PL222838B1 - Sposób obniżenia rezystancji termicznej w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowych - Google Patents
Sposób obniżenia rezystancji termicznej w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowychInfo
- Publication number
- PL222838B1 PL222838B1 PL403550A PL40355013A PL222838B1 PL 222838 B1 PL222838 B1 PL 222838B1 PL 403550 A PL403550 A PL 403550A PL 40355013 A PL40355013 A PL 40355013A PL 222838 B1 PL222838 B1 PL 222838B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- graphene oxide
- laser diodes
- thermal resistance
- electronic power
- reducing
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
- H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
- H10W40/20—Arrangements for cooling
- H10W40/25—Arrangements for cooling characterised by their materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D1/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, based on inorganic substances
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D7/00—Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
- C09D7/40—Additives
- C09D7/60—Additives non-macromolecular
- C09D7/61—Additives non-macromolecular inorganic
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D7/00—Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
- C09D7/40—Additives
- C09D7/70—Additives characterised by shape, e.g. fibres, flakes or microspheres
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K2201/00—Specific properties of additives
- C08K2201/011—Nanostructured additives
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
- C08K3/18—Oxygen-containing compounds, e.g. metal carbonyls
- C08K3/20—Oxides; Hydroxides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/024—Arrangements for thermal management
- H01S5/02476—Heat spreaders, i.e. improving heat flow between laser chip and heat dissipating elements
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
- Lasers (AREA)
Description
(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 222838 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 403550 (22) Data zgłoszenia: 15.04.2013 (51) Int.Cl.
H01B 1/00 (2006.01) H01B 1/04 (2006.01) H01L 23/00 (2006.01) H01L 23/373 (2006.01) B82B 1/00 (2006.01) B82B 3/00 (2006.01)
Sposób obniżenia rezystancji termicznej w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowych
| (43) Zgłoszenie ogłoszono: | (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT TECHNOLOGII MATERIAŁÓW ELEKTRONICZNYCH, Warszawa, PL (72) Twórca(y) wynalazku: |
| 27.10.2014 BUP 22/14 | ELŻBIETA DĄBROWSKA-TUMAŃSKA, |
| (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: | Warszawa, PL MARIAN TEODORCZYK, Warszawa, PL LUDWIKA LIPIŃSKA, Warszawa, PL ANDRZEJ MALĄG, Warszawa, PL |
| 30.09.2016 WUP 09/16 | ZBIGNIEW WILIŃSKI, Warszawa, PL |
| (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Jakub Sielewiesiuk |
PL 222 838 B1
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób obniżenia rezystancji termicznej w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowych. Wynalazek dotyczy technologii wytwarzania elektronicznych przyrządów mocy, zwłaszcza diod laserowych średniej i dużej mocy optycznej.
W półprzewodnikowych przyrządach mocy, do których należą diody laserowe, diody mocy, tranzystory, tyrystory, triaki podczas ich pracy część energii wytwarzana w obszarze aktywnym przekształcana jest w ciepło. Ciepło to odprowadzane jest przez chłodnice-radiatory. Podczas pracy lasera półprzewodnikowego szybkość odprowadzania ciepła z obszaru aktywnego jest krytyczną wielkością odpowiadającą za jego parametry i czas życia. Struktury, tzw. chipy, półprzewodnikowe mocowane są do chłodnic metodą lutowania przeważnie na metaliczne lutowia eutektyczne. Tak montowane są m.in. diody laserowe średnich i dużych mocy optycznych.
Takie lutowanie wprowadza ściskające naprężenia montażowe z powodu różnicy współczynników rozszerzalności cieplnej (CTE) miedzi (Cu - 16,5 [10-6/K]) i arsenku galu (GaAs - około 6[10-6/K]). Częściowo problemy te zostały złagodzone poprzez zastosowanie podkładek („heat spreader”) z kompozytu CuC, mających dopasowany współczynnik rozszerzalności termicznej do GaAs - podstawowego materiału heterostruktury laserów półprzewodnikowych emitujących w zakresie długości fali od 630 nm do 1 gm, oraz posiadających wysoką przewodność termiczną.
Pozostaje jeszcze problem odprowadzenia strumienia ciepła skierowanego od obszaru aktywnego i podłoża do kontaktu n. Konwekcja i odbieranie ciepła poprzez druty aluminiowe są procesami bardzo mało wydajnymi. Istnieje możliwość dodatkowego odprowadzania ciepła z boków chipa i boków podkładki.
Autorzy obecnego wynalazku przedstawiają sposób nakładania warstw tlenku grafenu na chłodnice i podkładki dodatkowo odprowadzające ciepło w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowych. Do tego celu w procesie montażu przyrządu zastosowano odpowiednią zawiesinę tlenku grafenu o koncentracji 1 mg/ml. Tlenek grafenu zawiera w swojej strukturze liczne grupy tlenowe, takie jak hydroksylowe, epoksydowe, karboksylowe. Ich obecność uniemożliwia swobodny przepływ ładunków, dlatego jest dobrym izolatorem elektrycznym, ale jednocześnie bardzo dobrym przewodnikiem ciepła. Warstwę suszono na powietrzu w czasie kilku godzin.
Zgodnie z wynalazkiem, sposób obniżenia rezystancji termicznej w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowych, charakteryzuje się tym, że obejmuje kroki:
a) naniesienia na wspomniany elektroniczny przyrząd mocy, a zwłaszcza na chłodnicę lasera półprzewodnikowego, stabilnej wodnej zawiesiny tlenku grafenu, w szczególności o koncentracji 1 mg/ml,
b) suszenia otrzymanej warstwy w temperaturze pokojowej w powietrzu przez czas od 1 godz. do 10 godz.
Korzystnie, zawartość nanopłatków tlenku grafenu we wspomnianej zawiesinie wynosi 1% wag. Korzystnie, w kroku a) zawiesinę nanosi się techniką wybraną spośród: malowania pęd zlem, lub dozownikiem, lub innym aplikatorem umożliwiającym precyzyjne nanoszenie małych (ok. 1 mm ) ilości płynów.
Szczegółowy opis wynalazku
Wynalazek zostanie bliżej przedstawiony w korzystnych przykładach wykonania, z odniesieniem do załączonych rysunków, na których:
Fig. 1 przedstawia obraz SEM warstwy tlenku grafenu naniesionej na płytkę krzemową przy dużym powiększeniu z widoczną strukturą składającą się z pojedynczych płatków,
Fig. 2 przedstawia charakterystyczne widmo XPS warstwy tlenku grafenu nałożonej na płytkę krzemu,
Fig. 3 przedstawia charakterystyczne widmo Ramana zredukowanego tlenku grafenu,
Fig. 4 przedstawia schemat diody laserowej z tradycyjnym „heat-spreader-em” w postaci płytki, przylutowanym lutowiem,
Fig. 5 przedstawia znormalizowane charakterystyki spektralne diody laserowej dla różnych wartości prądu przed i po zastosowaniu tlenku grafenu,
Fig. 6 przedstawia charakterystyki napięciowo-prądowe (U) i mocowo-prądowe (P) dla diody laserowej przed i po nałożeniu tlenku grafenu - charakterystyki pokrywają się, zaś
Fig. 7 przedstawia zdjęcia diody laserowej zamontowanej na przekładce CuC i schemat nakładania zawiesiny tlenku grafenu na radiator diody laserowej.
PL 222 838 B1
Wykonano zawiesinę tlenku grafenu w następujący sposób:
Do otrzymania tlenku grafitu wykorzystano zmodyfikowaną metodę Hummersa. Do 200 ml stężonego kwasu siarkowego (POCh, 96-98%, cz.d.a.) wprowadzono 5 g grafitu płatkowego (Asbury Carbons, rozmiar płatków: 300-425 μm) ekspandowanego termicznie i 6,5 g azotanu(V) potasu (POCh, cz.). Po schłodzeniu mieszaniny do temperatury poniżej 5°C w łaźni lodowej, dodawano małymi porcjami 15 g manganianu(VII) potasu (POCh, cz.). Po dosypaniu ostatniej porcji przeniesiono zlewkę reakcyjną do łaźni o temperaturze 25°C i odstawiono na 16 h. Ponownie umieszczono zlewkę w łaźni lodowej i powoli dodawano 230 ml wody dejonizowanej. Mieszaninę podgrzano do 95°C i utrzymywano ją w tym stanie przez 15 minut. Następnie dolano 280 ml wody dejonizowanej, schłodzono do temperatury pokojowej i wkroplono 5 ml 30% nadtlenku wodoru (Chempur, cz.). Zawiesinę tlenku grafitu wielokrotnie przemywano wodą dejonizowaną i 3% roztworem kwasu chlorowodorowego, by usunąć jony manganu i siarczanowe, pozostałe po reakcji. Wodna zawiesina tlenku grafitu była następnie sonikowana przez 1 h w homogenizatorze ultradźwiękowym. Działanie to ma na celu wywołanie eksfoliacji utlenionych płaszczyzn węglowych w graficie, dzięki czemu uzyskuje się stabilną zawiesinę tlenku grafenu. Własności tej zawiesiny zilustrowano na Fig. 13.
Zawiesinę tlenku grafenu nanoszono precyzyjnie pędzelkiem na chłodnice laserowe wg schematu przedstawionego na Fig. 7.
Naniesioną zawiesinę suszono w powietrzu, w temperaturze pokojowej, przez czas od 1 do 10 h.
Sprawdzono skuteczność odprowadzania ciepła poprzez porównanie pomiarów przesunięcia charakterystyk spektralnych wraz z rosnącym prądem dla diod laserowych przed i po nałożeniu tlenku grafenu. Rezystancja termiczna (Rth) - parametr mówiący o skuteczności odprowadzania ciepła z obszaru aktywnego zmniejszyła się ponad dwukrotnie. Charakterystyki mocowo-prądowe i napięciowo-prądowe nie uległy zmianie. Wyniki przedstawiono na Fig. 5 i 6.
Wnioski
Dzięki zastosowaniu tlenku grafenu udało się dodatkowo obniżyć temperaturę obszaru aktywnego o kilka stopni (np. dla diody laserowej 880 μm o pasku aktywnym 180 μm i długości 3 mm przy pracy przy prądzie 2A temperatura złącza zmniejszona zostaje o około 6°C, przy pracy przy prądzie 3A - o około 9°C). Dzięki temu zwiększa się wydajność i czas życia diody laserowej.
Claims (3)
- Zastrzeżenia patentowe1. Sposób obniżenia rezystancji termicznej w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowych, znamienny tym, że obejmuje kroki:a) naniesienia na wspomniany elektroniczny przyrząd mocy, a zwłaszcza na chłodnicę lasera półprzewodnikowego, stabilnej wodnej zawiesiny tlenku grafenu, w szczególności o koncentracji 1 mg/ml,b) suszenia otrzymanej warstwy w temperaturze pokojowej w powietrzu przez czas od 1 godz. do 10 godz..
- 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zawartość nanopłatków tlenku grafenu we wspomnianej zawiesinie wynosi 1% wag.
- 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że w kroku a) zawiesinę nanosi się techniką wybraną spośród: malowania pędzlem lub dozownikiem, lub innym aplikatorem umożliwiającym precyzyjne nanoszenie małych ilości płynów.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL403550A PL222838B1 (pl) | 2013-04-15 | 2013-04-15 | Sposób obniżenia rezystancji termicznej w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowych |
| EP14164722.2A EP2792720B1 (en) | 2013-04-15 | 2014-04-15 | Method of a thermal resistance reduction in electronic power devices, especially in laser diodes |
| PL14164722T PL2792720T3 (pl) | 2013-04-15 | 2014-04-15 | Sposób obniżenia rezystancji termicznej w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowych |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL403550A PL222838B1 (pl) | 2013-04-15 | 2013-04-15 | Sposób obniżenia rezystancji termicznej w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowych |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL403550A1 PL403550A1 (pl) | 2014-10-27 |
| PL222838B1 true PL222838B1 (pl) | 2016-09-30 |
Family
ID=50486802
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL403550A PL222838B1 (pl) | 2013-04-15 | 2013-04-15 | Sposób obniżenia rezystancji termicznej w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowych |
| PL14164722T PL2792720T3 (pl) | 2013-04-15 | 2014-04-15 | Sposób obniżenia rezystancji termicznej w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowych |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL14164722T PL2792720T3 (pl) | 2013-04-15 | 2014-04-15 | Sposób obniżenia rezystancji termicznej w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowych |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP2792720B1 (pl) |
| PL (2) | PL222838B1 (pl) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10051723B2 (en) | 2016-07-29 | 2018-08-14 | Microsoft Technology Licensing, Llc | High thermal conductivity region for optoelectronic devices |
| CN110364519B (zh) * | 2019-08-07 | 2024-04-23 | 江苏欧密格光电科技股份有限公司 | 光电耦合器、制作方法及其使用方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101035011B1 (ko) * | 2010-01-19 | 2011-05-17 | 한국전기연구원 | 방열 코팅제 및 이를 이용한 방열판 |
-
2013
- 2013-04-15 PL PL403550A patent/PL222838B1/pl unknown
-
2014
- 2014-04-15 EP EP14164722.2A patent/EP2792720B1/en active Active
- 2014-04-15 PL PL14164722T patent/PL2792720T3/pl unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP2792720B1 (en) | 2020-04-01 |
| EP2792720A2 (en) | 2014-10-22 |
| PL403550A1 (pl) | 2014-10-27 |
| EP2792720A3 (en) | 2015-08-19 |
| PL2792720T3 (pl) | 2020-10-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI441305B (zh) | 半導體裝置 | |
| TWI411691B (zh) | 金屬熱界面材料以及散熱裝置 | |
| TW202010072A (zh) | 半導體封裝裝置 | |
| CN107383560B (zh) | 一种用于半导体器件的高效复合散热材料及其制备方法 | |
| TWI484604B (zh) | 金屬熱界面材料以及含該材料的構裝半導體 | |
| TW201445785A (zh) | 散熱板 | |
| TWI442014B (zh) | 散熱元件及散熱元件的處理方法 | |
| TW201935640A (zh) | 附散熱器的功率模組用基板及附散熱器的功率模組用基板的製造方法 | |
| CN110729629A (zh) | 基于石墨烯膜的半导体激光器封装结构及其制备方法 | |
| CN105006459A (zh) | 承载件及具有该承载件的封装结构 | |
| Ramakrishnan et al. | Effect of system and operational parameters on the performance of an immersion-cooled multichip module for high performance computing | |
| US9741636B1 (en) | Nano-thermal agents for enhanced interfacial thermal conductance | |
| PL222838B1 (pl) | Sposób obniżenia rezystancji termicznej w elektronicznych przyrządach mocy, zwłaszcza w diodach laserowych | |
| US7301232B2 (en) | Integrated circuit package with carbon nanotube array heat conductor | |
| TWI436459B (zh) | 用以冷卻積體電路晶片之熱電結構 | |
| CN111615746A (zh) | 电力电子模块及制造电力电子模块的方法 | |
| Chidambaram et al. | A comparative thermal and lumen performance study of thin-film amorphous silicon dielectric coating on aluminum as an LED packaging substrate | |
| Loeblein et al. | Heat dissipation enhancement of 2.5 D package with 3D graphene and 3D boron nitride networks as thermal interface material (TIM) | |
| Subramani et al. | CVD processed ZnO thin film as solid thermal interface material in electronic devices: thermal and optical performance of LED | |
| US7491421B2 (en) | Graphite base for heat sink, method of making graphite base and heat sink | |
| JP2008016551A (ja) | 半導体装置 | |
| CN109326566B (zh) | 一种半导体芯片封装结构及其封装方法 | |
| Yuan et al. | Ultralow thermal contact resistance for graphene composite films enabled by liquid metal gallium microcapsules | |
| Ki et al. | Rapid enhancement of thermal conductivity by incorporating oxide-free copper nanoparticle clusters for highly conductive liquid metal-based thermal interface materials | |
| Kudsieh et al. | Thermal modeling of specialty heat-sinks for low-cost COP packaging of high-power LEDs |