Tänu suure{0}võimsusega laserite laialdasele kasutamisele sellistes valdkondades nagu tööstuslik täppistöötlus, 5G/6G side, autonoomne juhtimine ja lasermeditsiin, on soojusjuhtimisest saanud jõudluse parandamist piirav kriitiline kitsaskoht. Halb soojuse hajumine võib põhjustada optilise jõudluse halvenemist, nagu emissiooni lainepikkuse nihe ja fluorestsentsi eluea lühenemine kergetel juhtudel, või põhjustada seadme vananemist ning rasketel juhtudel mõjutada seadmete väljundstabiilsust ja töökindlust. Pidevalt kasvava soojusvoo tihedusega silmitsi seistes on traditsioonilised metallist ja keraamilised jahutusradiaatorid osutunud ebapiisavaks. Järelikult on kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjal ränikarbiid (SiC) muutumas suure võimsusega laserjahutusradiaatorite valdkonnas kiiresti tähematerjaliks, kasutades ära selle kõiki eeliseid, nagu kõrge soojusjuhtivus, madal soojuspaisumistegur ja suurepärane stabiilsus.
Millised on SiC jahutusradiaatorite eelised?
Suure võimsusega{0}}pooljuhtlaserpakendite peamised jahutusmeetodid hõlmavad loomuliku konvektsiooniga jahutusradiaatorit, mikrokanaliga jahutamist, termoelektrilist jahutust ja pihustusjahutust. Nende hulgas on loodusliku konvektsiooniga jahutusradiaator ühe -emitteri pooljuhtlaserite jaoks kõige ökonoomsem ja levinum jahutusmeetod, kuna seda on lihtne valmistada ja kokku panna. Tavaliselt kasutatakse laserkiibi temperatuuri tõhusaks vähendamiseks kõrge soojusjuhtivusega materjale jahutusradiaatoritena, et suurendada loomulikku konvektsioonipinda, suurendades seeläbi soojuse hajumist. Kuigi metallist jahutusradiaatorid, nagu vask ja alumiinium, pakuvad kulueeliseid, sobivad nende soojuspaisumistegurid (CTE) halvasti võimenduskandjatega, nagu GaN ja InP. See mittevastavus võib temperatuuritsüklite ajal kergesti tekitada termilist pinget, halvendades laseri väljundjõudlust või isegi põhjustades laserkiibi mõranemise ja rikke. Alumiiniumnitriid (AlN) keraamilised jahutusradiaatorid seisavad silmitsi väljakutsetega pindadevahelise soojustakistuse kontrollimisel ja konstruktsiooni stabiilsuse säilitamisel, mistõttu on raske täita kilovatt{7}}taseme ja suurema võimsusega lasersüsteemide rangeid nõudeid. Kuigi CVD teemandil on suurepärane soojusjuhtivus, on selle valmistamise maksumus liiga kõrge. Seevastu ränikarbiidist (SiC) jahutusradiaatorid demonstreerivad veenvaid kõikehõlmavaid eeliseid koos kõrge kulu{10}}jõudlusega:
Kõrge soojusjuhtivus: SiC-i soojusjuhtivus ruumitemperatuuril{0}} on kuni 490 W/(m·K). Kuigi 6-tolliste SiC vahvlite küps masstootmistehnoloogia on madalam kui CVD-teemant, annab ühiku maksumus vaid 1/20 kuni 1/15 CVD-teemandi omast.
Madal soojuspaisumise koefitsient: SiC-l on madal CTE 4,0 × 10⁻⁶/K, mis sobib hästi tavaliste laservõimendusmeediumitega, nagu GaN ja InP, vähendades tõhusalt termilise pinge tekkimist.
Suurepärane stabiilsus: SiC-l on suurepärane oksüdatsiooni- ja kiirguskindlus ning Mohsi kõvadus on 9,2. See võib tagada lasersüsteemide pikaajalise stabiilse töö{1}} isegi karmides tingimustes, nagu kõrge temperatuur ja tugev kiirgus.
SiC jahutusradiaatorite valmistamine
SiC on mitte-tsentrosümmeetriline ühend, mis põhineb kovalentsetel sidemetel. Selle põhistruktuur koosneb nelja räni aatomi ja ühe süsinikuaatomi järkjärgulisest paigutusest, mis moodustavad SP3 hübridiseeritud kovalentsete sidemete kaudu tetraeedrilise struktuuri. Levinud ränikarbiidi polütüüpide hulka kuuluvad 3C-SiC, 4H-SiC ja 6H-SiC. Nende polütüüpide valmistamismeetodite ja jõudlusnäitajate erinevused on aluseks jahutusradiaatorite stsenaariumipõhiseks kohandamiseks.
Keemiline aurustamine-sadestamine (CVD): see meetod võib toota kõrge -puhtusastmega 4H-SiC ja 6H-SiC, mille soojusjuhtivus on vahemikus 350-500 W/(m·K). Kuigi kõrge soojusjuhtivus käsitleb soojuse eraldamist, tagab mõõtmete stabiilsus, et materjal ise ei deformeeru pärast soojuse ekstraheerimist. Mõlema kombinatsioon on ülioluline, et tagada suure võimsusega laserseadmete pikaajaline stabiilne töö nõudlikes tingimustes. Kasutades ära kõrge soojusjuhtivuse ja mõõtmete stabiilsuse kahekordseid eeliseid, saab CVD-tehnoloogia abil valmistatud SiC eelistatud lahenduseks, mis tasakaalustab jõudlust ja töökindlust.
Füüsiline aurutransport (PVT): see protsess hõlmab kõrgeid temperatuure üle 2000 kraadi, tekitades 4H-SiC ja 6H-SiC soojusjuhtivusega 300-490 W/(m·K). See pakub nii suurt soojusjuhtivust kui ka mehaanilist tugevust, mistõttu sobib see suure võimsusega laserseadmetele, millel on ranged konstruktsiooni stabiilsuse nõuded.
Liquid Phase Epitaxy (LPE): see meetod kasutab suhteliselt mõõdukaid temperatuure vahemikus 1450-1700 kraadi, võimaldades täpselt kontrollida 3C-SiC ja 4H-SiC polütüüpide moodustumist, saavutades soojusjuhtivuse 320–450 W/(m·450 W). Selle eelised on silmapaistvad tipptasemel laserseadmetes, mis nõuavad suurt võimsust, suurt stabiilsust ja pikka kasutusiga, kus polütüübi järjepidevus on kriitiline.
Rakendused
Single Crystal SiC jahutusradiaatorid:
SiC monokristalljahutusradiaatoreid toodetakse tavaliselt ränikarbiidi monokristalli valuplokkide kasvatamisel modifitseeritud Lely meetodil, millele järgneb viilutamine, lihvimine ja poleerimine. Nende teoreetiline soojusjuhtivus võib ulatuda kuni 490 W/(m·K), mis ületab Cu jahutusradiaatorite oma, 1,5 korda AlN jahutusradiaatorite oma ja ületab tunduvalt Si jahutusradiaatorite oma. See muudab need kõige lootustandvamaks pooljuhtmaterjaliks täiustatud pakkimisrakendustes, mis nõuavad kõrgetasemelist-soojuse hajumist. Hu Sheng'an et al., kasutades ära ühe-kristallilise ränikarbiidi kõrget soojusjuhtivust. välja töötanud ühe-kristalli SiC jahutusradiaatorid ja ühe-kristallilise ränikarbiidi vask{10}}jahutusradiaatorid. Nad viisid läbi pakenditestid vastavalt 640 nm punaste laserkiipide ja suure{13}}võimsusega 915 nm laserkiipidega. Võrreldes AlN jahutusradiaatoritega vähendas 640 nm punane laser, mis oli pakitud ühe-kristallilise SiC jahutusradiaatoriga, lävivool 0,25 A, maksimaalne väljundvõimsus suurenes 0,5 W ja elektro-optilise muundamise efektiivsus 42,7%. 915 nm pooljuhtlaseril, mis oli pakitud ühe -kristallilise SiC vask-kattega jahutusradiaatoriga, vähenes lävivool 0,26 A, maksimaalne väljundvõimsus suurenes 1,9 W ja elektro{28}}optilise muundamise efektiivsus 64,9%. Ühe-kristalli SiC jahutusradiaatorid parandavad märkimisväärselt pooljuhtlaserite soojuse hajumist ja töövõimet.
SiC keraamilised mikrokanaliga jahutusradiaatorid:
Vedelikjahutust vajavate suure{0}}keskmise võimsusega-laserite jaoks on tavalahendused mikrokanaliga jahutusradiaatorid, makro-kanaliga vesijahutus ja termoelektriline jahutus. Kuigi makro-kanaliga vesijahutussüsteemidel on lihtne struktuur, on neil piiratud jahutusefektiivsus, mis põhjustab sageli jahutusvedeliku mittetäielikku täitumist soojusallika läheduses ja voolukiiruse lokaalset vähenemist, mille tulemuseks on halb temperatuuri ühtlus. Termoelektriline jahutus võib reguleerida võimenduskeskkonna temperatuuri, kuid selle tõhusus langeb kõrgel{6}}temperatuuril märkimisväärselt ja sellel on kulud piiratud. Mikrokanalilise juhtivusega jahutustehnoloogia, mis suurendab oluliselt soojuse hajumise ala mikroskaala kanalite konstruktsioonide kaudu, suurendab tõhusalt jahutusradiaatori efektiivsust ja temperatuurivälja ühtlust, muutudes suure -keskmise võimsusega-laserite soojusjuhtimise uurimistööks. SiC keraamika kõrge kõvaduse ja rabeduse tõttu on keerukate sisevoolukanalite valmistamine traditsioonilise CNC-töötluse abil äärmiselt keeruline. 3D-printimise tehnoloogiate, näiteks digitaalse valgustöötluse (DLP) ilmumine on selle probleemi tõhusalt lahendanud. Teadlased saavad nüüd otse printida ränidioksiidi keraamilisi mikrokanaleid, millel on keerukad sisemised astmelised pin{14}}finstruktuurid (MCHS-SF). Need tihvtid segavad intensiivselt jahutusvedelikku, rikkudes termilise piirkihi ja suurendades oluliselt soojusülekannet.
Komposiitjahutusradiaatori konstruktsioonid:
See hõlmab 4H-SiC kasutamist substraadina, kõrge soojusjuhtivuse polükristallilise teemantkihi (soojusjuhtivus > 1780 W·m⁻¹·K⁻¹) epitaksiaalset kasvatamist selle tagaküljel ja AlGaN-GaN heterostruktuuri valmistamist esiküljel. Teemandi ja ränikarbiidi vahel aatomi{5}tasandi intiimse sideme kaudu moodustunud liidesel on suur sidetugevus, tihe struktuur ja vähe defekte. Seda komposiitsubstraati kasutavad seadmed näitasid maksimaalset pinnatemperatuuri 52,5 kraadi madalamat kui traditsiooniliste üksikute SiC substraadistruktuuride puhul, soojustakistuse vähenemist 41% ja maksimaalse äravooluvoolu suurenemist 19%. Veelgi kriitilisem on see, et töötemperatuuri märkimisväärne alandamine pikendas seadme keskmist tõrkeaega (MTTF) rohkem kui 100 korda, saavutades soojuse hajumise efektiivsuse ja protsesside ühilduvuse topeltoptimeerimise.
