Didelės galios lazerinis diodas, toks, kuris pumpuoja pjovimo lazerį ar medicinos prietaisą, iš mikroskopinio lusto ploto sukuria neįtikėtiną šilumos kiekį. Ši intensyvi, sutelkta šiluma turi būti paskirstyta greitai ir tolygiai, kitaip lustas sunaikins save per sekundės dalį. Varis yra puikus šilumos laidininkas, tačiau tokioms ekstremaliausioms reikmėms net varis nėra pakankamai greitas. Galutinis sprendimas yra šilumos sklaidytuvas, pagamintas iš sintetinio, gryno deimantų{3}}medžiagos, kuri praleidžia šilumą tiesiogine prasme geriau nei bet kas kitas Žemėje.
Didelės galios lazerinių diodų šilumos valdymo iššūkis
Lazerinis diodas veikia esant labai dideliam elektros srovės tankiui, kuris apribotas aktyvioje srityje, dažnai mažesnėje nei 100 µm × 1 mm. Atliekinė šiluma, susidaranti šioje mažoje sankryžoje, gali viršyti 1 kW/cm². Be itin veiksmingo šilumos sklaidytuvo sankryžos temperatūra pakyla virš maksimalios įrenginio vertės (paprastai 50–85 laipsniai, kai veikia nuolatinė banga), todėl bangos ilgis pasikeičia, galios nutrūkimas ir galimi katastrofiški optiniai pažeidimai.
Šilumos skirstytuvas -taip pat žinomas kaip antrinis laikiklis arba plokštelė (griebtuvas), laikanti lazerinį diodą-, vienu metu turi atlikti dvi funkcijas:
Paskirstykite šilumą į šonusiš mikroskopinio karšto taško į didesnį plotą, kur jį galima pašalinti termoelektriniu aušintuvu arba vandeniu aušinama šalto plokšte.
Elektros izoliacijalazerinio diodo elektriniai kontaktai iš įžemintos plokštės, nes dauguma lazerinių diodų yra varomi elektra.
Varis jau seniai buvo etaloninė šilumos skirstytuvų medžiaga dėl didelio šilumos laidumo (≈400 W/m·K) ir lengvo gamybos. Tačiau varis yra puikus elektros laidininkas, todėl jį naudojant kaip plokštelę reikia papildomo izoliacinio sluoksnio (pvz., plonos keramikos arba dielektrinės dangos). Šis papildomas sluoksnis sukuria šiluminę varžą, panaikindamas dalį vario pranašumų.
CVD Diamond kaip šilumos skirstytuvas: savybės ir gamyba
Cheminio nusodinimo garais (CVD) deimantas gaminamas iš angliavandenilio ir vandenilio plazmos ant substrato auginant polikristalines arba vienakristalines deimantų plėveles. Po augimo deimantinis sluoksnis pašalinamas nuo pagrindo kaip laisvai stovinti plokštė, kurią galima nupoliruoti iki lygaus, plokščio paviršiaus (Ra < 10 nm) ir supjaustyti iki reikiamų matmenų.
CVD deimanto šilumos laidumas labai priklauso nuo jo kristalinės kokybės:
Polikristalinis CVD deimantas– Tipiškas šilumos laidumo koeficientas svyruoja nuo 1000 iki 1500 W/m·K, o optinės kokybės medžiagoms būdingos 1200–1300 W/m·K vertės. Laidumą riboja fononų sklaida grūdelių ribose ir priemaišos.
Aukštos kokybės, izotopiškai grynas CVD deimantas– Naudojant anglies-12 (¹²C) sodrinimą ir sumažinant azoto bei boro priemaišas, šilumos laidumas viršija 2000 W/m·K. Tai artėja prie teorinės natūralaus deimanto ribos (≈2200 W/m·K kambario temperatūroje).
Palyginimui, gryno vario (atkaitinto, 99,99%) šilumos laidumas yra maždaug 401 W/m·K 25 laipsnių temperatūroje. Netgi žemiausios klasės CVD deimantas (≈800 W/m·K) du kartus lenkia varį. Standartinis polikristalinis CVD deimantas (1200 W/m·K) yra tris kartus geresnis už varį, o izotopiškai sustiprintas deimantas – penkis kartus geresnis.
Tiesioginis palyginimas: CVD Diamond vs Copper Heat Barter, skirtas lazeriniam diodui
TheCVD deimanto vs vario šilumos sklaidytuvo lazerinio diodo plokštėįvertinimas apima daugybę efektyvumo rodiklių, išskyrus neapdorotą šilumos laidumą. Žemiau esančioje lentelėje apibendrinami pagrindiniai palyginimai:
| Turtas | Varis (grynas, atkaitintas) | Polikristalinis CVD deimantas |
|---|---|---|
| Šilumos laidumas (W/m·K) esant 25 laipsniams | ≈400 | 1000–1500 (typical); >2000 (izotopiškai grynas) |
| Elektrinė varža (Ω·cm) | ≈1,7 × 10⁻⁶ (laidininkas) | >10¹⁴ (izoliatorius) |
| Šiluminio plėtimosi koeficientas (CTE, ppm/K) | ≈16.5 | ≈1,0–2,5 (priklauso nuo kristališkumo) |
| Tankis (g/cm³) | 8.96 | 3.52 |
| Youngo modulis (GPa) | 110–130 | 1000–1200 |
| Atsparumas lūžiams (MPa·m¹/²) | ≈80–100 (plastiškas) | ≈3–5 (trapi keramika) |
| Kaina (palyginti su variu) | 1× | 100–500× |
Deimantas yra puikus, kristalinis greitkelis karščiui, kur varis yra tik greitas, bet ydingas metalinis kelias.
Atsparumas šiluminei plitimui
Pagrindinis šilumos sklaidytuvo pranašumas yra šiluminio sklaidos pasipriešinimas{0}}temperatūros kilimas, kurį sukelia mažo šilumos šaltinio ir didesnio šilumos kriauklės neatitikimas. Kvadratinio šilumos šaltinio, kurio kraštinės ilgis yra �a, ant pusiau begalinio barstytuvo, plitimo varža ���Rsp yra atvirkščiai proporcinga ��⋅�πa⋅k, kur �k yra šilumos laidumas. Taigi padvigubėjus �k sklaidos pasipriešinimas sumažėja perpus. 1 mm × 0,1 mm lazerinio diodo strypo vario sklaidytuvas (k = 400 W/m·K) pasižymi maždaug tris kartus didesne plitimo varža nei CVD deimantų barstytuvo (k = 1200 W/m·K). Tai tiesiogiai reiškia žemesnę jungties temperatūrą,{9}}dažnai 20–40 laipsnių vėsesnę deimantų barstytuvui tomis pačiomis aušinimo sąlygomis.
Elektros izoliacijos pranašumas
Because diamond is an electrical insulator (resistivity >10¹⁴ Ω·cm), CVD deimantinis šilumos skirstytuvas gali būti dedamas tiesiai tarp lazerinio diodo elektrinio kontakto ir metalinės plokštės be jokio papildomo dielektrinio sluoksnio. Priešingai, variui reikalingas atskiras elektros izoliacinis sluoksnis (pvz., Al₂O3, AlN arba plona deimantą primenanti danga). Šis sluoksnis padidina šiluminę varžą -paprastai 0,5–2 laipsniai · cm²/W-, o tai sumažina efektyvų vario barstytuvo našumą. CVD deimantinis barstytuvas sujungia šilumos paskirstymą ir elektrinę izoliaciją vienoje monolitinėje medžiagoje.
Integravimas į plokštelės agregatą
CVD deimantinis šilumos skirstytuvas nėra tiesiog pakeistas variniu, naudojant tuos pačius montavimo būdus. Medžiaga yra standi, trapi keramika, kurios šiluminio plėtimosi koeficientas (CTE) yra labai mažas – maždaug 1–2,5 ppm/K, palyginti su vario 16,5 ppm/K. Jei deimantinė plokštė yra tiesiogiai lituojama arba sulituota prie vario radiatoriaus, didelis CTE neatitikimas sukelia didelius šiluminius įtempius temperatūros ciklo metu, dėl kurio deimantas gali įtrūkti.
Sėkmingam integravimui reikia:
Sąsajos sluoksniai– Plonas, reikalavimus atitinkantis sluoksnis (pvz., minkštas aukso ir alavo (AuSn) lydmetalis arba šiluminės sąsajos medžiaga grafito pagrindu) naudojamas šlyties įtempiams prisitaikyti. Sluoksnio storis išlaikomas mažas (5–20 µm), kad būtų sumažinta šiluminė varža ir būtų sumažinta deformacija.
Atitinkami CTE radiatoriai– Arba deimantų barstytuvas tvirtinamas prie radiatoriaus, pagaminto iš mažo CTE medžiagos, pvz., vario volframo (CuW, CTE ≈ 8 ppm/K) arba vario-molibdeno (CuMo, CTE ≈ 7 ppm/K). Tai sumažina deimantų apkrovą.
Metalizavimas– Deimantinis paviršius metalizuotas (pvz., Ti/Pt/Au arba Ti/W/Ni/Au daugiasluoksniu sluoksniu), kad būtų galima lituoti. Metalizacija turi stipriai sukibti su deimantu, kuris yra chemiškai inertiškas. Kaip pirmasis sluoksnis naudojamas karbidą formuojantis metalas (titanas arba chromas).
Tinkamai suprojektuotas CVD deimantinis šilumos skirstytuvas išgyvena tūkstančius šiluminių ciklų be degradacijos.
Praktiniai pritaikymai ir apribojimai
CVD deimantiniai šilumos skirstytuvai naudojami:
Didelės galios lazerinių diodų juostos ir matricoskietojo kūno lazerių pramoniniam pjovimui, suvirinimui ir siurbimui.
Lazeriniai diodų moduliai optiniam ryšiui(telecom ir datacom), kuriems reikalingas griežtas bangos ilgio stabilumas.
Medicininės lazerinės sistemos(pvz., dermatologija, chirurgija), kur patikimumas ir kompaktiška pakuotė yra labai svarbūs.
Radijo dažnio (RF) galios tranzistoriaiir monolitiniai mikrobangų integriniai grandynai (MMIC), kur yra panašių šiluminių problemų.
CVD deimantų apribojimai apima:
Kaina– 10 mm × 10 mm × 0,3 mm CVD deimantų barstytuvas kainuoja šimtus dolerių, palyginti su keliais centais už tokio pat dydžio vario gabalą. Todėl deimantas yra skirtas naudoti, kai varis negali atitikti šiluminių reikalavimų.
Gamybos sudėtingumas– Deimantams pjaustyti, glaistyti, poliruoti ir metalizuoti reikia specializuotos įrangos (pjovimo lazeriu arba deimantais impregnuotų šlifavimo įrankių) ir patirties.
Mechaninis trapumas– Deimantinės plokštės yra trapios ir gali įtrūkti netinkamai naudojant arba dėl per didelės suspaudimo jėgos.
Ateities įvykiai
Moksliniai tyrimai ir toliau mažina CVD deimantų kainą dėl didesnio nusodinimo greičio, didesnių augimo plotų ir geresnio derlingumo. Izotopiškai grynas deimantas (³⁰ C) vis dar brangus ir apsiriboja moksliniais tyrimais, tačiau polikristalinis deimantas, kurio laidumas yra 1500–1800 W/m·K, tampa vis labiau prieinamas prekyboje. Be to, kuriami deimantiniai kompozitiniai šilumos skleistuvai (pvz., deimanto-vario arba deimanto-sidabro kompozitai), siekiant suderinti didelį deimanto laidumą su metalo lankstumu ir CTE atitikimu, nors gaunamas laidumas (600–800 W/m·K) yra mažesnis nei gryno deimanto.
Išvada
CVD deimantas yra puiki, be jokių kompromisų šilumą skleidžianti medžiaga, puikus, termiškai superlaidus kristalas, paliekantis net pačius geriausius metalus, skirtas patiems elitiausiems šilumos valdymo iššūkiams. Kai šiluminis laidumas viršija 1000 W/m·K-ir dažnai viršija 1200 W/m·K komercinėse klasėse-CVD deimantai tris ar daugiau kartų lenkia varį. Derinant su jam būdinga elektros izoliacija, deimantams nereikia papildomų dielektrinių sluoksnių, kurie sumažina efektyvų metalo barstytuvų našumą. Nors deimantų kaina ir trapumas reikalauja kruopštaus integravimo į lazerinio diodo plokštelę, dėl to sumažėjusi jungties temperatūra tiesiogiai reiškia didesnę lazerio išėjimo galią, ilgesnį įrenginio eksploatavimo laiką ir siauresnį bangos ilgio valdymą. Karščiausius, galingiausius ateities lazerius vėsins gryno, sintetinio deimanto plokštė.
