Sa široko rasprostranjenom primjenom lasera velike-snage u poljima kao što su industrijska precizna obrada, 5G/6G komunikacije, autonomna vožnja i laserska medicina, upravljanje toplinom je postalo kritično usko grlo koje ograničava poboljšanje performansi. Loša disipacija topline može dovesti do degradacije optičkih performansi kao što je pomak talasne dužine emisije i skraćeni vijek trajanja fluorescencije u blagim slučajevima, ili uzrokovati starenje uređaja i utjecati na stabilnost izlaza i pouzdanost opreme u teškim slučajevima. Suočavajući se sa stalno rastućom gustinom toplotnog fluksa, tradicionalni metalni i keramički hladnjaci pokazuju se neadekvatnim. Posljedično, poluvodički materijal treće{6}}generacije, Silicijum karbid (SiC), brzo postaje "materijal zvijezde" u polju laserskih hladnjaka velike snage{7}}, koristeći svoje sveobuhvatne prednosti kao što su visoka toplotna provodljivost, nizak koeficijent termičkog širenja i odlična stabilnost.
Koje su prednosti SiC hladnjaka?
Primarne metode hlađenja za poluprovodnička laserska ambalaža velike{0}}e snage uključuju hlađenje hladnjaka prirodnom konvekcijom, mikrokanalno hlađenje, termoelektrično hlađenje i hlađenje raspršivanjem. Među njima, hlađenje hladnjaka prirodnom konvekcijom je najekonomičnija i najčešća metoda hlađenja za poluvodičke lasere s jednim-emiterom zbog svoje lakoće izrade i sklapanja. Tipično, da bi se efektivno smanjila temperatura laserskog čipa, materijali sa visokom toplotnom provodljivošću se koriste kao hladnjaci za povećanje prirodne površine konvekcije, čime se povećava rasipanje toplote. Dok metalni hladnjaci kao što su bakar i aluminijum nude prednosti u pogledu troškova, njihovi koeficijenti termičkog širenja (CTE) se slabo poklapaju sa pojačanim medijima kao što su GaN i InP. Ova neusklađenost može lako izazvati termički stres tokom temperaturnih ciklusa, smanjujući izlazne performanse lasera ili čak uzrokovati pucanje i kvar laserskog čipa. Keramički hladnjaci od aluminijum nitrida (AlN) suočavaju se sa izazovima u kontroli međufaznog toplotnog otpora i održavanju stabilnosti strukture, što otežava ispunjavanje strogih zahteva laserskih sistema na nivou kilovata- i veće snage. Iako CVD dijamant pokazuje odličnu toplotnu provodljivost, troškovi njegove pripreme su previsoki. Nasuprot tome, hladnjaci od silicijum karbida (SiC) pokazuju uvjerljive sveobuhvatne prednosti uz visoku cijenu{10}}performanse:
Visoka toplotna provodljivost: SiC se može pohvaliti toplotnom provodljivošću na sobnoj -temperaturi do 490 W/(m·K). Iako je niža od one kod CVD dijamanta, tehnologija zrele masovne proizvodnje za 6-inčne SiC pločice rezultira jediničnom cijenom koja je samo 1/20 do 1/15 cijene CVD dijamanta.
Nizak koeficijent termičke ekspanzije: SiC ima nizak CTE od 4,0×10⁻⁶/K, što se dobro slaže sa glavnim medijima za pojačavanje lasera kao što su GaN i InP, efikasno potiskujući stvaranje toplotnog naprezanja.
Odlična stabilnost: SiC pokazuje izuzetnu otpornost na oksidaciju i otpornost na zračenje, sa tvrdoćom po Mohsu od 9,2. Može osigurati dugotrajan-stabilan rad laserskih sistema čak i pod teškim uslovima kao što su visoke temperature i jako zračenje.
Priprema SiC hladnjaka
SiC je ne-centrosimetrično jedinjenje zasnovano na kovalentnim vezama. Njegova osnovna struktura sastoji se od poređanih rasporeda četiri atoma silicijuma i jednog atoma ugljika, formirajući tetraedarsku strukturu kroz SP³ hibridizirane kovalentne veze. Uobičajeni SiC politipovi uključuju 3C-SiC, 4H-SiC i 6H-SiC. Razlike u metodama pripreme i karakteristikama performansi između ovih politipova pružaju osnovu za{10}}specifičnu adaptaciju hladnjaka.
Hemijsko taloženje pare (CVD): Ova metoda može proizvesti 4H-SiC i 6H-SiC visoke-čistoće sa toplotnom provodljivošću u rasponu od 350-500 W/(m·K). Dok se visoka toplotna provodljivost odnosi na ekstrakciju toplote, stabilnost dimenzija osigurava da se sam materijal ne deformiše nakon ekstrakcije toplote. Kombinacija oba je ključna za osiguranje dugoročno-stabilnog rada laserskih uređaja velike snage u zahtjevnim uvjetima. Koristeći dvostruke prednosti visoke toplotne provodljivosti i stabilnosti dimenzija, SiC pripremljen CVD tehnologijom postaje poželjno rešenje koje balansira performanse i pouzdanost.
Fizički transport pare (PVT): Ovaj proces uključuje visoke temperature iznad 2000 stepeni, proizvodeći 4H-SiC i 6H-SiC sa toplotnom provodljivošću od 300-490 W/(m·K). Nudi i visoku toplotnu provodljivost i mehaničku čvrstoću, što ga čini pogodnim za laserske uređaje velike snage sa strogim zahtevima za strukturnu stabilnost.
Epitaksija tečne faze (LPE): Ova metoda koristi relativno umjerene temperature u rasponu od 1450-1700 stepeni, omogućavajući preciznu kontrolu nad formiranjem 3C-SiC i 4H-SiC politipova, postižući toplotnu provodljivost od 320-450K W/(m·K). Njegove prednosti su istaknute u vrhunskim laserskim uređajima koji zahtijevaju veliku snagu, visoku stabilnost i dug životni vijek, gdje je konzistentnost politipa kritična.
Prijave
Jednokristalni SiC hladnjak:
SiC monokristalni hladnjaci se obično proizvode uzgojem SiC monokristalnih ingota korištenjem modificirane Lely metode, nakon čega slijedi rezanje, mljevenje i poliranje. Njihova teoretska toplotna provodljivost može doseći i do 490 W/(m·K), što je više nego kod Cu hladnjaka, 1,5 puta više od AlN hladnjaka i daleko nadmašuje Si hladnjake. To ih čini poluprovodničkim materijalom koji najviše obećava u naprednim aplikacijama za pakovanje koje zahtijevaju visoko{4}}odvođenje topline. Koristeći visoku toplotnu provodljivost mono{6}}kristalnog SiC-a, Hu Sheng'an et al. razvili jedno-kristalne SiC hladnjake i jedno-kristalne SiC bakrene-hladnjake obložene. Proveli su testove pakovanja na 640nm crvenim laserskim čipovima i-laserskim čipovima velike snage 915nm, respektivno. U poređenju sa AlN rashladnim elementima, crveni laser od 640 nm upakovan sa hladnjakom od jednog-kristalnog SiC-a pokazao je smanjenje granične struje za 0,25 A, povećanje maksimalne izlazne snage za 0,5 W i efikasnost elektro{20}}optičke konverzije od 42,7%. Poluprovodnički laser od 915 nm upakovan sa hladnjakom obloženim jednim-kristalom SiC bakra- pokazao je smanjenje granične struje za 0,26 A, povećanje maksimalne izlazne snage za 1,9 W i efikasnost elektro{28}}optičke konverzije od 64,9%. Jednokristalni SiC hladnjaci značajno poboljšavaju disipaciju topline i radne performanse poluvodičkih lasera.
SiC keramički mikrokanalni hladnjak:
Za lasere velike{0}}prosječne-lasere koji zahtijevaju tečno hlađenje, glavna rješenja uključuju mikrokanalne hladnjake, makro{2}}kanalo vodeno hlađenje i termoelektrično hlađenje. Iako sistemi za hlađenje vode s makro{4}}kanalom imaju jednostavnu strukturu, oni pate od ograničene efikasnosti hlađenja, što često dovodi do nepotpunog punjenja rashladnog sredstva u blizini izvora topline i lokaliziranog smanjenja brzine protoka, što rezultira lošom ujednačenošću temperature. Termoelektrično hlađenje može regulisati temperaturu medijuma za pojačavanje, ali njegova efikasnost značajno opada pod uslovima visoke{6}}temperature i suočava se sa ograničenjima troškova. Tehnologija hlađenja sa mikrokanalnom provodljivošću, koja uvelike proširuje područje disipacije topline kroz dizajn kanala mikrorazmjera, efikasno poboljšava efikasnost hladnjaka i ujednačenost temperaturnog polja, postajući fokus istraživanja u upravljanju toplinom za lasere velike{8}}prosječne-snage. Zbog visoke tvrdoće i krhkosti SiC keramike, izrada složenih kanala unutrašnjeg protoka pomoću tradicionalne CNC obrade je izuzetno teška. Pojava tehnologija 3D štampanja, kao što je digitalna obrada svetla (DLP), efikasno je rešila ovaj problem. Istraživači sada mogu direktno odštampati SiC keramičke mikrokanale sa složenim unutrašnjim raspoređenim pin-strukturama peraja (MCHS-SF). Ova klinasta rebra intenzivno potresaju rashladnu tečnost, narušavajući termički granični sloj i značajno povećavajući prenos toplote.
Kompozitne strukture hladnjaka:
Ovo uključuje korištenje 4H-SiC kao supstrata, epitaksijalno uzgajanje visoko toplinski provodljivog polikristalnog dijamantskog sloja (toplotne provodljivosti > 1780 W·m⁻¹·K⁻¹) na njegovoj stražnjoj strani i izradu AlGaN-GaN heterostrukture na prednjoj strani. Interfejs formiran između dijamanta i SiC kroz intimno povezivanje na atomskom-nivou pokazuje visoku čvrstoću veze, gustu strukturu i nekoliko defekata. Uređaji koji koriste ovu kompozitnu podlogu pokazali su maksimalnu temperaturu površine 52,5 stepeni nižu od tradicionalnih jednostrukih SiC supstrata, smanjenje toplotne otpornosti za 41% i povećanje maksimalne struje odvoda za 19%. Što je još kritičnije, značajno smanjenje radne temperature produžilo je srednje vrijeme do kvara (MTTF) uređaja za više od 100 puta, postižući dvostruku optimizaciju efikasnosti odvođenja topline i kompatibilnosti procesa.
