Kesuvchi lazer yoki tibbiy asbobni pompalaydigan yuqori quvvatli lazerli diod mikroskopik chip maydonidan ajoyib miqdorda issiqlik hosil qiladi. Bu qizg'in, yo'naltirilgan issiqlik tez va teng ravishda tarqalishi kerak, aks holda chip soniyaning bir qismida o'zini yo'q qiladi. Mis ajoyib issiqlik o'tkazuvchisidir, ammo bu eng ekstremal ilovalar uchun hatto mis ham etarlicha tez emas. Yakuniy yechim - bu sun'iy, sof olmosdan-yanalgan issiqlik tarqatuvchi bo'lib, u issiqlikni Yerdagi hamma narsadan yaxshiroq o'tkazadi.
Yuqori quvvatli lazerli diodlarda issiqlikni boshqarish muammosi
Lazerli diod, odatda 100 mkm × 1 mm dan kichik bo'lgan faol mintaqa bilan chegaralangan juda yuqori elektr toki zichligi bilan ishlaydi. Ushbu kichik o'tish joyida hosil bo'ladigan chiqindi issiqlik 1 kVt/sm² dan oshishi mumkin. Juda samarali issiqlik tarqatuvchi bo'lmasa, ulanish harorati qurilmaning maksimal ko'rsatkichidan (odatda to'lqinning uzluksiz ishlashi uchun 50–85 daraja) yuqoriga ko'tariladi, bu to'lqin uzunligining o'zgarishiga, quvvatning uzilishiga va natijada halokatli optik shikastlanishga olib keladi.
Issiqlik tarqatuvchi-shuningdek, pastki o'rnatish yoki lazer diodini ushlab turadigan plastinka (patak)-bir vaqtning o'zida ikkita funktsiyani bajarishi kerak:
Issiqlikni yon tomonga yoyingmikroskopik issiq nuqtadan termoelektrik sovutgich yoki suv bilan sovutilgan sovuq plastinka orqali olib tashlanishi mumkin bo'lgan kattaroq joyga.
Elektr izolyatsiyasilazer diyotining elektr kontaktlari tuproqli plastinkadan, chunki lazer diodlarining ko'pchiligi elektr toki bilan boshqariladi.
Mis uzoq vaqt davomida yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi (≈400 Vt / m · K) va ishlab chiqarish qulayligi tufayli issiqlik tarqatuvchilar uchun standart material bo'lib kelgan. Biroq, mis ajoyib elektr o'tkazgichdir va shuning uchun plastinka sifatida foydalanilganda qo'shimcha izolyatsion qatlam (masalan, yupqa keramika yoki dielektrik qoplama) talab qilinadi. Ushbu qo'shimcha qatlam termal qarshilikni keltirib chiqaradi, bu esa misning afzalliklarining bir qismini inkor etadi.
CVD olmos issiqlik tarqatuvchi sifatida: xususiyatlari va ishlab chiqarish
Kimyoviy bug 'cho'kmasi (CVD) olmos uglevodorod-vodorod plazmasidan substratga polikristalli yoki bitta kristalli olmos plyonkalarini o'stirish orqali ishlab chiqariladi. O'sishdan so'ng, olmos qatlami tekis, tekis yuzaga (Ra < 10 nm) sayqallanishi va kerakli o'lchamlarga kesilishi mumkin bo'lgan mustaqil plastinka sifatida substratdan chiqariladi.
CVD olmosning issiqlik o'tkazuvchanligi uning kristalli sifatiga juda bog'liq:
Polikristalli CVD olmos– Odatda issiqlik o‘tkazuvchanligi 1000 dan 1500 Vt/m·K gacha, optik darajadagi material uchun 1200–1300 Vt/m·K atrofidagi qiymatlar keng tarqalgan. O'tkazuvchanlik don chegaralarida va aralashmalarda fononning tarqalishi bilan cheklangan.
Yuqori sifatli, izotopik sof CVD olmos– Uglerod-12 (¹²C) bilan boyitish va azot va bor aralashmalarini kamaytirish orqali 2000 Vt/m·K dan ortiq issiqlik oʻtkazuvchanligiga erishildi. Bu tabiiy olmosning nazariy chegarasiga yaqinlashadi (xona haroratida ≈2200 Vt / m · K).
Taqqoslash uchun, sof mis (tavlangan, 99,99%) 25 gradusda taxminan 401 Vt/m·K issiqlik o'tkazuvchanligiga ega. Hatto eng past darajadagi CVD olmos ham (≈800 Vt/m·K) misdan ikki baravar ustundir. Standart polikristalli CVD olmos (1200 Vt / m · K) misdan uch baravar yaxshiroq, izotopik ravishda kuchaytirilgan olmos esa besh baravar yaxshi.
To'g'ridan-to'g'ri taqqoslash: CVD Diamond va lazerli diodli plastinka uchun mis issiqlik tarqatuvchi
TheCVD olmos va mis issiqlik tarqatuvchi lazerli diodli plastinkabaholash xom issiqlik o'tkazuvchanligidan tashqari bir nechta ishlash ko'rsatkichlarini o'z ichiga oladi. Quyidagi jadvalda asosiy taqqoslashlar keltirilgan:
| Mulk | Mis (sof, tavlangan) | Polikristalli CVD olmos |
|---|---|---|
| Issiqlik o'tkazuvchanligi (Vt / m · K) 25 daraja | ≈400 | 1000–1500 (typical); >2000 (izotopik toza) |
| Elektr qarshiligi (Ō·sm) | ≈1,7 × 10⁻⁶ (o'tkazgich) | >10¹⁴ (izolyator) |
| Issiqlik kengayish koeffitsienti (CTE, ppm / K) | ≈16.5 | ≈1,0–2,5 (kristallikka bog'liq) |
| Zichlik (g/sm³) | 8.96 | 3.52 |
| Young moduli (GPa) | 110–130 | 1000–1200 |
| Sinishi chidamliligi (MPam¹/²) | ≈80–100 (egiluvchan) | ≈3–5 (moʻrt keramika) |
| Narxi (misga nisbatan) | 1× | 100–500× |
Olmos issiqlik uchun mukammal, kristalli avtomobil yo'lidir, bu erda mis shunchaki tez, ammo nuqsonli, metall yo'ldir.
Termal tarqalish qarshiligi
Issiqlik tarqatuvchining asosiy ko'rsatkichi - bu kichik issiqlik manbai va kattaroq issiqlik qabul qiluvchi o'rtasidagi nomuvofiqlik tufayli yuzaga keladigan haroratning ko'tarilishining termal tarqalish qarshiligi-. Yarim cheksiz yoygichda yon uzunligi �a bo'lgan kvadrat issiqlik manbai uchun tarqalish qarshiligi ���Rsp� ��⋅πa⋅k� ga teskari proportsionaldir, bu yerda �k issiqlik o’tkazuvchanligidir. Shunday qilib, k ni ikki baravar oshirish tarqalish qarshiligini ikki baravar kamaytiradi. 1 mm × 0,1 mm lazerli diodli novda uchun mis yoyish moslamasi (k = 400 Vt/m · K) CVD olmos tarqatuvchisidan (k = 1200 Vt/m · K) taxminan uch baravar yuqori tarqalish qarshiligini namoyish etadi. Bu to'g'ridan-to'g'ri bir xil sovutish sharoitida olmos tarqatuvchi uchun -ko'pincha 20-40 daraja sovuqroq ulanish haroratiga aylanadi.
Elektr izolyatsiyasining afzalligi
Because diamond is an electrical insulator (resistivity >10¹⁴ ũ·sm), CVD olmosli issiqlik tarqatuvchi to'g'ridan-to'g'ri lazer diodining elektr kontakti va metall plastinka orasiga qo'shimcha dielektrik qatlamsiz joylashtirilishi mumkin. Aksincha, mis alohida elektr izolyatsion qatlamni (masalan, Al₂O₃, AlN yoki yupqa olmosga o'xshash qoplamani) talab qiladi. Bu qatlam issiqlik qarshiligini-odatda 0,5–2 daraja ·sm²/Vt-qo‘shib, mis yoygichning samarali ishlashini pasaytiradi. CVD olmos tarqatuvchisi issiqlik tarqalishi va elektr izolyatsiyasini yagona, monolit materialda birlashtiradi.
Plitalar Assambleyasiga integratsiya
CVD olmosli issiqlik tarqatuvchisi bir xil o'rnatish texnikasidan foydalangan holda mis o'rniga oddiygina almashtirilmaydi. Material qattiq, mo'rt keramika bo'lib, juda past termal kengayish koeffitsienti (CTE) taxminan 1-2,5 ppm/K, misning 16,5 ppm/K ga nisbatan. Agar olmos plitasi to'g'ridan-to'g'ri mis sovutgichga lehimlangan yoki lehimlangan bo'lsa, katta CTE nomuvofiqligi harorat aylanishi paytida olmosni yorib yuborishi mumkin bo'lgan yuqori termal stresslarni keltirib chiqaradi.
Muvaffaqiyatli integratsiya quyidagilarni talab qiladi:
Interfaal qatlamlar– Yupqa, mos keladigan qatlam (masalan, yumshoq oltin qalay (AuSn) lehim yoki grafitga asoslangan termal interfeys materiali) kesish kuchlanishlarini o'rnatish uchun ishlatiladi. Issiqlik qarshiligini kamaytirish va kuchlanishni kamaytirish uchun qatlam qalinligi kichik (5-20 mikron) saqlanadi.
Mos keladigan CTE sovutgichlari– Shu bilan bir qatorda, olmos tarqatuvchi mis-volfram (CuW, CTE ≈ 8 ppm/K) yoki mis-molibden (CuMo, CTE ≈ 7 ppm/K) kabi past CTE li materialdan tayyorlangan sovutgichga biriktirilgan. Bu olmosdagi kuchlanishni kamaytiradi.
Metallizatsiya– Lehimlash uchun olmos yuzasi metalllashtirilgan (masalan, Ti/Pt/Au yoki Ti/W/Ni/Au ko'p qatlamli). Metallizatsiya kimyoviy jihatdan inert bo'lgan olmosga qattiq yopishishi kerak. Birinchi qatlam sifatida karbid hosil qiluvchi metall (titan yoki xrom) ishlatiladi.
To'g'ri ishlab chiqilgan bo'lsa, CVD olmosli issiqlik tarqatuvchisi minglab termal tsikllardan buzilmagan holda omon qoladi.
Amaliy ilovalar va cheklovlar
CVD olmosli issiqlik tarqatuvchilar quyidagilarda qo'llaniladi:
Yuqori quvvatli lazerli diodli chiziqlar va massivlarqattiq holatdagi lazerlarni sanoat kesish, payvandlash va pompalash uchun.
Optik aloqa uchun lazerli diodli modullar(telekom va datacom) qattiq to'lqin uzunligi barqarorligini talab qiladi.
Tibbiy lazer tizimlari(masalan, dermatologiya, jarrohlik) ishonchlilik va ixcham qadoqlash muhim ahamiyatga ega.
Radiochastota (RF) quvvat tranzistorlariva shunga o'xshash termal qiyinchiliklar mavjud bo'lgan monolitik mikroto'lqinli integral mikrosxemalar (MMIC).
CVD olmosning cheklovlari quyidagilarni o'z ichiga oladi:
Narxi– 10 mm × 10 mm × 0,3 mm CVD olmos yoyish moslamasi bir xil o'lchamdagi mis bo'lagi uchun bir necha sentga nisbatan yuzlab dollar turadi. Shuning uchun, olmos mis termal talablarga javob bera olmaydigan ilovalar uchun ajratilgan.
Ishlab chiqarishning murakkabligi– Olmosni kesish, silliqlash, sayqallash va metalllashtirish maxsus jihozlar (lazerli kesish yoki olmos bilan singdirilgan silliqlash asboblari) va tajribani talab qiladi.
Mexanik mo'rtlik– Olmos plitalari mo‘rt bo‘lib, noto‘g‘ri ishlash yoki haddan tashqari siqish kuchi ta’sirida yorilib ketishi mumkin.
Kelajakdagi ishlanmalar
Tadqiqotlar yuqori cho'kish tezligi, kattaroq o'sish maydonlari va yaxshilangan rentabellik orqali CVD olmos narxini pasaytirishda davom etmoqda. Izotopik sof olmos (³⁰ C) hali ham qimmat va tadqiqot bilan cheklangan, ammo o'tkazuvchanligi 1500–1800 Vt/m·K bo'lgan polikristalli olmos ko'proq tijoratda sotilmoqda. Bundan tashqari, olmosli kompozit issiqlik tarqatuvchilar (masalan, olmos-mis yoki olmos-kumush kompozitlari) olmosning yuqori o'tkazuvchanligini metallning egiluvchanligi va CTE moslashuvi bilan birlashtirish uchun ishlab chiqilmoqda, ammo hosil bo'lgan o'tkazuvchanlik (600–800 Vt/m·K) sof olmosdan past.
Xulosa
CVD olmos - bu issiqlikni hech qanday murosasiz tarqatuvchi, yorqin, issiqlikni o'ta o'tkazuvchi kristall bo'lib, u hatto eng yaxshi metallarni ham ortda qoldiradi va issiqlikni boshqarishning eng elita muammolari uchun saqlanadi. Issiqlik o'tkazuvchanligi 1000 Vt/m·K-dan oshadigan va ko'pincha 1200 Vt/m·K dan oshadigan tijorat navlarida-CVD olmos misdan uch yoki undan ko'p marta ustun turadi. O'ziga xos elektr izolyatsiyasi bilan birlashganda, olmos metall yoyuvchilarning samarali ishlashini kamaytiradigan qo'shimcha dielektrik qatlamlarga bo'lgan ehtiyojni yo'q qiladi. Olmosning narxi va mo'rt tabiati lazerli diodli plastinaga ehtiyotkorlik bilan integratsiyani talab qilsa-da, birlashma haroratining pasayishi to'g'ridan-to'g'ri lazerning yuqori chiqish quvvatiga, qurilmaning uzoqroq ishlash muddatiga va tor to'lqin uzunligi nazoratiga olib keladi. Kelajakning eng issiq, eng kuchli lazerlari sof, sintetik olmos plastinkasi bilan sovutiladi.
