Προκλήσεις της θερμικής διαχείρισης των ημιαγωγών λέιζερ υψηλής ισχύος και η βασική ανταγωνιστικότητα των απορροφητών θερμότητας SiC

Τα ημιαγωγικά λέιζερ υψηλής ισχύος χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανική κατασκευή, στα αμυντικά και στρατιωτικά συστήματα, στις βιοϊατρικές εφαρμογές και στην επιστημονική έρευνα.Η θερμική διαχείριση μετά την συσκευασία των συσκευών αποτελεί εδώ και καιρό ένα κρίσιμο εμπόδιο που περιορίζει την απόδοσή τους και την αξιοπιστία τους.Η αντιμετώπιση αυτής της πρόκλησης εξαρτάται από την ενσωμάτωση υλικών απορρίψεων θερμότητας που προσφέρουν ανώτερη ικανότητα διάσπασης θερμότητας και μεγαλύτερη θερμική σταθερότητα υπό συνθήκες λειτουργίας υψηλών θερμοκρασιών.

Κεντρική ανταγωνιστικότηταΚαρβίδιο του πυριτίου (SiC)Θερμοαπορροφητήρες

Ως πρωταρχικός φορέας μεταφοράς θερμότητας, οι επιδόσεις ενός απορροφητή θερμότητας καθορίζουν άμεσα την αποτελεσματικότητα της θερμικής διαχείρισης.Οι τεχνικοί περιορισμοί των συμβατικών λύσεων γίνονται ολοένα και πιο εμφανείς.

Οι μεταλλικοί απορροφητές θερμότητας όπως ο χαλκός και το αλουμίνιο είναι οικονομικά αποδοτικοί, αλλά υποφέρουν από σοβαρή ασυμφωνία θερμικής διαστολής με κοινά μέσα αύξησης λέιζερ όπως το GaN και το InP,που οδηγεί σε συμπυκνωμένη θερμική πίεση κατά τη διάρκεια του κύκλου θερμοκρασίαςΟι κεραμικοί απορροφητές θερμότητας από νιτρικό αλουμίνιο (AlN) αντιμετωπίζουν προκλήσεις στον έλεγχο της θερμικής αντίστασης της επιφάνειας και τη διατήρηση της δομικής σταθερότητας.καθιστώντας τους ανεπαρκείς για συστήματα λέιζερ επιπέδου κιλοβάτ και άνωΠαρόλο που το χημικό διαμάντι με εναπόθεση ατμών (CVD) προσφέρει εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα,Το υπερβολικά υψηλό κόστος κατασκευής και η συνεχιζόμενη δυσκολία στον έλεγχο ελαττωμάτων για πλακίδια μεγαλύτερα από 3 ίντσες περιορίζουν την ευρεία υιοθέτησή του.

Αντίθετα, οι απορροφητές θερμότητας από καρβίδιο του πυριτίου (SiC) αποδεικνύουν σαφή συνολικά πλεονεκτήματα.

1Εξαιρετική εναρμόνιση θερμικών παραμέτρων και ισορροπημένη απόδοση

Το SiC παρουσιάζει εξαιρετική ισορροπία θερμικής απόδοσης. Η θερμική αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου φτάνει τα 360-490 W·m−1·K−1, συγκρίσιμη με το χαλκό (397 W·m−1·K−1) και 1,66 ̊2.26 φορές υψηλότερη από εκείνη του αλουμινίου (217 W·m−1·K−1), παρέχοντας μια σταθερή βάση για την αποτελεσματική διάχυση θερμότητας σε συστήματα λέιζερ υψηλής ισχύος.

Από την άποψη της θερμικής διαστολής, το SiC έχει συντελεστή 3,8·4,3 × 10−6 K−1, που ταιριάζει στενά με το GaN (3,17 × 10−6 K−1) και το InP (4,6 × 10−6 K−1).5 × 10−6 K−1) και αλουμίνιο (23.1 × 10−6 K−1), μειώνοντας αποτελεσματικά τη θερμική πίεση της επιφάνειας.

Σε σύγκριση με το διαμάντι CVD και το AlN, η ισορροπία απόδοσης του SiC είναι ακόμη πιο έντονη.ο συντελεστής θερμικής διεύρυνσης (1.0 × 10−6 K−1) είναι σοβαρά ασυμβίβαστο με τα μέσα κέρδους όπως το Yb:YAG (6,8 × 10−6 K−1). Το AlN προσφέρει έναν συντελεστή θερμικής διαστολής κοντά σε αυτό του SiC (4.5 × 10−6 K−1) αλλά η θερμική του αγωγιμότητα (180 W·m−1·K−1) είναι μόνο περίπου 45% της 4H-SiC, περιορίζοντας σημαντικά την αποδοτικότητα διάσπασης θερμότητας.

Αυτός ο μοναδικός συνδυασμόςυψηλή θερμική αγωγιμότητα και εξαιρετική εναρμόνιση θερμικής διαστολήςτοποθετεί το SiC ως ένα βέλτιστο υλικό με καλά ισορροπημένη θερμική απόδοση.

2Σημαντική προσαρμοστικότητα στο περιβάλλον και υψηλή λειτουργική σταθερότητα

Το SiC παρουσιάζει εξαιρετική αντοχή στην οξείδωση, αντοχή στην ακτινοβολία και σκληρότητα Mohs έως και 9.2Οι ιδιότητες αυτές του επιτρέπουν να αντέχει σε σκληρά περιβάλλοντα λειτουργίας που περιλαμβάνουν υψηλές θερμοκρασίες και έντονη ακτινοβολία.στήριξη της μακροπρόθεσμης σταθερής λειτουργίας των συστημάτων λέιζερ υψηλής ισχύος και μείωση του κόστους συντήρησης.

Οι παραδοσιακοί μεταλλικοί απορροφητές θερμότητας έχουν σαφείς ελλείψεις: ο χαλκός είναι επιρρεπής στην οξείδωση και τη διάβρωση.που προκαλούν αύξηση της θερμικής αντίστασης της επιφάνειας με την πάροδο του χρόνου και οδηγούν σε σταδιακή υποβάθμιση της απόδοσης διάλυσης της θερμότηταςΤο αλουμίνιο, από την άλλη πλευρά, υποφέρει από ανεπαρκή μηχανική αντοχή, με σκληρότητα Brinell μόνο 20 ̇ 35 HB, γεγονός που το καθιστά ευαίσθητο σε παραμόρφωση κατά τη διάρκεια της συναρμολόγησης και της λειτουργίας.

3Εξαιρετική συμβατότητα δεσμών και χαμηλά μηχανικά εμπόδια

Το SiC είναι ιδιαίτερα συμβατό με διάφορες τεχνολογίες σύνδεσης, συμπεριλαμβανομένης της μεταλλικής σύνδεσης, της άμεσης σύνδεσης και της ευτεκτικής σύνδεσης,που επιτρέπει την ενσωμάτωση χαμηλής θερμικής αντίστασης με σύνθετους ημιαγωγούς όπως το GaN και το InPΗ ευελιξία αυτή παρέχει μεγάλη ευελιξία σχεδιασμού για ετερογενείς λύσεις ολοκλήρωσης.

Επιπλέον, η ωριμότητα των διαδικασιών σύνδεσης SiC μειώνει σημαντικά τα εμπόδια στην υλοποίηση της μηχανικής, εξασφαλίζει τη συμβατότητα με τις υφιστάμενες γραμμές παραγωγής ημιαγωγών,και επιταχύνει τη μετάβαση από την εργαστηριακή έρευνα στις πρακτικές εφαρμογές.

Λόγω αυτών των πλεονεκτημάτων, το SiC έχει γίνει το προτιμώμενο υλικό απορροφητή θερμότητας για λέιζερ υψηλής ισχύος και χρησιμοποιείται ευρέως σε ημιαγωγούς λέιζερ (LD), λέιζερ λεπτών δίσκων (TDL),και ελαστικοί λέιζερ εκπομπής επιφάνειας κάθετης κοιλότητας (VCSEL).

Μέθοδοι προετοιμασίας απορροφητήρων θερμότητας SiC και προσαρμογή σε εφαρμογή

Ως ημιαγωγός ευρείας ζώνης, το SiC υπάρχει σε πολλαπλούς πολυτύπους, συμπεριλαμβανομένων του 3C-SiC, 4H-SiC και 6H-SiC.Οι διαφορές στις μεθόδους προετοιμασίας και στις ιδιότητες των υλικών παρέχουν βάση για βελτιστοποίηση των θερμοαπορροφητών ειδικά για την εφαρμογή.

(1) Φυσική μεταφορά ατμών (PVT)

Προετοιμάζεται σε θερμοκρασίες άνω των 2000 °C, παράγοντας 4H-SiC και 6H-SiC με θερμική αγωγιμότητα 300·490 W·m−1·K−1.που τους καθιστούν κατάλληλους για συσκευές λέιζερ υψηλής ισχύος με αυστηρές απαιτήσεις δομικής σταθερότητας.

(2) Επιταξία υγρής φάσης (LPE)

Η θερμική αγωγιμότητα κυμαίνεται από 320 έως 450 W·m−1·K−1.Το LPE-SiC είναι ιδιαίτερα πλεονεκτικό σε συσκευές λέιζερ υψηλής τεχνολογίας που απαιτούν υψηλή ισχύ, μακρά διάρκεια ζωής, και αυστηρή κρυσταλλική συνέπεια.

(3) Χημική Αποσύνθεση Ατμών (CVD)

Παράγει υψηλής καθαρότητας 4H-SiC και 6H-SiC με θερμική αγωγιμότητα 350·500 W·m−1·K−1.ενώ η εξαιρετική σταθερότητα διαστάσεων αποτρέπει την παραμόρφωση μετά την αφαίρεση της θερμότηταςΟ συνδυασμός αυτών των χαρακτηριστικών είναι απαραίτητος για μακροχρόνια σταθερή λειτουργία υπό ακραίες συνθήκες, καθιστώντας το CVD-SiC μια προτιμώμενη λύση που εξισορροπεί την απόδοση και την αξιοπιστία.

Σύνοψη

Με την ανώτερη εναρμόνιση θερμικών παραμέτρων, την ισχυρή προσαρμοστικότητα στο περιβάλλον και την εξαιρετική συμβατότητα διαδικασιών, το SiC έχει εξελιχθεί ως ιδανικό υλικό απορροφητή θερμότητας για συστήματα λέιζερ υψηλής ισχύος.Σε ετερογενείς συσκευές σύνδεσης, αξιοποιώντας τα διαφοροποιημένα χαρακτηριστικά θερμικής διαστολής διαφόρων πολυτύπων SiC και κρυσταλλικών προσανατολισμών, επιτρέπει τη βέλτιστη αντιστοίχιση των διεπαφών και τη μεγιστοποίηση της απόδοσης διάσπασης θερμότητας.