Làsers de semiconductors: solucions eficients de refrigeració per al rendiment millorat

Els làsers de semiconductors, coneguts per la seva mida compacta, el disseny lleuger, el baix consum d’energia, la facilitat de modulació i la capacitat de producció massiva, han trobat un ús generalitzat en diversos camps com el processament industrial, les telecomunicacions, l’assistència sanitària, les ciències de la vida i els militars. A mesura que la potència de sortida dels làsers de semiconductors continua augmentant, una part important de la potència elèctrica es converteix en calor. Les característiques òptiques, la potència de sortida i la fiabilitat d’aquests dispositius estan estretament relacionades amb la seva temperatura de funcionament, cosa que fa que la gestió tèrmica sigui un factor crític, especialment per a làsers de semiconductors d’alta potència.

1. Principis de refrigeració dels làsers de semiconductors

Els mètodes de refrigeració primaris per a làsers de semiconductors inclouen dissipadors de calor de convecció naturals, microcanals, refrigeració termoelèctrica, refrigeració per polvorització i solucions de canonades de calor. Per als làsers de semiconductors d’un sol xip, els dissipadors de calor de convecció naturals són sovint els més econòmics i s’utilitzen habitualment a causa de la seva senzillesa en la fabricació i el muntatge. Els materials d’alta conductivitat tèrmica s’utilitzen normalment per augmentar la superfície per a la convecció natural, millorant així la dissipació de calor i disminuint la temperatura del xip. Per escurçar la ruta de transferència de calor i agilitar la dissipació tèrmica, ara s’adopta habitualment l’enllaç Flip-xip, on el xip làser s’uneix al dissipador de calor mitjançant materials com l’indium o la soldadura de llauna d’or.

La major part de la calor en làsers de semiconductors es genera a la regió activa del xip, que després es transfereix a través de capes com la soldadura, l’aïllament i la interfície, arribant finalment al dissipador de calor convencional on es dissipa a través del refredament convectiu. Utilitzar dissipadors de calor elaborats amb materials d’alta conductivitat tèrmica és una manera eficaç de reduir la temperatura de treball dels làsers de semiconductors, garantint el rendiment i la fiabilitat. En seleccionar materials de dissipador de calor, s’han de tenir en compte dos factors clau:

1. El material hauria de tenir una alta conductivitat tèrmica per dissipar eficaçment la calor.
2. El coeficient d’expansió tèrmica del material ha de coincidir amb el del xip làser per evitar danys induïts per l’estrès.

2. Materials de dissipador de calor per a làsers de semiconductors

Un material ideal per a dissipadors de calor ha de combinar una alta conductivitat tèrmica amb un coeficient d’expansió tèrmica que coincideixi estretament amb el del xip làser. El coure s’utilitza sovint per la seva excel·lent conductivitat tèrmica i propietats elèctriques. Tot i això, el coeficient d’expansió tèrmica del coure difereix significativament del del xip làser, que pot crear tensió tèrmica i afectar el rendiment del làser. Un dissipador de calor de transició fabricat amb materials amb alta conductivitat tèrmica i una coincidència d’expansió més estreta amb el xip pot ajudar a mitigar aquest problema. Els materials comuns per a aquests dissipadors de calor de transició inclouen ceràmica de nitrur d’alumini, ceràmica d’òxid de berili, ceràmica de carbur de silici, aliatges de coure de tungstè, hòsties de carbur de silici i pel·lícules primes de diamants.

i. Els aliatges de tungstè-coure de tungstè-coure combinen la baixa expansió del tungstè amb l’alta conductivitat tèrmica del coure, cosa que els fa ideals per a làsers semiconductors. L’expansió tèrmica i la conductivitat d’aquest pseudoaliat es poden adaptar ajustant la seva composició i coincideix bé amb el silici, l’arsenur de gali i els materials ceràmics. Els làsers primerencs sovint utilitzaven una estructura de muntatge C de tungstè-coure, que després va evolucionar fins a barres de coure de tungstè.

II. La ceràmica de nitrur de nitrur d’alumini ofereix un excel·lent rendiment global, amb una conductivitat tèrmica teòrica de fins a 320W/(M · K), i els productes comercials oscil·len normalment entre 180W/(M · K) a 260W/(M · K). El seu coeficient d’expansió tèrmica també és força a prop del dels xips làser, cosa que el converteix en un material comú de calor de transició.

iii. El carbur de silici (sic) sic és un politipi homogeni típic de superlattes naturals amb propietats físiques i químiques destacades. La seva duresa i la seva resistència al desgast només són de diamants i té una conductivitat tèrmica teòrica de fins a 490W/(M · K), tres vegades la del silici. Amb una baixa expansió, una excel·lent dissipació de calor i una alta estabilitat tèrmica, SIC és molt adequat per a dispositius d’alta potència. Resisteix a la corrosió i no es fon sota la pressió normal, mentre que la seva oxidació superficial crea una capa de diòxid de silici que impedeix més oxidació.

iv. Diamant per a una dissipació tèrmica òptima, el diamant es pot utilitzar com a material de connexió entre el xip i el coure. El diamant natural té una conductivitat tèrmica excepcional de 2000W/(M · K), cinc vegades més que del coure, amb un coeficient d’expansió tèrmica baixa. Per tant, el diamant és un material ideal per a dissipadors de calor per a làsers de semiconductors de gran potència. A causa del cost, el diamant natural no és factible per als envasos de semiconductors, però el diamant s'utilitza com a dissipador de calor en dues formes: pel·lícules primes de diamants (diamant CVD) i compostos amb metalls com el coure i l'alumini. No obstant això, la complexitat del processament de diamants —autes, polit i metalització— limita la seva aplicació a gran escala en dissipadors de calor làser semiconductors.

v. Graphene Graphene és un nou nanomaterial de carboni bidimensional amb excel·lents propietats elèctriques, òptiques i tèrmiques. La seva conductivitat tèrmica lateral pot arribar fins a 5300W/(M · K), superant amb escreix altres materials de dissipador de calor com el carbur de silici i el nitrur d’alumini. L’aplicació del grafè com a dissipador de calor als làsers de semiconductors mostra un gran potencial per millorar la dissipació de la calor i el rendiment del dispositiu.