چالش های مدیریت حرارتی لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا و رقابت هسته ای حرارتی SiC

لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا به طور گسترده ای در تولید صنعتی، سیستم های دفاعی و نظامی، کاربردهای زیست پزشکی و تحقیقات علمی استفاده می شوند.مدیریت حرارتی پس از بسته بندی دستگاه ها مدت ها یک تنگنای حیاتی بوده است که عملکرد و قابلیت اطمینان آنها را محدود می کند.حل این چالش به ادغام مواد شنای گرما بستگی دارد که قابلیت دفع گرما برتر و ثبات حرارتی بیشتری در شرایط کار با دمای بالا را ارائه می دهند.

رقابت پذیری اصلیسیلیکون کارباید (SiC)بخاری ها

به عنوان حامل اصلی انتقال گرما، عملکرد یک بخارگر به طور مستقیم تاثیر مدیریت حرارتی را تعیین می کند.محدودیت های فنی راه حل های معمولی به طور فزاینده ای آشکار می شود.

بخاری های فلزی مانند مس و آلومینیوم مقرون به صرفه هستند، اما از عدم مطابقت شدید گسترش حرارتی با رسانه های افزایش لیزر معمول مانند GaN و InP رنج می برند.که منجر به فشارهای حرارتی متمرکز در طول چرخه دمای می شود.خازن های سرامیکی آلومینیوم نیترید (AlN) در کنترل مقاومت حرارتی سطح و حفظ ثبات ساختاری با چالش هایی روبرو هستند.که باعث می شود آنها برای سیستم های لیزری در سطح کیلو وات و بالاتر مناسب نباشند.اگر چه الماس تبخیر شیمیایی (CVD) هدایت حرارتی استثنایی را ارائه می دهد،هزینه تولید بسیار بالا و مشکل مداوم در کنترل نقص برای وافرهایی بزرگتر از 3 اینچ، پذیرش گسترده آن را محدود می کند..

در مقابل، بخاری های کربید سیلیکون (SiC) مزایای جامع روشنی را نشان می دهند.

1. تطابق پارامترهای حرارتی عالی و عملکرد متعادل

سی سی سی دارای تعادل عملکرد حرارتی برجسته است. رسانایی حرارتی آن در دمای اتاق به 360 ̊490 W·m−1 ̊K−1 می رسد که قابل مقایسه با مس (397 ̊W·m−1 ̊K−1) و 1.66 ̊2 است.26 برابر بالاتر از آلومینیوم (217 W·m−1·K−1)، فراهم کردن یک پایه محکم برای انتشار گرمای کارآمد در سیستم های لیزر با قدرت بالا.

از نظر انبساط حرارتی، SiC دارای یک ضریب 3.8 √4.3 × 10−6 K−1 است، که تقریبا با GaN (3.17 × 10−6 K−1) و InP (4.6 × 10−6 K−1) مطابقت دارد. این به طور قابل توجهی بهتر از مس است (16.5 × 10−6 K−1) و آلومینیوم (23.1 × 10−6 K−1) ، به طور موثر کاهش استرس حرارتی رابط.

در مقایسه با الماس CVD و AlN، تعادل عملکرد SiC حتی بیشتر است. در حالی که الماس CVD دارای رسانایی حرارتی فوق العاده بالا (~ 2000 W·m−1·K−1) است،ضریب انبساط حرارتی آن (1.0 × 10−6 K−1) به شدت با رسانه های گین مانند Yb:YAG (6.8 × 10−6 K−1) نامناسب است. AlN یک ضریب انبساط حرارتی نزدیک به SiC (4.5 × 10−6 K−1) اما رسانایی حرارتی آن (180 W·m−1·K−1) تنها حدود 45٪ از 4H-SiC است، که به طور قابل توجهی کارایی تبعید گرما را محدود می کند.

اين ترکیب منحصر به فردرسانایی حرارتی بالا و تطبیق عالی گسترش حرارتیSiC را به عنوان یک ماده مطلوب با عملکرد حرارتی متعادل قرار می دهد.

2سازگاری قوی با محیط زیست و ثبات عملیاتی بالا

SiC مقاومت اکسیداسیون عالی، تحمل تشعشعات و سختی Mohs تا 9 را نشان می دهد.2این خواص آن را قادر می سازد که در محیط های سخت کار با دمای بالا و تشعشعات شدید مقاومت کند.حمایت از عملکرد پایدار بلند مدت سیستم های لیزر با قدرت بالا و کاهش هزینه های نگهداری.

در مقایسه، بخاری های فلزی سنتی نقص های مشخصی دارند. مس مستعد اکسیداسیون و خوردگی است.که باعث افزایش مقاومت حرارتی در طول زمان می شود و منجر به کاهش تدریجی عملکرد تبعید گرما می شوداز سوی دیگر، آلومینیوم از قدرت مکانیکی ناکافی رنج می برد، با سختی Brinell تنها 20 ≈ 35 HB، که باعث می شود که در طول مونتاژ و کار، حساس به تغییر شکل باشد.

3سازگاری عالی با پیوند و موانع مهندسی پایین

SiC با فن آوری های مختلف اتصال، از جمله اتصال فلزی، اتصال مستقیم و اتصال eutectic، بسیار سازگار است.که امکان ادغام مقاومت حرارتی کم رابط را با نیمه هادی های ترکیبی مانند GaN و InP فراهم می کنداین انعطاف پذیری انعطاف پذیری طراحی زیادی را برای راه حل های ادغام ناهمگن فراهم می کند.

علاوه بر این، بلوغ فرآیندهای اتصال SiC به طور قابل توجهی موانع پیاده سازی مهندسی را کاهش می دهد، سازگاری با خطوط تولید نیمه هادی موجود را تضمین می کند.و انتقال از تحقیقات آزمایشگاهی به کاربردهای عملی را تسریع می کند.

به دلیل این مزیت ها، SiC تبدیل به ماده گرمایی مطلوب برای لیزرهای با قدرت بالا شده است و به طور گسترده ای در لیزرهای نیمه هادی (LDs) ، لیزرهای دیسک نازک (TDLs) ،و لیزرهای تابش سطح عمودی (VCSEL).

روش های آماده سازی بخاری های گرمایی SiC و سازگاری خاص با کاربرد

به عنوان یک نیمه هادی با باند گپ گسترده، SiC در چند پولیتیپ وجود دارد، از جمله 3C-SiC، 4H-SiC و 6H-SiC.تفاوت در روش های آماده سازی و خواص مواد، مبنایی برای بهینه سازی بخارگر حرارت خاص کاربرد فراهم می کند..

(1) حمل و نقل فزیکی بخار (PVT)

در دمای بالاتر از ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد آماده شده و ۴H-SiC و ۶H-SiC را با رسانایی حرارتی ۳۰۰۴۹۰ W·m−۱·K−۱ تولید می کند. این مواد رسانایی حرارتی بالا و قدرت مکانیکی بالایی دارند.که آنها را برای دستگاه های لیزر با قدرت بالا با الزامات سختگیرانه ثبات ساختاری مناسب می کند.

(2) اپیتاکسی فاز مایع (LPE)

این آزمایش در دمای نسبتاً متوسط (1450-1700 درجه سانتیگراد) انجام می شود و کنترل دقیق بر روی پولیتیپ های 3C-SiC و 4H-SiC را امکان پذیر می کند. رسانایی حرارتی بین 320-450 W·m-1·K-1 است.LPE-SiC به ویژه در دستگاه های لیزر پیشرفته ای که نیاز به قدرت بالا دارند، سودمند است، طول عمر و ثبات سخت کریستالی.

(3) رسوب بخار شیمیایی (CVD)

تولید خالص 4H-SiC و 6H-SiC با رسانایی حرارتی 350 ∼ 500 W·m−1·K−1. رسانایی حرارتی بالا تضمین استخراج گرمای کارآمد ،در حالی که ثبات ابعاد عالی از تغییر شکل پس از حذف گرما جلوگیری می کندترکیب این ویژگی ها برای عملکرد پایدار طولانی مدت در شرایط شدید ضروری است و CVD-SiC را به یک راه حل ترجیح داده می شود که عملکرد و قابلیت اطمینان را متعادل می کند.

خلاصه

با تطابق پارامترهای حرارتی برتر، سازگاری قوی با محیط زیست و سازگاری عالی فرآیند، SiC به عنوان یک ماده گرمایی ایده آل برای سیستم های لیزر با قدرت بالا ظاهر شده است.در دستگاه های متضاد متصل، با استفاده از ویژگی های تمدید حرارتی متمایز از انواع مختلف SiC و جهت گیری کریستال، امکان تطابق بهینه رابط و حداکثر عملکرد تبعید گرما را فراهم می کند.