శక్తి పరికరాలకు SIC చాలా అనుకూలంగా ఉంటుంది. ఇది తుప్పును నిరోధిస్తుంది మరియు సాధారణ పీడనంలో కరగదు, అయితే దాని ఉపరితల ఆక్సీకరణ సిలికాన్ డయాక్సైడ్ పొరను సృష్టిస్తుంది, ఇది మరింత ఆక్సీకరణను నిరోధిస్తుంది.

iv. డైమండ్ సరైన థర్మల్ వెదజల్లడం కోసం, వజ్రాన్ని చిప్ మరియు రాగి మధ్య అనుసంధాన పదార్థంగా ఉపయోగించవచ్చు. సహజ డైమండ్ 2000W/(M · K) యొక్క అసాధారణమైన ఉష్ణ వాహకత, రాగి కంటే ఐదు రెట్లు, తక్కువ ఉష్ణ విస్తరణ గుణకంతో ఉంటుంది. అందువల్ల, డైమండ్ అధిక-శక్తి సెమీకండక్టర్ లేజర్‌లకు అనువైన హీట్ సింక్ పదార్థం. ఖర్చు కారణంగా, సెమీకండక్టర్ ప్యాకేజింగ్ కోసం సహజ వజ్రం సాధ్యం కాదు, కానీ డైమండ్‌ను రెండు రూపాల్లో హీట్ సింక్‌గా ఉపయోగిస్తారు: డైమండ్ సన్నని చలనచిత్రాలు (సివిడి డైమండ్) మరియు రాగి మరియు అల్యూమినియం వంటి లోహాలతో మిశ్రమాలు. ఏదేమైనా, డైమండ్ ప్రాసెసింగ్ యొక్క సంక్లిష్టత-కట్టింగ్, పాలిషింగ్ మరియు మెటలైజేషన్-సెమీకండక్టర్ లేజర్ హీట్ సింక్లలో దాని పెద్ద-స్థాయి అనువర్తనాన్ని పరిమితం చేస్తుంది.

v. గ్రాఫేన్ గ్రాఫేన్ అనేది అద్భుతమైన ఎలక్ట్రికల్, ఆప్టికల్ మరియు థర్మల్ లక్షణాలతో కూడిన కొత్త రెండు డైమెన్షనల్ కార్బన్ నానోమెటీరియల్. దీని పార్శ్వ ఉష్ణ వాహకత 5300W/(M · K) వరకు చేరుకుంటుంది, ఇది సిలికాన్ కార్బైడ్ మరియు అల్యూమినియం నైట్రైడ్ వంటి ఇతర హీట్ సింక్ పదార్థాలను మించిపోయింది. సెమీకండక్టర్ లేజర్లలో గ్రాఫేన్‌ను హీట్ సింక్‌గా వర్తింపజేయడం వల్ల వేడి వెదజల్లడం మరియు పరికర పనితీరును మెరుగుపరచడానికి గొప్ప సామర్థ్యాన్ని చూపుతుంది.