Dengan aplikasi meluas-laser berkuasa tinggi dalam bidang seperti pemesinan ketepatan industri, komunikasi 5G/6G, pemanduan autonomi dan perubatan laser, pengurusan haba telah menjadi halangan kritikal yang menyekat peningkatan prestasi. Pelesapan haba yang lemah boleh menyebabkan kemerosotan prestasi optik seperti peralihan panjang gelombang pelepasan dan jangka hayat pendarfluor yang dipendekkan dalam kes ringan, atau menyebabkan penuaan peranti dan menjejaskan kestabilan output dan kebolehpercayaan peralatan dalam kes yang teruk. Menghadapi ketumpatan fluks haba yang semakin meningkat, sink haba logam dan seramik tradisional terbukti tidak mencukupi. Akibatnya, bahan semikonduktor generasi ketiga-, Silicon Carbide (SiC), semakin pantas menjadi "bahan bintang" dalam bidang sink haba laser berkuasa tinggi-, memanfaatkan kelebihan komprehensifnya seperti kekonduksian terma yang tinggi, pekali pengembangan haba yang rendah dan kestabilan yang sangat baik.
Apakah Kelebihan SiC Heat Sink?
Kaedah penyejukan utama untuk-pembungkusan laser semikonduktor berkuasa tinggi termasuk penyejukan sink haba perolakan semula jadi, penyejukan saluran mikro, penyejukan termoelektrik dan penyejukan semburan. Antaranya, penyejukan sink haba perolakan semula jadi ialah kaedah penyejukan yang paling jimat dan biasa untuk-laser semikonduktor pemancar tunggal kerana kemudahan fabrikasi dan pemasangannya. Biasanya, untuk mengurangkan suhu cip laser dengan berkesan, bahan dengan kekonduksian haba yang tinggi digunakan sebagai sink haba untuk meningkatkan luas permukaan perolakan semula jadi, dengan itu meningkatkan pelesapan haba. Walaupun sink haba logam seperti tembaga dan aluminium menawarkan kelebihan kos, pekali pengembangan terma (CTE) mereka tidak sepadan dengan media perolehan seperti GaN dan InP. Ketidakpadanan ini boleh menyebabkan tekanan haba dengan mudah semasa kitaran suhu, merendahkan prestasi output laser atau malah menyebabkan cip laser retak dan gagal. Sinki haba seramik Aluminium Nitride (AlN) menghadapi cabaran dalam mengawal rintangan haba antara muka dan mengekalkan kestabilan struktur, menjadikannya sukar untuk memenuhi permintaan ketat bagi sistem laser peringkat kilowatt-dan lebih tinggi. Walaupun berlian CVD mempamerkan kekonduksian terma yang sangat baik, kos penyediaannya sangat tinggi. Sebaliknya, sink haba Silicon Carbide (SiC) menunjukkan kelebihan komprehensif yang menarik dengan prestasi{10}}kos tinggi:
Kekonduksian Terma Tinggi: SiC mempunyai kekonduksian terma suhu bilik-sehingga 490 W/(m·K). Walaupun lebih rendah daripada berlian CVD, teknologi pengeluaran besar-besaran matang untuk wafer SiC 6 inci menghasilkan kos unit yang hanya 1/20 hingga 1/15 berbanding berlian CVD.
Pekali Pengembangan Terma Rendah: SiC mempunyai CTE rendah 4.0×10⁻⁶/K, yang sepadan dengan baik dengan media perolehan laser arus perdana seperti GaN dan InP, dengan berkesan menekan penjanaan tekanan terma.
Kestabilan Cemerlang: SiC mempamerkan rintangan pengoksidaan dan rintangan sinaran yang luar biasa, dengan kekerasan Mohs 9.2. Ia boleh memastikan operasi sistem laser yang stabil-panjang walaupun dalam keadaan yang teruk seperti suhu tinggi dan sinaran kuat.
Penyediaan Sinki Haba SiC
SiC ialah sebatian bukan-centrosymmetric berdasarkan ikatan kovalen. Struktur asasnya terdiri daripada susunan berperingkat empat atom silikon dan satu atom karbon, membentuk struktur tetrahedral melalui ikatan kovalen hibridisasi SP³. Politaip SiC biasa termasuk 3C-SiC, 4H-SiC dan 6H-SiC. Perbezaan dalam kaedah penyediaan dan ciri prestasi antara politaip ini menyediakan asas untuk{10}}suaian khusus senario sink haba.
Pemendapan Wap Kimia (CVD): Kaedah ini boleh menghasilkan-ketulenan tinggi 4H-SiC dan 6H-SiC dengan kekonduksian terma antara 350-500 W/(m·K). Walaupun kekonduksian terma yang tinggi menangani pengekstrakan haba, kestabilan dimensi memastikan bahan itu sendiri tidak berubah bentuk selepas pengekstrakan haba. Gabungan kedua-duanya adalah penting untuk memastikan operasi-panjang yang stabil bagi peranti laser berkuasa tinggi dalam keadaan yang mencabar. Memanfaatkan dua kelebihan kekonduksian terma yang tinggi dan kestabilan dimensi, SiC yang disediakan oleh teknologi CVD menjadi penyelesaian pilihan mengimbangi prestasi dan kebolehpercayaan.
Pengangkutan Wap Fizikal (PVT): Proses ini melibatkan suhu tinggi melebihi 2000 darjah, menghasilkan 4H-SiC dan 6H-SiC dengan kekonduksian terma 300-490 W/(m·K). Ia menawarkan kedua-dua kekonduksian terma yang tinggi dan kekuatan mekanikal, menjadikannya sesuai untuk peranti laser berkuasa tinggi dengan keperluan kestabilan struktur yang ketat.
Epitaksi Fasa Cecair (LPE): Kaedah ini menggunakan suhu yang agak sederhana dalam julat 1450-1700 darjah, membenarkan kawalan tepat ke atas pembentukan politaip 3C-SiC dan 4H-SiC, yang mencapai kekonduksian terma 320-450 W/(m·K). Kelebihannya menonjol dalam peranti laser mewah yang memerlukan kuasa tinggi, kestabilan tinggi dan jangka hayat yang panjang, di mana konsistensi politaip adalah kritikal.
Aplikasi
Sinki Haba SiC Kristal Tunggal:
Sinki haba kristal tunggal SiC biasanya dihasilkan dengan menanam jongkong kristal tunggal SiC menggunakan kaedah Lely yang diubah suai, diikuti dengan menghiris, mengisar dan menggilap. Kekonduksian terma teori mereka boleh mencapai sehingga 490 W/(m·K), melebihi sink haba Cu, 1.5 kali ganda sink haba AlN, dan jauh melebihi sink haba Si. Ini menjadikan mereka bahan semikonduktor yang paling menjanjikan dalam aplikasi pembungkusan lanjutan yang memerlukan-pelesapan haba yang tinggi. Memanfaatkan kekonduksian terma yang tinggi bagi-kristal tunggal SiC, Hu Sheng'an et al. membangunkan satu-singki haba SiC kristal dan-tembaga SiC kristal-tunggal. Mereka menjalankan ujian pembungkusan pada cip laser merah 640nm dan masing-masing{13}}berkuasa tinggi cip laser 915nm. Berbanding dengan sink haba AlN, laser merah 640nm yang dibungkus dengan sink haba SiC{17}kristal tunggal menunjukkan pengurangan 0.25A dalam arus ambang, peningkatan 0.5W dalam kuasa output maksimum dan kecekapan penukaran optik-elektro sebanyak 42.7%. Laser semikonduktor 915nm yang dibungkus dengan sink haba bersalut-kristal SiC tunggal-mempamerkan pengurangan 0.26A dalam arus ambang, peningkatan 1.9W dalam kuasa output maksimum dan kecekapan penukaran optik-elektro sebanyak 64.9%. Sinki haba SiC tunggal{31}}kristal meningkatkan pelesapan haba dan prestasi operasi laser semikonduktor dengan ketara.
Sinki Haba Saluran Mikro Seramik SiC:
Untuk laser kuasa-purata- tinggi yang memerlukan penyejukan cecair, penyelesaian arus perdana termasuk sink haba saluran mikro, penyejukan air saluran-makro dan penyejukan termoelektrik. Walaupun sistem penyejukan air saluran-makro mempunyai struktur yang ringkas, sistem penyejukan ini mengalami kecekapan penyejukan yang terhad, selalunya membawa kepada pengisian penyejuk yang tidak lengkap berhampiran sumber haba dan pengurangan halaju aliran setempat, mengakibatkan keseragaman suhu yang lemah. Penyejukan termoelektrik boleh mengawal suhu medium perolehan, tetapi kecekapannya menurun dengan ketara dalam-keadaan suhu tinggi dan menghadapi had kos. Teknologi penyejukan pengaliran mikro, yang sangat meluaskan kawasan pelesapan haba melalui reka bentuk saluran skala mikro, meningkatkan kecekapan sink haba dan keseragaman medan suhu dengan berkesan, menjadi tumpuan penyelidikan dalam pengurusan haba untuk laser kuasa-purata-tinggi. Oleh kerana kekerasan tinggi dan kerapuhan seramik SiC, membuat saluran aliran dalaman yang kompleks menggunakan pemesinan CNC tradisional adalah amat sukar. Kemunculan teknologi percetakan 3D, seperti Pemprosesan Cahaya Digital (DLP), telah menyelesaikan masalah ini dengan berkesan. Penyelidik kini boleh mencetak terus saluran mikro seramik SiC dengan struktur sirip-pin berperingkat dalaman yang kompleks (MCHS-SF). Sirip pin ini sangat menggoncang penyejuk, mengganggu lapisan sempadan terma dan meningkatkan pemindahan haba dengan ketara.
Struktur Sinki Haba Komposit:
Ini melibatkan penggunaan 4H-SiC sebagai substrat, menumbuhkan lapisan berlian polihabluran konduktif terma tinggi secara epitaksi (kekonduksian terma > 1780 W·m⁻¹·K⁻¹) pada bahagian belakangnya dan menghasilkan heterostruktur AlGaN-GaN pada bahagian hadapan. Antara muka yang terbentuk antara berlian dan SiC melalui ikatan intim-tahap atom mempamerkan kekuatan ikatan yang tinggi, struktur yang padat dan sedikit kecacatan. Peranti yang menggunakan substrat komposit ini menunjukkan suhu permukaan maksimum 52.5 darjah lebih rendah daripada struktur substrat tunggal SiC tradisional, pengurangan 41% dalam rintangan haba dan peningkatan 19% dalam arus longkang maksimum. Lebih kritikal, pengurangan ketara dalam suhu operasi memanjangkan Masa Min Kegagalan (MTTF) peranti lebih daripada 100 kali ganda, mencapai pengoptimuman dwi kecekapan pelesapan haba dan keserasian proses.
