Herausforderungen des thermischen Managements von Hochleistungs-Halbleiterlasern und die Kernwettbewerbsfähigkeit von SiC-Wärmeabnehmern

Hochleistungs-Halbleiterlaser werden in der Industrie, in Verteidigungs- und Militärsystemen, in biomedizinischen Anwendungen und in der wissenschaftlichen Forschung weit verbreitet.Das thermische Management nach der Verpackung von Geräten ist seit langem ein kritischer Engpass, der ihre Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit einschränkt.Die Lösung dieser Herausforderung hängt von der Integration von Wärmesink-Materialien ab, die eine überlegene Wärmeabsorptionsfähigkeit und eine höhere thermische Stabilität bei hohen Betriebstemperaturen bieten.

Kernkompetitivität derSiliziumkarbid (SiC)Heizkessel

Als Hauptträger der Wärmeübertragung bestimmt die Leistung einer Wärmesenkung direkt die Wirksamkeit des thermischen Managements.Die technischen Grenzen konventioneller Lösungen werden immer deutlicher..

Metallwärmeabnehmer wie Kupfer und Aluminium sind kostengünstig, leiden jedoch unter einer schweren thermischen Ausdehnungsabweichung von gängigen Lasergewinnmedien wie GaN und InP,die zu konzentrierter thermischer Belastung während des Temperaturzyklus führt- Keramikwärmesänkte aus Aluminiumnitrid (AlN) stehen vor Herausforderungen bei der Kontrolle des Wärmewiderstands und der Aufrechterhaltung der Strukturstabilität,die sie für Lasersysteme auf Kilowatt- und höherer Leistung unzulänglich machenObwohl chemische Dampfdeposition (CVD) -Diamanten eine außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit bieten, bieten sie eine hohe Wärmeleitfähigkeit.Die hohen Herstellungskosten und die anhaltenden Schwierigkeiten bei der Fehlerkontrolle für Wafer größer als 3 Zoll beschränken die breite Verbreitung..

Im Gegensatz dazu weisen SiC-Wärmeabnehmer klare umfassende Vorteile auf.

1Ausgezeichnete Übereinstimmung der thermischen Parameter und ausgewogene Leistung

SiC weist eine hervorragende thermische Leistungsbilanz auf. Seine Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur erreicht 360-490 W·m−1·K−1, vergleichbar mit Kupfer (397 W·m−1·K−1) und 1,66 ̊2.26 mal höher als Aluminium (217 W·m−1·K−1), die eine solide Grundlage für eine effiziente Wärmeableitung in Hochleistungslasersystemen bieten.

In Bezug auf die thermische Ausdehnung hat SiC einen Koeffizienten von 3,8 ∼4,3 × 10−6 K−1, der eng mit GaN (3,17 × 10−6 K−1) und InP (4,6 × 10−6 K−1) übereinstimmt.5 × 10−6 K−1) und Aluminium (23.1 × 10−6 K−1), wodurch die Wärmebelastung der Oberfläche wirksam verringert wird.

Im Vergleich zu CVD-Diamant und AlN ist die Leistungsbilanz von SiC noch ausgeprägter.sein Wärmeausdehnungskoeffizient (1.0 × 10−6 K−1) ist mit Verstärkungsmedien wie Yb:YAG (6,8 × 10−6 K−1) stark nicht übereinstimmend.5 × 10−6 K−1) aber seine Wärmeleitfähigkeit (180 W·m−1·K−1) beträgt nur etwa 45% der von 4H-SiC, wodurch die Wärmeabbaueffizienz erheblich eingeschränkt wird.

Diese einzigartige Kombination vonhohe Wärmeleitfähigkeit und ausgezeichnete WärmeausdehnungSiC wird als optimales Material mit ausgewogener thermischer Leistung eingestuft.

2- starke Anpassungsfähigkeit an die Umwelt und hohe Betriebstabilität

SiC weist eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit, Strahlentoleranz und eine Mohs-Härte von bis zu 9 auf.2Diese Eigenschaften ermöglichen es ihm, schwierigen Betriebsumgebungen mit hohen Temperaturen und starker Strahlung standzuhalten.Unterstützung des langfristigen stabilen Betriebs von Hochleistungslasersystemen und Senkung der Wartungskosten.

Im Vergleich dazu haben herkömmliche Metallwärmeabnehmer deutliche Mängel: Kupfer ist anfällig für Oxidation und Korrosion.Verursacht eine zunehmende Wärmebeständigkeit der Oberfläche im Laufe der Zeit und führt zu einer allmählichen Verschlechterung der WärmeabsorptionsleistungAluminium hingegen hat eine unzureichende mechanische Festigkeit mit einer Brinell-Härte von nur 20 ‰ 35 HB, was es bei Montage und Betrieb anfällig für Verformungen macht.

3. Ausgezeichnete Bindungskompatibilität und geringe technische Barrieren

SiC ist sehr kompatibel mit verschiedenen Bindetechnologien, einschließlich metallisierter Bindung, direkter Bindung und eutektischer Bindung,die eine Integration mit niedrigem Schnittstellen-Wärmewiderstand mit zusammengesetzten Halbleitern wie GaN und InP ermöglichtDiese Vielseitigkeit bietet eine große Gestaltungsflexibilität für heterogene Integrationslösungen.

Darüber hinaus senkt die Reife der SiC-Bindungsprozesse die Hindernisse für die technische Umsetzung erheblich und gewährleistet die Kompatibilität mit bestehenden Halbleiterfertigungslinien.und beschleunigt den Übergang von der Laborforschung zur praktischen Anwendung.

Aufgrund dieser Vorteile ist SiC zum bevorzugten Wärmesink-Material für Hochleistungslaser geworden und wird weitgehend in Halbleiterlasern (LDs), Dünnscheibenlasern (TDLs),mit einer Leistung von mehr als 50 W und einer Leistung von mehr als 50 W.

Vorbereitungsmethoden von SiC-Wärmeabnehmern und anwendungsspezifische Anpassung

Als Breitband-Halbleiter existiert SiC in mehreren Polytypen, darunter 3C-SiC, 4H-SiC und 6H-SiC.Unterschiede in den Zubereitungsmethoden und den Materialeigenschaften liefern eine Grundlage für eine anwendungsspezifische Optimierung der Wärmeabnehmer.

(1) Physischer Dampftransport (PVT)

Bereitet bei Temperaturen über 2000 °C, erzeugt 4H-SiC und 6H-SiC mit einer Wärmeleitfähigkeit von 300-490 W·m−1·K−1. Diese Materialien bieten eine hohe Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit,für Hochleistungslaseranlagen mit strengen Anforderungen an die Strukturstabilität geeignet.

(2) Flüssige Phase Epitaxie (LPE)

Die Wärmeleitfähigkeit liegt zwischen 320 ⋅ 450 W·m−1 ⋅ K−1.LPE-SiC ist besonders vorteilhaft bei High-End-Lasergeräten, die eine hohe Leistung erfordern, lange Lebensdauer und strenge Kristallkonsistenz.

(3) Chemische Dampfdeposition (CVD)

Erzeugt hochreine 4H-SiC und 6H-SiC mit einer Wärmeleitfähigkeit von 350 ̇ 500 W·m−1 ̇ K−1.während eine ausgezeichnete Dimensionsstabilität eine Verformung nach der Wärmeentfernung verhindertDie Kombination dieser Eigenschaften ist für einen langfristigen stabilen Betrieb unter extremen Bedingungen unerlässlich, was CVD-SiC zu einer bevorzugten Lösung macht, die Leistung und Zuverlässigkeit in Einklang bringt.

Zusammenfassung

SiC hat sich durch seine überlegene Übereinstimmung der thermischen Parameter, seine starke Anpassungsfähigkeit an die Umwelt und seine hervorragende Prozesskompatibilität als ideales Wärmeabsaugmaterial für Hochleistungslasersysteme herausgestellt.in heterogenen gebundenen Geräten, die die differenzierten thermischen Expansionsmerkmale verschiedener SiC-Polytypen und Kristallorientierungen nutzt, ermöglicht eine optimale Schnittstellenübereinstimmung und maximale Wärmeabbauleistung.