산업용 정밀 가공, 5G/6G 통신, 자율 주행, 레이저 의학 등의 분야에서 고출력 레이저가{0}널리 적용됨에 따라 열 관리는 성능 개선을 제한하는 중요한 병목 현상이 되었습니다. 열 방출이 불량하면 가벼운 경우 방출 파장 이동 및 형광 수명 단축과 같은 광학 성능 저하가 발생할 수 있으며, 심각한 경우 장치 노화를 유발하고 출력 안정성 및 장비의 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다. 지속적으로 증가하는 열유속 밀도에 직면하여 기존의 금속 및 세라믹 방열판은 부적절한 것으로 입증되었습니다. 결과적으로, 3세대 반도체 소재인 SiC(실리콘 카바이드)는 높은 열 전도성, 낮은 열팽창 계수 및 뛰어난 안정성과 같은 포괄적인 장점을 활용하여 고출력 레이저 방열판 분야에서 빠르게 "스타 소재"로 자리잡고 있습니다.
SiC 방열판의 장점은 무엇입니까?
고전력 반도체 레이저 패키징의 기본 냉각 방법에는 자연 대류 방열판 냉각, 마이크로채널 냉각, 열전 냉각, 분무 냉각 등이 있습니다. 이들 중에서 자연 대류 방열판 냉각은 제조 및 조립이 용이하기 때문에 단일{2}}이미터 반도체 레이저에 대한 가장 경제적이고 일반적인 냉각 방법입니다. 일반적으로 레이저 칩의 온도를 효과적으로 낮추기 위해 열전도율이 높은 재료를 방열판으로 사용하여 자연 대류 표면적을 늘려 방열을 향상시킵니다. 구리 및 알루미늄과 같은 금속 방열판은 비용 이점을 제공하지만 열팽창 계수(CTE)는 GaN 및 InP와 같은 이득 매체와 잘 일치하지 않습니다. 이러한 불일치는 온도 주기 동안 쉽게 열 응력을 유발하여 레이저의 출력 성능을 저하시키거나 레이저 칩에 균열이 발생하여 고장을 일으킬 수도 있습니다. 질화알루미늄(AlN) 세라믹 방열판은 계면 열 저항을 제어하고 구조적 안정성을 유지하는 데 어려움을 겪고 있어 킬로와트- 수준 및 더 높은 전력 레이저 시스템의 엄격한 요구 사항을 충족하기 어렵습니다. CVD 다이아몬드는 우수한 열전도도를 나타내지만 준비 비용이 엄청나게 높습니다. 이와 대조적으로 실리콘 카바이드(SiC) 방열판은 높은 비용 성능과 함께 강력하고 포괄적인 이점을 보여줍니다.
높은 열전도율: SiC는 최대 490W/(m·K)의 실온{0}}열전도율을 자랑합니다. CVD 다이아몬드보다는 낮지만, 성숙한 6인치 SiC 웨이퍼 양산 기술 덕분에 단가는 CVD 다이아몬드의 1/20~1/15에 불과하다.
낮은 열팽창 계수: SiC는 4.0×10⁻⁶/K의 낮은 CTE를 가지며, 이는 GaN 및 InP와 같은 주류 레이저 이득 매체와 잘 어울리며 열 응력 생성을 효과적으로 억제합니다.
우수한 안정성: SiC는 모스 경도가 9.2로 뛰어난 내산화성과 내방사선성을 나타냅니다. 이는 고온 및 강한 방사선과 같은 열악한 조건에서도 레이저 시스템의 장기간 안정적인 작동을 보장할 수 있습니다.-
SiC 방열판 준비
SiC는 공유 결합을 기반으로 하는 비대칭 중심대칭 화합물입니다. 기본 구조는 4개의 실리콘 원자와 1개의 탄소 원자가 엇갈린 배열로 구성되어 있으며 SP³ 혼성 공유 결합을 통해 사면체 구조를 형성합니다. 일반적인 SiC 다형에는 3C-SiC, 4H-SiC 및 6H-SiC가 포함됩니다. 이러한 폴리타입 간의 준비 방법과 성능 특성의 차이는 방열판의 시나리오별 적응을 위한 기초를 제공합니다.
화학 기상 증착(CVD): 이 방법은 열 전도율이 350-500 W/(m·K)인 고순도 4H-SiC 및 6H{4}}SiC를 생산할 수 있습니다. 높은 열 전도성은 열 추출을 해결하지만 치수 안정성은 열 추출 후에 재료 자체가 변형되지 않도록 보장합니다. 까다로운 조건에서 고출력 레이저 장치의 장기간 안정적인 작동을 보장하려면 두 가지의 조합이 중요합니다. 높은 열 전도성과 치수 안정성이라는 두 가지 장점을 활용하는 CVD 기술로 제조된 SiC는 성능과 신뢰성의 균형을 유지하는 선호되는 솔루션이 되었습니다.
PVT(물리적 증기 수송): 이 공정에는 2000도 이상의 고온이 포함되어 열 전도율이 300-490W/(m·K)인 4H-SiC 및 6H{4}}SiC를 생성합니다. 높은 열 전도성과 기계적 강도를 모두 제공하므로 엄격한 구조적 안정성 요구 사항이 있는 고출력 레이저 장치에 적합합니다.
액상 에피택시(LPE): 이 방법은 1450-1700도 범위의 상대적으로 적당한 온도를 사용하여 3C-SiC 및 4H-SiC 다형의 형성을 정밀하게 제어하고 320-450 W/(m·K)의 열 전도율을 달성합니다. 그 장점은 다형의 일관성이 중요한 고출력, 높은 안정성 및 긴 수명을 요구하는 고급 레이저 장치에서 두드러집니다.
응용
단결정 SiC 방열판:
SiC 단결정 방열판은 일반적으로 수정된 Lely 방법을 사용하여 SiC 단결정 잉곳을 성장시킨 후 슬라이싱, 연삭 및 연마하여 생산됩니다. 이론적 열전도율은 최대 490W/(m·K)에 달할 수 있으며 이는 Cu 방열판의 열전도율을 초과하고 AlN 방열판의 열전도율의 1.5배이며 Si 방열판을 훨씬 능가합니다. 따라서 고급 열 방출이 필요한 고급 패키징 응용 분야에서 가장 유망한 반도체 소재가 됩니다.- 단결정 SiC의 높은 열전도도를 활용한- Hu Sheng'an et al. 단결정{8}}SiC 방열판 및 단결정{9}}SiC 구리{10}}클래드 방열판을 개발했습니다. 그들은 각각 640nm 적색 레이저 칩과 고전력 915nm 레이저 칩에 대한 패키징 테스트를 수행했습니다. AlN 방열판과 비교하여 단결정 SiC 방열판으로 패키징된 640nm 적색 레이저는 임계 전류가 0.25A 감소하고 최대 출력 전력이 0.5W 증가했으며 전기광 변환 효율은 42.7%를 나타냈습니다. 단결정 SiC 구리-클래드 방열판으로 패키징된 915nm 반도체 레이저는 임계 전류가 0.26A 감소하고 최대 출력 전력이 1.9W 증가했으며 전기광 변환 효율은 64.9%를 나타냈습니다. 단-결정 SiC 방열판은 반도체 레이저의 열 방출 및 작동 성능을 크게 향상시킵니다.
SiC 세라믹 마이크로채널 방열판:
액체 냉각이 필요한 고-평균-출력 레이저의 경우 주류 솔루션에는 마이크로채널 방열판, 매크로{2}}채널 수냉식 및 열전 냉각이 포함됩니다. 매크로-채널 수냉 시스템은 구조가 단순하지만 냉각 효율성이 제한되어 열원 근처의 냉각수 충전이 불완전하고 국부적인 유속 감소로 인해 온도 균일성이 떨어지는 경우가 많습니다. 열전 냉각은 이득 매체의 온도를 조절할 수 있지만 고온 조건에서는 효율성이 크게 떨어지며 비용 제한에 직면합니다. 마이크로채널 설계를 통해 열 방출 영역을 크게 확장하는 마이크로채널 전도 냉각 기술은 방열판 효율성과 온도 필드 균일성을 효과적으로 향상시켜 고-평균-출력 레이저의 열 관리에 대한 연구 초점이 되고 있습니다. SiC 세라믹의 높은 경도와 취성으로 인해 기존 CNC 가공을 사용하여 복잡한 내부 흐름 채널을 제작하는 것은 매우 어렵습니다. DLP(Digital Light Process)와 같은 3D 프린팅 기술의 등장으로 이러한 문제가 효과적으로 해결되었습니다. 이제 연구원들은 복잡한 내부 엇갈린 핀-핀 구조(MCHS-SF)를 갖춘 SiC 세라믹 마이크로채널을 직접 인쇄할 수 있습니다. 이러한 핀 핀은 냉각수를 강하게 교반하여 열 경계층을 파괴하고 열 전달을 크게 향상시킵니다.
복합 방열판 구조:
여기에는 4H-SiC를 기판으로 사용하고, 열 전도성이 높은 다결정 다이아몬드 층(열 전도성 > 1780 W·m⁻¹·K⁻¹)을 후면에 에피택셜 성장시키고, 전면에 AlGaN-GaN 헤테로구조를 제조하는 작업이 포함됩니다. 원자- 수준의 긴밀한 결합을 통해 다이아몬드와 SiC 사이에 형성된 계면은 결합 강도가 높고 구조가 치밀하며 결함이 거의 없습니다. 이 복합 기판을 사용하는 장치는 기존 단일 SiC 기판 구조보다 최대 표면 온도가 52.5도 낮고, 열 저항이 41% 감소하고, 최대 드레인 전류가 19% 증가한 것으로 나타났습니다. 더욱 중요한 것은 작동 온도가 크게 감소하여 장치의 평균 고장 시간(MTTF)이 100배 이상 연장되어 열 방출 효율성과 프로세스 호환성이 이중으로 최적화되었습니다.
