Với ứng dụng rộng rãi của laser công suất cao-trong các lĩnh vực như gia công chính xác công nghiệp, truyền thông 5G/6G, lái xe tự động và y học laser, quản lý nhiệt đã trở thành một nút thắt nghiêm trọng hạn chế cải thiện hiệu suất. Khả năng tản nhiệt kém có thể dẫn đến suy giảm hiệu suất quang học như dịch chuyển bước sóng phát xạ và rút ngắn tuổi thọ huỳnh quang trong các trường hợp nhẹ hoặc gây lão hóa thiết bị và ảnh hưởng đến độ ổn định đầu ra cũng như độ tin cậy của thiết bị trong các trường hợp nghiêm trọng. Đối mặt với mật độ dòng nhiệt ngày càng tăng, các bộ tản nhiệt bằng kim loại và gốm truyền thống đang tỏ ra không phù hợp. Do đó, vật liệu bán dẫn-thế hệ thứ ba, Silicon Carbide (SiC), đang nhanh chóng trở thành "vật liệu ngôi sao" trong lĩnh vực tản nhiệt laser-công suất cao, tận dụng các ưu điểm toàn diện của nó như độ dẫn nhiệt cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp và độ ổn định tuyệt vời.
Ưu điểm của tản nhiệt SiC là gì?
Các phương pháp làm mát chính cho-đóng gói laser bán dẫn công suất cao bao gồm làm mát tản nhiệt đối lưu tự nhiên, làm mát vi kênh, làm mát nhiệt điện và làm mát phun. Trong số này, làm mát tản nhiệt đối lưu tự nhiên là phương pháp làm mát phổ biến và tiết kiệm nhất cho laser bán dẫn bộ phát đơn- do tính dễ chế tạo và lắp ráp. Thông thường, để giảm nhiệt độ của chip laser một cách hiệu quả, các vật liệu có tính dẫn nhiệt cao được sử dụng làm tản nhiệt để tăng diện tích bề mặt đối lưu tự nhiên, từ đó tăng cường khả năng tản nhiệt. Trong khi các bộ tản nhiệt bằng kim loại như đồng và nhôm mang lại lợi thế về chi phí thì hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của chúng lại kém tương xứng với các phương tiện khuếch đại như GaN và InP. Sự không khớp này có thể dễ dàng gây ra ứng suất nhiệt trong chu kỳ nhiệt độ, làm giảm hiệu suất đầu ra của tia laser hoặc thậm chí khiến chip laser bị nứt và hỏng. Tản nhiệt bằng gốm nhôm Nitride (AlN) phải đối mặt với những thách thức trong việc kiểm soát khả năng chịu nhiệt giữa các bề mặt và duy trì sự ổn định về cấu trúc, gây khó khăn cho việc đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của hệ thống laser công suất cao hơn và mức kilowatt{7}}. Mặc dù kim cương CVD thể hiện tính dẫn nhiệt tuyệt vời nhưng chi phí chế tạo nó lại rất cao. Ngược lại, tản nhiệt Silicon Carbide (SiC) thể hiện những lợi thế toàn diện hấp dẫn với hiệu suất{10}chi phí cao:
Độ dẫn nhiệt cao: SiC tự hào có độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng-lên tới 490 W/(m·K). Mặc dù thấp hơn so với kim cương CVD, công nghệ sản xuất hàng loạt hoàn thiện cho tấm wafer SiC 6 inch dẫn đến đơn giá chỉ bằng 1/20 đến 1/15 so với kim cương CVD.
Hệ số giãn nở nhiệt thấp: SiC có CTE thấp 4,0×10⁻⁶/K, rất phù hợp với các phương tiện khuếch đại laser phổ thông như GaN và InP, ngăn chặn hiệu quả việc tạo ra ứng suất nhiệt.
Độ ổn định tuyệt vời: SiC thể hiện khả năng chống oxy hóa và chống bức xạ vượt trội, với độ cứng Mohs là 9,2. Nó có thể đảm bảo-hoạt động ổn định lâu dài của hệ thống laser ngay cả trong những điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao và bức xạ mạnh.
Chuẩn bị tản nhiệt SiC
SiC là một hợp chất không đối xứng tâm dựa trên liên kết cộng hóa trị. Cấu trúc cơ bản của nó bao gồm sự sắp xếp so le của bốn nguyên tử silicon và một nguyên tử carbon, tạo thành cấu trúc tứ diện thông qua liên kết cộng hóa trị lai SP³. Các polytype SiC phổ biến bao gồm 3C-SiC, 4H-SiC và 6H-SiC. Sự khác biệt trong phương pháp chuẩn bị và đặc điểm hiệu suất giữa các loại poly này cung cấp cơ sở cho việc điều chỉnh tản nhiệt theo từng tình huống cụ thể.
Lắng đọng hơi hóa học (CVD): Phương pháp này có thể tạo ra SiC-độ tinh khiết cao 4H-SiC và 6H-SiC với độ dẫn nhiệt dao động từ 350-500 W/(m·K). Trong khi độ dẫn nhiệt cao giúp giải quyết vấn đề trích nhiệt, độ ổn định về kích thước đảm bảo bản thân vật liệu không bị biến dạng sau khi trích nhiệt. Sự kết hợp của cả hai đều rất quan trọng để đảm bảo-hoạt động ổn định lâu dài của các thiết bị laser công suất cao trong những điều kiện đòi hỏi khắt khe. Tận dụng lợi thế kép của độ dẫn nhiệt cao và độ ổn định kích thước, SiC được điều chế bằng công nghệ CVD trở thành giải pháp ưu tiên cân bằng hiệu suất và độ tin cậy.
Vận chuyển hơi vật lý (PVT): Quá trình này bao gồm nhiệt độ cao trên 2000 độ, tạo ra 4H-SiC và 6H-SiC có độ dẫn nhiệt 300-490 W/(m·K). Nó có cả tính dẫn nhiệt và độ bền cơ học cao, khiến nó phù hợp với các thiết bị laser công suất cao có yêu cầu nghiêm ngặt về độ ổn định cấu trúc.
Epitaxy pha lỏng (LPE): Phương pháp này sử dụng nhiệt độ tương đối vừa phải trong phạm vi 1450-1700 độ, cho phép kiểm soát chính xác sự hình thành các polytype 3C-SiC và 4H-SiC, đạt được độ dẫn nhiệt 320-450 W/(m·K). Ưu điểm của nó nổi bật trong các thiết bị laser cao cấp đòi hỏi công suất cao, độ ổn định cao và tuổi thọ dài, trong đó tính nhất quán của polytype là rất quan trọng.
Ứng dụng
Tản nhiệt SiC đơn tinh thể:
Bộ tản nhiệt đơn tinh thể SiC thường được sản xuất bằng cách phát triển các thỏi tinh thể đơn SiC bằng phương pháp Lely đã sửa đổi, sau đó là cắt, mài và đánh bóng. Độ dẫn nhiệt lý thuyết của chúng có thể đạt tới 490 W/(m·K), vượt xa tản nhiệt Cu, gấp 1,5 lần so với tản nhiệt AlN và vượt xa tản nhiệt Si. Điều này khiến chúng trở thành vật liệu bán dẫn hứa hẹn nhất trong các ứng dụng đóng gói tiên tiến đòi hỏi khả năng tản nhiệt-cao cấp. Tận dụng tính dẫn nhiệt cao của đơn tinh thể SiC, Hu Sheng'an và cộng sự. đã phát triển tản nhiệt SiC đơn tinh thể-và tản nhiệt bọc đồng-SiC tinh thể đơn{10}}. Họ đã tiến hành thử nghiệm đóng gói lần lượt trên chip laze đỏ 640nm và chip laze 915nm công suất cao. So với tản nhiệt AlN, tia laser đỏ 640nm đi kèm với tản nhiệt SiC tinh thể đơn{17}}cho thấy dòng điện ngưỡng giảm 0,25A, công suất đầu ra tối đa tăng 0,5W và hiệu suất chuyển đổi quang điện-là 42,7%. Laser bán dẫn 915nm được đóng gói với bộ tản nhiệt bọc đồng -tinh thể SiC đơn{25}}cho thấy dòng điện ngưỡng giảm 0,26A, công suất đầu ra tối đa tăng 1,9W và hiệu suất chuyển đổi quang-điện là 64,9%. Bộ tản nhiệt SiC đơn tinh thể{31}}tăng cường đáng kể khả năng tản nhiệt và hiệu suất hoạt động của laser bán dẫn.
Tản nhiệt vi kênh gốm SiC:
Đối với laser công suất-trung bình{1}}cao yêu cầu làm mát bằng chất lỏng, các giải pháp chủ đạo bao gồm bộ tản nhiệt vi kênh, làm mát bằng nước kênh-vĩ mô và làm mát nhiệt điện. Mặc dù hệ thống làm mát bằng nước-kênh vĩ mô có cấu trúc đơn giản nhưng chúng có hiệu quả làm mát hạn chế, thường dẫn đến việc đổ đầy chất làm mát không đầy đủ gần nguồn nhiệt và giảm tốc độ dòng chảy cục bộ, dẫn đến độ đồng đều nhiệt độ kém. Làm mát bằng nhiệt điện có thể điều chỉnh nhiệt độ của môi trường khuếch đại, nhưng hiệu suất của nó giảm đáng kể trong điều kiện nhiệt độ-cao và phải đối mặt với những hạn chế về chi phí. Công nghệ làm mát dẫn truyền vi kênh, giúp mở rộng đáng kể diện tích tản nhiệt thông qua thiết kế kênh vi mô, nâng cao hiệu quả hiệu suất tản nhiệt và tính đồng nhất của trường nhiệt độ, trở thành trọng tâm nghiên cứu về quản lý nhiệt cho laser công suất-trung bình-cao. Do độ cứng và độ giòn cao của gốm SiC nên việc chế tạo các kênh dòng chảy bên trong phức tạp bằng gia công CNC truyền thống là vô cùng khó khăn. Sự xuất hiện của các công nghệ in 3D như Xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP) đã giải quyết hiệu quả vấn đề này. Giờ đây, các nhà nghiên cứu có thể in trực tiếp các vi kênh gốm SiC có cấu trúc vây-so le bên trong phức tạp (MCHS{15}}SF). Các cánh chốt này khuấy động mạnh chất làm mát, phá vỡ lớp ranh giới nhiệt và tăng cường đáng kể khả năng truyền nhiệt.
Cấu trúc tản nhiệt tổng hợp:
Điều này liên quan đến việc sử dụng 4H-SiC làm chất nền, phát triển một lớp kim cương đa tinh thể dẫn nhiệt cao (độ dẫn nhiệt > 1780 W·m⁻¹·K⁻¹) ở mặt sau của nó và chế tạo cấu trúc dị vòng AlGaN-GaN ở mặt trước. Bề mặt được hình thành giữa kim cương và SiC thông qua liên kết mật thiết ở cấp độ nguyên tử{5}}thể hiện độ bền liên kết cao, cấu trúc dày đặc và ít khuyết tật. Các thiết bị sử dụng chất nền tổng hợp này có nhiệt độ bề mặt tối đa thấp hơn 52,5 độ so với cấu trúc chất nền SiC đơn truyền thống, khả năng chịu nhiệt giảm 41% và dòng thoát tối đa tăng 19%. Quan trọng hơn, việc giảm đáng kể nhiệt độ vận hành đã kéo dài Thời gian hỏng hóc trung bình (MTTF) của thiết bị lên hơn 100 lần, đạt được sự tối ưu hóa kép về hiệu quả tản nhiệt và khả năng tương thích quy trình.
