Suure võimsusega laserdiood, selline, mis pumpab lõikelaserit või meditsiiniseadet, toodab mikroskoopilise kiibi alalt uskumatult palju soojust. See intensiivne, keskendunud kuumus tuleb kiiresti ja ühtlaselt hajutada, vastasel juhul hävitab kiip end sekundi murdosa jooksul. Vask on suurepärane soojusjuht, kuid nende kõige ekstreemsemate rakenduste jaoks ei ole isegi vask piisavalt kiire. Parim lahendus on soojusjaotur, mis on valmistatud sünteetilisest puhtast teemandist-, mis juhib soojust sõna otseses mõttes paremini kui miski muu Maal.
Suure võimsusega laserdioodide soojusjuhtimise väljakutse
Laserdiood töötab väga suure elektrivoolutihedusega, mis on piiratud aktiivse piirkonnaga, mis on sageli väiksem kui 100 µm × 1 mm. Sellel väikesel ristmikul tekkiv heitsoojus võib ületada 1 kW/cm². Ilma ülitõhusa soojusjaoturita tõuseb ristmiku temperatuur seadme maksimumväärtusest kõrgemale (tavaliselt 50–85 kraadi pideva lainetöö puhul), mis põhjustab lainepikkuse nihke, toite väljalülitamise ja võimaliku katastroofilise optilise kahjustuse.
Soojusjaotur,{0}}tuntud ka kui aluskinnitus või laserdioodi hoidev alus (padrun),-peab täitma kahte samaaegset funktsiooni.
Jaotage kuumus külgsuunasmikroskoopilisest kuumast kohast suuremale alale, kust seda saab eemaldada termoelektrilise jahuti või vesijahutusega külmplaadiga.
Elektriliselt isoleeridalaserdioodi elektrikontaktid maandatud plaadilt, kuna enamik laserdioode on elektriajamiga.
Vask on oma kõrge soojusjuhtivuse (≈400 W/m·K) ja valmistamise lihtsuse tõttu pikka aega olnud soojuslaoturite etalonmaterjal. Vask on aga suurepärane elektrijuht ja vajab seetõttu plaadina kasutamisel täiendavat isolatsioonikihti (nt õhukest keraamilist või dielektrilist katet). See lisakiht lisab soojustakistust, tühistades osa vase eelistest.
CVD Diamond kui soojusjaotur: omadused ja tootmine
Keemilise aurustamise-sadestamise (CVD) teemant toodetakse polükristalliliste või ühekristalliliste teemantkilede kasvatamisel süsivesinik-vesiniku plasmast substraadile. Pärast kasvatamist eemaldatakse teemantkiht substraadilt eraldiseisva plaadina, mida saab poleerida siledaks tasaseks pinnaks (Ra < 10 nm) ja lõigata vajalike mõõtudega.
CVD teemandi soojusjuhtivus sõltub tugevalt selle kristallilisest kvaliteedist:
Polükristalliline CVD teemant– Tüüpiline soojusjuhtivus jääb vahemikku 1000–1500 W/m·K, optilise kvaliteediga materjalide puhul on tavalised väärtused umbes 1200–1300 W/m·K. Juhtivust piirab fononi hajumine terade piiridel ja lisandid.
Kvaliteetne isotooppuhas CVD teemant– Kasutades süsinik-12 (¹²C) rikastamist ning vähendades lämmastiku ja boori lisandeid, on saavutatud soojusjuhtivus üle 2000 W/m·K. See läheneb loodusliku teemandi teoreetilisele piirile (≈2200 W/m·K toatemperatuuril).
Võrdluseks, puhta vase (lõõmutatud, 99,99%) soojusjuhtivus on 25 kraadi juures ligikaudu 401 W/m·K. Isegi kõige madalama kvaliteediga CVD-teemant (≈800 W/m·K) ületab vase jõudlust kaks korda. Standardne polükristalliline CVD teemant (1200 W/m·K) on kolm korda parem kui vask, samas kui isotoopselt täiustatud teemant on viis korda parem.
Otsene võrdlus: CVD Diamond vs vasksoojusjaotur laserdioodplaadi jaoks
TheCVD teemant vs vask soojuslaoturi laserdioodplaathindamine hõlmab mitmeid toimivusmõõdikuid peale töötlemata soojusjuhtivuse. Allolev tabel võtab kokku peamised võrdlused.
| Kinnisvara | Vask (puhas, lõõmutatud) | Polükristalliline CVD teemant |
|---|---|---|
| Soojusjuhtivus (W/m·K) 25 kraadi juures | ≈400 | 1000–1500 (typical); >2000 (isotooppuhas) |
| Elektriline takistus (Ω·cm) | ≈1,7 × 10⁻⁶ (juht) | >10¹⁴ (isolaator) |
| Soojuspaisumistegur (CTE, ppm/K) | ≈16.5 | ≈1,0–2,5 (sõltub kristallilisusest) |
| Tihedus (g/cm³) | 8.96 | 3.52 |
| Youngi moodul (GPa) | 110–130 | 1000–1200 |
| Murdetugevus (MPa·m¹/²) | ≈80–100 (plastiline) | ≈3–5 (habras keraamika) |
| Maksumus (vase suhtes) | 1× | 100–500× |
Teemant on ideaalne, kristalne kuumatee, kus vask on lihtsalt kiire, kuid vigane metallist tee.
Termiline levimiskindlus
Soojusjaoturi eeliste põhinäitaja on termilise leviku takistus-temperatuuri tõus, mis on põhjustatud väikese soojusallika ja suurema jahutusradiaatori mittevastavusest. Poollõpmatu laoturi küljepikkusega �a ruudukujulise soojusallika puhul on levimistakistus ���Rsp pöördvõrdeline ��⋅�πa⋅k-ga, kus �k on soojusjuhtivus. Seega kahandab �k kahekordistamine levitakistust poole võrra. 1 mm × 0,1 mm laserdioodvarda puhul on vaskpuoturi (k = 400 W/m·K) levimistakistus ligikaudu kolm korda suurem kui CVD-teemantlaoturil (k = 1200 W/m·K). See tähendab samadel jahutustingimustel teemandilaoturi jaoks otseselt madalamat ristmiku temperatuuri -sageli 20–40 kraadi võrra jahedamat.
Elektriisolatsiooni eelis
Because diamond is an electrical insulator (resistivity >10¹⁴ Ω·cm), saab CVD teemantsoojusjaoturi asetada otse laserdioodi elektrilise kontakti ja metallplaadi vahele ilma täiendava dielektrilise kihita. Seevastu vask vajab eraldi elektriisolatsioonikihti (nt Al₂O3, AlN või õhukest teemanditaolist katet). See kiht lisab soojustakistust -tavaliselt 0,5–2 kraadi ·cm²/W-, mis vähendab vaselaoturi tõhusat jõudlust. CVD teemantpuistur ühendab soojuse hajutamise ja elektriisolatsiooni ühes monoliitses materjalis.
Integreerimine plaadikoostuga
CVD teemantsoojusjaoturit ei asendata lihtsalt vasega, kasutades samu kinnitusvõtteid. Materjal on jäik, rabe keraamika, mille soojuspaisumistegur (CTE) on väga madal, ligikaudu 1–2,5 ppm/K, võrreldes vase 16,5 ppm/K. Kui teemantplaat on joodetud või kõvajoodisega otse vasest jahutusradiaatori külge joodetud, põhjustab CTE suur ebakõla temperatuuritsükli ajal suuri termilisi pingeid, mis võivad teemandi lõhkuda.
Edukaks integreerimiseks on vaja:
Liideskihid– Nihkepingetega toimetulemiseks kasutatakse õhukest, nõuetele vastavat kihti (nt pehme kuld-tina (AuSn) joodis või grafiidipõhine termilise liidese materjal). Kihi paksus hoitakse väikesena (5–20 µm), et minimeerida soojustakistust, võimaldades samal ajal pingevabastust.
Sobivad CTE jahutusradiaatorid– Teise võimalusena kinnitatakse teemandipuistur jahutusradiaatori külge, mis on valmistatud madala CTE-ga materjalist, nagu vask-volfram (CuW, CTE ≈ 8 ppm/K) või vask-molübdeen (CuMo, CTE ≈ 7 ppm/K). See vähendab teemandi pinget.
Metalliseerimine– Teemantpind on metalliseeritud (nt Ti/Pt/Au või Ti/W/Ni/Au mitmekihilise kihiga), et võimaldada jootmist. Metalliseerimine peab tugevalt kleepuma teemandi külge, mis on keemiliselt inertne. Esimese kihina kasutatakse karbiidi moodustavat metalli (titaani või kroomi).
Kui CVD teemantsoojusjaotur on korralikult projekteeritud, elab see tuhandeid soojustsükleid ilma lagunemiseta.
Praktilised rakendused ja piirangud
CVD teemantsoojusjaoturiid kasutatakse:
Suure võimsusega laserdioodivardad ja -massiividtahkislaserite tööstuslikuks lõikamiseks, keevitamiseks ja pumpamiseks.
Laserdioodmoodulid optilise side jaoks(telekommunikatsioon ja andmeside), mis nõuavad tihedat lainepikkuse stabiilsust.
Meditsiinilised lasersüsteemid(nt dermatoloogia, kirurgia), kus töökindlus ja kompaktne pakend on kriitilise tähtsusega.
Raadiosageduslikud (RF) jõutransistoridja monoliitsed mikrolaine integraallülitused (MMIC), kus on sarnased termilised väljakutsed.
CVD teemandi piirangud hõlmavad järgmist:
Maksumus– 10 mm × 10 mm × 0,3 mm CVD teemantpuistur maksab sadu dollareid, samas kui sama suur vasetükk maksab paar senti. Seetõttu on teemant reserveeritud rakendustele, kus vask ei vasta soojusnõuetele.
Valmistamise keerukus– Teemantide lõikamine, lappimine, poleerimine ja metalliseerimine nõuab spetsiaalset varustust (laserlõikamis- või teemantimmutatud lihvimistööriistad) ja eriteadmisi.
Mehaaniline haprus– Teemantplaadid on rabedad ja võivad vale käsitsemise või liigse kinnitusjõu tõttu puruneda.
Edasised arengud
Teadusuuringud jätkavad CVD-teemantide maksumuse vähendamist kõrgema ladestamismäära, suuremate kasvualade ja parema saagise kaudu. Isotooppuhas teemant (³⁰ C) on endiselt kallis ja piirdub teadusuuringutega, kuid polükristalliline teemant juhtivusega 1500–1800 W/m·K on muutumas kaubanduslikult kättesaadavaks. Lisaks töötatakse välja teemantkomposiitsoojusjaoturid (nt teemant-vase või teemant-hõbeda komposiidid), et kombineerida teemandi kõrge juhtivusega metalli elastsust ja CTE-sobivust, kuigi sellest tulenevad juhtivused (600–800 W/m·K) on madalamad kui puhtal teemandil.
Järeldus
CVD-teemant on ülim, kompromissitu soojust hajutav materjal, hiilgav, termiliselt ülijuhtiv kristall, mis jätab isegi parimad metallid kaugele maha ja on reserveeritud kõige elitaarsemate soojusjuhtimise väljakutsete jaoks. Soojusjuhtivus ületab 1000 W/m·K-ja sageli üle 1200 W/m·K kaubandusliku kvaliteediga-CVD teemant ületab vase kolme või enama teguri võrra. Kombineerituna oma olemusliku elektriisolatsiooniga kaotab teemant vajaduse täiendavate dielektriliste kihtide järele, mis vähendavad metallilaoturite tõhusat jõudlust. Kuigi teemandi maksumus ja haprus nõuavad hoolikat integreerimist laserdioodiplaadiga, tähendab sellest tulenev ristmiku temperatuuri langus otseselt laseri suuremat väljundvõimsust, pikemat seadme kasutusiga ja kitsamat lainepikkuse juhtimist. Tuleviku kuumimaid ja võimsamaid lasereid jahutatakse puhta sünteetilise teemandiplaadiga.
