S rozsáhlým používáním- laserů s vysokým výkonem v oborech, jako je průmyslové přesné obrábění, komunikace 5G/6G, autonomní řízení a laserová medicína, se řízení teploty stalo kritickým problémem omezujícím zlepšování výkonu. Špatný odvod tepla může v mírných případech vést k degradaci optického výkonu, jako je posun emisní vlnové délky a zkrácení životnosti fluorescence, nebo může způsobit stárnutí zařízení a v těžkých případech ovlivnit výstupní stabilitu a spolehlivost zařízení. Vzhledem k neustále rostoucí hustotě tepelného toku se tradiční kovové a keramické chladiče ukazují jako nedostatečné. V důsledku toho se polovodičový materiál třetí-generace, karbid křemíku (SiC), rychle stává „hvězdným materiálem“ v oblasti vysokovýkonných laserových chladičů, přičemž využívá své komplexní výhody, jako je vysoká tepelná vodivost, nízký koeficient tepelné roztažnosti a vynikající stabilita.
Jaké jsou výhody SiC chladičů?
Primární způsoby chlazení pro vysoce-výkonové polovodičové laserové obaly zahrnují chlazení přirozeným konvekčním chladičem, mikrokanálové chlazení, termoelektrické chlazení a chlazení sprejem. Mezi nimi je chlazení chladičem přirozenou konvekcí nejekonomičtější a nejběžnější způsob chlazení pro polovodičové lasery s jedním-zářičem díky snadné výrobě a montáži. Typicky se pro účinné snížení teploty laserového čipu používají materiály s vysokou tepelnou vodivostí jako chladiče pro zvětšení plochy povrchu přirozené konvekce, čímž se zlepší odvod tepla. Zatímco kovové chladiče jako měď a hliník nabízejí nákladové výhody, jejich koeficienty tepelné roztažnosti (CTE) se špatně shodují se ziskovými médii, jako je GaN a InP. Tento nesoulad může snadno vyvolat tepelné namáhání během teplotních cyklů, snížit výstupní výkon laseru nebo dokonce způsobit prasknutí a selhání laserového čipu. Keramické chladiče z nitridu hliníku (AlN) čelí výzvám při řízení tepelného odporu na rozhraní a udržování strukturální stability, což ztěžuje splnění přísných požadavků na laserové systémy na úrovni kilowatt-a vyššího výkonu. Ačkoli CVD diamant vykazuje vynikající tepelnou vodivost, náklady na jeho přípravu jsou neúměrně vysoké. Naproti tomu chladiče z karbidu křemíku (SiC) demonstrují přesvědčivé komplexní výhody s vysokým{10}}cenovým výkonem:
Vysoká tepelná vodivost: SiC se může pochlubit tepelnou vodivostí při pokojové teplotě až 490 W/(m·K). Ačkoli je nižší než u CVD diamantu, vyspělá technologie hromadné výroby 6palcových SiC destiček má za následek jednotkové náklady, které jsou pouze 1/20 až 1/15 ceny CVD diamantu.
Nízký koeficient tepelné roztažnosti: SiC má nízkou CTE 4,0 × 10⁻⁶/K, což se dobře hodí k běžným laserovým ziskovým médiím, jako jsou GaN a InP, a účinně potlačuje vznik tepelného stresu.
Vynikající stabilita: SiC vykazuje vynikající odolnost proti oxidaci a radiaci s tvrdostí podle Mohse 9,2. Dokáže zajistit dlouhodobý-stabilní provoz laserových systémů i v náročných podmínkách, jako jsou vysoké teploty a silné záření.
Příprava SiC chladičů
SiC je ne-centrosymetrická sloučenina založená na kovalentních vazbách. Jeho základní struktura se skládá ze stupňovitých uspořádání čtyř atomů křemíku a jednoho atomu uhlíku, které tvoří tetraedrickou strukturu prostřednictvím hybridizovaných kovalentních vazeb SP3. Mezi běžné polytypy SiC patří 3C-SiC, 4H-SiC a 6H-SiC. Rozdíly v metodách přípravy a výkonnostních charakteristikách mezi těmito polytypy poskytují základ pro{10}}specifickou úpravu chladičů.
Chemická depozice z plynné fáze (CVD): Tato metoda může produkovat vysoce{0}}čistotu 4H-SiC a 6H-SiC s tepelnou vodivostí v rozmezí od 350-500 W/(m·K). Zatímco vysoká tepelná vodivost řeší odběr tepla, rozměrová stabilita zajišťuje, že se samotný materiál po odběru tepla nedeformuje. Kombinace obou je klíčová pro zajištění dlouhodobého-stabilního provozu vysoce výkonných laserových zařízení v náročných podmínkách. Využitím dvojích výhod vysoké tepelné vodivosti a rozměrové stability se SiC připravený technologií CVD stává preferovaným řešením vyvažujícím výkon a spolehlivost.
Fyzikální transport páry (PVT): Tento proces zahrnuje vysoké teploty nad 2000 stupňů, produkující 4H-SiC a 6H-SiC s tepelnou vodivostí 300-490 W/(m·K). Nabízí vysokou tepelnou vodivost a mechanickou pevnost, díky čemuž je vhodný pro vysoce výkonná laserová zařízení s přísnými požadavky na strukturální stabilitu.
Epitaxe v kapalné fázi (LPE): Tato metoda využívá relativně mírné teploty v rozsahu 1450-1700 stupňů, což umožňuje přesnou kontrolu nad tvorbou polytypů 3C-SiC a 4H-SiC a dosahuje tepelné vodivosti 320–450 W/(m·K). Jeho výhody vynikají u špičkových laserových zařízení vyžadujících vysoký výkon, vysokou stabilitu a dlouhou životnost, kde je kritická konzistence polytypu.
Aplikace
Jednokrystalové chladiče SiC:
Monokrystalové chladiče SiC se typicky vyrábějí pěstováním monokrystalických ingotů SiC s použitím modifikované metody Lely, po které následuje krájení, broušení a leštění. Jejich teoretická tepelná vodivost může dosáhnout až 490 W/(m·K), což je více než u Cu chladičů, 1,5krát větší než u AlN chladičů a daleko předčí Si chladiče. To z nich dělá nejslibnější polovodičový materiál v pokročilých obalových aplikacích vyžadujících špičkový-odvod tepla. Využitím vysoké tepelné vodivosti monokrystalického SiC Hu Sheng'an et al. vyvinuli jedno-krystalické SiC chladiče a jedno-krystalické SiC měděné-chladiče. Provedli testy balení na 640nm červených laserových čipech a{13}}výkonných 915nm laserových čipech. Ve srovnání s chladiči AlN vykázal 640nm červený laser s jednokrystalickým chladičem SiC snížení prahového proudu o 0,25 A, zvýšení maximálního výstupního výkonu o 0,5 W a účinnost elektro-optické konverze 42,7 %. 915nm polovodičový laser v balení s chladičem potaženým jedno-krystalickou mědí SiC-vykázal snížení prahového proudu o 0,26 A, zvýšení maximálního výstupního výkonu o 1,9 W a účinnost elektro-optické konverze 64,9 %. Jednokrystalické chladiče SiC výrazně zvyšují odvod tepla a provozní výkon polovodičových laserů.
SiC keramické mikrokanálové chladiče:
Pro vysoce-průměrné-lasery vyžadující kapalinové chlazení patří mezi hlavní řešení mikrokanálové chladiče, makro-kanálové vodní chlazení a termoelektrické chlazení. Zatímco makro-kanálové systémy vodního chlazení mají jednoduchou strukturu, trpí omezenou účinností chlazení, což často vede k neúplnému plnění chladicí kapaliny v blízkosti zdroje tepla a lokálnímu snížení rychlosti proudění, což má za následek špatnou rovnoměrnost teploty. Termoelektrické chlazení může regulovat teplotu zesilovacího média, ale jeho účinnost výrazně klesá za vysokých-teplotních podmínek a čelí cenovým omezením. Technologie mikrokanálového kondukčního chlazení, která výrazně rozšiřuje oblast rozptylu tepla prostřednictvím mikroprojektů kanálů, účinně zvyšuje účinnost chladiče a rovnoměrnost teplotního pole a stává se výzkumným zaměřením v oblasti tepelného managementu pro lasery s vysokým-průměrným{9}}výkonem. Vzhledem k vysoké tvrdosti a křehkosti SiC keramiky je výroba složitých vnitřních průtokových kanálů pomocí tradičního CNC obrábění extrémně obtížná. Vznik technologií 3D tisku, jako je Digital Light Processing (DLP), tento problém efektivně vyřešil. Vědci nyní mohou přímo tisknout keramické mikrokanálky SiC se složitými vnitřními strukturami kolíkových-žeber (MCHS-SF). Tyto čepové žebra intenzivně míchají chladicí kapalinu, narušují tepelnou mezní vrstvu a výrazně zvyšují přenos tepla.
Kompozitní konstrukce chladiče:
To zahrnuje použití 4H-SiC jako substrátu, epitaxní růst vysoce tepelně vodivé polykrystalické diamantové vrstvy (tepelná vodivost > 1780 W·m⁻¹·K⁻¹) na její zadní straně a výrobu heterostruktury AlGaN-GaN na přední straně. Rozhraní vytvořené mezi diamantem a SiC prostřednictvím intimní vazby na atomové-úrovni vykazuje vysokou pevnost vazby, hustou strukturu a málo defektů. Zařízení využívající tento kompozitní substrát prokázala maximální povrchovou teplotu o 52,5 stupně nižší než tradiční jednoduché struktury SiC substrátu, 41% snížení tepelného odporu a 19% zvýšení maximálního svodového proudu. Ještě důležitější je, že výrazné snížení provozní teploty prodloužilo střední dobu selhání zařízení (MTTF) více než 100krát, čímž bylo dosaženo dvojí optimalizace účinnosti odvodu tepla a kompatibility procesu.
