Проблемы теплового управления высокопроизводительных полупроводниковых лазеров и основная конкурентоспособность теплоотводов SiC

Высокомощные полупроводниковые лазеры широко используются в промышленном производстве, оборонных и военных системах, биомедицинских приложениях и научных исследованиях.Тепловое управление после упаковки устройств уже давно является критическим узким горлом, ограничивающим их производительность и надежность.Решение этой проблемы зависит от интеграции теплоотводящих материалов, которые предлагают превосходную способность рассеивания тепла и большую тепловую стабильность в условиях высокой температуры.

Основная конкурентоспособностьСиликоновый карбид (SiC)Теплоотводы

В качестве основного носителя теплопередачи производительность теплоотвода напрямую определяет эффективность теплового управления.Технические ограничения традиционных решений становятся все более очевидными.

Металлические теплоотводы, такие как медь и алюминий, являются экономически эффективными, но страдают от серьезного дисбаланса теплового расширения с распространенными средствами лазерного увеличения, такими как GaN и InP,приводит к концентрированному тепловому напряжению во время температурного циклаКерамические теплоотводы из нитрида алюминия (AlN) сталкиваются с проблемами в управлении тепловым сопротивлением поверхности и сохранении структурной стабильности.что делает их неадекватными для лазерных систем уровня киловатт и вышеНесмотря на то, что алмазы с химическим отложением паров (CVD) обладают исключительной теплопроводностью,Его чрезвычайно высокая стоимость изготовления и продолжающиеся трудности в борьбе с дефектами для пластин размером более 3 дюймов ограничивают его широкомасштабное применение..

В отличие от этого, теплоотводы из карбида кремния (SiC) демонстрируют явные всеобъемлющие преимущества.

1Отличное соответствие тепловых параметров и сбалансированная производительность

Си-Си имеет превосходный баланс тепловой производительности. Его теплопроводность при комнатной температуре достигает 360-490 W·m−1·K−1, что сопоставимо с медью (397 W·m−1·K−1) и 1,66 ̊2.26 раз выше, чем у алюминия (217 W·m−1·K−1), обеспечивая прочную основу для эффективного рассеивания тепла в высокомощных лазерных системах.

С точки зрения теплового расширения, SiC имеет коэффициент 3,8 ≈ 4,3 × 10−6 K−1, близко совпадающий с GaN (3,17 × 10−6 K−1) и InP (4,6 × 10−6 K−1).5 × 10−6 K−1) и алюминия (23.1 × 10−6 K−1), эффективно уменьшающий тепловое напряжение поверхности.

В сравнении с алмазом CVD и AlN баланс производительности SiC еще более выражен.его коэффициент теплового расширения (1.0 × 10−6 K−1) сильно не совпадает с средствами усиления, такими как Yb:YAG (6,8 × 10−6 K−1).5 × 10−6 K−1) но его теплопроводность (180 W·m−1·K−1) составляет только около 45% от 4H-SiC, что значительно ограничивает эффективность теплораспределения.

Это уникальное сочетаниевысокая теплопроводность и отличное соответствие теплового расширенияSiC позиционируется как оптимальный материал с хорошо сбалансированными тепловыми характеристиками.

2Сильная адаптация к окружающей среде и высокая операционная стабильность

SiC обладает превосходной устойчивостью к окислению, радиационной стойкостью и твердостью Моха до 9.2Эти свойства позволяют ему выдерживать суровые условия эксплуатации с высокой температурой и интенсивным излучением.поддержка долгосрочной стабильной работы высокомощных лазерных систем и снижение затрат на техническое обслуживание.

Для сравнения, традиционные металлические теплоотводы имеют явные недостатки: медь подвержена окислению и коррозии.вызывая увеличение теплового сопротивления интерфейса с течением времени и приводит к постепенному снижению производительности теплорассеиванияАлюминий, с другой стороны, страдает от недостаточной механической прочности, с твердостью Бринеля всего 20-35 HB, что делает его восприимчивым к деформации во время сборки и эксплуатации.

3Отличная совместимость связей и низкие инженерные барьеры

SiC очень совместим с различными технологиями связывания, включая металлизированное связывание, прямое связывание и эвтектическое связывание,позволяет интегрировать с низким интерфейсным терморезистентностью с соединенными полупроводниками, такими как GaN и InPЭта универсальность обеспечивает большую гибкость проектирования для гетерогенных интеграционных решений.

Кроме того, зрелость процессов связывания SiC значительно снижает барьеры для инженерного внедрения, обеспечивает совместимость с существующими линиями производства полупроводников,и ускоряет переход от лабораторных исследований к практическим применениям.

Благодаря этим преимуществам SiC стал предпочтительным теплоотводящим материалом для высокомощных лазеров и широко используется в полупроводниковых лазерах (LD), лазерах с тонкими дисками (TDL),и лазеров вертикальной полости, излучающих поверхность (VCSEL).

Способы приготовления теплоотводов SiC и адаптация к конкретному применению

Как полупроводник с широким диапазоном, SiC существует в нескольких политипах, включая 3C-SiC, 4H-SiC и 6H-SiC.Различия в методах приготовления и свойствах материалов обеспечивают основу для оптимизации теплоотвода для конкретного применения.

(1) Физический транспорт пара (PVT)

Приготавливается при температурах выше 2000 °C, получая 4H-SiC и 6H-SiC с теплопроводностью 300 ∼490 W·m−1·K−1. Эти материалы обладают высокой теплопроводностью и механической прочностью,что делает их подходящими для высокомощных лазерных устройств с строгими требованиями к стабильности конструкции.

(2) Эпитаксия жидкой фазы (LPE)

Проводится при относительно умеренных температурах (1450-1700 °C), что позволяет точно контролировать политипы 3C-SiC и 4H-SiC. Теплопроводность колеблется от 320-450 W·m-1·K-1.LPE-SiC особенно полезен в высокопроизводительных лазерных устройствах, требующих высокой мощности, длительный срок службы, и строгая кристаллическая консистенция.

(3) Химическое отложение паров (CVD)

Производит высокочистый 4H-SiC и 6H-SiC с теплопроводностью 350 500 W·m−1·K−1.отличная стабильность измерений предотвращает деформацию после удаления теплаСочетание этих атрибутов имеет важное значение для долгосрочной стабильной работы в экстремальных условиях, что делает CVD-SiC предпочтительным решением, которое балансирует производительность и надежность.

Резюме

Благодаря превосходному соответствию тепловых параметров, сильной адаптивности к окружающей среде и отличной совместимости процессов, SiC стал идеальным материалом для теплоотвода для высокомощных лазерных систем.В гетерогенных соединениях, используя дифференцированные характеристики теплового расширения различных политипов SiC и кристаллической ориентации, обеспечивает оптимальное соответствие интерфейсов и максимальную производительность рассеивания тепла.