Lieljaudas lāzerdiode, kas sūknē griešanas lāzeru vai medicīnas ierīci, rada neticami daudz siltuma no mikroskopiskas mikroshēmas laukuma. Šis intensīvais, koncentrētais siltums ir ātri un vienmērīgi jāizkliedē, pretējā gadījumā mikroshēma iznīcinās sevi sekundes daļā. Varš ir lielisks siltuma vadītājs, taču šiem ekstrēmākajiem lietojumiem pat varš nav pietiekami ātrs. Labākais risinājums ir siltuma izplatītājs, kas izgatavots no sintētiska, tīra dimanta{3}}materiāla, kas vada siltumu burtiski labāk nekā jebkas cits uz Zemes.
Siltuma pārvaldības izaicinājums lieljaudas lāzerdiodēs
Lāzera diode darbojas ar ļoti lielu elektriskās strāvas blīvumu, kas ir ierobežots aktīvajā reģionā, kas bieži ir mazāks par 100 µm × 1 mm. Atkritumu siltums, kas rodas šajā mazajā krustojumā, var pārsniegt 1 kW/cm². Bez īpaši efektīva siltuma izkliedētāja savienojuma temperatūra paaugstinās virs ierīces maksimālās vērtības (parasti 50–85 grādi nepārtrauktai viļņu darbībai), izraisot viļņa garuma nobīdi, jaudas atslēgšanu un iespējamus katastrofālus optiskus bojājumus.
Siltuma izkliedētājam,{0}}ko sauc arī par apakšējo stiprinājumu, vai uzliktni (patronu), kas satur lāzera diode{1}}ir vienlaicīgi jāveic divas funkcijas:
Izdaliet siltumu uz sāniemno mikroskopiskā karstā punkta uz lielāku laukumu, kur to var noņemt ar termoelektrisko dzesētāju vai ar ūdeni dzesējamu aukstuma plāksni.
Elektriski izolētlāzerdiodes elektriskie kontakti no iezemētās plāksnes, jo lielākā daļa lāzerdiožu ir elektriski darbināmas.
Varš jau sen ir bijis siltuma izkliedētāju etalonmateriāls tā augstās siltumvadītspējas (≈400 W/m·K) un ražošanas vienkāršības dēļ. Tomēr varš ir lielisks elektrības vadītājs, un tādēļ, ja to izmanto kā plāksni, tam ir nepieciešams papildu izolācijas slānis (piemēram, plāns keramikas vai dielektrisks pārklājums). Šis papildu slānis rada termisko pretestību, iznīcinot daļu no vara priekšrocībām.
CVD Diamond kā siltuma izkliedētājs: īpašības un ražošana
Ķīmiskās tvaiku pārklāšanas (CVD) dimantu iegūst, audzējot polikristāliskas vai viena kristāla dimanta plēves no ogļūdeņraža-ūdeņraža plazmas uz substrāta. Pēc augšanas dimanta slānis tiek noņemts no pamatnes kā brīvi stāvoša plāksne, kuru var pulēt līdz gludai, plakanai virsmai (Ra < 10 nm) un sagriezt līdz vajadzīgajiem izmēriem.
CVD dimanta siltumvadītspēja lielā mērā ir atkarīga no tā kristāliskās kvalitātes:
Polikristālisks CVD dimants– Tipiskā siltumvadītspēja svārstās no 1000 līdz 1500 W/m·K, un vērtības aptuveni 1200–1300 W/m·K ir raksturīgas optiskiem materiāliem. Vadītspēju ierobežo fononu izkliede pie graudu robežām un piemaisījumi.
Augstas kvalitātes, izotopiski tīrs CVD dimants– Izmantojot oglekļa-12 (¹²C) bagātināšanu un samazinot slāpekļa un bora piemaisījumus, ir sasniegta siltumvadītspēja, kas pārsniedz 2000 W/m·K. Tas tuvojas dabiskā dimanta teorētiskajai robežai (≈2200 W/m·K istabas temperatūrā).
Salīdzinājumam, tīra vara (atkvēlināta, 99,99%) siltumvadītspēja ir aptuveni 401 W/m·K 25 grādu temperatūrā. Pat zemākās kvalitātes CVD dimants (≈800 W/m·K) pārspēj varu divas reizes. Standarta polikristāliskais CVD dimants (1200 W/m·K) ir trīs reizes labāks par varu, savukārt izotopiski uzlabotais dimants ir piecas reizes labāks.
Tiešs salīdzinājums: CVD Diamond vs. Vara siltuma izkliedētājs lāzera diodes plāksnei
TheCVD dimanta vs vara siltuma izkliedētāja lāzerdiodes plāksnenovērtējums ietver vairākus veiktspējas rādītājus, izņemot neapstrādātu siltumvadītspēju. Tālāk esošajā tabulā ir apkopoti galvenie salīdzinājumi:
| Īpašums | Varš (tīrs, atkausēts) | Polikristālisks CVD dimants |
|---|---|---|
| Siltumvadītspēja (W/m·K) pie 25 grādiem | ≈400 | 1000–1500 (typical); >2000 (izotopu tīrība) |
| Elektriskā pretestība (Ω·cm) | ≈1,7 × 10⁻⁶ (vadītājs) | >10¹⁴ (izolators) |
| Termiskās izplešanās koeficients (CTE, ppm/K) | ≈16.5 | ≈1,0–2,5 (atkarīgs no kristāliskuma) |
| Blīvums (g/cm³) | 8.96 | 3.52 |
| Janga modulis (GPa) | 110–130 | 1000–1200 |
| Lūzuma izturība (MPa·m¹/²) | ≈80–100 (kaļas) | ≈3–5 (trausla keramika) |
| Izmaksas (attiecībā uz varu) | 1× | 100–500× |
Dimants ir ideāls, kristālisks karstuma ceļš, kur varš ir tikai ātrs, bet nepilnīgs metālisks ceļš.
Termiskā izplatīšanās pretestība
Galvenais siltuma izkliedētāja priekšrocību rādītājs ir siltuma izkliedes pretestība{0}}temperatūras paaugstināšanās, ko izraisa neatbilstība starp mazu siltuma avotu un lielāku siltuma izlietni. Kvadrātveida siltuma avotam ar sānu garumu �a uz daļēji bezgalīga izkliedētāja izkliedes pretestība ���Rsp� ir apgriezti proporcionāla ��⋅�πa⋅k��k ir siltumvadītspēja. Tādējādi, dubultojot �k, izkliedēšanas pretestība tiek samazināta uz pusi. 1 mm × 0,1 mm lāzera diodes stienim vara izkliedētājam (k = 400 W/m·K) ir aptuveni trīs reizes lielāka izkliedēšanas pretestība nekā CVD dimanta izkliedētājam (k = 1200 W/m·K). Tas tieši nozīmē zemāku savienojuma temperatūru -bieži par 20–40 grādiem vēsāku dimanta izkliedētājam tādos pašos dzesēšanas apstākļos.
Elektriskās izolācijas priekšrocības
Because diamond is an electrical insulator (resistivity >10¹⁴ Ω·cm), CVD dimanta siltuma izkliedētāju var novietot tieši starp lāzerdiodes elektrisko kontaktu un metāla plāksni bez papildu dielektriskā slāņa. Turpretim vara ir nepieciešams atsevišķs elektriski izolējošs slānis (piemēram, Al₂O3, AlN vai plāns dimantam līdzīgs pārklājums). Šis slānis palielina termisko pretestību -parasti 0,5–2 grādi ·cm²/W-, kas samazina vara izkliedētāja efektivitāti. CVD dimanta izkliedētājs apvieno siltuma izkliedi un elektrisko izolāciju vienā monolītā materiālā.
Integrācija plates blokā
CVD dimanta siltuma izkliedētāju nevar vienkārši aizstāt ar varu, izmantojot tos pašus montāžas paņēmienus. Materiāls ir stingra, trausla keramika ar ļoti zemu termiskās izplešanās koeficientu (CTE) aptuveni 1–2,5 ppm/K, salīdzinot ar vara 16,5 ppm/K. Ja dimanta plāksne ir tieši pielodēta vai lodēta ar vara radiatoru, lielā CTE neatbilstība temperatūras cikla laikā izraisa lielu termisko spriegumu, kas var saplaisāt dimantu.
Veiksmīgai integrācijai ir nepieciešams:
Interfeisa slāņi– Plāns, saderīgs slānis (piemēram, mīksts zelta-alvas (AuSn) lodmetāls vai termiskās saskarnes materiāls uz grafīta bāzes) tiek izmantots, lai pielāgotos bīdes spriegumiem. Slāņa biezums tiek uzturēts mazs (5–20 µm), lai samazinātu termisko pretestību, vienlaikus nodrošinot deformācijas mazināšanu.
Atbilstoši CTE radiatori– Alternatīvi, dimanta izkliedētājs ir piestiprināts pie radiatora, kas izgatavots no materiāla ar zemu CTE, piemēram, vara-volframa (CuW, CTE ≈ 8 ppm/K) vai vara-molibdēna (CuMo, CTE ≈ 7 ppm/K). Tas samazina dimanta slodzi.
Metalizācija– Dimanta virsma ir metalizēta (piemēram, ar Ti/Pt/Au vai Ti/W/Ni/Au daudzslāņu slāni), lai nodrošinātu lodēšanu. Metalizācijai ir stingri jālīp pie dimanta, kas ir ķīmiski inerts. Kā pirmais slānis tiek izmantots karbīdu veidojošs metāls (titāns vai hroms).
Pareizi konstruēts CVD dimanta siltuma izkliedētājs iztur tūkstošiem termisko ciklu bez degradācijas.
Praktiski pielietojumi un ierobežojumi
CVD dimanta siltuma izplatītājus izmanto:
Lieljaudas lāzera diožu stieņi un blokicietvielu lāzeru rūpnieciskai griešanai, metināšanai un sūknēšanai.
Lāzera diožu moduļi optiskajiem sakariem(telecom un datacom), kam nepieciešama stingra viļņa garuma stabilitāte.
Medicīniskās lāzersistēmas(piemēram, dermatoloģija, ķirurģija), kur uzticamība un kompakts iepakojums ir ļoti svarīgi.
Radiofrekvences (RF) jaudas tranzistoriun monolītās mikroviļņu integrālās shēmas (MMIC), kur pastāv līdzīgas termiskās problēmas.
CVD dimanta ierobežojumi ietver:
Izmaksas– 10 mm × 10 mm × 0,3 mm CVD dimanta izkliedētājs maksā simtiem dolāru, salīdzinot ar dažiem centiem par tāda paša izmēra vara gabalu. Tāpēc dimants ir paredzēts lietojumiem, kur varš nevar izpildīt termiskās prasības.
Izgatavošanas sarežģītība– Dimanta griešanai, pārklāšanai, pulēšanai un metalizēšanai ir nepieciešams specializēts aprīkojums (lāzera griešanas vai ar dimantu impregnēti slīpēšanas instrumenti) un zināšanas.
Mehāniskā trauslums– Dimanta plāksnes ir trauslas, un tās var saplaisāt nepareizas apstrādes vai pārmērīga saspiešanas spēka dēļ.
Nākotnes attīstība
Pētījumi turpina samazināt CVD dimanta izmaksas, palielinot nogulsnēšanās ātrumu, lielākus augšanas apgabalus un uzlabojot ražu. Izotopiski tīrs dimants (³⁰ C) joprojām ir dārgs un aprobežojas ar pētniecību, taču polikristāliskais dimants ar vadītspēju 1500–1800 W/m·K kļūst komerciāli pieejams. Turklāt tiek izstrādāti dimanta kompozītmateriālu siltuma izkliedētāji (piemēram, dimanta-vara vai dimanta-sudraba kompozītmateriāli), lai apvienotu dimanta augsto vadītspēju ar metāla elastību un CTE atbilstību, lai gan iegūtā vadītspēja (600–800 W/m·K) ir zemāka nekā tīram dimantam.
Secinājums
CVD dimants ir izcils, bezkompromisu siltumu izkliedējošs materiāls, izcili, termiski supervadošs kristāls, kas atstāj pat labākos metālus tālu aiz sevis un ir paredzēts elitārākajām siltuma pārvaldības problēmām. Ar siltumvadītspēju, kas pārsniedz 1000 W/m·K-un bieži vien pārsniedz 1200 W/m·K komerciālās kategorijās,-CVD dimants pārspēj varu trīs vai vairāk reizes. Apvienojot to ar raksturīgo elektrisko izolāciju, dimants novērš nepieciešamību pēc papildu dielektriskiem slāņiem, kas samazina metāla izkliedētāju efektivitāti. Lai gan dimanta izmaksas un trauslums prasa rūpīgu integrāciju lāzera diodes plāksnē, no tā izrietošā savienojuma temperatūras samazināšanās tieši nozīmē lielāku lāzera izejas jaudu, ilgāku ierīces kalpošanas laiku un šaurāku viļņa garuma kontroli. Karstākie un jaudīgākie nākotnes lāzeri tiks atdzesēti ar tīra, sintētiskā dimanta plāksni.
