Thermische beheersing van hoogvermogende halfgeleiderlasers en de essentiële concurrentiepositie van SiC-warmteafvoerers

Hogevermogende halfgeleiderlasers worden veel gebruikt in industriële productie, defensie en militaire systemen, biomedische toepassingen en wetenschappelijk onderzoek.thermisch beheer na het verpakken van apparaten is al lang een kritieke knelpunt geweest die hun prestaties en betrouwbaarheid beperktOm deze uitdaging aan te pakken, is de integratie van warmtesinkmaterialen nodig die een superieure warmteafvoerbaarheid en een grotere thermische stabiliteit bieden onder hoge temperatuuromstandigheden.

Kerncompetitiviteit vanSiliciumcarbide (SiC)Warmteafvoeringen

Als primaire drager van warmteoverdracht bepaalt de prestaties van een koelplaat rechtstreeks de effectiviteit van het thermisch beheer.De technische beperkingen van conventionele oplossingen worden steeds duidelijker.

Metalen warmtezuigers zoals koper en aluminium zijn kosteneffectief, maar lijden aan ernstige thermische uitbreidingsverschillen met veel voorkomende laservergrotingsmedia zoals GaN en InP,wat leidt tot geconcentreerde thermische spanning tijdens de temperatuurcyclusDe keramische hittezuigers van aluminiumnitride (AlN) worden geconfronteerd met uitdagingen bij het beheersen van de thermische weerstand van het oppervlak en het handhaven van de structurele stabiliteit.waardoor ze ontoereikend zijn voor lasersystemen met een kilowattniveau en hogerHoewel chemische dampdepositie (CVD) diamanten een uitzonderlijke thermische geleidbaarheid bieden,De extreem hoge productiekosten en de voortdurende problemen bij de controle van defecten voor wafers groter dan 3 inch beperken de grootschalige adoptie ervan..

In tegenstelling hiertoe vertonen siliconcarbide (SiC) -warmtezuigers duidelijke algemene voordelen.

1Uitstekende thermische parameters en evenwichtige prestaties

SiC vertoont een uitstekende thermische prestatiebalans. De thermische geleidbaarheid bij kamertemperatuur bereikt 360-490 W·m−1·K−1, vergelijkbaar met koper (397 W·m−1·K−1) en 1,66 ̊2.26 keer hoger dan dat van aluminium (217 W·m−1·K−1), die een solide basis vormen voor een efficiënte warmteafvoer in hoogvermogende lasersystemen.

In termen van thermische uitbreiding heeft SiC een coëfficiënt van 3,8 ∼4,3 × 10−6 K−1, nauw overeenkomend met GaN (3,17 × 10−6 K−1) en InP (4,6 × 10−6 K−1).5 × 10−6 K−1) en aluminium (23.1 × 10−6 K−1), waardoor de interfaciale thermische spanning effectief wordt verminderd.

In vergelijking met CVD-diamant en AlN is de prestatiebalans van SiC nog duidelijker.de thermische uitbreidingscoëfficiënt (1.0 × 10−6 K−1) is ernstig mismatched met gain media zoals Yb:YAG (6.8 × 10−6 K−1). AlN biedt een thermische uitbreidingscoëfficiënt dicht bij die van SiC (4.5 × 10−6 K−1) maar de thermische geleidbaarheid (180 W·m−1·K−1) is slechts ongeveer 45% van die van 4H-SiC, waardoor de warmteafvoer aanzienlijk wordt beperkt.

Deze unieke combinatie vanhoge thermische geleidbaarheid en uitstekende thermische uitbreidingsmatchingSiC wordt gepositioneerd als een optimaal materiaal met een evenwichtige thermische prestatie.

2Sterke aanpassingsvermogen en hoge operationele stabiliteit

SiC vertoont uitstekende oxidatiebestandheid, stralingsduld en een Mohs-hardheid tot 9.2Deze eigenschappen stellen het in staat om te bestand te zijn tegen zware werkomgevingen met hoge temperaturen en intense straling.ondersteuning van de lange termijn stabiele werking van lasersystemen met een hoog vermogen en vermindering van de onderhoudskosten.

In vergelijking hiermee hebben de traditionele metalen hittezuigers duidelijke tekortkomingen: koper is gevoelig voor oxidatie en corrosie.waardoor de thermische weerstand van het oppervlak in de loop van de tijd toeneemt en de warmteafvoer geleidelijk afneemtAluminium daarentegen lijdt aan een onvoldoende mechanische sterkte, met een Brinellhardheid van slechts 20­35 HB, waardoor het tijdens de montage en het gebruik gevoelig is voor vervorming.

3. Uitstekende binding compatibiliteit en lage technische barrières

SiC is zeer compatibel met verschillende bindingstechnologieën, waaronder gemetalliseerde binding, directe binding en eutectische binding,met een vermogen van meer dan 50 W, maar niet meer dan 150 W,Deze veelzijdigheid biedt voldoende flexibiliteit bij het ontwerpen van heterogene integratieoplossingen.

Bovendien vermindert de volwassenheid van SiC-bindingsprocessen de belemmeringen voor technische implementatie aanzienlijk en zorgt deze voor compatibiliteit met bestaande halfgeleiderproductielijnen.en versnelt de overgang van laboratoriumonderzoek naar praktische toepassingen.

Als gevolg van deze voordelen is SiC het voorkeurmaterieel voor warmteafzuigers voor hoogvermogen lasers geworden en wordt het veel gebruikt in halfgeleiderlasers (LD's), dunne schijflasers (TDL's),met een vermogen van niet meer dan 50 W.

Voorbereidingsmethoden van SiC-warmteafvoeringen en toepassingsspecifieke aanpassing

Als een breedbandsemiconductor bestaat SiC in meerdere polytypen, waaronder 3C-SiC, 4H-SiC en 6H-SiC.Verschillen in bereidingsmethoden en materiaal eigenschappen vormen een basis voor toepassingsspecifieke optimalisatie van de hitteafvoer.

(1) Fysiek stoomtransport (PVT)

Voorbereid bij temperaturen boven 2000 °C, waarbij 4H-SiC en 6H-SiC met een warmtegeleidbaarheid van 300 ∼490 W·m−1·K−1 worden geproduceerd.die geschikt zijn voor laserapparaten met een hoog vermogen met strenge eisen aan de structurele stabiliteit.

(2) Epitaxie in vloeibare fase (LPE)

De thermische geleidbaarheid varieert van 320-450 W·m−1·K−1.LPE-SiC is bijzonder gunstig in high-end laserapparaten die een hoog vermogen vereisen, lange levensduur, en strikte kristalconsistentie.

(3) Chemische dampafzetting (CVD)

Het produceert hoogzuivere 4H-SiC en 6H-SiC met een warmtegeleidbaarheid van 350·500 W·m−1·K−1.terwijl uitstekende dimensionale stabiliteit verhindert vervorming na het verwijderen van warmteDe combinatie van deze eigenschappen is essentieel voor langdurige stabiele werking onder extreme omstandigheden, waardoor CVD-SiC een voorkeursoplossing is die prestaties en betrouwbaarheid in evenwicht brengt.

Samenvatting

Met zijn superieure thermische parametermatching, sterke aanpassingsvermogen voor het milieu en uitstekende procescompatibiliteit is SiC uitgegroeid tot een ideaal warmteafzuigmateriaal voor hoogvermogende lasersystemen.in heterogene gebonden apparaten, die gebruikmaakt van de gedifferentieerde thermische uitbreidingskenmerken van verschillende SiC-polytypen en kristaloriëntatie, zorgt voor een optimale matching van de interfaces en een maximale warmteafvoerprestatie.