উচ্চ-শক্তির সেমিকন্ডাক্টর লেজারের তাপীয় ব্যবস্থাপনা চ্যালেঞ্জ এবং সিআইসি তাপ ডিঙ্কগুলির মূল প্রতিযোগিতামূলকতা

উচ্চ-শক্তির অর্ধপরিবাহী লেজারগুলি শিল্প উত্পাদন, প্রতিরক্ষা এবং সামরিক সিস্টেম, বায়োমেডিক্যাল অ্যাপ্লিকেশন এবং বৈজ্ঞানিক গবেষণায় ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়।ডিভাইস প্যাকেজিংয়ের পরে তাপীয় ব্যবস্থাপনা দীর্ঘদিন ধরে একটি গুরুত্বপূর্ণ বোতলঘাট ছিল যা তাদের কর্মক্ষমতা এবং নির্ভরযোগ্যতা সীমাবদ্ধ করেএই চ্যালেঞ্জ মোকাবেলা করার জন্য তাপ-সিনক উপকরণগুলির সংহতকরণের উপর নির্ভর করে যা উচ্চ তাপমাত্রার অপারেটিং অবস্থার অধীনে উচ্চ তাপমাত্রা dissipation ক্ষমতা এবং বৃহত্তর তাপ স্থিতিশীলতা প্রদান করে।

মূল প্রতিযোগিতাসিলিকন কার্বাইড (সিআইসি)হিট সিঙ্ক

তাপ স্থানান্তরের প্রাথমিক বাহক হিসাবে, একটি তাপ সিঙ্কের কার্যকারিতা সরাসরি তাপ পরিচালনার কার্যকারিতা নির্ধারণ করে।প্রচলিত সমাধানগুলির প্রযুক্তিগত সীমাবদ্ধতা ক্রমবর্ধমানভাবে স্পষ্ট হয়ে উঠছে.

তামা এবং অ্যালুমিনিয়ামের মতো ধাতব তাপ সিঙ্কগুলি ব্যয়-কার্যকর তবে গ্যাএন এবং ইনপি হিসাবে সাধারণ লেজার গেইন মিডিয়াগুলির সাথে গুরুতর তাপীয় সম্প্রসারণের অসঙ্গতিতে ভুগছে,তাপমাত্রা চক্রের সময় ঘনীভূত তাপীয় চাপের দিকে পরিচালিত করেঅ্যালুমিনিয়াম নাইট্রাইড (এএলএন) সিরামিক হিট সিঙ্কগুলি ইন্টারফেস তাপীয় প্রতিরোধের নিয়ন্ত্রণ এবং কাঠামোগত স্থিতিশীলতা বজায় রাখার ক্ষেত্রে চ্যালেঞ্জের মুখোমুখি হয়।তাদের কিলোওয়াট স্তরের এবং উপরে লেজার সিস্টেমের জন্য অপর্যাপ্ত করে তোলেযদিও রাসায়নিক বাষ্প জমা (সিভিডি) হীরা ব্যতিক্রমী তাপ পরিবাহিতা প্রদান করে,এর অত্যধিক উচ্চ উত্পাদন খরচ এবং 3 ইঞ্চির বেশি বড় ওয়েফারের জন্য ত্রুটি নিয়ন্ত্রণে চলমান অসুবিধা এর ব্যাপক গ্রহণকে সীমাবদ্ধ করে.

এর বিপরীতে, সিলিকন কার্বাইড (সিআইসি) তাপ সিঙ্কগুলি স্পষ্টভাবে বিস্তৃত সুবিধা প্রদর্শন করে।

1. চমৎকার তাপীয় পরামিতি মেলে এবং ভারসাম্যপূর্ণ কর্মক্ষমতা

সিআইসি অসামান্য তাপীয় পারফরম্যান্স ভারসাম্য প্রদর্শন করে। এর ঘরের তাপমাত্রায় তাপ পরিবাহিতা 360 ̊490 W·m−1 ̊K−1 পর্যন্ত পৌঁছেছে, যা তামার (397 W·m−1 ̊K−1) এবং 1.66 ̊2 এর সাথে তুলনীয়।অ্যালুমিনিয়ামের তুলনায় ২৬ গুণ বেশি (217 W·m−1·K−1), উচ্চ-শক্তির লেজার সিস্টেমে দক্ষ তাপ অপসারণের জন্য একটি শক্ত ভিত্তি প্রদান করে।

তাপীয় সম্প্রসারণের ক্ষেত্রে, সিআইসির একটি সহগ রয়েছে 3.8 √4.3 × 10−6 কে−1, যা গ্যান (3.17 × 10−6 কে−1) এবং ইনপি (4.6 × 10−6 কে−1) এর সাথে ঘনিষ্ঠভাবে মেলে। এটি তামার তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে ভাল।5 × 10−6 K−1) এবং অ্যালুমিনিয়াম (23.1 × 10−6 K−1), কার্যকরভাবে ইন্টারফেসিয়াল তাপ চাপ হ্রাস।

সিভিডি ডায়মন্ড এবং এলএন এর সাথে তুলনা করে, সিআইসি এর পারফরম্যান্স ভারসাম্য আরও স্পষ্ট। যদিও সিভিডি ডায়মন্ডের অতি উচ্চ তাপ পরিবাহিতা রয়েছে (~ 2000 W·m−1·K−1),তার তাপীয় প্রসারণ সহগ (1.0 × 10−6 K−1) Yb:YAG (6.8 × 10−6 K−1) এর মতো লাভের মাধ্যমের সাথে গুরুতরভাবে অসঙ্গতিপূর্ণ। AlN একটি তাপ প্রসারণ সহগ সরবরাহ করে যা SiC এর কাছাকাছি (4.5 × 10−6 K−1) কিন্তু এর তাপ পরিবাহিতা (180 W·m−1·K−1) 4H-SiC এর মাত্র প্রায় 45%, তাপ অপচয় দক্ষতা উল্লেখযোগ্যভাবে সীমাবদ্ধ।

এই অনন্য সমন্বয়উচ্চ তাপ পরিবাহিতা এবং চমৎকার তাপ সম্প্রসারণ মেলেসিআইসিকে সুষম তাপীয় পারফরম্যান্সের একটি সর্বোত্তম উপাদান হিসেবে চিহ্নিত করা হয়েছে।

2. পরিবেশগত দৃঢ় অভিযোজনযোগ্যতা এবং উচ্চ অপারেশনাল স্থিতিশীলতা

সিআইসি চমৎকার অক্সিডেশন প্রতিরোধের, বিকিরণ সহনশীলতা এবং 9 পর্যন্ত একটি মোহস কঠোরতা প্রদর্শন করে।2এই বৈশিষ্ট্যগুলি উচ্চ তাপমাত্রা এবং তীব্র বিকিরণের সাথে জড়িত কঠোর অপারেটিং পরিবেশে এটি সহ্য করতে সক্ষম করে।উচ্চ ক্ষমতাসম্পন্ন লেজার সিস্টেমগুলির দীর্ঘমেয়াদী স্থিতিশীল অপারেশন এবং রক্ষণাবেক্ষণ ব্যয় হ্রাসের জন্য সহায়তা.

তুলনামূলকভাবে, ঐতিহ্যগত ধাতব তাপ সিঙ্কগুলির স্পষ্ট ত্রুটি রয়েছে। তামা অক্সিডেশন এবং জারা প্রবণ।যা সময়ের সাথে সাথে ইন্টারফেস তাপীয় প্রতিরোধের বৃদ্ধি এবং তাপ অপসারণের পারফরম্যান্সের ধীরে ধীরে অবনতি ঘটায়অন্যদিকে, অ্যালুমিনিয়ামের যান্ত্রিক শক্তি অপর্যাপ্ত, যার ব্রিনেল কঠোরতা মাত্র 20 ~ 35 HB, যা এটি সমাবেশ এবং অপারেশন চলাকালীন বিকৃতির জন্য সংবেদনশীল করে তোলে।

3. চমৎকার বন্ডিং সামঞ্জস্য এবং কম ইঞ্জিনিয়ারিং বাধা

সিআইসি ধাতুযুক্ত বন্ধন, সরাসরি বন্ধন এবং ইউটেক্টিক বন্ধন সহ বিভিন্ন বন্ধন প্রযুক্তির সাথে অত্যন্ত সামঞ্জস্যপূর্ণ,কম ইন্টারফেস-তাপীয় প্রতিরোধের সমন্বয়কে গ্যাএন এবং ইনপি এর মতো যৌগিক অর্ধপরিবাহীগুলির সাথে সক্ষম করেএই বহুমুখিতা বিচিত্র সংহতকরণ সমাধানের জন্য ব্যাপক নকশা নমনীয়তা প্রদান করে।

এছাড়া সিআইসি বন্ডিং প্রক্রিয়াগুলির পরিপক্কতা ইঞ্জিনিয়ারিং বাস্তবায়নের ক্ষেত্রে বাধা উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস করে, বিদ্যমান অর্ধপরিবাহী উত্পাদন লাইনগুলির সাথে সামঞ্জস্যতা নিশ্চিত করে,এবং ল্যাবরেটরি গবেষণা থেকে ব্যবহারিক প্রয়োগে রূপান্তর ত্বরান্বিত করে.

এই সুবিধাগুলির কারণে, সিআইসি উচ্চ-শক্তির লেজারের জন্য পছন্দসই তাপ-সিঙ্ক উপাদান হয়ে উঠেছে এবং সেমিকন্ডাক্টর লেজার (এলডি), পাতলা-ডিস্ক লেজার (টিডিএল),এবং উল্লম্ব-গহ্বর পৃষ্ঠ-নির্গত লেজার (ভিসিএসইএল).

সিআইসি তাপ ডিঙ্কগুলির প্রস্তুতি পদ্ধতি এবং অ্যাপ্লিকেশন-নির্দিষ্ট অভিযোজন

একটি প্রশস্ত-ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর হিসাবে, সিআইসি 3 সি-সিআইসি, 4 এইচ-সিআইসি এবং 6 এইচ-সিআইসি সহ একাধিক পলিটাইপগুলিতে বিদ্যমান।প্রস্তুতির পদ্ধতি এবং উপাদান বৈশিষ্ট্যগুলির পার্থক্যগুলি অ্যাপ্লিকেশন-নির্দিষ্ট তাপ-সিঙ্ক অপ্টিমাইজেশনের ভিত্তি প্রদান করে.

(1) শারীরিক বাষ্প পরিবহন (পিভিটি)

2000 °C এর উপরে তাপমাত্রায় প্রস্তুত, 4H-SiC এবং 6H-SiC উত্পাদন করে 300 ′490 W·m−1·K−1 এর তাপ পরিবাহিতা সহ। এই উপকরণগুলি উচ্চ তাপ পরিবাহিতা এবং যান্ত্রিক শক্তি সরবরাহ করে,কাঠামোগত স্থিতিশীলতার জন্য কঠোর প্রয়োজনীয়তা সহ উচ্চ-ক্ষমতা লেজার ডিভাইসের জন্য তাদের উপযুক্ত করে তোলে.

(2) তরল পর্যায়ে ইপিট্যাক্সি (এলপিই)

এটি তুলনামূলকভাবে মাঝারি তাপমাত্রায় পরিচালিত হয় (1450 ~ 1700 ° C), যা 3C-SiC এবং 4H-SiC পলিটাইপগুলির উপর সুনির্দিষ্ট নিয়ন্ত্রণ সক্ষম করে। তাপ পরিবাহিতা 320 ~ 450 W · m -1 · K -1 এর মধ্যে রয়েছে।এলপিই-সিআইসি বিশেষ করে উচ্চ শক্তির প্রয়োজন উচ্চ শেষ লেজার ডিভাইসের মধ্যে সুবিধাজনক, দীর্ঘ জীবন, এবং কঠোর স্ফটিক ধারাবাহিকতা.

(3) রাসায়নিক বাষ্প অবক্ষয় (সিভিডি)

উচ্চ বিশুদ্ধতা 4H-SiC এবং 6H-SiC এর সাথে তাপ পরিবাহিতা 350 ¢ 500 W·m-1·K-1 উত্পাদন করে। উচ্চ তাপ পরিবাহিতা দক্ষ তাপ নিষ্কাশন নিশ্চিত করে,যদিও চমৎকার মাত্রিক স্থিতিশীলতা তাপ অপসারণের পরে বিকৃতি প্রতিরোধ করেএই বৈশিষ্ট্যগুলির সংমিশ্রণটি চরম অবস্থার অধীনে দীর্ঘমেয়াদী স্থিতিশীল অপারেশনের জন্য অপরিহার্য, যা সিভিডি-সিআইসিকে পারফরম্যান্স এবং নির্ভরযোগ্যতার ভারসাম্যপূর্ণ একটি পছন্দসই সমাধান করে তোলে।

সংক্ষিপ্তসার

তার উচ্চতর তাপীয় পরামিতি মেলে, শক্তিশালী পরিবেশগত অভিযোজনযোগ্যতা, এবং চমৎকার প্রক্রিয়া সামঞ্জস্যের সাথে, SiC উচ্চ-শক্তি লেজার সিস্টেমের জন্য একটি আদর্শ তাপ-সিঙ্ক উপাদান হিসাবে আবির্ভূত হয়েছে।ভিন্ন ভিন্ন বাঁধা যন্ত্রপাতি, বিভিন্ন সিআইসি পলিটাইপ এবং স্ফটিক দিকনির্দেশের বৈচিত্র্যযুক্ত তাপীয় সম্প্রসারণ বৈশিষ্ট্যগুলিকে কাজে লাগিয়ে সর্বোত্তম ইন্টারফেস মেলে এবং সর্বোচ্চ তাপ অপসারণের কর্মক্ষমতা সক্ষম করে।