เลเซอร์ครึ่งตัวประกอบพลังงานสูงถูกใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการผลิต ระบบป้องกันและทหาร การใช้งานทางชีวแพทย์ และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์การจัดการทางความร้อนหลังจากการบรรจุอุปกรณ์เป็นมานานเป็นข้อขัดขวางที่สําคัญที่จํากัดผลงานและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์การแก้ปัญหานี้ขึ้นอยู่กับการบูรณาการของวัสดุระบายความร้อนที่ให้ความสามารถในการระบายความร้อนที่ดีกว่าและความมั่นคงทางความร้อนที่ดีกว่าภายใต้สภาพการทํางานที่มีความร้อนสูง
ในฐานะตัวนําหลักของการถ่ายทอดความร้อน ผลงานของเครื่องระบายความร้อนจะกําหนดประสิทธิภาพของการจัดการความร้อนโดยตรงความจํากัดทางเทคนิคของวิธีแก้ปัญหาแบบปกติ.
หน่วยระบายความร้อนโลหะ เช่น ทองแดงและอลูมิเนียมมีประหยัด แต่มีความแตกต่างในการขยายความร้อนที่รุนแรงกับสื่อการเพิ่มเลเซอร์ทั่วไปเช่น GaN และ InPส่งผลให้เกิดความเครียดทางความร้อนที่มุ่งเน้นในระหว่างการหมุนเวียนอุณหภูมิอัลลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) ซีรามิก หนาวซินคิวเผชิญกับความท้าทายในการควบคุมความต้านทานทางความร้อนระหว่างผิวและรักษาความมั่นคงของโครงสร้างทําให้มันไม่เหมาะสมสําหรับระบบเลเซอร์ระดับกิโลวัตต์ขึ้นไปถึงแม้ว่าเพชรที่เกิดจากสารเคมี (CVD) จะมีความสามารถในการนําไฟได้ดีเยี่ยมราคาการผลิตที่สูงมาก และความยากลําบากในการควบคุมความบกพร่องสําหรับโวฟเฟอร์ขนาดใหญ่กว่า 3 นิ้ว จํากัดการนํามาใช้ในขนาดใหญ่.
ในทางตรงกันข้าม หม้อระบายความร้อนจากซิลิคอน คาร์ไบด์ (SiC) แสดงผลประโยชน์ที่ชัดเจน
SiC แสดงความสมดุลการทํางานทางความร้อนที่โดดเด่น ความสามารถในการนําความร้อนในอุณหภูมิห้องของมันถึง 360-490 W·m-1·K-1, เปรียบเทียบกับทองแดง (397 W·m-1·K-1) และ 1.662สูงกว่าอะลูมิเนียม 26 เท่า (217 W·m−1·K−1), สร้างพื้นฐานที่แข็งแกร่งสําหรับการระบายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพในระบบเลเซอร์พลังงานสูง
ในแง่ของการขยายความร้อน SiC มีสัมพันธ์ 3.8?? 4.3 × 10−6 K−1, ตรงกับ GaN (3.17 × 10−6 K−1) และ InP (4.6 × 10−6 K−1).5 × 10−6 K−1) และอะลูมิเนียม (23.1 × 10−6 K−1), ลดความเครียดทางอุณหภูมิระหว่างผิวด้วยประสิทธิภาพ
เมื่อเปรียบเทียบกับเพชร CVD และ AlN, ความสมดุลผลการทํางานของ SiC ยังชัดเจนกว่า. ในขณะที่เพชร CVD มีความสามารถในการนําไฟฟ้าสูงมาก (~ 2000 W · m -1 · K -1),สัมประสานการขยายความร้อนของมัน (1.0 × 10−6 K−1) มีความไม่เหมาะสมอย่างมากกับสื่อการเติบโต เช่น Yb: YAG (6.8 × 10−6 K−1).5 × 10−6 K−1) แต่ความสามารถในการนําความร้อนของมัน (180 W·m−1·K−1) เป็นเพียงประมาณ 45% ของ 4H-SiC, จํากัดประสิทธิภาพการระบายความร้อนอย่างสําคัญ
การผสมผสานอันโดดเด่นนี้ความสามารถในการนําความร้อนสูงและการสอดคล้องการขยายความร้อนที่ดีตําแหน่ง SiC เป็นวัสดุที่ดีที่สุดที่มีประสิทธิภาพทางความร้อนที่สมดุลดี
SiC แสดงความทนทานต่อการออกซิเดชั่นที่ดีเยี่ยม ความอดทนต่อรังสี และความแข็งแรงของมอห์สสูงถึง 92คุณสมบัติเหล่านี้ทําให้มันทนต่อสภาพแวดล้อมการทํางานที่รุนแรงที่มีอุณหภูมิสูงและรังสีที่เข้มแข็งการสนับสนุนการทํางานที่มั่นคงในระยะยาวของระบบเลเซอร์พลังงานสูง และการลดต้นทุนการบํารุงรักษา.
โดยเปรียบเทียบกัน หม้อระบายความร้อนโลหะแบบดั้งเดิม มีข้อผิดพลาดที่ชัดเจนส่งผลให้ความต้านทานทางความร้อนของผิวหน้าเพิ่มขึ้นตามเวลา และส่งผลให้ผลการระบายความร้อนเสื่อมลงอย่างช้า ๆด้านอลูมิเนียม มีความแข็งแรงทางกลไม่เพียงพอ ด้วยความแข็งแรงของบรีเนลล์เพียง 20-35 HB ทําให้มันมีความเปราะบางต่อการบิดเบือนระหว่างการประกอบและการใช้งาน
SiC มีความสอดคล้องสูงกับเทคโนโลยีการเชื่อมต่อต่างๆ รวมถึงการเชื่อมต่อแบบโลหะ, การเชื่อมต่อโดยตรง, และการเชื่อมต่อแบบ eutecticทําให้สามารถบูรณาการต่อต้านความร้อนที่ต่ําของอินเตอร์เฟซกับครึ่งประสาทประกอบ เช่น GaN และ InPความหลากหลายนี้ให้ความยืดหยุ่นในการออกแบบที่กว้างขวางสําหรับการแก้ไขการบูรณาการ heterogeneous
นอกจากนี้ ความวัยรุ่นของกระบวนการเชื่อม SiC ลดอุปสรรคในการนําไปใช้ในด้านวิศวกรรมลงอย่างสําคัญ และรับประกันความสอดคล้องกับสายการผลิตครึ่งตัวนําที่มีอยู่และเร่งการเปลี่ยนจากการวิจัยในห้องปฏิบัติการ ไปสู่การใช้งานจริง.
เนื่องจากข้อดีเหล่านี้ SiC ได้กลายเป็นวัสดุที่นิยมสําหรับการระบายความร้อนสําหรับเลเซอร์พลังงานสูง และถูกใช้อย่างแพร่หลายในเลเซอร์ครึ่งตัวนํา (LDs), เลเซอร์แผ่นบาง (TDLs),และเลเซอร์ระบายแสงบนพื้นผิวช่องตั้ง (VCSELs).
ในฐานะ semiconductor แบนด์ก๊าปที่กว้าง SiC มีอยู่หลายแบบหลายแบบ รวมถึง 3C-SiC, 4H-SiC, และ 6H-SiCความแตกต่างในวิธีการเตรียมและคุณสมบัติของวัสดุให้พื้นฐานสําหรับการปรับปรุงความร้อน-ซิงค์เฉพาะการใช้งาน.
(1) การขนย้ายควันทางกายภาพ (PVT)
เตรียมไว้ในอุณหภูมิที่มากกว่า 2000 °C, ผลิต 4H-SiC และ 6H-SiC ด้วยความสามารถในการนําไฟฟ้าของ 300490 W·m−1·K−1. วัสดุเหล่านี้มีความสามารถในการนําไฟฟ้าสูงและความแข็งแรงทางกลทําให้มันเหมาะสําหรับอุปกรณ์เลเซอร์พลังงานสูงที่มีความมั่นคงทางโครงสร้างที่เข้มงวด.
(2) อีปิตาซีระยะเหลว (LPE)
ผลิตที่อุณหภูมิที่ค่อนข้างปรับปรุง (1450 ~ 1700 ° C) ทําให้สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยํากับพอลิไทป์ 3C-SiC และ 4H-SiC. ความสามารถในการนําความร้อนในช่วง 320 ~ 450 W · m-1 · K-1.LPE-SiC เป็นประโยชน์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์เลเซอร์ระดับสูงที่ต้องการพลังงานสูงอายุการใช้งานยาวนาน และมีสภาพคล้ายคลึงกับคริสตัล
(3) การฝากควันทางเคมี (CVD)
ผลิต 4H-SiC และ 6H-SiC ความบริสุทธิ์สูงที่มีความสามารถในการนําความร้อน 350 ∼ 500 W·m−1 ⋅ K−1 ความสามารถในการนําความร้อนสูงทําให้การสกัดความร้อนมีประสิทธิภาพขณะที่ความมั่นคงในมิติที่ดีที่สุดป้องกันการปรับปรุงหลังการกําจัดความร้อนการผสมผสานคุณสมบัติเหล่านี้เป็นสิ่งจําเป็นสําหรับการทํางานที่มั่นคงในระยะยาว ภายใต้สภาพที่รุนแรง ทําให้ CVD-SiC เป็นทางออกที่นิยมที่สมดุลการทํางานและความน่าเชื่อถือ
ด้วยการสอดคล้องปริมาตรทางความร้อนที่เหนือกว่า การปรับตัวต่อสิ่งแวดล้อมอย่างแข็งแรง และความเข้ากันได้อย่างดีเยี่ยมของกระบวนการ SiC ได้ปรากฏขึ้นเป็นวัสดุที่เหมาะสมสําหรับระบบเลเซอร์พลังงานสูงในอุปกรณ์ผูกผูกแบบไม่เหมือนกัน, การนําผลประโยชน์จากลักษณะการขยายความร้อนที่แตกต่างกันของพอลิไทป์ SiC และแนวโน้มคริสตัลต่างๆ ทําให้การจับคู่ระหว่างผิวที่ดีที่สุดและการระบายความร้อนได้สูงสุด
เลเซอร์ครึ่งตัวประกอบพลังงานสูงถูกใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการผลิต ระบบป้องกันและทหาร การใช้งานทางชีวแพทย์ และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์การจัดการทางความร้อนหลังจากการบรรจุอุปกรณ์เป็นมานานเป็นข้อขัดขวางที่สําคัญที่จํากัดผลงานและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์การแก้ปัญหานี้ขึ้นอยู่กับการบูรณาการของวัสดุระบายความร้อนที่ให้ความสามารถในการระบายความร้อนที่ดีกว่าและความมั่นคงทางความร้อนที่ดีกว่าภายใต้สภาพการทํางานที่มีความร้อนสูง
ในฐานะตัวนําหลักของการถ่ายทอดความร้อน ผลงานของเครื่องระบายความร้อนจะกําหนดประสิทธิภาพของการจัดการความร้อนโดยตรงความจํากัดทางเทคนิคของวิธีแก้ปัญหาแบบปกติ.
หน่วยระบายความร้อนโลหะ เช่น ทองแดงและอลูมิเนียมมีประหยัด แต่มีความแตกต่างในการขยายความร้อนที่รุนแรงกับสื่อการเพิ่มเลเซอร์ทั่วไปเช่น GaN และ InPส่งผลให้เกิดความเครียดทางความร้อนที่มุ่งเน้นในระหว่างการหมุนเวียนอุณหภูมิอัลลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) ซีรามิก หนาวซินคิวเผชิญกับความท้าทายในการควบคุมความต้านทานทางความร้อนระหว่างผิวและรักษาความมั่นคงของโครงสร้างทําให้มันไม่เหมาะสมสําหรับระบบเลเซอร์ระดับกิโลวัตต์ขึ้นไปถึงแม้ว่าเพชรที่เกิดจากสารเคมี (CVD) จะมีความสามารถในการนําไฟได้ดีเยี่ยมราคาการผลิตที่สูงมาก และความยากลําบากในการควบคุมความบกพร่องสําหรับโวฟเฟอร์ขนาดใหญ่กว่า 3 นิ้ว จํากัดการนํามาใช้ในขนาดใหญ่.
ในทางตรงกันข้าม หม้อระบายความร้อนจากซิลิคอน คาร์ไบด์ (SiC) แสดงผลประโยชน์ที่ชัดเจน
SiC แสดงความสมดุลการทํางานทางความร้อนที่โดดเด่น ความสามารถในการนําความร้อนในอุณหภูมิห้องของมันถึง 360-490 W·m-1·K-1, เปรียบเทียบกับทองแดง (397 W·m-1·K-1) และ 1.662สูงกว่าอะลูมิเนียม 26 เท่า (217 W·m−1·K−1), สร้างพื้นฐานที่แข็งแกร่งสําหรับการระบายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพในระบบเลเซอร์พลังงานสูง
ในแง่ของการขยายความร้อน SiC มีสัมพันธ์ 3.8?? 4.3 × 10−6 K−1, ตรงกับ GaN (3.17 × 10−6 K−1) และ InP (4.6 × 10−6 K−1).5 × 10−6 K−1) และอะลูมิเนียม (23.1 × 10−6 K−1), ลดความเครียดทางอุณหภูมิระหว่างผิวด้วยประสิทธิภาพ
เมื่อเปรียบเทียบกับเพชร CVD และ AlN, ความสมดุลผลการทํางานของ SiC ยังชัดเจนกว่า. ในขณะที่เพชร CVD มีความสามารถในการนําไฟฟ้าสูงมาก (~ 2000 W · m -1 · K -1),สัมประสานการขยายความร้อนของมัน (1.0 × 10−6 K−1) มีความไม่เหมาะสมอย่างมากกับสื่อการเติบโต เช่น Yb: YAG (6.8 × 10−6 K−1).5 × 10−6 K−1) แต่ความสามารถในการนําความร้อนของมัน (180 W·m−1·K−1) เป็นเพียงประมาณ 45% ของ 4H-SiC, จํากัดประสิทธิภาพการระบายความร้อนอย่างสําคัญ
การผสมผสานอันโดดเด่นนี้ความสามารถในการนําความร้อนสูงและการสอดคล้องการขยายความร้อนที่ดีตําแหน่ง SiC เป็นวัสดุที่ดีที่สุดที่มีประสิทธิภาพทางความร้อนที่สมดุลดี
SiC แสดงความทนทานต่อการออกซิเดชั่นที่ดีเยี่ยม ความอดทนต่อรังสี และความแข็งแรงของมอห์สสูงถึง 92คุณสมบัติเหล่านี้ทําให้มันทนต่อสภาพแวดล้อมการทํางานที่รุนแรงที่มีอุณหภูมิสูงและรังสีที่เข้มแข็งการสนับสนุนการทํางานที่มั่นคงในระยะยาวของระบบเลเซอร์พลังงานสูง และการลดต้นทุนการบํารุงรักษา.
โดยเปรียบเทียบกัน หม้อระบายความร้อนโลหะแบบดั้งเดิม มีข้อผิดพลาดที่ชัดเจนส่งผลให้ความต้านทานทางความร้อนของผิวหน้าเพิ่มขึ้นตามเวลา และส่งผลให้ผลการระบายความร้อนเสื่อมลงอย่างช้า ๆด้านอลูมิเนียม มีความแข็งแรงทางกลไม่เพียงพอ ด้วยความแข็งแรงของบรีเนลล์เพียง 20-35 HB ทําให้มันมีความเปราะบางต่อการบิดเบือนระหว่างการประกอบและการใช้งาน
SiC มีความสอดคล้องสูงกับเทคโนโลยีการเชื่อมต่อต่างๆ รวมถึงการเชื่อมต่อแบบโลหะ, การเชื่อมต่อโดยตรง, และการเชื่อมต่อแบบ eutecticทําให้สามารถบูรณาการต่อต้านความร้อนที่ต่ําของอินเตอร์เฟซกับครึ่งประสาทประกอบ เช่น GaN และ InPความหลากหลายนี้ให้ความยืดหยุ่นในการออกแบบที่กว้างขวางสําหรับการแก้ไขการบูรณาการ heterogeneous
นอกจากนี้ ความวัยรุ่นของกระบวนการเชื่อม SiC ลดอุปสรรคในการนําไปใช้ในด้านวิศวกรรมลงอย่างสําคัญ และรับประกันความสอดคล้องกับสายการผลิตครึ่งตัวนําที่มีอยู่และเร่งการเปลี่ยนจากการวิจัยในห้องปฏิบัติการ ไปสู่การใช้งานจริง.
เนื่องจากข้อดีเหล่านี้ SiC ได้กลายเป็นวัสดุที่นิยมสําหรับการระบายความร้อนสําหรับเลเซอร์พลังงานสูง และถูกใช้อย่างแพร่หลายในเลเซอร์ครึ่งตัวนํา (LDs), เลเซอร์แผ่นบาง (TDLs),และเลเซอร์ระบายแสงบนพื้นผิวช่องตั้ง (VCSELs).
ในฐานะ semiconductor แบนด์ก๊าปที่กว้าง SiC มีอยู่หลายแบบหลายแบบ รวมถึง 3C-SiC, 4H-SiC, และ 6H-SiCความแตกต่างในวิธีการเตรียมและคุณสมบัติของวัสดุให้พื้นฐานสําหรับการปรับปรุงความร้อน-ซิงค์เฉพาะการใช้งาน.
(1) การขนย้ายควันทางกายภาพ (PVT)
เตรียมไว้ในอุณหภูมิที่มากกว่า 2000 °C, ผลิต 4H-SiC และ 6H-SiC ด้วยความสามารถในการนําไฟฟ้าของ 300490 W·m−1·K−1. วัสดุเหล่านี้มีความสามารถในการนําไฟฟ้าสูงและความแข็งแรงทางกลทําให้มันเหมาะสําหรับอุปกรณ์เลเซอร์พลังงานสูงที่มีความมั่นคงทางโครงสร้างที่เข้มงวด.
(2) อีปิตาซีระยะเหลว (LPE)
ผลิตที่อุณหภูมิที่ค่อนข้างปรับปรุง (1450 ~ 1700 ° C) ทําให้สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยํากับพอลิไทป์ 3C-SiC และ 4H-SiC. ความสามารถในการนําความร้อนในช่วง 320 ~ 450 W · m-1 · K-1.LPE-SiC เป็นประโยชน์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์เลเซอร์ระดับสูงที่ต้องการพลังงานสูงอายุการใช้งานยาวนาน และมีสภาพคล้ายคลึงกับคริสตัล
(3) การฝากควันทางเคมี (CVD)
ผลิต 4H-SiC และ 6H-SiC ความบริสุทธิ์สูงที่มีความสามารถในการนําความร้อน 350 ∼ 500 W·m−1 ⋅ K−1 ความสามารถในการนําความร้อนสูงทําให้การสกัดความร้อนมีประสิทธิภาพขณะที่ความมั่นคงในมิติที่ดีที่สุดป้องกันการปรับปรุงหลังการกําจัดความร้อนการผสมผสานคุณสมบัติเหล่านี้เป็นสิ่งจําเป็นสําหรับการทํางานที่มั่นคงในระยะยาว ภายใต้สภาพที่รุนแรง ทําให้ CVD-SiC เป็นทางออกที่นิยมที่สมดุลการทํางานและความน่าเชื่อถือ
ด้วยการสอดคล้องปริมาตรทางความร้อนที่เหนือกว่า การปรับตัวต่อสิ่งแวดล้อมอย่างแข็งแรง และความเข้ากันได้อย่างดีเยี่ยมของกระบวนการ SiC ได้ปรากฏขึ้นเป็นวัสดุที่เหมาะสมสําหรับระบบเลเซอร์พลังงานสูงในอุปกรณ์ผูกผูกแบบไม่เหมือนกัน, การนําผลประโยชน์จากลักษณะการขยายความร้อนที่แตกต่างกันของพอลิไทป์ SiC และแนวโน้มคริสตัลต่างๆ ทําให้การจับคู่ระหว่างผิวที่ดีที่สุดและการระบายความร้อนได้สูงสุด
