उच्च शक्ति वाले अर्धचालक लेजर का व्यापक रूप से औद्योगिक विनिर्माण, रक्षा और सैन्य प्रणालियों, जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों और वैज्ञानिक अनुसंधान में उपयोग किया जाता है।उपकरण पैकेजिंग के बाद थर्मल प्रबंधन लंबे समय से उनके प्रदर्शन और विश्वसनीयता को सीमित करने वाली एक महत्वपूर्ण बाधा रही हैइस चुनौती का समाधान ऊष्मा-सिंक सामग्री के एकीकरण पर निर्भर करता है जो उच्च तापमान संचालन स्थितियों में बेहतर गर्मी अपव्यय क्षमता और अधिक थर्मल स्थिरता प्रदान करते हैं।
हीट ट्रांसफर के प्राथमिक वाहक के रूप में, हीट सिंक का प्रदर्शन सीधे थर्मल प्रबंधन की प्रभावशीलता को निर्धारित करता है।पारंपरिक समाधानों की तकनीकी सीमाएं तेजी से स्पष्ट हो रही हैं.
तांबा और एल्यूमीनियम जैसे धातु हीट सिंक लागत प्रभावी हैं लेकिन सामान्य लेजर लाभ मीडिया जैसे GaN और InP के साथ गंभीर थर्मल विस्तार असंगतता से पीड़ित हैं,तापमान चक्र के दौरान केंद्रित थर्मल तनाव का कारणएल्यूमीनियम नाइट्राइड (AlN) सिरेमिक हीट सिंक को इंटरफेस थर्मल रेजिस्टेंस को नियंत्रित करने और संरचनात्मक स्थिरता बनाए रखने में चुनौतियों का सामना करना पड़ता है।उन्हें किलोवाट स्तर और ऊपर के लेजर सिस्टम के लिए अपर्याप्त बना रहा हैयद्यपि रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) हीरा असाधारण ताप प्रवाहकता प्रदान करता है,इसकी अत्यधिक उच्च विनिर्माण लागत और 3 इंच से अधिक वाले वेफर्स के लिए दोष नियंत्रण में चल रही कठिनाई इसके बड़े पैमाने पर अपनाने को सीमित करती है.
इसके विपरीत सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) हीट सिंक स्पष्ट व्यापक फायदे प्रदर्शित करते हैं।
सीआईसी उत्कृष्ट थर्मल प्रदर्शन संतुलन प्रदर्शित करता है। इसका कमरे के तापमान में थर्मल चालकता 360 ̊490 W·m−1 ̊K−1 तक पहुंचती है, जो तांबे (397 W·m−1 ̊K−1) और 1.66 ̊2 के बराबर है।एल्यूमीनियम (217 W·m−1·K−1) से 26 गुना अधिक, उच्च शक्ति वाले लेजर सिस्टम में कुशल गर्मी अपव्यय के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है।
थर्मल विस्तार के संदर्भ में, SiC का गुणांक 3.8 √4.3 × 10−6 K−1 है, जो GaN (3.17 × 10−6 K−1) और InP (4.6 × 10−6 K−1) से निकटता से मेल खाता है। यह तांबे (16.6 × 10−6 K−1) से काफी बेहतर है।5 × 10−6 K−1) और एल्यूमीनियम (23.1 × 10−6 K−1), प्रभावी रूप से इंटरफेसियल थर्मल तनाव को कम करता है।
सीवीडी हीरे और एएलएन की तुलना में, सीआईसी का प्रदर्शन संतुलन और भी अधिक स्पष्ट है। जबकि सीवीडी हीरे में अल्ट्रा-उच्च थर्मल चालकता (~ 2000 डब्ल्यूएम -1 के -1),इसके थर्मल विस्तार गुणांक (1.0 × 10−6 K−1) Yb:YAG (6.8 × 10−6 K−1) जैसे लाभ माध्यमों के साथ गंभीर रूप से असंगत है। AlN SiC (4.5 × 10−6 K−1) लेकिन इसकी ताप चालकता (180 W·m−1·K−1) केवल 4H-SiC की लगभग 45% है, जिससे हीट डिस्पैशन की दक्षता काफी हद तक सीमित हो जाती है।
यह अद्वितीय संयोजनउच्च थर्मल चालकता और उत्कृष्ट थर्मल विस्तार मिलानअच्छी तरह से संतुलित थर्मल प्रदर्शन के साथ एक इष्टतम सामग्री के रूप में SiC की स्थिति।
सीआईसी में ऑक्सीकरण प्रतिरोध, विकिरण सहिष्णुता और 9 तक की मोह्स कठोरता है।2ये गुण इसे उच्च तापमान और तीव्र विकिरण से जुड़े कठोर परिचालन वातावरण का सामना करने में सक्षम बनाते हैं।उच्च शक्ति वाले लेजर प्रणालियों के दीर्घकालिक स्थिर संचालन का समर्थन करना और रखरखाव लागत को कम करना.
तुलनात्मक रूप से, पारंपरिक धातु हीट सिंक में स्पष्ट कमियां हैं। तांबा ऑक्सीकरण और संक्षारण के लिए प्रवण है,जिससे समय के साथ इंटरफेस थर्मल रेजिस्टेंस बढ़ जाती है और इसके परिणामस्वरूप हीट डिस्पैशन परफॉरमेंस में धीरे-धीरे गिरावट आती हैदूसरी ओर, एल्यूमीनियम में पर्याप्त यांत्रिक शक्ति नहीं होती है, जिसकी ब्रिनेल कठोरता केवल 20 ¢ 35 HB है, जिससे यह असेंबली और संचालन के दौरान विरूपण के लिए अतिसंवेदनशील है।
सीआईसी विभिन्न बंधन प्रौद्योगिकियों के साथ अत्यधिक संगत है, जिसमें धातुबद्ध बंधन, प्रत्यक्ष बंधन, और यूटेक्टिक बंधन शामिल हैं,कम इंटरफेस-थर्मल प्रतिरोध के संयोजन सेमीकंडक्टर जैसे कि GaN और InP के साथ एकीकरण को सक्षम करनायह बहुमुखी प्रतिभा विषमतापूर्ण एकीकरण समाधानों के लिए पर्याप्त डिजाइन लचीलापन प्रदान करती है।
इसके अतिरिक्त, SiC बॉन्डिंग प्रक्रियाओं की परिपक्वता इंजीनियरिंग कार्यान्वयन के लिए बाधाओं को काफी कम करती है, मौजूदा अर्धचालक विनिर्माण लाइनों के साथ संगतता सुनिश्चित करती है,और प्रयोगशाला अनुसंधान से व्यावहारिक अनुप्रयोगों में संक्रमण को तेज करता है.
इन लाभों के कारण, SiC उच्च शक्ति वाले लेजर के लिए पसंदीदा हीट-सिंक सामग्री बन गया है और इसका व्यापक रूप से अर्धचालक लेजर (LDs), पतली-डिस्क लेजर (TDLs),और ऊर्ध्वाधर गुहा सतह उत्सर्जक लेजर (VCSELs).
एक व्यापक बैंडगैप अर्धचालक के रूप में, SiC कई पॉलीटाइप में मौजूद है, जिसमें 3C-SiC, 4H-SiC, और 6H-SiC शामिल हैं।तैयारी विधियों और सामग्री गुणों में अंतर अनुप्रयोग-विशिष्ट हीट-सिंक अनुकूलन के लिए एक आधार प्रदान करते हैं.
(1) भौतिक वाष्प परिवहन (पीवीटी)
2000 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर तैयार, 4H-SiC और 6H-SiC का उत्पादन करता है, जिसकी थर्मल कंडक्टिविटी 300-490 W·m−1·K−1 है। ये सामग्री उच्च थर्मल कंडक्टिविटी और यांत्रिक शक्ति प्रदान करती है,उन्हें उच्च शक्ति वाले लेजर उपकरणों के लिए उपयुक्त बनाने के लिए सख्त संरचनात्मक स्थिरता आवश्यकताओं के साथ.
(2) तरल अवस्था में ईपिटैक्सी (एलपीई)
यह अपेक्षाकृत मध्यम तापमान (1450°C~1700°C) पर किया जाता है, जिससे 3C-SiC और 4H-SiC पॉलीटाइप पर सटीक नियंत्रण संभव होता है। थर्मल चालकता 320°450W·m−1·K−1 से होती है।एलपीई-सीआईसी विशेष रूप से उच्च शक्ति की आवश्यकता वाले उच्च अंत लेजर उपकरणों में फायदेमंद है, लंबे जीवनकाल, और सख्त क्रिस्टल स्थिरता।
(3) रासायनिक वाष्प अवशेष (सीवीडी)
उच्च शुद्धता के 4H-SiC और 6H-SiC का उत्पादन करता है, जिसमें 350-500 W·m−1·K−1 की थर्मल चालकता होती है। उच्च थर्मल चालकता कुशल गर्मी निष्कर्षण सुनिश्चित करती है,जबकि उत्कृष्ट आयामी स्थिरता गर्मी हटाने के बाद विरूपण को रोकता हैइन गुणों का संयोजन चरम परिस्थितियों में दीर्घकालिक स्थिर संचालन के लिए आवश्यक है, जिससे सीवीडी-सीआईसी एक पसंदीदा समाधान है जो प्रदर्शन और विश्वसनीयता को संतुलित करता है।
अपने उत्कृष्ट थर्मल पैरामीटर मिलान, मजबूत पर्यावरण अनुकूलन क्षमता, और उत्कृष्ट प्रक्रिया संगतता के साथ, SiC उच्च शक्ति लेजर प्रणालियों के लिए एक आदर्श हीट-सिंक सामग्री के रूप में उभरा है।विभेदक बंधे हुए उपकरणों में, विभिन्न SiC पॉलीटाइप और क्रिस्टल अभिविन्यास की भिन्न थर्मल विस्तार विशेषताओं का लाभ उठाते हुए इष्टतम इंटरफेस मिलान और अधिकतम गर्मी अपव्यय प्रदर्शन को सक्षम बनाता है।
उच्च शक्ति वाले अर्धचालक लेजर का व्यापक रूप से औद्योगिक विनिर्माण, रक्षा और सैन्य प्रणालियों, जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों और वैज्ञानिक अनुसंधान में उपयोग किया जाता है।उपकरण पैकेजिंग के बाद थर्मल प्रबंधन लंबे समय से उनके प्रदर्शन और विश्वसनीयता को सीमित करने वाली एक महत्वपूर्ण बाधा रही हैइस चुनौती का समाधान ऊष्मा-सिंक सामग्री के एकीकरण पर निर्भर करता है जो उच्च तापमान संचालन स्थितियों में बेहतर गर्मी अपव्यय क्षमता और अधिक थर्मल स्थिरता प्रदान करते हैं।
हीट ट्रांसफर के प्राथमिक वाहक के रूप में, हीट सिंक का प्रदर्शन सीधे थर्मल प्रबंधन की प्रभावशीलता को निर्धारित करता है।पारंपरिक समाधानों की तकनीकी सीमाएं तेजी से स्पष्ट हो रही हैं.
तांबा और एल्यूमीनियम जैसे धातु हीट सिंक लागत प्रभावी हैं लेकिन सामान्य लेजर लाभ मीडिया जैसे GaN और InP के साथ गंभीर थर्मल विस्तार असंगतता से पीड़ित हैं,तापमान चक्र के दौरान केंद्रित थर्मल तनाव का कारणएल्यूमीनियम नाइट्राइड (AlN) सिरेमिक हीट सिंक को इंटरफेस थर्मल रेजिस्टेंस को नियंत्रित करने और संरचनात्मक स्थिरता बनाए रखने में चुनौतियों का सामना करना पड़ता है।उन्हें किलोवाट स्तर और ऊपर के लेजर सिस्टम के लिए अपर्याप्त बना रहा हैयद्यपि रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) हीरा असाधारण ताप प्रवाहकता प्रदान करता है,इसकी अत्यधिक उच्च विनिर्माण लागत और 3 इंच से अधिक वाले वेफर्स के लिए दोष नियंत्रण में चल रही कठिनाई इसके बड़े पैमाने पर अपनाने को सीमित करती है.
इसके विपरीत सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) हीट सिंक स्पष्ट व्यापक फायदे प्रदर्शित करते हैं।
सीआईसी उत्कृष्ट थर्मल प्रदर्शन संतुलन प्रदर्शित करता है। इसका कमरे के तापमान में थर्मल चालकता 360 ̊490 W·m−1 ̊K−1 तक पहुंचती है, जो तांबे (397 W·m−1 ̊K−1) और 1.66 ̊2 के बराबर है।एल्यूमीनियम (217 W·m−1·K−1) से 26 गुना अधिक, उच्च शक्ति वाले लेजर सिस्टम में कुशल गर्मी अपव्यय के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है।
थर्मल विस्तार के संदर्भ में, SiC का गुणांक 3.8 √4.3 × 10−6 K−1 है, जो GaN (3.17 × 10−6 K−1) और InP (4.6 × 10−6 K−1) से निकटता से मेल खाता है। यह तांबे (16.6 × 10−6 K−1) से काफी बेहतर है।5 × 10−6 K−1) और एल्यूमीनियम (23.1 × 10−6 K−1), प्रभावी रूप से इंटरफेसियल थर्मल तनाव को कम करता है।
सीवीडी हीरे और एएलएन की तुलना में, सीआईसी का प्रदर्शन संतुलन और भी अधिक स्पष्ट है। जबकि सीवीडी हीरे में अल्ट्रा-उच्च थर्मल चालकता (~ 2000 डब्ल्यूएम -1 के -1),इसके थर्मल विस्तार गुणांक (1.0 × 10−6 K−1) Yb:YAG (6.8 × 10−6 K−1) जैसे लाभ माध्यमों के साथ गंभीर रूप से असंगत है। AlN SiC (4.5 × 10−6 K−1) लेकिन इसकी ताप चालकता (180 W·m−1·K−1) केवल 4H-SiC की लगभग 45% है, जिससे हीट डिस्पैशन की दक्षता काफी हद तक सीमित हो जाती है।
यह अद्वितीय संयोजनउच्च थर्मल चालकता और उत्कृष्ट थर्मल विस्तार मिलानअच्छी तरह से संतुलित थर्मल प्रदर्शन के साथ एक इष्टतम सामग्री के रूप में SiC की स्थिति।
सीआईसी में ऑक्सीकरण प्रतिरोध, विकिरण सहिष्णुता और 9 तक की मोह्स कठोरता है।2ये गुण इसे उच्च तापमान और तीव्र विकिरण से जुड़े कठोर परिचालन वातावरण का सामना करने में सक्षम बनाते हैं।उच्च शक्ति वाले लेजर प्रणालियों के दीर्घकालिक स्थिर संचालन का समर्थन करना और रखरखाव लागत को कम करना.
तुलनात्मक रूप से, पारंपरिक धातु हीट सिंक में स्पष्ट कमियां हैं। तांबा ऑक्सीकरण और संक्षारण के लिए प्रवण है,जिससे समय के साथ इंटरफेस थर्मल रेजिस्टेंस बढ़ जाती है और इसके परिणामस्वरूप हीट डिस्पैशन परफॉरमेंस में धीरे-धीरे गिरावट आती हैदूसरी ओर, एल्यूमीनियम में पर्याप्त यांत्रिक शक्ति नहीं होती है, जिसकी ब्रिनेल कठोरता केवल 20 ¢ 35 HB है, जिससे यह असेंबली और संचालन के दौरान विरूपण के लिए अतिसंवेदनशील है।
सीआईसी विभिन्न बंधन प्रौद्योगिकियों के साथ अत्यधिक संगत है, जिसमें धातुबद्ध बंधन, प्रत्यक्ष बंधन, और यूटेक्टिक बंधन शामिल हैं,कम इंटरफेस-थर्मल प्रतिरोध के संयोजन सेमीकंडक्टर जैसे कि GaN और InP के साथ एकीकरण को सक्षम करनायह बहुमुखी प्रतिभा विषमतापूर्ण एकीकरण समाधानों के लिए पर्याप्त डिजाइन लचीलापन प्रदान करती है।
इसके अतिरिक्त, SiC बॉन्डिंग प्रक्रियाओं की परिपक्वता इंजीनियरिंग कार्यान्वयन के लिए बाधाओं को काफी कम करती है, मौजूदा अर्धचालक विनिर्माण लाइनों के साथ संगतता सुनिश्चित करती है,और प्रयोगशाला अनुसंधान से व्यावहारिक अनुप्रयोगों में संक्रमण को तेज करता है.
इन लाभों के कारण, SiC उच्च शक्ति वाले लेजर के लिए पसंदीदा हीट-सिंक सामग्री बन गया है और इसका व्यापक रूप से अर्धचालक लेजर (LDs), पतली-डिस्क लेजर (TDLs),और ऊर्ध्वाधर गुहा सतह उत्सर्जक लेजर (VCSELs).
एक व्यापक बैंडगैप अर्धचालक के रूप में, SiC कई पॉलीटाइप में मौजूद है, जिसमें 3C-SiC, 4H-SiC, और 6H-SiC शामिल हैं।तैयारी विधियों और सामग्री गुणों में अंतर अनुप्रयोग-विशिष्ट हीट-सिंक अनुकूलन के लिए एक आधार प्रदान करते हैं.
(1) भौतिक वाष्प परिवहन (पीवीटी)
2000 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर तैयार, 4H-SiC और 6H-SiC का उत्पादन करता है, जिसकी थर्मल कंडक्टिविटी 300-490 W·m−1·K−1 है। ये सामग्री उच्च थर्मल कंडक्टिविटी और यांत्रिक शक्ति प्रदान करती है,उन्हें उच्च शक्ति वाले लेजर उपकरणों के लिए उपयुक्त बनाने के लिए सख्त संरचनात्मक स्थिरता आवश्यकताओं के साथ.
(2) तरल अवस्था में ईपिटैक्सी (एलपीई)
यह अपेक्षाकृत मध्यम तापमान (1450°C~1700°C) पर किया जाता है, जिससे 3C-SiC और 4H-SiC पॉलीटाइप पर सटीक नियंत्रण संभव होता है। थर्मल चालकता 320°450W·m−1·K−1 से होती है।एलपीई-सीआईसी विशेष रूप से उच्च शक्ति की आवश्यकता वाले उच्च अंत लेजर उपकरणों में फायदेमंद है, लंबे जीवनकाल, और सख्त क्रिस्टल स्थिरता।
(3) रासायनिक वाष्प अवशेष (सीवीडी)
उच्च शुद्धता के 4H-SiC और 6H-SiC का उत्पादन करता है, जिसमें 350-500 W·m−1·K−1 की थर्मल चालकता होती है। उच्च थर्मल चालकता कुशल गर्मी निष्कर्षण सुनिश्चित करती है,जबकि उत्कृष्ट आयामी स्थिरता गर्मी हटाने के बाद विरूपण को रोकता हैइन गुणों का संयोजन चरम परिस्थितियों में दीर्घकालिक स्थिर संचालन के लिए आवश्यक है, जिससे सीवीडी-सीआईसी एक पसंदीदा समाधान है जो प्रदर्शन और विश्वसनीयता को संतुलित करता है।
अपने उत्कृष्ट थर्मल पैरामीटर मिलान, मजबूत पर्यावरण अनुकूलन क्षमता, और उत्कृष्ट प्रक्रिया संगतता के साथ, SiC उच्च शक्ति लेजर प्रणालियों के लिए एक आदर्श हीट-सिंक सामग्री के रूप में उभरा है।विभेदक बंधे हुए उपकरणों में, विभिन्न SiC पॉलीटाइप और क्रिस्टल अभिविन्यास की भिन्न थर्मल विस्तार विशेषताओं का लाभ उठाते हुए इष्टतम इंटरफेस मिलान और अधिकतम गर्मी अपव्यय प्रदर्शन को सक्षम बनाता है।
