Са широко распрострањеном применом ласера велике-снаге у областима као што су индустријска прецизна обрада, 5Г/6Г комуникације, аутономна вожња и ласерска медицина, управљање топлотом је постало критично уско грло које ограничава побољшање перформанси. Лоша дисипација топлоте може довести до деградације оптичких перформанси као што је померање таласне дужине емисије и скраћени животни век флуоресценције у благим случајевима, или узроковати старење уређаја и утицати на стабилност излаза и поузданост опреме у тешким случајевима. Суочавајући се са континуираним повећањем густине топлотног флукса, традиционални метални и керамички хладњаци се показују неадекватним. Сходно томе, полупроводнички материјал треће{6}}генерације, силицијум карбид (СиЦ), брзо постаје „материјал звезде“ у области ласерских расхладних тела велике{7}}нане снаге, користећи своје свеобухватне предности као што су висока топлотна проводљивост, низак коефицијент топлотног ширења и одлична стабилност.
Које су предности СиЦ хладњака?
Примарне методе хлађења за полупроводничка ласерска амбалажа велике{0}}е снаге укључују хлађење хладњака природном конвекцијом, микроканално хлађење, термоелектрично хлађење и хлађење распршивањем. Међу њима, хлађење хладњака природном конвекцијом је најекономичнији и најчешћи метод хлађења за полупроводничке ласере са једним-емитером због његове лакоће производње и склапања. Обично, да би се ефикасно смањила температура ласерског чипа, материјали са високом топлотном проводљивошћу се користе као хладњаци за повећање природне површине конвекције, чиме се повећава расипање топлоте. Док метални хладњаци попут бакра и алуминијума нуде предности у погледу трошкова, њихови коефицијенти термичког ширења (ЦТЕ) се слабо поклапају са медијима за појачавање као што су ГаН и ИнП. Ова неусклађеност може лако да изазове термички стрес током температурних циклуса, умањујући излазне перформансе ласера или чак изазивајући пуцање и квар ласерског чипа. Керамички хладњаци од алуминијум нитрида (АлН) суочавају се са изазовима у контроли међуфазног топлотног отпора и одржавању стабилности структуре, што отежава испуњавање строгих захтева ласерских система-нивоа киловата и веће снаге. Иако ЦВД дијамант показује одличну топлотну проводљивост, цена његове припреме је превисока. Насупрот томе, хладњаци од силицијум карбида (СиЦ) демонстрирају убедљиве свеобухватне предности уз високе{10}}учинке у погледу цене:
Висока топлотна проводљивост: СиЦ се може похвалити топлотном проводљивошћу на собној -температури до 490 В/(м·К). Иако нижа од оне код ЦВД дијаманта, технологија зреле масовне производње за 6-инчне СиЦ плочице резултира јединичном ценом која је само 1/20 до 1/15 од ЦВД дијаманта.
Низак коефицијент термичке експанзије: СиЦ има низак ЦТЕ од 4,0×10⁻⁶/К, што се добро поклапа са главним медијима за појачавање ласера као што су ГаН и ИнП, ефикасно потискујући стварање топлотног стреса.
Одлична стабилност: СиЦ показује изузетну отпорност на оксидацију и отпорност на зрачење, са тврдоћом по Мохсу од 9,2. Може да обезбеди-дугорочни стабилан рад ласерских система чак и под тешким условима као што су високе температуре и јако зрачење.
Припрема СиЦ хладњака
СиЦ је не-центросиметрично једињење засновано на ковалентним везама. Његова основна структура се састоји од поређаних распореда четири атома силицијума и једног атома угљеника, који формирају тетраедарску структуру преко СП³ хибридизованих ковалентних веза. Уобичајени политипови СиЦ укључују 3Ц-СиЦ, 4Х-СиЦ и 6Х-СиЦ. Разлике у методама припреме и карактеристикама перформанси између ових политипова представљају основу за{10}}специфичну адаптацију хладњака.
Хемијско таложење паре (ЦВД): Ова метода може да произведе 4Х-СиЦ и 6Х-СиЦ високе-чистоће са топлотном проводљивошћу у распону од 350-500 В/(м·К). Док се висока топлотна проводљивост односи на екстракцију топлоте, стабилност димензија осигурава да се сам материјал не деформише након екстракције топлоте. Комбинација оба је кључна за обезбеђивање дугорочно-стабилног рада ласерских уређаја велике снаге у захтевним условима. Користећи двоструке предности високе топлотне проводљивости и стабилности димензија, СиЦ припремљен ЦВД технологијом постаје пожељно решење које балансира перформансе и поузданост.
Физички транспорт паре (ПВТ): Овај процес укључује високе температуре изнад 2000 степени, производећи 4Х-СиЦ и 6Х-СиЦ са топлотном проводљивошћу од 300-490 В/(м·К). Нуди и високу топлотну проводљивост и механичку чврстоћу, што га чини погодним за ласерске уређаје велике снаге са строгим захтевима за стабилност структуре.
Епитаксија течне фазе (ЛПЕ): Ова метода користи релативно умерене температуре у опсегу од 1450-1700 степени, омогућавајући прецизну контролу над формирањем политипова 3Ц-СиЦ и 4Х-СиЦ, постижући топлотну проводљивост од 320-450 В/(м·К). Његове предности су истакнуте у врхунским ласерским уређајима који захтевају велику снагу, високу стабилност и дуг животни век, где је конзистентност политипа критична.
Апликације
Једнокристални СиЦ расхладни елементи:
СиЦ монокристални хладњаци се обично производе узгајањем монокристалних ингота СиЦ помоћу модификоване Лели методе, након чега следи сечење, млевење и полирање. Њихова теоријска топлотна проводљивост може да достигне и до 490 В/(м·К), што је већа од оне код хладњака Цу, 1,5 пута више од АлН хладњака и далеко надмашујући Си хладњаке. То их чини полупроводничким материјалом који највише обећава у напредним апликацијама за паковање које захтевају високо{4}}одвођење топлоте. Користећи високу топлотну проводљивост моно-кристалног СиЦ-а, Ху Схенг'ан ет ал. развили једно-кристалне СиЦ хладњаке и једно-кристалне СиЦ хладњаке-обложене бакром. Спровели су тестове паковања црвених ласерских чипова од 640 нм и{13}}ласерских чипова велике снаге 915 нм. У поређењу са АлН расхладним елементима, црвени ласер од 640 нм упакован са хладњаком од једног-кристалног СиЦ-а показао је смањење граничне струје за 0,25 А, повећање максималне излазне снаге за 0,5 В и ефикасност електро{20}}оптичке конверзије од 42,7%. Полупроводнички ласер од 915 нм упакован са хладњаком обложеним једним-кристалом СиЦ бакра- показао је смањење граничне струје за 0,26 А, повећање максималне излазне снаге за 1,9 В и ефикасност електро{28}}оптичке конверзије од 64,9%. Једнокристални СиЦ хладњаци значајно побољшавају дисипацију топлоте и радне перформансе полупроводничких ласера.
СиЦ керамички микроканални хладњак:
За ласере велике{0}}просечне-снаге којима је потребно течно хлађење, главна решења обухватају микроканалне хладњаке, макро-канало водено хлађење и термоелектрично хлађење. Док системи за хлађење воде са макро-каналом имају једноставну структуру, они пате од ограничене ефикасности хлађења, што често доводи до непотпуног пуњења расхладне течности у близини извора топлоте и локализованог смањења брзине протока, што резултира лошом уједначеношћу температуре. Термоелектрично хлађење може да регулише температуру медијума за појачавање, али његова ефикасност значајно опада у условима високих{6}}температура и суочава се са ограничењима трошкова. Технологија хлађења са микроканалном проводљивошћу, која у великој мери проширује област дисипације топлоте кроз дизајн канала у микроразмери, ефикасно побољшава ефикасност хладњака и униформност температурног поља, постајући фокус истраживања у управљању топлотом за ласере велике{8}}просечне-снаге. Због високе тврдоће и крхкости СиЦ керамике, израда сложених унутрашњих канала протока коришћењем традиционалне ЦНЦ обраде је изузетно тешка. Појава технологија 3Д штампања, као што је дигитална обрада светла (ДЛП), ефикасно је решила овај проблем. Истраживачи сада могу директно да штампају СиЦ керамичке микроканале са сложеним унутрашњим распоређеним пин-структурама пераја (МЦХС-СФ). Ова ребра са иглама интензивно мешају расхладну течност, нарушавајући термички гранични слој и значајно повећавајући пренос топлоте.
Композитне структуре хладњака:
Ово укључује коришћење 4Х-СиЦ као супстрата, епитаксијално узгајање високо топлотно проводљивог поликристалног дијамантског слоја (топлотне проводљивости > 1780 В·м⁻¹·К⁻¹) на његовој задњој страни и израду АлГаН-ГаН хетероструктуре на предњој страни. Интерфејс формиран између дијаманта и СиЦ кроз интимно везивање на атомском-нивоу показује високу чврстоћу везе, густу структуру и неколико дефеката. Уређаји који користе ову композитну подлогу показали су максималну температуру површине 52,5 степени нижу од традиционалних једноструких СиЦ супстрата, смањење топлотне отпорности за 41% и повећање максималне струје одвода за 19%. Што је још важније, значајно смањење радне температуре продужило је средње време до квара (МТТФ) уређаја за више од 100 пута, постижући двоструку оптимизацију ефикасности одвођења топлоте и компатибилности процеса.
