يتم استخدام الليزر شبه الموصل عالي الطاقة على نطاق واسع في التصنيع الصناعي والأنظمة الدفاعية والعسكرية والتطبيقات الطبية الحيوية والبحوث العلمية.كانت الإدارة الحرارية بعد تعبئة الأجهزة منذ فترة طويلة عائقًا حاسمًا يحد من أدائها وموثوقيتهايتوقف معالجة هذا التحدي على دمج مواد غسيل الحرارة التي توفر قدرة تفريغ حرارة متفوقة واستقرار حراري أكبر في ظل ظروف تشغيل عالية درجة الحرارة.
باعتبارها الناقل الرئيسي لنقل الحرارة ، فإن أداء المستنقعات الحرارية يحدد بشكل مباشر فعالية الإدارة الحرارية.القيود التقنية للحلول التقليدية أصبحت أكثر وضوحا.
مسامح الحرارة المعدنية مثل النحاس والألومنيوم فعالة من حيث التكلفة ولكنها تعاني من عدم التطابق الحراري الشديد مع وسائل مكاسب الليزر الشائعة مثل GaN و InP ،مما يؤدي إلى الإجهاد الحراري المركز أثناء دورة درجة الحرارةيواجه مساحيق حرارة السيراميك من نتريد الألومنيوم (AlN) تحديات في السيطرة على المقاومة الحرارية بين الوجهات والحفاظ على الاستقرار الهيكلي.مما يجعلها غير مناسبة لأنظمة الليزر من مستوى الكيلوواط وما فوقعلى الرغم من أن الماس التراكم الكيميائي البخار (CVD) يقدم توصيل حراري استثنائي،تكلفة تصنيعها المرتفعة والصعوبة المستمرة في مكافحة العيوب للوافير أكبر من 3 بوصات تحد من تبنيها على نطاق واسع.
على النقيض من ذلك ، تظهر أدوات غسيل الحرارة من كربيد السيليكون (SiC) مزايا شاملة واضحة.
يظهر SiC توازنًا ممتازًا في الأداء الحراري. يصل موصلاته الحرارية في درجة حرارة الغرفة إلى 360 ̊490 W·m−1 ̊K−1 ، مماثلًا للنحاس (397 W·m−1 ̊K−1) و 1.66 ̊2.26 مرة أعلى من الألومنيوم (217 W·m−1·K−1)، مما يوفر أساساً متيناً لتبديد الحرارة بكفاءة في أنظمة الليزر عالية الطاقة.
من حيث التوسع الحراري ، يحتوي SiC على معامل 3.8 ∼4.3 × 10−6 K−1 ، يطابق بشكل وثيق GaN (3.17 × 10−6 K−1) و InP (4.6 × 10−6 K−1). هذا أفضل بكثير من النحاس (16.5 × 10−6 K−1) والألومنيوم (23.1 × 10−6 K−1) ، مما يقلل بشكل فعال من الإجهاد الحراري بين الوجهات.
بالمقارنة مع الماس CVD و AlN ، فإن ميزان أداء SiC أكثر وضوحًا. في حين أن الماس CVD يحتوي على توصيل حراري فائق الارتفاع (~ 2000 W·m−1·K−1) ،معامل التوسع الحراري (1.0 × 10−6 K−1) غير متطابقة بشدة مع الوسائط المكاسب مثل Yb: YAG (6.8 × 10−6 K−1). تقدم AlN معامل توسع حراري قريب من معامل SiC (4.5 × 10−6 K−1) ولكن موصلاته الحرارية (180 W·m−1·K−1) هي حوالي 45% فقط من 4H-SiC، مما يحد بشكل كبير من كفاءة تبديد الحرارة.
هذا المزيج الفريد منالتوصيل الحراري العالي ومطابقة التوسع الحراري الممتازةيضع SiC كمادة مثالية ذات أداء حراري متوازن.
يظهر SiC مقاومة أكسدة ممتازة ، وتسامح الإشعاع ، وقسوة موهز تصل إلى 9.2هذه الخصائص تمكنها من مقاومة بيئات تشغيل قاسية تتضمن درجات حرارة عالية وإشعاع كثيفدعم التشغيل المستقر على المدى الطويل لأنظمة الليزر عالية الطاقة وخفض تكاليف الصيانة.
بالمقارنة مع ذلك، فإن الحرارة المعدنية التقليدية لديها عيوب واضحة. النحاس عرضة للاكسدة والتآكل.مما يسبب زيادة المقاومة الحرارية للواجهة مع مرور الوقت مما يؤدي إلى تدهور تدريجي في أداء إزالة الحرارةمن ناحية أخرى، يعاني الألومنيوم من عدم كفاية القوة الميكانيكية، مع صلابة برينيل من 20 ~ 35 HB فقط، مما يجعله عرضة للتشوه أثناء التجميع والتشغيل.
السيك هو متوافق للغاية مع العديد من تقنيات الارتباط، بما في ذلك الارتباط المعدني، الارتباط المباشر، والارتباط الايوتيكتيك،تمكين التكامل مع شبه الموصلات المركبة مثل GaN و InP مع مقاومة حرارية سطحية منخفضةتوفر هذه التنوعية مرونة كبيرة للتصميم لحلول التكامل غير المتجانسة.
علاوة على ذلك ، فإن نضج عمليات ربط SiC يقلل بشكل كبير من الحواجز أمام التنفيذ الهندسي ، ويضمن التوافق مع خطوط تصنيع أشباه الموصلات الحالية ،وتسريع الانتقال من البحوث المختبرية إلى التطبيقات العملية.
وبسبب هذه المزايا ، أصبح SiC المادة المفضلة للفخار الحراري لليزر عالي الطاقة ويتم استخدامه على نطاق واسع في الليزر شبه الموصل (LDs) ، الليزر رقائق رقيقة (TDLs) ،ومرشحات ليزر ذات التجويف الرأسي.
كموصّل نصف موصل واسع النطاق، يوجد سي سي في أنواع متعددة، بما في ذلك 3 سي-سي سي، 4 هـ-سي سي، و 6 هـ-سي سي.الاختلافات في طرق التحضير وخصائص المواد توفر أساسا لتحسين المستنقعات الحرارية الخاصة بالتطبيق.
(1) نقل البخار الفيزيائي (PVT)
تم تحضيرها عند درجات حرارة أعلى من 2000 درجة مئوية ، وتنتج 4H-SiC و 6H-SiC مع موصلة حرارية من 300-490 W·m-1·K-1. هذه المواد توفر موصلة حرارية عالية وقوة ميكانيكية ،مما يجعلها مناسبة لأجهزة الليزر عالية الطاقة ذات متطلبات صارمة لثبات الهيكل.
(2) الـ (إيبيتاكسي) في المرحلة السائلة
يتم إجراؤها عند درجات حرارة معتدلة نسبياً (1450 ∼1700 درجة مئوية) ، مما يتيح التحكم الدقيق في 3C-SiC و 4H-SiC polytypes. تتراوح الموصلة الحرارية من 320 ∼450 W·m−1 · K−1.LPE-SiC مفيدة بشكل خاص في أجهزة الليزر الراقية التي تتطلب طاقة عالية، طول العمر، والاتساق الكريستالي الصارم.
(3) ترسب البخار الكيميائي (CVD)
ينتج 4H-SiC و 6H-SiC عالي النقاء مع موصلة حرارية من 350 500 W · m-1 · K-1.بينما الاستقرار الأبعاد ممتازة يمنع التشوه بعد إزالة الحرارةإن مزيج من هذه الخصائص ضروري للعمل المستقر على المدى الطويل في ظل ظروف شديدة، مما يجعل CVD-SiC حلًا مفضلًا يوازن بين الأداء والموثوقية.
مع مطابقة المعلمات الحرارية المتفوقة ، والقدرة القوية على التكيف مع البيئة ، وتوافق العمليات الممتازة ، ظهر SiC كمادة حرارية مثالية لنظم الليزر عالية الطاقة.في الأجهزة المتجانسة المرتبطة، الاستفادة من خصائص التوسع الحراري المختلفة لمختلف أنواع SiC متعدد الأنواع وتوجهات الكريستال تمكن من مطابقة واجهة مثالية وتعظيم أداء إبعاد الحرارة.
يتم استخدام الليزر شبه الموصل عالي الطاقة على نطاق واسع في التصنيع الصناعي والأنظمة الدفاعية والعسكرية والتطبيقات الطبية الحيوية والبحوث العلمية.كانت الإدارة الحرارية بعد تعبئة الأجهزة منذ فترة طويلة عائقًا حاسمًا يحد من أدائها وموثوقيتهايتوقف معالجة هذا التحدي على دمج مواد غسيل الحرارة التي توفر قدرة تفريغ حرارة متفوقة واستقرار حراري أكبر في ظل ظروف تشغيل عالية درجة الحرارة.
باعتبارها الناقل الرئيسي لنقل الحرارة ، فإن أداء المستنقعات الحرارية يحدد بشكل مباشر فعالية الإدارة الحرارية.القيود التقنية للحلول التقليدية أصبحت أكثر وضوحا.
مسامح الحرارة المعدنية مثل النحاس والألومنيوم فعالة من حيث التكلفة ولكنها تعاني من عدم التطابق الحراري الشديد مع وسائل مكاسب الليزر الشائعة مثل GaN و InP ،مما يؤدي إلى الإجهاد الحراري المركز أثناء دورة درجة الحرارةيواجه مساحيق حرارة السيراميك من نتريد الألومنيوم (AlN) تحديات في السيطرة على المقاومة الحرارية بين الوجهات والحفاظ على الاستقرار الهيكلي.مما يجعلها غير مناسبة لأنظمة الليزر من مستوى الكيلوواط وما فوقعلى الرغم من أن الماس التراكم الكيميائي البخار (CVD) يقدم توصيل حراري استثنائي،تكلفة تصنيعها المرتفعة والصعوبة المستمرة في مكافحة العيوب للوافير أكبر من 3 بوصات تحد من تبنيها على نطاق واسع.
على النقيض من ذلك ، تظهر أدوات غسيل الحرارة من كربيد السيليكون (SiC) مزايا شاملة واضحة.
يظهر SiC توازنًا ممتازًا في الأداء الحراري. يصل موصلاته الحرارية في درجة حرارة الغرفة إلى 360 ̊490 W·m−1 ̊K−1 ، مماثلًا للنحاس (397 W·m−1 ̊K−1) و 1.66 ̊2.26 مرة أعلى من الألومنيوم (217 W·m−1·K−1)، مما يوفر أساساً متيناً لتبديد الحرارة بكفاءة في أنظمة الليزر عالية الطاقة.
من حيث التوسع الحراري ، يحتوي SiC على معامل 3.8 ∼4.3 × 10−6 K−1 ، يطابق بشكل وثيق GaN (3.17 × 10−6 K−1) و InP (4.6 × 10−6 K−1). هذا أفضل بكثير من النحاس (16.5 × 10−6 K−1) والألومنيوم (23.1 × 10−6 K−1) ، مما يقلل بشكل فعال من الإجهاد الحراري بين الوجهات.
بالمقارنة مع الماس CVD و AlN ، فإن ميزان أداء SiC أكثر وضوحًا. في حين أن الماس CVD يحتوي على توصيل حراري فائق الارتفاع (~ 2000 W·m−1·K−1) ،معامل التوسع الحراري (1.0 × 10−6 K−1) غير متطابقة بشدة مع الوسائط المكاسب مثل Yb: YAG (6.8 × 10−6 K−1). تقدم AlN معامل توسع حراري قريب من معامل SiC (4.5 × 10−6 K−1) ولكن موصلاته الحرارية (180 W·m−1·K−1) هي حوالي 45% فقط من 4H-SiC، مما يحد بشكل كبير من كفاءة تبديد الحرارة.
هذا المزيج الفريد منالتوصيل الحراري العالي ومطابقة التوسع الحراري الممتازةيضع SiC كمادة مثالية ذات أداء حراري متوازن.
يظهر SiC مقاومة أكسدة ممتازة ، وتسامح الإشعاع ، وقسوة موهز تصل إلى 9.2هذه الخصائص تمكنها من مقاومة بيئات تشغيل قاسية تتضمن درجات حرارة عالية وإشعاع كثيفدعم التشغيل المستقر على المدى الطويل لأنظمة الليزر عالية الطاقة وخفض تكاليف الصيانة.
بالمقارنة مع ذلك، فإن الحرارة المعدنية التقليدية لديها عيوب واضحة. النحاس عرضة للاكسدة والتآكل.مما يسبب زيادة المقاومة الحرارية للواجهة مع مرور الوقت مما يؤدي إلى تدهور تدريجي في أداء إزالة الحرارةمن ناحية أخرى، يعاني الألومنيوم من عدم كفاية القوة الميكانيكية، مع صلابة برينيل من 20 ~ 35 HB فقط، مما يجعله عرضة للتشوه أثناء التجميع والتشغيل.
السيك هو متوافق للغاية مع العديد من تقنيات الارتباط، بما في ذلك الارتباط المعدني، الارتباط المباشر، والارتباط الايوتيكتيك،تمكين التكامل مع شبه الموصلات المركبة مثل GaN و InP مع مقاومة حرارية سطحية منخفضةتوفر هذه التنوعية مرونة كبيرة للتصميم لحلول التكامل غير المتجانسة.
علاوة على ذلك ، فإن نضج عمليات ربط SiC يقلل بشكل كبير من الحواجز أمام التنفيذ الهندسي ، ويضمن التوافق مع خطوط تصنيع أشباه الموصلات الحالية ،وتسريع الانتقال من البحوث المختبرية إلى التطبيقات العملية.
وبسبب هذه المزايا ، أصبح SiC المادة المفضلة للفخار الحراري لليزر عالي الطاقة ويتم استخدامه على نطاق واسع في الليزر شبه الموصل (LDs) ، الليزر رقائق رقيقة (TDLs) ،ومرشحات ليزر ذات التجويف الرأسي.
كموصّل نصف موصل واسع النطاق، يوجد سي سي في أنواع متعددة، بما في ذلك 3 سي-سي سي، 4 هـ-سي سي، و 6 هـ-سي سي.الاختلافات في طرق التحضير وخصائص المواد توفر أساسا لتحسين المستنقعات الحرارية الخاصة بالتطبيق.
(1) نقل البخار الفيزيائي (PVT)
تم تحضيرها عند درجات حرارة أعلى من 2000 درجة مئوية ، وتنتج 4H-SiC و 6H-SiC مع موصلة حرارية من 300-490 W·m-1·K-1. هذه المواد توفر موصلة حرارية عالية وقوة ميكانيكية ،مما يجعلها مناسبة لأجهزة الليزر عالية الطاقة ذات متطلبات صارمة لثبات الهيكل.
(2) الـ (إيبيتاكسي) في المرحلة السائلة
يتم إجراؤها عند درجات حرارة معتدلة نسبياً (1450 ∼1700 درجة مئوية) ، مما يتيح التحكم الدقيق في 3C-SiC و 4H-SiC polytypes. تتراوح الموصلة الحرارية من 320 ∼450 W·m−1 · K−1.LPE-SiC مفيدة بشكل خاص في أجهزة الليزر الراقية التي تتطلب طاقة عالية، طول العمر، والاتساق الكريستالي الصارم.
(3) ترسب البخار الكيميائي (CVD)
ينتج 4H-SiC و 6H-SiC عالي النقاء مع موصلة حرارية من 350 500 W · m-1 · K-1.بينما الاستقرار الأبعاد ممتازة يمنع التشوه بعد إزالة الحرارةإن مزيج من هذه الخصائص ضروري للعمل المستقر على المدى الطويل في ظل ظروف شديدة، مما يجعل CVD-SiC حلًا مفضلًا يوازن بين الأداء والموثوقية.
مع مطابقة المعلمات الحرارية المتفوقة ، والقدرة القوية على التكيف مع البيئة ، وتوافق العمليات الممتازة ، ظهر SiC كمادة حرارية مثالية لنظم الليزر عالية الطاقة.في الأجهزة المتجانسة المرتبطة، الاستفادة من خصائص التوسع الحراري المختلفة لمختلف أنواع SiC متعدد الأنواع وتوجهات الكريستال تمكن من مطابقة واجهة مثالية وتعظيم أداء إبعاد الحرارة.
