ইন্ডাস্ট্রিয়াল প্রিসিশন মেশিনিং, 5G/6G কমিউনিকেশন, স্বায়ত্তশাসিত ড্রাইভিং, এবং লেজার মেডিসিনের মতো ক্ষেত্রে উচ্চ-শক্তির লেজারের ব্যাপক প্রয়োগের ফলে, তাপ ব্যবস্থাপনা কার্যক্ষমতার উন্নতিকে সীমাবদ্ধ করার জন্য একটি জটিল বাধা হয়ে দাঁড়িয়েছে। দুর্বল তাপ অপচয়ের ফলে অপটিক্যাল পারফরম্যান্সের অবনতি হতে পারে যেমন নির্গমন তরঙ্গদৈর্ঘ্যের স্থানান্তর এবং হালকা ক্ষেত্রে ফ্লুরোসেন্স লাইফটাইম সংক্ষিপ্ত করা, অথবা ডিভাইসের বার্ধক্য ঘটাতে পারে এবং গুরুতর ক্ষেত্রে আউটপুট স্থিতিশীলতা এবং সরঞ্জামের নির্ভরযোগ্যতাকে প্রভাবিত করে। ক্রমাগত ক্রমবর্ধমান তাপ প্রবাহের ঘনত্বের মুখোমুখি, ঐতিহ্যবাহী ধাতু এবং সিরামিক তাপ সিঙ্কগুলি অপর্যাপ্ত প্রমাণিত হচ্ছে। ফলস্বরূপ, তৃতীয়-প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপাদান, সিলিকন কার্বাইড (SiC), উচ্চ-শক্তির লেজার হিট সিঙ্কের ক্ষেত্রে দ্রুত একটি "তারকা উপাদান" হয়ে উঠছে, উচ্চ তাপ পরিবাহিতা, নিম্ন তাপ সম্প্রসারণ সহগ এবং চমৎকার স্থিতিশীলতার মতো এর ব্যাপক সুবিধাগুলিকে কাজে লাগিয়ে৷
SiC হিট সিঙ্কের সুবিধা কী?
উচ্চ-শক্তির সেমিকন্ডাক্টর লেজার প্যাকেজিংয়ের প্রাথমিক কুলিং পদ্ধতিগুলির মধ্যে রয়েছে প্রাকৃতিক পরিচলন হিট সিঙ্ক কুলিং, মাইক্রোচ্যানেল কুলিং, থার্মোইলেকট্রিক কুলিং এবং স্প্রে কুলিং। এর মধ্যে, প্রাকৃতিক পরিচলন তাপ সিঙ্ক কুলিং হল একক-বিকিরণকারী সেমিকন্ডাক্টর লেজারগুলির জন্য সবচেয়ে সাশ্রয়ী এবং সাধারণ কুলিং পদ্ধতি যা তৈরি করা এবং সমাবেশের সহজতার কারণে। সাধারণত, লেজার চিপের তাপমাত্রা কার্যকরভাবে কমাতে, উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সহ উপকরণগুলিকে তাপ সিঙ্ক হিসাবে ব্যবহার করা হয় যাতে প্রাকৃতিক পরিচলন পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল বৃদ্ধি পায়, যার ফলে তাপ অপচয় হয়। যদিও তামা এবং অ্যালুমিনিয়ামের মতো ধাতব তাপ সিঙ্কগুলি খরচের সুবিধা দেয়, তাদের তাপ সম্প্রসারণের সহগ (CTE) GaN এবং InP-এর মতো লাভ মিডিয়ার সাথে খারাপভাবে মেলে। এই অমিল সহজেই তাপমাত্রা চক্রের সময় তাপীয় চাপ সৃষ্টি করতে পারে, লেজারের আউটপুট কর্মক্ষমতা হ্রাস করতে পারে বা এমনকি লেজার চিপ ক্র্যাক এবং ব্যর্থ হতে পারে। অ্যালুমিনিয়াম নাইট্রাইড (AlN) সিরামিক হিট সিঙ্কগুলি ইন্টারফেসিয়াল থার্মাল রেজিস্ট্যান্স নিয়ন্ত্রণ এবং কাঠামোগত স্থিতিশীলতা বজায় রাখার ক্ষেত্রে চ্যালেঞ্জের সম্মুখীন হয়, যা কিলোওয়াট-স্তরের এবং উচ্চ ক্ষমতার লেজার সিস্টেমের কঠোর চাহিদা মেটানো কঠিন করে তোলে। যদিও CVD হীরা চমৎকার তাপ পরিবাহিতা প্রদর্শন করে, তবে এর প্রস্তুতির খরচ নিষেধমূলকভাবে বেশি। বিপরীতে, সিলিকন কার্বাইড (SiC) হিট সিঙ্কগুলি উচ্চ খরচ{10}}কার্যক্ষমতা সহ বাধ্যতামূলক ব্যাপক সুবিধাগুলি প্রদর্শন করে:
উচ্চ তাপ পরিবাহিতা: SiC 490 W/(m·K) পর্যন্ত একটি রুম-তাপমাত্রার তাপ পরিবাহিতা নিয়ে গর্ব করে। যদিও CVD ডায়মন্ডের তুলনায় কম, 6-ইঞ্চি SiC ওয়েফারের জন্য পরিপক্ক ভর উৎপাদন প্রযুক্তির ফলে একটি ইউনিট খরচ হয় যা CVD হীরার তুলনায় মাত্র 1/20 থেকে 1/15।
নিম্ন তাপীয় সম্প্রসারণ সহগ: SiC-এর একটি কম CTE 4.0×10⁻⁶/K, যা GaN এবং InP-এর মতো মূলধারার লেজার লাভ মিডিয়ার সাথে ভালভাবে মেলে, কার্যকরভাবে তাপীয় চাপের প্রজন্মকে দমন করে।
চমৎকার স্থিতিশীলতা: SiC অসামান্য অক্সিডেশন প্রতিরোধের এবং বিকিরণ প্রতিরোধের প্রদর্শন করে, 9.2 এর Mohs কঠোরতা সহ। এটি উচ্চ তাপমাত্রা এবং শক্তিশালী বিকিরণের মতো কঠোর অবস্থার মধ্যেও লেজার সিস্টেমের দীর্ঘ-স্থায়ী ক্রিয়াকলাপ নিশ্চিত করতে পারে।
SiC তাপ সিঙ্কের প্রস্তুতি
SiC হল সমযোজী বন্ধনের উপর ভিত্তি করে একটি নন-সেন্ট্রোসিমেট্রিক যৌগ। এর মৌলিক কাঠামোটি চারটি সিলিকন পরমাণু এবং একটি কার্বন পরমাণুর স্তম্ভিত বিন্যাস নিয়ে গঠিত, যা SP³ হাইব্রিডাইজড সমযোজী বন্ধনের মাধ্যমে একটি টেট্রাহেড্রাল কাঠামো গঠন করে। সাধারণ SiC পলিটাইপগুলির মধ্যে রয়েছে 3C-SiC, 4H-SiC, এবং 6H-SiC। এই পলিটাইপগুলির মধ্যে প্রস্তুতির পদ্ধতি এবং কার্যকারিতা বৈশিষ্ট্যের পার্থক্যগুলি তাপ সিঙ্কগুলির নির্দিষ্ট অভিযোজন{10}}এর জন্য একটি ভিত্তি প্রদান করে৷
রাসায়নিক বাষ্প জমা (CVD): এই পদ্ধতিটি উচ্চ-বিশুদ্ধতা 4H-SiC এবং 6H-350-500 W/(m·K) থেকে তাপ পরিবাহিতা সহ SiC তৈরি করতে পারে। যদিও উচ্চ তাপ পরিবাহিতা তাপ নিষ্কাশনকে সম্বোধন করে, মাত্রিক স্থিতিশীলতা নিশ্চিত করে যে তাপ নিষ্কাশনের পরে উপাদানটি নিজেই বিকৃত না হয়। চাহিদাপূর্ণ পরিস্থিতিতে উচ্চ-শক্তি লেজার ডিভাইসের দীর্ঘ-স্থায়ী অপারেশন নিশ্চিত করার জন্য উভয়ের সমন্বয় অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। উচ্চ তাপ পরিবাহিতা এবং মাত্রিক স্থিতিশীলতার দ্বৈত সুবিধাগুলিকে কাজে লাগিয়ে, CVD প্রযুক্তি দ্বারা প্রস্তুত করা SiC কার্যক্ষমতা এবং নির্ভরযোগ্যতার ভারসাম্য বজায় রাখার পছন্দের সমাধান হয়ে ওঠে।
ভৌত বাষ্প পরিবহন (PVT): এই প্রক্রিয়ায় 2000 ডিগ্রির উপরে উচ্চ তাপমাত্রা জড়িত, যা 300-490 W/(m·K) এর তাপ পরিবাহিতা সহ 4H-SiC এবং 6H-SiC তৈরি করে। এটি উচ্চ তাপ পরিবাহিতা এবং যান্ত্রিক শক্তি উভয়ই অফার করে, এটি কঠোর কাঠামোগত স্থিতিশীলতার প্রয়োজনীয়তা সহ উচ্চ-শক্তি লেজার ডিভাইসের জন্য উপযুক্ত করে তোলে।
লিকুইড ফেজ এপিটাক্সি (এলপিই): এই পদ্ধতিটি 1450-1700 ডিগ্রী পরিসরে তুলনামূলকভাবে মাঝারি তাপমাত্রা ব্যবহার করে, যা 3C-SiC এবং 4H-SiC পলিটাইপ গঠনের উপর সুনির্দিষ্ট নিয়ন্ত্রণের অনুমতি দেয়, 04m· 04/W-এর তাপ পরিবাহিতা অর্জন করে। উচ্চ ক্ষমতা, উচ্চ স্থিতিশীলতা এবং দীর্ঘ জীবনকালের প্রয়োজন উচ্চ-সম্পন্ন লেজার ডিভাইসগুলিতে এর সুবিধাগুলি বিশিষ্ট, যেখানে পলিটাইপের সামঞ্জস্য গুরুত্বপূর্ণ।
অ্যাপ্লিকেশন
একক ক্রিস্টাল SiC হিট সিঙ্ক:
SiC একক স্ফটিক তাপ সিঙ্কগুলি সাধারণত একটি পরিবর্তিত লেলি পদ্ধতি ব্যবহার করে SiC একক ক্রিস্টাল ইঙ্গট বাড়ানোর মাধ্যমে তৈরি করা হয়, তারপরে স্লাইসিং, গ্রাইন্ডিং এবং পলিশিং করা হয়। তাদের তাত্ত্বিক তাপ পরিবাহিতা 490 W/(m·K) পর্যন্ত পৌঁছাতে পারে, Cu তাপ সিঙ্কের চেয়ে, AlN তাপ সিঙ্কের 1.5 গুণ বেশি এবং Si তাপ সিঙ্ককে ছাড়িয়ে যায়। এটি তাদের উন্নত প্যাকেজিং অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে সবচেয়ে প্রতিশ্রুতিশীল সেমিকন্ডাক্টর উপাদান করে তোলে যার জন্য উচ্চ-অন্তিম তাপ অপচয়ের প্রয়োজন হয়। একক-ক্রিস্টাল SiC, Hu Sheng'an et al-এর উচ্চ তাপ পরিবাহিতা ব্যবহার করা। উন্নত একক-ক্রিস্টাল SiC হিট সিঙ্ক এবং সিঙ্গেল-ক্রিস্টাল SiC কপার-ক্লেড হিট সিঙ্ক। তারা যথাক্রমে 640nm লাল লেজার চিপ এবং উচ্চ-শক্তি 915nm লেজার চিপগুলিতে প্যাকেজিং পরীক্ষা পরিচালনা করেছে। AlN হিট সিঙ্কের তুলনায়, একক-ক্রিস্টাল SiC হিট সিঙ্কের সাথে প্যাকেজ করা 640nm লাল লেজার থ্রেশহোল্ড কারেন্টে 0.25A হ্রাস, সর্বাধিক আউটপুট পাওয়ারে 0.5W বৃদ্ধি এবং একটি ইলেক্ট্রো-অপটিক্যাল রূপান্তর দক্ষতা দেখিয়েছে.24%। একক-ক্রিস্টাল SiC কপার-পরিহিত তাপ সিঙ্কের সাথে প্যাকেজ করা 915nm সেমিকন্ডাক্টর লেজারটি থ্রেশহোল্ড কারেন্টে 0.26A হ্রাস, সর্বাধিক আউটপুট পাওয়ারে 1.9W বৃদ্ধি এবং একটি ইলেক্ট্রো-অপটিক্যাল রূপান্তর দক্ষতা 4%.9 প্রদর্শন করেছে। সিঙ্গেল-ক্রিস্টাল SiC হিট সিঙ্কগুলি উল্লেখযোগ্যভাবে তাপ অপচয় এবং অর্ধপরিবাহী লেজারগুলির অপারেটিং কার্যক্ষমতা বাড়ায়।
SiC সিরামিক মাইক্রোচ্যানেল হিট সিঙ্ক:
উচ্চ-গড়-পাওয়ার লেজারগুলির জন্য তরল শীতলকরণের প্রয়োজন, মূলধারার সমাধানগুলির মধ্যে রয়েছে মাইক্রোচ্যানেল হিট সিঙ্ক, ম্যাক্রো-চ্যানেল জল শীতলকরণ, এবং থার্মোইলেকট্রিক কুলিং৷ যদিও ম্যাক্রো-চ্যানেল ওয়াটার কুলিং সিস্টেমগুলির একটি সাধারণ কাঠামো থাকে, তারা সীমিত শীতল করার দক্ষতায় ভোগে, যা প্রায়শই তাপের উত্সের কাছে অসম্পূর্ণ কুল্যান্ট ফিলিং এবং স্থানীয় প্রবাহের বেগ হ্রাসের দিকে পরিচালিত করে, যার ফলে তাপমাত্রার অভিন্নতা খারাপ হয়। থার্মোইলেকট্রিক কুলিং লাভের মাধ্যমের তাপমাত্রা নিয়ন্ত্রণ করতে পারে, কিন্তু উচ্চ-তাপমাত্রার পরিস্থিতিতে এর কার্যকারিতা উল্লেখযোগ্যভাবে কমে যায় এবং খরচের সীমাবদ্ধতার সম্মুখীন হয়। মাইক্রোচ্যানেল কন্ডাকশন কুলিং টেকনোলজি, যা মাইক্রোস্কেল চ্যানেল ডিজাইনের মাধ্যমে তাপ অপচয়ের ক্ষেত্রকে ব্যাপকভাবে প্রসারিত করে, কার্যকরভাবে তাপ সিঙ্কের কার্যকারিতা এবং তাপমাত্রা ক্ষেত্রের অভিন্নতা বাড়ায়, উচ্চ-গড়-পাওয়ার লেজারের জন্য তাপ ব্যবস্থাপনায় গবেষণার কেন্দ্রবিন্দুতে পরিণত হয়। SiC সিরামিকের উচ্চ কঠোরতা এবং ভঙ্গুরতার কারণে, ঐতিহ্যগত CNC মেশিন ব্যবহার করে জটিল অভ্যন্তরীণ প্রবাহ চ্যানেল তৈরি করা অত্যন্ত কঠিন। ডিজিটাল লাইট প্রসেসিং (DLP) এর মতো 3D প্রিন্টিং প্রযুক্তির আবির্ভাব কার্যকরভাবে এই সমস্যার সমাধান করেছে। গবেষকরা এখন জটিল অভ্যন্তরীণ স্তব্ধ পিন-পাখনার কাঠামো (MCHS-SF) সহ SiC সিরামিক মাইক্রোচ্যানেলগুলি সরাসরি মুদ্রণ করতে পারেন৷ এই পিনের পাখনাগুলি কুল্যান্টকে তীব্রভাবে আন্দোলিত করে, তাপীয় সীমানা স্তরকে ব্যাহত করে এবং তাপ স্থানান্তর উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি করে।
কম্পোজিট হিট সিঙ্ক স্ট্রাকচার:
এর মধ্যে 4H-SiC একটি সাবস্ট্রেট হিসাবে ব্যবহার করা, এর পিছনের দিকে একটি উচ্চ তাপীয় পরিবাহী পলিক্রিস্টালাইন হীরা স্তর (তাপ পরিবাহিতা > 1780 W·m⁻¹·K⁻¹) বৃদ্ধি করা এবং সামনের দিকে একটি AlGaN-GaN হেটারোস্ট্রাকচার তৈরি করা জড়িত। পারমাণবিক-স্তরের অন্তরঙ্গ বন্ধনের মাধ্যমে হীরা এবং SiC-এর মধ্যে গঠিত ইন্টারফেস উচ্চ বন্ধন শক্তি, একটি ঘন কাঠামো এবং কিছু ত্রুটি প্রদর্শন করে। এই কম্পোজিট সাবস্ট্রেট ব্যবহার করা ডিভাইসগুলি প্রথাগত একক SiC সাবস্ট্রেট স্ট্রাকচারের থেকে সর্বোচ্চ পৃষ্ঠের তাপমাত্রা 52.5 ডিগ্রি কম, তাপীয় প্রতিরোধের 41% হ্রাস এবং সর্বাধিক ড্রেন কারেন্টে 19% বৃদ্ধি প্রদর্শন করেছে। আরও সমালোচনামূলকভাবে, অপারেটিং তাপমাত্রার উল্লেখযোগ্য হ্রাস ডিভাইসের ব্যর্থতার গড় সময়কে (MTTF) 100 গুণেরও বেশি বাড়িয়েছে, তাপ অপচয় দক্ষতা এবং প্রক্রিয়া সামঞ্জস্যের দ্বৈত অপ্টিমাইজেশন অর্জন করেছে।
