Wyzwania związane z zarządzaniem cieplnym w przypadku laserów półprzewodnikowych o dużej mocy i podstawowa konkurencyjność ciepła SiC

Wysokiej mocy lasery półprzewodnikowe są szeroko stosowane w produkcji przemysłowej, systemach obronnych i wojskowych, zastosowaniach biomedycznych i badaniach naukowych.zarządzanie cieplne po opakowaniu urządzeń od dawna stanowi krytyczne wąskie gardło ograniczające ich wydajność i niezawodnośćRozwiązywanie tego wyzwania zależy od integracji materiałów do rozpylania ciepła, które oferują lepszą zdolność rozpraszania ciepła i większą stabilność termiczną w warunkach pracy w wysokich temperaturach.

Podstawowa konkurencyjnośćKarbyd krzemowy (SiC)Odkłady ciepła

Jako główny nośnik przenoszenia ciepła, wydajność pochłaniacza ciepła bezpośrednio określa skuteczność zarządzania cieplnym.Ograniczenia techniczne konwencjonalnych rozwiązań stają się coraz bardziej widoczne.

Metalowe ciepłoodpływacze, takie jak miedź i aluminium, są opłacalne, ale cierpią na poważne niezgodności rozszerzenia termicznego z powszechnymi nośnikami wzrostu laserowego, takimi jak GaN i InP,prowadzące do skoncentrowanego naprężenia cieplnego podczas cyklu temperaturyWyniki badań pokazują, że w przypadku zastosowań z zastosowaniem silników cieplnych, które są w stanie utrzymać stabilność konstrukcyjną, nie można wykorzystać silników cieplnych, które są w stanie utrzymać stabilność konstrukcyjną.co czyni je nieodpowiednimi dla systemów laserowych o pojemności kilowatów i wyższejChociaż diamenty o wysokiej przewodności cieplnej z odłożenia par chemicznych (CVD)Jego niezwykle wysoki koszt produkcji i trwające trudności w kontroli wad dla płytek większych niż 3 cali ograniczają jego szeroko zakrojone przyjęcie.

W przeciwieństwie do tego ciepłoodpływacze z węglanu krzemu (SiC) wykazują wyraźne, kompleksowe zalety.

1Doskonałe dopasowanie parametrów termicznych i zrównoważona wydajność

SiC wykazuje wyjątkowy bilans wydajności termicznej. Jego przewodność cieplna w temperaturze pokojowej osiąga 360 ̊490 W·m−1·K−1, porównywalna do miedzi (397 W·m−1·K−1) i 1,66 ̊2.26 razy wyższy niż w przypadku aluminium (217 W·m−1·K−1), zapewniając solidne podstawy do efektywnego rozpraszania ciepła w systemach laserowych o dużej mocy.

Jeśli chodzi o ekspansję termiczną, SiC ma współczynnik 3,8 ≈ 4,3 × 10−6 K−1, ściśle odpowiadający GaN (3,17 × 10−6 K−1) i InP (4,6 × 10−6 K−1).5 × 10−6 K−1) i aluminium (23.1 × 10−6 K−1), skutecznie zmniejszając naprężenie termiczne powierzchni.

W porównaniu z diamentem CVD i AlN, bilans wydajności SiC jest jeszcze bardziej wyraźny.współczynnik rozszerzenia termicznego (1.0 × 10−6 K−1) jest poważnie niezgodny ze środkami zysku, takimi jak Yb:YAG (6,8 × 10−6 K−1).5 × 10−6 K−1) ale jego przewodność cieplna (180 W·m−1·K−1) wynosi tylko około 45% przewodności cieplnej 4H-SiC, co znacząco ogranicza efektywność rozpraszania ciepła.

To wyjątkowe połączeniewysoka przewodność cieplna i doskonałe dopasowanie rozszerzania cieplnegoSiC jest pozycjonowany jako optymalny materiał o dobrze zbilansowanej wydajności termicznej.

2Silna zdolność dostosowania się do środowiska i wysoka stabilność operacyjna

SiC wykazuje doskonałą odporność na utlenianie, odporność na promieniowanie i twardość Mohsa do 9.2Właściwości te pozwalają mu wytrzymać trudne warunki pracy, w których występują wysokie temperatury i intensywne promieniowanie.wspieranie długoterminowej stabilnej pracy systemów laserowych o dużej mocy i obniżenie kosztów utrzymania.

Dla porównania, tradycyjne metalowe ciepłoodchody mają wyraźne wady: miedź jest podatna na utlenianie i korozję,powodujące zwiększenie odporności termicznej powierzchni w czasie i powodujące stopniowe pogorszenie skuteczności rozpraszania ciepłaZ drugiej strony aluminium cierpi z powodu niewystarczającej wytrzymałości mechanicznej, a twardość Brinella wynosi tylko 20-35 HB, co sprawia, że jest podatne na deformacje podczas montażu i pracy.

3Doskonała kompatybilność wiązania i niskie bariery inżynieryjne

SiC jest wysoce kompatybilny z różnymi technologiami wiązania, w tym wiązaniem metalizowanym, bezpośrednim i euektycznym,umożliwiająca integrację o niskiej odporności termicznej interfejsu z półprzewodnikami złożonymi, takimi jak GaN i InPTa wszechstronność zapewnia dużą elastyczność projektowania dla rozwiązań integracyjnych heterogenicznych.

Ponadto dojrzałość procesów wiązania SiC znacznie obniża bariery w realizacji inżynieryjnej, zapewnia kompatybilność z istniejącymi liniami produkcyjnymi półprzewodników,i przyspiesza przejście od badań laboratoryjnych do praktycznych zastosowań.

Ze względu na te zalety SiC stał się preferowanym materiałem do rozładowywania ciepła dla laserów o dużej mocy i jest szeroko stosowany w laserach półprzewodnikowych (LD), laserach cienkiego dysku (TDL),i laserów emitujących powierzchnię z pionową jamą (VCSEL).

Metody przygotowywania ciepłoodpływaczy SiC i specyficzne dla zastosowania dostosowanie

Jako półprzewodnik szerokopasmowy, SiC występuje w wielu politypach, w tym 3C-SiC, 4H-SiC i 6H-SiC.Różnice w metodach przygotowywania i właściwościach materiału stanowią podstawę dla specyficznej dla zastosowania optymalizacji ciepłoodporników.

(1) Fizyczny transport par (PVT)

Przygotowywane w temperaturze powyżej 2000 °C, wytwarzające 4H-SiC i 6H-SiC o przewodności cieplnej 300-490 W·m−1·K−1.co sprawia, że nadają się do urządzeń laserowych o dużej mocy o rygorystycznych wymaganiach dotyczących stabilności konstrukcyjnej.

(2) Epitaksja w fazie ciekłej (LPE)

Przeprowadzane przy stosunkowo umiarkowanych temperaturach (1450-1700 °C), umożliwiając precyzyjną kontrolę nad politypami 3C-SiC i 4H-SiC. Przewodność cieplna waha się od 320-450 W·m−1·K−1.LPE-SiC jest szczególnie korzystne w urządzeniach laserowych wysokiej klasy wymagających dużej mocy, długą żywotność i ścisłą konsystencję krystaliczną.

(3) Depozycja par chemicznych (CVD)

Produkuje wysokiej czystości 4H-SiC i 6H-SiC o przewodności cieplnej 350 ⋅ 500 W·m−1 ⋅ K−1. Wysoka przewodność cieplna zapewnia efektywną ekstrakcję ciepła,podczas gdy doskonała stabilność wymiarowa zapobiega deformacji po usunięciu ciepłaPołączenie tych cech jest niezbędne do długotrwałej stabilnej pracy w ekstremalnych warunkach, dzięki czemu CVD-SiC jest preferowanym rozwiązaniem równoważącym wydajność i niezawodność.

Podsumowanie

Dzięki doskonałemu dopasowaniu parametrów termicznych, silnej adaptacyjności środowiskowej i doskonałej kompatybilności procesów, SiC stał się idealnym materiałem do rozładowywania ciepła dla wysokowydajnych systemów laserowych.W urządzeniach z heterogenicznym połączeniem, wykorzystując zróżnicowane właściwości rozszerzania cieplnego różnych politypów SiC i orientacji kryształowych, umożliwia optymalne dopasowanie interfejsów i maksymalizację wydajności rozpraszania ciepła.