Amb l'aplicació generalitzada de làsers{0}}d'alta potència en camps com ara el mecanitzat de precisió industrial, les comunicacions 5G/6G, la conducció autònoma i la medicina làser, la gestió tèrmica s'ha convertit en un coll d'ampolla crític que restringeix la millora del rendiment. La mala dissipació de calor pot provocar una degradació del rendiment òptic, com ara el canvi de longitud d'ona d'emissió i la durada de la fluorescència escurçada en casos lleus, o provocar l'envelliment del dispositiu i afectar l'estabilitat i la fiabilitat de sortida dels equips en casos greus. Davant de densitats de flux de calor en constant augment, els dissipadors de calor tradicionals de metall i ceràmica estan demostrant ser inadequats. En conseqüència, el material semiconductor de tercera-generació, el carbur de silici (SiC), s'està convertint ràpidament en un "material estrella" en el camp dels dissipadors de calor làser d'-alta potència, aprofitant els seus avantatges integrals com l'alta conductivitat tèrmica, el baix coeficient d'expansió tèrmica i una excel·lent estabilitat.
Quins són els avantatges dels dissipadors de calor de SiC?
Els mètodes de refrigeració principals per a l'envasament làser de semiconductors d'alta potència-inclouen el refredament del dissipador de calor per convecció natural, el refredament per microcanal, el refredament termoelèctric i el refredament per aspersió. Entre aquests, el refredament del dissipador de calor per convecció natural és el mètode de refrigeració més econòmic i comú per als làsers semiconductors d'un sol emissor-a causa de la seva facilitat de fabricació i muntatge. Normalment, per reduir eficaçment la temperatura del xip làser, s'utilitzen materials amb alta conductivitat tèrmica com a dissipadors de calor per augmentar la superfície de convecció natural, millorant així la dissipació de calor. Si bé els dissipadors de calor metàl·lics com el coure i l'alumini ofereixen avantatges de costos, els seus coeficients d'expansió tèrmica (CTE) coincideixen malament amb els mitjans de guany com GaN i InP. Aquest desajust pot induir fàcilment estrès tèrmic durant els cicles de temperatura, degradant el rendiment de sortida del làser o fins i tot fent que el xip làser s'esquerde i falli. Els dissipadors de calor ceràmics de nitrur d'alumini (AlN) s'enfronten a reptes per controlar la resistència tèrmica interfacial i mantenir l'estabilitat estructural, cosa que dificulta satisfer les estrictes demandes dels sistemes làser de nivell de quilowatt-i de potència més alta. Tot i que el diamant CVD presenta una excel·lent conductivitat tèrmica, el seu cost de preparació és prohibitiu. En canvi, els dissipadors de calor de carbur de silici (SiC) mostren avantatges complets convincents amb un alt rendiment de cost{10}:
Alta conductivitat tèrmica: SiC té una conductivitat tèrmica a -habitació de fins a 490 W/(m·K). Tot i que és inferior a la del diamant CVD, la tecnologia madura de producció en massa per a hòsties de SiC de 6 polzades dóna com a resultat un cost unitari que només és d'1/20 a 1/15 del diamant CVD.
Baix coeficient d'expansió tèrmica: SiC té un CTE baix de 4,0 × 10⁻⁶/K, que coincideix bé amb els mitjans de guany làser convencionals com GaN i InP, suprimint eficaçment la generació d'estrès tèrmic.
Excel·lent estabilitat: SiC presenta una resistència a l'oxidació i una resistència a la radiació excepcionals, amb una duresa Mohs de 9,2. Pot garantir el funcionament estable-a llarg termini dels sistemes làser fins i tot en condicions dures, com ara altes temperatures i fortes radiacions.
Preparació de dissipadors de calor de SiC
SiC és un compost no-centrosimètric basat en enllaços covalents. La seva estructura bàsica consisteix en disposicions escalonades de quatre àtoms de silici i un àtom de carboni, formant una estructura tetraèdrica mitjançant enllaços covalents hibridats SP³. Els politips de SiC comuns inclouen 3C-SiC, 4H-SiC i 6H-SiC. Les diferències en els mètodes de preparació i les característiques de rendiment entre aquests politips proporcionen una base per a l'adaptació específica de l'escenari-de dissipadors de calor.
Deposició de vapor químic (CVD): aquest mètode pot produir 4H-SiC i 6H-SiC d'alta puresa amb conductivitats tèrmiques que oscil·len entre 350-500 W/(m·K). Si bé l'alta conductivitat tèrmica aborda l'extracció de calor, l'estabilitat dimensional garanteix que el material en si no es deformi després de l'extracció de calor. La combinació d'ambdós és crucial per garantir el funcionament estable-a llarg termini dels dispositius làser d'alta potència en condicions exigents. Aprofitant els dobles avantatges d'alta conductivitat tèrmica i estabilitat dimensional, el SiC preparat per la tecnologia CVD es converteix en la solució preferida per equilibrar el rendiment i la fiabilitat.
Transport físic de vapor (PVT): aquest procés implica altes temperatures per sobre dels 2000 graus, produint 4H-SiC i 6H-SiC amb conductivitats tèrmiques de 300-490 W/(m·K). Ofereix una alta conductivitat tèrmica i resistència mecànica, el que el fa adequat per a dispositius làser d'alta potència amb estrictes requisits d'estabilitat estructural.
Epitàxia en fase líquida (LPE): aquest mètode utilitza temperatures relativament moderades en l'interval de 1450-1700 graus, permetent un control precís sobre la formació de politips 3C-SiC i 4H-SiC, aconseguint conductivitats tèrmiques de 320-450 W/(m·K). Els seus avantatges són destacats en dispositius làser de gamma alta que requereixen una gran potència, una alta estabilitat i una llarga vida útil, on la consistència del politip és fonamental.
Aplicacions
Dissipadors de calor de cristall simple SiC:
Els dissipadors de calor d'un sol cristall de SiC es produeixen normalment fent créixer lingots d'un sol cristall de SiC mitjançant un mètode Lely modificat, seguit de tallar, moldre i polir. La seva conductivitat tèrmica teòrica pot arribar fins a 490 W/(m·K), superant la dels dissipadors de calor de Cu, 1,5 vegades la dels dissipadors de calor d'AlN i superant amb escreix els dissipadors de calor de Si. Això els converteix en el material semiconductor més prometedor en aplicacions d'embalatge avançades que requereixen una dissipació de calor-alta. Hu Sheng'an et al. van desenvolupar dissipadors de calor de SiC d'un sol-cristall i dissipadors de calor de-siC de coure-revestits d'un sol cristall. Van realitzar proves d'embalatge amb xips làser vermell de 640 nm i xips làser d'alta-potència de 915 nm, respectivament. En comparació amb els dissipadors de calor d'AlN, el làser vermell de 640 nm empaquetat amb el dissipador de calor de SiC d'un-cristall va mostrar una reducció de 0,25 A del corrent llindar, un augment de 0,5 W en la potència de sortida màxima i una eficiència de conversió electro-del 42,7%. El làser semiconductor de 915 nm empaquetat amb el dissipador de calor de coure SiC d'un sol cristall-revestit-va mostrar una reducció de 0,26 A del corrent llindar, un augment d'1,9 W en la potència de sortida màxima i una eficiència de conversió electro-del 64,9%. Els-dissipadors de calor de SiC d'un sol cristall milloren significativament la dissipació de calor i el rendiment operatiu dels làsers semiconductors.
Dissipadors de calor de microcanal de ceràmica SiC:
Per als làsers d'alta potència-mitjana-que requereixen refrigeració líquida, les solucions principals inclouen dissipadors de calor de microcanal, refrigeració per aigua de macro-canal i refrigeració termoelèctrica. Tot i que els sistemes de refrigeració d'aigua de macro-canal tenen una estructura senzilla, pateixen una eficiència de refrigeració limitada, que sovint condueix a un ompliment incomplet del refrigerant a prop de la font de calor i a una reducció local de la velocitat del flux, donant lloc a una mala uniformitat de la temperatura. El refredament termoelèctric pot regular la temperatura del medi de guany, però la seva eficiència disminueix significativament en condicions d'alta-temperatura i s'enfronta a limitacions de costos. La tecnologia de refrigeració per conducció de microcanals, que amplia enormement l'àrea de dissipació de calor mitjançant dissenys de canals a microescala, millora eficaçment l'eficiència del dissipador de calor i la uniformitat del camp de la temperatura, convertint-se en un focus de recerca en gestió tèrmica per a làsers d'alta potència-mitjana-. A causa de l'alta duresa i fragilitat de la ceràmica SiC, la fabricació de canals de flux intern complexos mitjançant el mecanitzat CNC tradicional és extremadament difícil. L'aparició de tecnologies d'impressió 3D, com el processament de llum digital (DLP), ha resolt de manera efectiva aquest problema. Els investigadors ara poden imprimir directament microcanals de ceràmica de SiC amb estructures internes complexes de pin-aletes (MCHS-SF). Aquestes aletes de pins agiten intensament el refrigerant, alterant la capa límit tèrmica i millorant significativament la transferència de calor.
Estructures de dissipador de calor compostes:
Això implica utilitzar 4H-SiC com a substrat, fer créixer epitaxialment una capa de diamant policristalí altament conductor tèrmicament (conductivitat tèrmica > 1780 W·m⁻¹·K⁻¹) a la seva part posterior i fabricar una heteroestructura AlGaN-GaN a la part frontal. La interfície formada entre el diamant i el SiC mitjançant l'enllaç íntim a nivell-atòmic presenta una gran força d'unió, una estructura densa i pocs defectes. Els dispositius que utilitzen aquest substrat compost van demostrar una temperatura superficial màxima 52,5 graus inferior a les estructures tradicionals de substrat de SiC individual, una reducció del 41% de la resistència tèrmica i un augment del 19% del corrent de drenatge màxim. Més críticament, la reducció significativa de la temperatura de funcionament va ampliar el temps mitjà de fallada (MTTF) del dispositiu en més de 100 vegades, aconseguint una optimització dual de l'eficiència de dissipació de calor i la compatibilitat del procés.
