Laser bán dẫn công suất cao được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp, hệ thống quốc phòng và quân sự, ứng dụng y sinh và nghiên cứu khoa học.quản lý nhiệt sau khi đóng gói thiết bị từ lâu đã là một nút thắt quan trọng hạn chế hiệu suất và độ tin cậy của chúngGiải quyết thách thức này phụ thuộc vào việc tích hợp các vật liệu thấm nhiệt cung cấp khả năng phân tán nhiệt vượt trội và ổn định nhiệt cao hơn trong điều kiện hoạt động nhiệt độ cao.
Là chất vận chuyển nhiệt chính, hiệu suất của tản nhiệt trực tiếp quyết định hiệu quả quản lý nhiệt.Những hạn chế kỹ thuật của các giải pháp thông thường ngày càng trở nên rõ ràng.
Các tản nhiệt kim loại như đồng và nhôm có hiệu quả về chi phí nhưng bị sự không phù hợp về mở rộng nhiệt nghiêm trọng với các phương tiện tăng laser phổ biến như GaN và InP,dẫn đến căng thẳng nhiệt tập trung trong chu kỳ nhiệt độCác tản nhiệt gốm nhôm nitride (AlN) phải đối mặt với những thách thức trong việc kiểm soát sức đề kháng nhiệt giao diện và duy trì sự ổn định cấu trúc.làm cho chúng không phù hợp với các hệ thống laser cấp kilowatt và cao hơnMặc dù kim cương lắng đọng hơi hóa học (CVD) cung cấp tính dẫn nhiệt đặc biệt,Chi phí sản xuất quá cao và khó khăn liên tục trong kiểm soát khiếm khuyết cho các wafer lớn hơn 3 inch hạn chế việc áp dụng quy mô lớn.
Ngược lại, các tản nhiệt silicon carbide (SiC) cho thấy những lợi thế toàn diện rõ ràng.
SiC thể hiện sự cân bằng hiệu suất nhiệt xuất sắc. Độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng đạt 360 ̊490 W·m−1 ̊K−1, tương đương với đồng (397 W·m−1 ̊K−1) và 1,66 ̊2.26 lần cao hơn nhôm (217 W·m−1·K−1), cung cấp một nền tảng vững chắc cho sự phân tán nhiệt hiệu quả trong các hệ thống laser công suất cao.
Về mặt mở rộng nhiệt, SiC có hệ số 3,8 ∼4,3 × 10−6 K−1, tương ứng chặt chẽ với GaN (3,17 × 10−6 K−1) và InP (4,6 × 10−6 K−1).5 × 10−6 K−1) và nhôm (23.1 × 10−6 K−1), làm giảm hiệu quả căng thẳng nhiệt giao diện.
So với kim cương CVD và AlN, cân bằng hiệu suất của SiC thậm chí còn rõ rệt hơn.hệ số mở rộng nhiệt của nó (1.0 × 10−6 K−1) không phù hợp với các phương tiện gia tăng như Yb:YAG (6.8 × 10−6 K−1).5 × 10−6 K−1) nhưng độ dẫn nhiệt của nó (180 W·m−1·K−1) chỉ khoảng 45% của 4H-SiC, hạn chế đáng kể hiệu quả phân tán nhiệt.
Sự kết hợp độc đáo này củadẫn nhiệt cao và phù hợp với sự mở rộng nhiệt tuyệt vờivị trí SiC như một vật liệu tối ưu với hiệu suất nhiệt cân bằng.
SiC thể hiện khả năng chống oxy hóa tuyệt vời, dung nạp bức xạ và độ cứng Mohs lên đến 9.2Các tính chất này cho phép nó chịu được môi trường hoạt động khắc nghiệt liên quan đến nhiệt độ cao và bức xạ mạnh.hỗ trợ hoạt động ổn định lâu dài của các hệ thống laser công suất cao và giảm chi phí bảo trì.
Để so sánh, các tản nhiệt kim loại truyền thống có những thiếu sót rõ ràng.gây ra sức đề kháng nhiệt giao diện tăng theo thời gian và dẫn đến sự suy giảm dần hiệu suất phân tán nhiệtMặt khác, nhôm không đủ sức mạnh cơ học, với độ cứng Brinell chỉ là 20-35 HB, khiến nó dễ bị biến dạng trong quá trình lắp ráp và vận hành.
SiC rất tương thích với các công nghệ liên kết khác nhau, bao gồm liên kết kim loại hóa, liên kết trực tiếp và liên kết eutectic,cho phép tích hợp kháng nhiệt giao diện thấp với các chất bán dẫn hợp chất như GaN và InPTính linh hoạt này cung cấp sự linh hoạt thiết kế rộng rãi cho các giải pháp tích hợp đa dạng.
Hơn nữa, sự trưởng thành của các quy trình liên kết SiC làm giảm đáng kể các rào cản cho việc thực hiện kỹ thuật, đảm bảo khả năng tương thích với các dây chuyền sản xuất bán dẫn hiện có,và đẩy nhanh quá trình chuyển đổi từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm sang ứng dụng thực tế.
Do những lợi thế này, SiC đã trở thành vật liệu thermopropane được ưa thích cho laser công suất cao và được sử dụng rộng rãi trong laser bán dẫn (LD), laser đĩa mỏng (TDL),và laser phát xạ bề mặt lỗ thẳng đứng (VCSEL).
Là một chất bán dẫn băng tần rộng, SiC tồn tại trong nhiều polytyp, bao gồm 3C-SiC, 4H-SiC và 6H-SiC.Sự khác biệt trong phương pháp chuẩn bị và tính chất vật liệu cung cấp một cơ sở cho việc tối ưu hóa tản nhiệt cụ thể cho ứng dụng.
(1) Phân chuyển hơi vật lý (PVT)
Được chuẩn bị ở nhiệt độ trên 2000 °C, tạo ra 4H-SiC và 6H-SiC với độ dẫn nhiệt 300 ⋅ 490 W·m−1 ⋅ K−1. Những vật liệu này có độ dẫn nhiệt cao và độ bền cơ học,làm cho chúng phù hợp với các thiết bị laser công suất cao với các yêu cầu ổn định cấu trúc nghiêm ngặt.
(2) Epitaxy pha lỏng (LPE)
Được tiến hành ở nhiệt độ tương đối vừa phải (1450 ∼1700 °C), cho phép kiểm soát chính xác các polytyp 3C-SiC và 4H-SiC. Độ dẫn nhiệt dao động từ 320 ∼450 W·m−1·K−1.LPE-SiC đặc biệt thuận lợi trong các thiết bị laser cao cấp đòi hỏi công suất cao, tuổi thọ dài, và kết cấu tinh thể nghiêm ngặt.
(3) Sự lắng đọng hơi hóa học (CVD)
Sản xuất 4H-SiC và 6H-SiC tinh khiết cao với độ dẫn nhiệt 350 ⋅ 500 W·m−1 ⋅ K−1.trong khi sự ổn định kích thước tuyệt vời ngăn ngừa biến dạng sau khi loại bỏ nhiệtSự kết hợp của các thuộc tính này là rất cần thiết cho hoạt động ổn định lâu dài trong điều kiện cực đoan, làm cho CVD-SiC là một giải pháp ưa thích cân bằng hiệu suất và độ tin cậy.
Với sự phù hợp các tham số nhiệt vượt trội, khả năng thích nghi môi trường mạnh mẽ và khả năng tương thích quá trình tuyệt vời, SiC đã nổi lên như một vật liệu thermopropane lý tưởng cho các hệ thống laser công suất cao.Trong các thiết bị liên kết khác nhau, tận dụng các đặc điểm mở rộng nhiệt khác nhau của các đa loại SiC và định hướng tinh thể khác nhau cho phép khớp giao diện tối ưu và tối đa hóa hiệu suất tiêu hao nhiệt.
Laser bán dẫn công suất cao được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp, hệ thống quốc phòng và quân sự, ứng dụng y sinh và nghiên cứu khoa học.quản lý nhiệt sau khi đóng gói thiết bị từ lâu đã là một nút thắt quan trọng hạn chế hiệu suất và độ tin cậy của chúngGiải quyết thách thức này phụ thuộc vào việc tích hợp các vật liệu thấm nhiệt cung cấp khả năng phân tán nhiệt vượt trội và ổn định nhiệt cao hơn trong điều kiện hoạt động nhiệt độ cao.
Là chất vận chuyển nhiệt chính, hiệu suất của tản nhiệt trực tiếp quyết định hiệu quả quản lý nhiệt.Những hạn chế kỹ thuật của các giải pháp thông thường ngày càng trở nên rõ ràng.
Các tản nhiệt kim loại như đồng và nhôm có hiệu quả về chi phí nhưng bị sự không phù hợp về mở rộng nhiệt nghiêm trọng với các phương tiện tăng laser phổ biến như GaN và InP,dẫn đến căng thẳng nhiệt tập trung trong chu kỳ nhiệt độCác tản nhiệt gốm nhôm nitride (AlN) phải đối mặt với những thách thức trong việc kiểm soát sức đề kháng nhiệt giao diện và duy trì sự ổn định cấu trúc.làm cho chúng không phù hợp với các hệ thống laser cấp kilowatt và cao hơnMặc dù kim cương lắng đọng hơi hóa học (CVD) cung cấp tính dẫn nhiệt đặc biệt,Chi phí sản xuất quá cao và khó khăn liên tục trong kiểm soát khiếm khuyết cho các wafer lớn hơn 3 inch hạn chế việc áp dụng quy mô lớn.
Ngược lại, các tản nhiệt silicon carbide (SiC) cho thấy những lợi thế toàn diện rõ ràng.
SiC thể hiện sự cân bằng hiệu suất nhiệt xuất sắc. Độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng đạt 360 ̊490 W·m−1 ̊K−1, tương đương với đồng (397 W·m−1 ̊K−1) và 1,66 ̊2.26 lần cao hơn nhôm (217 W·m−1·K−1), cung cấp một nền tảng vững chắc cho sự phân tán nhiệt hiệu quả trong các hệ thống laser công suất cao.
Về mặt mở rộng nhiệt, SiC có hệ số 3,8 ∼4,3 × 10−6 K−1, tương ứng chặt chẽ với GaN (3,17 × 10−6 K−1) và InP (4,6 × 10−6 K−1).5 × 10−6 K−1) và nhôm (23.1 × 10−6 K−1), làm giảm hiệu quả căng thẳng nhiệt giao diện.
So với kim cương CVD và AlN, cân bằng hiệu suất của SiC thậm chí còn rõ rệt hơn.hệ số mở rộng nhiệt của nó (1.0 × 10−6 K−1) không phù hợp với các phương tiện gia tăng như Yb:YAG (6.8 × 10−6 K−1).5 × 10−6 K−1) nhưng độ dẫn nhiệt của nó (180 W·m−1·K−1) chỉ khoảng 45% của 4H-SiC, hạn chế đáng kể hiệu quả phân tán nhiệt.
Sự kết hợp độc đáo này củadẫn nhiệt cao và phù hợp với sự mở rộng nhiệt tuyệt vờivị trí SiC như một vật liệu tối ưu với hiệu suất nhiệt cân bằng.
SiC thể hiện khả năng chống oxy hóa tuyệt vời, dung nạp bức xạ và độ cứng Mohs lên đến 9.2Các tính chất này cho phép nó chịu được môi trường hoạt động khắc nghiệt liên quan đến nhiệt độ cao và bức xạ mạnh.hỗ trợ hoạt động ổn định lâu dài của các hệ thống laser công suất cao và giảm chi phí bảo trì.
Để so sánh, các tản nhiệt kim loại truyền thống có những thiếu sót rõ ràng.gây ra sức đề kháng nhiệt giao diện tăng theo thời gian và dẫn đến sự suy giảm dần hiệu suất phân tán nhiệtMặt khác, nhôm không đủ sức mạnh cơ học, với độ cứng Brinell chỉ là 20-35 HB, khiến nó dễ bị biến dạng trong quá trình lắp ráp và vận hành.
SiC rất tương thích với các công nghệ liên kết khác nhau, bao gồm liên kết kim loại hóa, liên kết trực tiếp và liên kết eutectic,cho phép tích hợp kháng nhiệt giao diện thấp với các chất bán dẫn hợp chất như GaN và InPTính linh hoạt này cung cấp sự linh hoạt thiết kế rộng rãi cho các giải pháp tích hợp đa dạng.
Hơn nữa, sự trưởng thành của các quy trình liên kết SiC làm giảm đáng kể các rào cản cho việc thực hiện kỹ thuật, đảm bảo khả năng tương thích với các dây chuyền sản xuất bán dẫn hiện có,và đẩy nhanh quá trình chuyển đổi từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm sang ứng dụng thực tế.
Do những lợi thế này, SiC đã trở thành vật liệu thermopropane được ưa thích cho laser công suất cao và được sử dụng rộng rãi trong laser bán dẫn (LD), laser đĩa mỏng (TDL),và laser phát xạ bề mặt lỗ thẳng đứng (VCSEL).
Là một chất bán dẫn băng tần rộng, SiC tồn tại trong nhiều polytyp, bao gồm 3C-SiC, 4H-SiC và 6H-SiC.Sự khác biệt trong phương pháp chuẩn bị và tính chất vật liệu cung cấp một cơ sở cho việc tối ưu hóa tản nhiệt cụ thể cho ứng dụng.
(1) Phân chuyển hơi vật lý (PVT)
Được chuẩn bị ở nhiệt độ trên 2000 °C, tạo ra 4H-SiC và 6H-SiC với độ dẫn nhiệt 300 ⋅ 490 W·m−1 ⋅ K−1. Những vật liệu này có độ dẫn nhiệt cao và độ bền cơ học,làm cho chúng phù hợp với các thiết bị laser công suất cao với các yêu cầu ổn định cấu trúc nghiêm ngặt.
(2) Epitaxy pha lỏng (LPE)
Được tiến hành ở nhiệt độ tương đối vừa phải (1450 ∼1700 °C), cho phép kiểm soát chính xác các polytyp 3C-SiC và 4H-SiC. Độ dẫn nhiệt dao động từ 320 ∼450 W·m−1·K−1.LPE-SiC đặc biệt thuận lợi trong các thiết bị laser cao cấp đòi hỏi công suất cao, tuổi thọ dài, và kết cấu tinh thể nghiêm ngặt.
(3) Sự lắng đọng hơi hóa học (CVD)
Sản xuất 4H-SiC và 6H-SiC tinh khiết cao với độ dẫn nhiệt 350 ⋅ 500 W·m−1 ⋅ K−1.trong khi sự ổn định kích thước tuyệt vời ngăn ngừa biến dạng sau khi loại bỏ nhiệtSự kết hợp của các thuộc tính này là rất cần thiết cho hoạt động ổn định lâu dài trong điều kiện cực đoan, làm cho CVD-SiC là một giải pháp ưa thích cân bằng hiệu suất và độ tin cậy.
Với sự phù hợp các tham số nhiệt vượt trội, khả năng thích nghi môi trường mạnh mẽ và khả năng tương thích quá trình tuyệt vời, SiC đã nổi lên như một vật liệu thermopropane lý tưởng cho các hệ thống laser công suất cao.Trong các thiết bị liên kết khác nhau, tận dụng các đặc điểm mở rộng nhiệt khác nhau của các đa loại SiC và định hướng tinh thể khác nhau cho phép khớp giao diện tối ưu và tối đa hóa hiệu suất tiêu hao nhiệt.
