Plačiai pritaikius didelės galios{0}}lazerius tokiose srityse kaip pramoninis tikslusis apdirbimas, 5G/6G ryšiai, autonominis vairavimas ir lazerinė medicina, šilumos valdymas tapo svarbia kliūtimi, ribojančia našumo gerinimą. Dėl prasto šilumos išsklaidymo gali pablogėti optiniai parametrai, pvz., pasikeisti spinduliuotės bangos ilgis ir sutrumpėti fluorescencijos tarnavimo laikas, sunkiais atvejais arba sukelti įrenginio senėjimą ir paveikti išvesties stabilumą bei įrangos patikimumą. Dėl nuolat didėjančio šilumos srauto tankio tradiciniai metaliniai ir keraminiai aušintuvai pasirodė netinkami. Todėl trečiosios-kartos puslaidininkinė medžiaga silicio karbidas (SiC) sparčiai tampa „žvaigždžių medžiaga“ didelės-galios lazerinių aušintuvų srityje, išnaudodama savo visapusiškus pranašumus, tokius kaip didelis šilumos laidumas, mažas šiluminio plėtimosi koeficientas ir puikus stabilumas.
Kokie yra SiC aušintuvų pranašumai?
Pagrindiniai didelės galios Natūralus konvekcinis aušintuvo aušinimas yra ekonomiškiausias ir labiausiai paplitęs vieno -emiterio puslaidininkinių lazerių aušinimo būdas, nes jį lengva gaminti ir surinkti. Paprastai, siekiant efektyviai sumažinti lazerio lusto temperatūrą, kaip šilumos šalintuvai naudojamos didelio šilumos laidumo medžiagos, padidinančios natūralios konvekcijos paviršiaus plotą, taip padidindamos šilumos išsklaidymą. Nors metaliniai aušintuvai, tokie kaip varis ir aliuminis, pasižymi sąnaudų pranašumais, jų šiluminio plėtimosi koeficientai (CTE) prastai atitinka stiprinimo priemones, tokias kaip GaN ir InP. Šis neatitikimas gali lengvai sukelti šiluminį įtampą temperatūros ciklų metu, pabloginti lazerio išvesties našumą arba netgi sukelti lazerio lusto įtrūkimus ir gedimus. Aliuminio nitrido (AlN) keramikos aušintuvai susiduria su iššūkiais valdydami sąsajos šiluminę varžą ir palaikant struktūrinį stabilumą, todėl sunku patenkinti griežtus kilovatų{7}lygio ir didesnės galios lazerinių sistemų reikalavimus. Nors CVD deimantas pasižymi puikiu šilumos laidumu, jo paruošimo kaina yra nepaprastai didelė. Priešingai, silicio karbido (SiC) aušintuvai demonstruoja įtikinamus visapusiškus pranašumus ir dideles sąnaudas:{10}}
Didelis šilumos laidumas: SiC gali pasigirti iki 490 W/(m·K){0}}šilumos laidumo kambario temperatūroje. Nors ir mažesnė nei CVD deimantų, brandžios masinės 6 colių SiC plokštelių gamybos technologijos dėka vieneto kaina yra tik 1/20–1/15 CVD deimantų.
Žemas šiluminio plėtimosi koeficientas: SiC turi mažą CTE 4,0 × 10⁻⁶/K, kuris puikiai dera su pagrindinėmis lazerio stiprinimo terpėmis, tokiomis kaip GaN ir InP, efektyviai slopindamas šiluminio įtempio susidarymą.
Puikus stabilumas: SiC pasižymi išskirtiniu atsparumu oksidacijai ir spinduliuotei, o kietumas pagal Mosą yra 9,2. Jis gali užtikrinti ilgalaikį stabilų{1}}lazerinių sistemų veikimą net esant atšiaurioms sąlygoms, pvz., aukštai temperatūrai ir stipriai spinduliuotei.
SiC aušintuvų paruošimas
SiC yra ne-centrosimetrinis junginys, pagrįstas kovalentinėmis jungtimis. Jo pagrindinę struktūrą sudaro keturių silicio atomų ir vieno anglies atomo laipsniškai išdėstyti išdėstymai, sudarantys tetraedrinę struktūrą per SP3 hibridizuotus kovalentinius ryšius. Įprasti SiC politipai yra 3C-SiC, 4H-SiC ir 6H-SiC. Šių politipų paruošimo metodų ir eksploatacinių charakteristikų skirtumai yra pagrindas konkrečiam šilumnešių pritaikymo scenarijui{10}.
Cheminis nusodinimas iš garų (CVD): šiuo metodu galima gauti didelio -grynumo 4H-SiC ir 6H-SiC, kurių šilumos laidumas svyruoja nuo 350-500 W/(m·K). Nors didelis šilumos laidumas susijęs su šilumos ištraukimu, matmenų stabilumas užtikrina, kad pati medžiaga po šilumos ištraukimo nesideformuotų. Abiejų dalykų derinys yra labai svarbus siekiant užtikrinti ilgalaikį stabilų didelės galios lazerinių įrenginių veikimą sudėtingomis sąlygomis. Išnaudodamas dvigubus aukšto šilumos laidumo ir matmenų stabilumo pranašumus, pagal CVD technologiją pagamintas SiC tampa pageidaujamu sprendimu, balansuojantį našumą ir patikimumą.
Fizinis garų transportavimas (PVT): šis procesas apima aukštą temperatūrą, viršijančią 2000 laipsnių, gaminant 4H-SiC ir 6H-SiC, o šilumos laidumas yra 300-490 W/(m·K). Jis pasižymi dideliu šilumos laidumu ir mechaniniu stiprumu, todėl tinka didelės galios lazeriniams įrenginiams, kuriems keliami griežti konstrukcijos stabilumo reikalavimai.
Skystosios fazės epitaksija (LPE): Šis metodas naudoja santykinai vidutinę 1450-1700 laipsnių temperatūrą, leidžiančią tiksliai kontroliuoti 3C-SiC ir 4H-SiC politipų susidarymą, o šilumos laidumas yra 320–450 W/(m·450 W). Jo pranašumai yra ryškūs aukščiausios klasės lazeriniuose įrenginiuose, kuriems reikalinga didelė galia, didelis stabilumas ir ilgas tarnavimo laikas, kai politipo nuoseklumas yra labai svarbus.
Programos
Vieno kristalo SiC aušintuvai:
SiC monokristaliniai aušintuvai paprastai gaminami auginant SiC monokristalinius luitus, naudojant modifikuotą Lely metodą, po to pjaustant, šlifuojant ir poliruojant. Jų teorinis šilumos laidumas gali siekti iki 490 W/(m·K), viršijantis Cu aušintuvų, 1,5 karto didesnis nei AlN aušintuvų ir gerokai viršijantis Si aušintuvų. Dėl to jie yra perspektyviausia puslaidininkinė medžiaga pažangiose pakavimo programose, kurioms reikalingas aukščiausios klasės -šilumos išsklaidymas. Hu Sheng'an ir kt., panaudodami aukštą vieno -kristalinio SiC šilumos laidumą. sukūrė vieno-kristalinio SiC aušintuvus ir vienu-kristaliniu SiC variu{10}}dengtus aušintuvus. Jie atliko atitinkamai 640 nm raudonų lazerinių lustų ir didelės{13}}galios 915 nm lazerio lustų pakavimo bandymus. Palyginti su AlN aušintuvais, 640 nm raudonas lazeris su vienu-kristaliniu SiC aušintuvu sumažino 0,25 A slenkstinę srovę, 0,5 W padidino maksimalią išėjimo galią ir 42,7 % elektro-optinės konversijos efektyvumą. 915 nm puslaidininkinis lazeris, supakuotas su vienu-kristaliniu SiC variu-apdengtu šilumnešiu, sumažino 0,26 A slenkstinę srovę, 1,9 W padidino maksimalią išėjimo galią, o elektro-optinės konversijos efektyvumas buvo 64,9 %. Vieno-kristalinio SiC aušintuvai žymiai pagerina šilumos išsklaidymą ir puslaidininkinių lazerių veikimo efektyvumą.
SiC keraminiai mikrokanaliniai radiatoriai:
Didelės{0}}vidutinės galios-lazeriams, kuriems reikalingas aušinimas skysčiu, pagrindiniai sprendimai apima mikrokanalinius aušintuvus, makro-kanalų vandens aušinimą ir termoelektrinį aušinimą. Nors makro-kanalų vandens aušinimo sistemos yra paprastos, jos turi ribotą aušinimo efektyvumą, todėl dažnai aušinimo skystis neužpildomas šalia šilumos šaltinio ir lokaliai sumažėja srauto greitis, todėl temperatūra blogai tolygi. Termoelektrinis aušinimas gali reguliuoti stiprinimo terpės temperatūrą, tačiau jo efektyvumas labai sumažėja esant aukštai{6}}temperatūrai, o sąnaudos yra ribotos. Mikrokanalinio laidumo aušinimo technologija, kuri labai išplečia šilumos išsklaidymo plotą dėl mikroskopinių kanalų dizaino, efektyviai padidina šilumos šalinimo efektyvumą ir temperatūros lauko vienodumą, tapdama didelės -vidutinės-galios lazerių šilumos valdymo tyrimų centru. Dėl didelio SiC keramikos kietumo ir trapumo sudėtingų vidinių srauto kanalų gamyba naudojant tradicinį CNC apdirbimą yra labai sudėtinga. 3D spausdinimo technologijų, tokių kaip skaitmeninis šviesos apdorojimas (DLP) atsiradimas, veiksmingai išsprendė šią problemą. Dabar mokslininkai gali tiesiogiai spausdinti SiC keramikos mikrokanalus su sudėtingomis vidinėmis laipsniškomis kaiščių{14}}pelekų struktūromis (MCHS-SF). Šie kaiščių pelekai intensyviai maišo aušinimo skystį, suardydami šiluminį ribinį sluoksnį ir žymiai padidindami šilumos perdavimą.
Kompozicinių aušintuvų konstrukcijos:
Tam reikia naudoti 4H-SiC kaip substratą, epitaksiniu būdu išauginti labai šilumą laidų polikristalinį deimantinį sluoksnį (šilumos laidumas > 1780 W·m⁻¹·K⁻¹) jo gale ir AlGaN-GaN heterostruktūrą priekinėje pusėje. Sąsaja, susidariusi tarp deimanto ir SiC per atominį -lygų intymų ryšį, pasižymi dideliu sukibimo stiprumu, tankia struktūra ir nedaug defektų. Prietaisai, naudojantys šį sudėtinį pagrindą, parodė maksimalią paviršiaus temperatūrą 52,5 laipsnio žemesnę nei tradicinės vieno SiC substrato struktūros, 41% sumažino šiluminę varžą ir 19% padidino maksimalią drenažo srovę. Dar svarbiau yra tai, kad žymiai sumažinus darbinę temperatūrą, prietaiso vidutinis gedimo laikas (MTTF) pailgėjo daugiau nei 100 kartų, todėl buvo pasiektas dvigubas šilumos išsklaidymo efektyvumo ir proceso suderinamumo optimizavimas.
