الحدود الديناميكية الحرارية: فيزياء هندسة أشباه الموصلات عالية الطاقة

إن تطوير أشباه الموصلات عالية الطاقة انتقل الليزر من توليد الضوء البسيط إلى إدارة كثافات الطاقة القصوى. لفهم صمام ليزر ثنائي ليزر عالي الطاقة, ، يجب على المرء أن ينظر إلى ما وراء الحزمة الكبيرة الحجم وإلى النمو الفوقي لبلورة أشباه الموصلات III-V. إن التشغيل عالي الطاقة مقيد بشكل أساسي بالكفاءة الداخلية للجهاز، والتي تحددها في المقام الأول كفاءة الحقن ($\eta_i$) ومعامل الفقد الداخلي ($\alpha_i$). مع زيادة كثافة التيار، فإن ديود الليزر يواجه “تسرب الناقل”، حيث تتسرب الإلكترونات من الآبار الكمية النشطة إلى طبقات الكسوة، مما يقلل بشكل كبير من كفاءة الانحدار ويزيد من الحرارة المهدرة.

متقدم ليزر الصمام الثنائي عالي الطاقة التخفيف من حدة ذلك من خلال المناطق النشطة “الخالية من الألومنيوم” والبنى المتغايرة المتغايرة المنفصلة المتدرجة الفهرسة (GRINSCH). من خلال استبدال زرنيخيد الألومنيوم الغاليوم (AlGaAs) بـ فوسفيد الإنديوم الغاليوم (InGaP) في الكسوة، يمكن للمصنعين تحقيق سرعات إعادة تركيب سطحية أقل وتوصيل حراري أعلى. يؤثر هذا التحول في المواد تأثيرًا مباشرًا على كفاءة التوصيل بالجدار (WPE), وهي نسبة طاقة الخرج الضوئية إلى طاقة الدخل الكهربائية. بالنسبة للأداء العالي الصمام الثنائي الليزري عالي الطاقة الوحدة النمطية، فإن تحقيق WPE من 60% أو أعلى هو المعيار للموثوقية الصناعية، حيث إن كل نقطة مئوية من عدم الكفاءة تترجم إلى فونونات (حرارة) يجب إدارتها.

الإدارة الحرارية وديناميكيات اللحام: النقاش حول AuSn مقابل الإنديوم

عند تشغيل صمام ليزر ثنائي ليزر عالي الطاقة على مستوى متعدد الواطات، تصبح درجة حرارة الوصلة ($T_j$) المحرك الأساسي للانحراف الطيفي والفشل الكارثي. إن المسار الحراري من تقاطع أشباه الموصلات إلى المشتت الحراري الخارجي عبارة عن سلسلة من الواجهات البينية، وأكثرها أهمية هو لحام “وصلة القالب”. تقليدياً, صمام ليزر ثنائي ليزر منخفض الطاقة استخدمت الوحدات لحام الإنديوم (In) لأن ليونة اللحام يمكن أن تمتص الإجهاد الميكانيكي الناجم عن اختلاف معاملات التمدد الحراري (CTE) بين رقاقة زرنيخيد الغاليوم (GaAs) والمشتت الحراري النحاسي.

ومع ذلك، في ليزر الصمام الثنائي عالي الطاقة, فإن الإنديوم عرضة ل “الزحف الحراري” و“الإبطال”. على مدى آلاف ساعات التشغيل، تتسبب كثافة التيار العالية والدورة الحرارية في انتقال ذرات الإنديوم على مدى آلاف ساعات التشغيل، مما قد يؤدي إلى “عيوب الخط الداكن (DLD)” أو حتى إلى قصر دائرة الأوجه. لضمان طول العمر الافتراضي على المستوى الصناعي، فإن أشباه الموصلات عالية الطاقة تستخدم الشركة المصنعة “لحام الذهب والقصدير (AuSn) ”اللحام الصلب". يوفر AuSn رابطة صلبة عالية الذوبان تقاوم الزحف. وتكمن المشكلة بالنسبة للمهندس في أن AuSn يتطلب تركيبًا فرعيًا مطابقًا ل CTE، مثل نيتريد الألومنيوم (AlN) أو نحاس التنجستن (CuW)، لمنع الرقاقة من التشقق أثناء مرحلة التبريد في عملية اللحام. يزيد اختيار هذه المادة بشكل كبير من سعر الصمام الثنائي الليزري ولكنه شرط أساسي لأي نظام يتطلب متوسط وقت تعطّل (MTTF) يزيد عن 20,000 ساعة.

جودة الشعاع وقياس السطوع: قيد BPP

بالنسبة للتطبيقات ذات الطاقة العالية، غالبًا ما تكون القوة الكهربائية الخام ثانوية بالنسبة لـ “السطوع”. يُعرّف السطوع $B1TB$ بأنه القدرة $P$ لكل وحدة مساحة $A$ لكل وحدة زاوية صلبة $P4T:

$4T$B = \frac{P}{A \cdot \Omega}$$

A أشباه الموصلات عالية الطاقة يتكون شريط الليزر من بواعث متعددة. في حين أن الطاقة الكلية يمكن أن تصل إلى مئات الواط، فإن منتج بارامتر الشعاع (BPP)-وهو حاصل ضرب خصر الشعاع وزاوية التباعد- أكبر بكثير (أسوأ) في المحور البطيء منه في المحور السريع. وهذا التباين هو التحدي الأساسي في اقتران الألياف أ الصمام الثنائي الليزري عالي الطاقة الوحدة النمطية.

لسد هذه الفجوة، يتم استخدام البصريات الدقيقة مثل المصادمات سريعة المحور (FAC) والمصادمات بطيئة المحور (SAC) لتعميم الحزمة. ومع ذلك، فإن الحد الأقصى لتطبيقات الصمام الثنائي المباشر هو “دمج الحزمة الموجية” (WBC). باستخدام شبكة حيود لتداخل حزم أشعة عدة ليزر الصمام الثنائي عالي الطاقة بأطوال موجية مختلفة قليلاً، يمكن للنظام أن يحقق ناتجًا شبه محدود التشتت مع طاقة تبلغ كيلووات. هذه هي التكنولوجيا التي تحل حاليًا محل ليزر ثاني أكسيد الكربون وليزر الألياف في معالجة المعادن المتطورة، مما يوفر طاقة إنتاجية على مستوى النظام تبلغ ضعف طاقة مصادر الليزر التقليدية تقريبًا.

آليات الفشل وهندسة الموثوقية: COD و DLD

سلامة ديود الليزر تتعرض للخطر بسبب آليتي فشل داخليتين رئيسيتين: التلف البصري الكارثي (COD) وانتشار عيوب الخط المظلم (DLD). يحدث COD عند واجهة الخرج حيث تصل كثافة الطاقة الضوئية إلى عتبة حرجة ($MW/cm ^ 2$). يتسبب المجال الشديد في امتصاص موضعي، مما يؤدي إلى ذوبان واجهة أشباه الموصلات في نانو ثانية. ولمنع ذلك، يقوم المحترفون أشباه الموصلات عالية الطاقة توظف المصانع “تخميل الأوجه” في بيئات التفريغ العالي جدًا. من خلال ترسيب طبقة عازلة غير ممتصة مباشرةً بعد الشق، يتم رفع عتبة التخميل العازل للوجه، مما يسمح صمام ليزر ثنائي ليزر عالي الطاقة عند تيارات أعلى بكثير.

ومن ناحية أخرى، فإن DLDs هي “قنابل موقوتة” داخل الشبكة البلورية. وهي عبارة عن خلخلة تنمو تحت تأثير إعادة تركيب الناقل والإجهاد الحراري. سوف تمتص “بقعة مظلمة” أو “خط مظلم” واحد الضوء وتولد الحرارة وتؤدي إلى نمو المزيد من الخلع حتى تصبح المنطقة النشطة بأكملها غير فعالة. بالنسبة لـ ليزر الصمام الثنائي عالي الطاقة الحل الوحيد هو مراقبة الجودة الفوقية الصارمة وعملية “الاحتراق”. من خلال تشغيل الثنائيات في درجات حرارة وتيارات مرتفعة لمدة 48-168 ساعة، يتم التخلص من وحدات “وفيات الرضع” ذات الثنائيات الكامنة ذات الثنائيات الكامنة قبل وصولها إلى العميل.

البيانات الفنية: الخصائص التشغيلية للبواعث عالية الطاقة

يوضح الجدول أدناه المعلمات التقنية الحرجة للبواعث القائمة على GaAs عند الطول الموجي 9xx نانومتر، والتي تستخدم عادةً في الضخ والمعالجة المباشرة للمواد.

دراسة حالة مفصلة: لحام الصمام الثنائي المباشر عالي الطاقة لصواني بطاريات السيارات الكهربائية

خلفية العميل:

تطلبت إحدى الشركات المصنعة لمكونات السيارات الكهربائية (EV) من المستوى الأول في الصين حلاً عالي السرعة للحام صواني بطاريات الألومنيوم 6061. كانت أجهزة ليزر الألياف التقليدية تعاني من انخفاض الامتصاص في الألومنيوم وارتفاع معدلات “الترشيش”، مما أدى إلى ضعف الوصلات الهيكلية.

التحديات التقنية:

يتميز الألومنيوم بمعدل امتصاص منخفض نسبيًا لضوء 1064 نانومتر. وعلاوة على ذلك، فإن كثافة الطاقة العالية لليزر الليفي غالبًا ما “تخترق” المادة بعمق شديد، مما يسبب المسامية. احتاج العميل إلى نظام الصمام الثنائي الليزري عالي الطاقة مع ملف تعريف شعاع محدد لإنشاء تجمع ذوبان مستقر. كان التحدي يتمثل في الحفاظ على 4 كيلوواط من طاقة الموجة المستمرة (CW) مع كفاءة عالية في التوصيل الجداري (WPE) لتقليل النفقات التشغيلية.

المعلمات والإعدادات الفنية:

• نوع المصدر: متعدد ليزر الصمام الثنائي عالي الطاقة مجتمعة عبر WBC.
• الطول الموجي: 976 نانومتر (مقفل عبر VBG إلى ± 0.5 نانومتر).
• طاقة الإخراج: 4 كيلو وات عند قطعة العمل.
• قطر الألياف: 400 ميكرومتر/ 0.22 نانومتر.
• التبريد: ماء منزوع الأيونات عند درجة حرارة 25 درجة مئوية، معدل تدفق 15 لتر/دقيقة.
• البصريات: رأس “متذبذب” مدمج لتذبذب الشعاع من أجل تحكم أفضل في حوض الذوبان.

حل مراقبة الجودة (QC):

تم تصنيع مكدسات الصمام الثنائي الليزري عالي الطاقة باستخدام لحام AuSn الصلب على حوامل AlN الفرعية لضمان عدم “انحراف التوجيه” أثناء عملية اللحام عالي السرعة. خضعت كل مكدس لعملية احتراق لمدة 120 ساعة عند درجة حرارة 45 درجة مئوية. قمنا بتنفيذ “مراقب الانعكاس الخلفي” في الوقت الحقيقي لإيقاف تشغيل النظام إذا انعكس الضوء من سطح الألومنيوم إلى تجويف الليزر، وهو سبب شائع للفشل في أنظمة أشباه الموصلات عالية الطاقة.

الخلاصة:

حقق نظام ليزر الصمام الثنائي الصمام الثنائي المباشر عالي الطاقة سرعة لحام أسرع بـ 25% من إعداد ليزر الألياف السابق. ونظرًا لامتصاص الطول الموجي 976 نانومتر الأفضل قليلاً في الألومنيوم ومظهر شعاع أعلى القبعة الأكثر اتساقًا، تم تقليل “مسامية” اللحامات بمقدار 60%. تم تشغيل النظام باستخدام 45% WPE، مما وفر على العميل ما يقرب من $12000 سنويًا من الكهرباء لكل محطة. وتوضح هذه الحالة أنه بالنسبة لمعالجة المعادن غير الحديدية، فإن السطوع العالي والاستقرار لوحدة الصمام الثنائي الليزري عالية الطاقة يتفوقان على المصادر التقليدية.

التوريد الاستراتيجي: الثقة من خلال الشفافية

عند البحث عن مصنع الصمام الثنائي الليزري الصيني أو أشباه الموصلات عالية الطاقة الشريك، عامل التفريق هو “دقة البيانات”. فالشركة المصنعة الموثوق بها لا تقدم ورقة بيانات فقط؛ بل توفر مخططًا ضوئيًا ضوئيًا - تيارًا - جهدًا ضوئيًا وتقريرًا طيفيًا لكل وحدة يتم شحنها.

بالنسبة للمشتري من مصنعي المعدات الأصلية، فإن الهدف هو التخلص من “تباين التجميع”. إذا كان نظامك مصممًا لمضخة 976 نانومتر، فإن الصمام الثنائي الذي ينحرف إلى 980 نانومتر بسبب سوء الهندسة الحرارية سيؤدي إلى فقدان 30% في كفاءة الضخ. ولذلك، من الضروري التحقق من مواصفات “المعاوقة الحرارية” وحدود التيار “الخالية من الالتواء”. الموثوقية ليست مصطلحًا تسويقيًا؛ بل هي نتيجة قابلة للقياس للنقاء الفوقي والهندسة الميكانيكية الحرارية.

الأسئلة الشائعة المهنية

س: ما هي أهمية “التواء” في منحنى L-I لصمام ليزر ثنائي عالي الطاقة؟

ج: يمثل “التواء” انزياحًا مفاجئًا في النمط المكاني أو قفزة في الطيف. يشير هذا عادةً إلى أن التوجيه الجانبي للمؤشر الجانبي للحافة لم يعد كافياً لقمع الأنماط ذات الترتيب الأعلى، وغالباً ما يكون ذلك بسبب التسخين الموضعي. يجب أن تظل وحدة الصمام الثنائي الليزري عالية الطاقة عالية الجودة خالية من الالتواء حتى 120% على الأقل من تيار التشغيل المقدر لها.

س: لماذا يُستخدم 976 نانومتر غالبًا للضخ بدلاً من 808 نانومتر؟

ج: 976 نانومتر هي ذروة الامتصاص لليزر الليفي المخدّر بالإيتربيوم (Yb). بينما يتطلب 976 نانومتر تحكمًا أكثر إحكامًا في الطول الموجي (غالبًا ما يتطلب جهاز VBG)، فإنه يوفر “عيبًا كميًا” أصغر - مما يعني فقدان طاقة أقل كحرارة أثناء عملية التحويل مقارنةً بالضخ 808 نانومتر.

س: كيف يمكنني حساب درجة حرارة الوصلة لليزر الصمام الثنائي عالي الطاقة الخاص بي؟

ج: يمكنك استخدام المعادلة $T_j = T_{حالة} + (P{elec} - P{elec} - P{opt}) \cdot R{th}$. هنا، $R_TR_{th}$ هي المقاومة الحرارية التي تقدمها الشركة المصنعة. إذا كان $R_TH{th}$ يساوي $0.5 كلفن/ W$ وكنت تبدد $100W$ من الحرارة، فستكون الوصلة أكثر سخونة من العلبة بمقدار $50 درجة مئوية$.

س: ما هو “الخلط بين الأوجه” في سياق تصنيع أشباه الموصلات عالية الطاقة؟

ج: إنها عملية تُستخدم لإنشاء “نافذة ليزر”. من خلال تغيير التركيب البلوري في الواجهة إلى مادة ذات فجوة نطاقية أعلى، تصبح الواجهة شفافة للضوء المتولد. وهذا يرفع بشكل كبير عتبة COD.