Með víðtækri notkun há-aflsleysis á sviðum eins og nákvæmni vinnslu í iðnaði, 5G/6G fjarskiptum, sjálfvirkum akstri og leysilækningum, hefur hitastjórnun orðið mikilvægur flöskuháls sem takmarkar frammistöðubætingu. Léleg hitaleiðni getur leitt til skerðingar á sjónrænni frammistöðu eins og bylgjulengdarbreytingu losunar og styttri líftíma flúrljómunar í vægum tilfellum, eða valdið öldrun tækisins og haft áhrif á framleiðslustöðugleika og áreiðanleika búnaðar í alvarlegum tilvikum. Vegna stöðugt vaxandi hitaflæðisþéttleika, reynast hefðbundnir málm- og keramikhitavaskar ófullnægjandi. Þar af leiðandi er þriðja-kynslóð hálfleiðaraefnisins, Silicon Carbide (SiC), hratt að verða „stjörnuefni“ á sviði há-afls leysirhitatakka og nýtir það alhliða kosti þess eins og mikla hitaleiðni, lágan varmaþenslustuðul og framúrskarandi stöðugleika.
Hverjir eru kostir SiC hitakössanna?
Helstu kæliaðferðir fyrir há-hálfleiðara leysipökkun eru meðal annars náttúruleg kæling með hitaupptöku, örrásakælingu, hitarafmagnskælingu og úðakælingu. Þar á meðal er náttúruleg kæling með hitauppstreymi hagkvæmasta og algengasta kæliaðferðin fyrir hálfleiðara leysigeisla með einhleypum -emitter vegna auðveldrar framleiðslu og samsetningar. Venjulega, til að draga úr hitastigi leysiflögunnar á áhrifaríkan hátt, eru efni með mikla hitaleiðni notuð sem hitakökur til að auka náttúrulegt varmaflatarmál og auka þannig hitaleiðni. Þó að hitastig úr málmi eins og kopar og ál bjóða upp á kostnaðarkosti, passa hitastuðullar þeirra (CTE) illa við ávinningsmiðla eins og GaN og InP. Þetta misræmi getur auðveldlega framkallað hitauppstreymi meðan á hitalotum stendur, rýrt frammistöðu leysisins eða jafnvel valdið því að leysiflögan springur og bilar. Álnítríð (AlN) keramikhitavaskar standa frammi fyrir áskorunum við að stjórna varmaviðnámi milliflata og viðhalda stöðugleika í burðarvirki, sem gerir það erfitt að mæta ströngum kröfum kílóvatta-lásskerfa og meiri krafts. Þrátt fyrir að CVD demantur sýni framúrskarandi hitaleiðni, er undirbúningskostnaður hans óhóflega hár. Aftur á móti sýna kísilkarbíð (SiC) hitavaskar yfirgripsmikla kosti með mikilli kostnaðar{10}}afköstum:
Hár hitaleiðni: SiC státar af hitaleiðni í herbergis-hita sem er allt að 490 W/(m·K). Þrátt fyrir að það sé lægra en fyrir CVD demantur, þá leiðir þroskuð fjöldaframleiðslutækni fyrir 6 tommu SiC oblátur í einingarkostnaði sem er aðeins 1/20 til 1/15 af CVD demanti.
Lágur hitastækkunarstuðull: SiC hefur lágan CTE upp á 4.0×10⁻⁶/K, sem passar vel við almenna leysigeislaávinningsmiðla eins og GaN og InP, sem bætir í raun myndun hitauppstreymis.
Framúrskarandi stöðugleiki: SiC sýnir framúrskarandi oxunarþol og geislunarþol, með Mohs hörku 9,2. Það getur tryggt-langtíma stöðuga virkni leysikerfa jafnvel við erfiðar aðstæður eins og hátt hitastig og sterka geislun.
Undirbúningur á SiC hitaköfum
SiC er ó-miðsamhverft efnasamband byggt á samgildum tengjum. Grunnbygging þess samanstendur af þrepaskiptri uppröðun fjögurra kísilatóma og eitt kolefnisatóm, sem myndar tetrahedral uppbyggingu í gegnum SP³ blandað samgild tengi. Algengar SiC fjölgerðir innihalda 3C-SiC, 4H-SiC og 6H-SiC. Mismunur á undirbúningsaðferðum og frammistöðueiginleikum milli þessara fjölgerða gefur grunn fyrir{10}sértæka aðlögun hitaupptöku.
Chemical Vapor Deposition (CVD): Þessi aðferð getur framleitt há-hreinleika 4H-SiC og 6H-SiC með hitaleiðni á bilinu 350-500 W/(m·K). Þó að mikil hitaleiðni taki á hitaútdrætti, tryggir víddarstöðugleiki að efnið sjálft afmyndist ekki eftir hitaútdrátt. Samsetning beggja skiptir sköpum til að tryggja-langtíma stöðugan rekstur öflugra leysitækja við krefjandi aðstæður. Með því að nýta tvíþætta kosti mikillar varmaleiðni og víddarstöðugleika, verður SiC framleitt með CVD tækni ákjósanlegri lausn sem kemur jafnvægi á frammistöðu og áreiðanleika.
Physical Vapor Transport (PVT): Þetta ferli felur í sér háan hita yfir 2000 gráður, sem framleiðir 4H-SiC og 6H-SiC með hitaleiðni upp á 300-490 W/(m·K). Það býður upp á bæði mikla varmaleiðni og vélrænan styrk, sem gerir það hentugt fyrir aflmikil leysitæki með ströngum kröfum um uppbyggingu stöðugleika.
Liquid Phase Epitaxy (LPE): Þessi aðferð notar tiltölulega hóflegt hitastig á bilinu 1450-1700 gráður, sem gerir nákvæma stjórn á myndun 3C-SiC og 4H-SiC fjölgerða, sem nær fram hitaleiðni upp á 320/m·450 W). Kostir þess eru áberandi í hágæða leysitækjum sem krefjast mikils afl, mikla stöðugleika og langan líftíma, þar sem samkvæmni fjölgerðarinnar er mikilvæg.
Umsóknir
Single Crystal SiC hitavaskar:
SiC einkristalla hitakössur eru venjulega framleiddir með því að rækta SiC einkristalla hleifar með breyttri Lely aðferð, fylgt eftir með sneiðum, slípun og fægja. Fræðileg varmaleiðni þeirra getur náð allt að 490 W/(m·K), sem er meiri en Cu-hitadæla, 1,5 sinnum hærri en AlN-hitadæla, og langt umfram Si-hitadæla. Þetta gerir þá að efnilegasta hálfleiðara efninu í háþróaðri umbúðaforritum sem krefjast mikillar-varmaleiðni. Með því að nýta háa hitaleiðni einkristals SiC, Hu Sheng'an o.fl. þróað einkristal SiC hitakössur og einkristal SiC kopar-klædd hitakökur. Þeir gerðu umbúðaprófanir á 640nm rauðum leysiflögum og 915nm leysiflögum með miklum{13}afli. Í samanburði við AlN-hitadæla sýndi 640nm rauði leysirinn sem var pakkaður með einkristal SiC-hitavaskinum 0,25A lækkun á þröskuldsstraumi, 0,5W aukningu á hámarksúttaksafli og raf-sjónumbreytingarnýtni upp á 42,7%. 915nm hálfleiðara leysirinn pakkaður með einum-kristal SiC kopar-klæddum hitaskápnum sýndi 0,26A minnkun á þröskuldsstraumi, 1,9W aukningu á hámarksúttaksafli og raf-ljósumbreytingarnýtni upp á 64,9%. Einkristal SiC hitakökur auka verulega hitaleiðni og rekstrarafköst hálfleiðara leysira.
SiC keramik örrásar hitavaskar:
Fyrir há-meðal-leysisgjafi sem krefjast vökvakælingar, eru almennar lausnir meðal annars örrása hitakössur, stór-rásarvatnskæling og hitarafmagnskæling. Þó að stór-rásavatnskælikerfi hafi einfalda uppbyggingu þjást þau af takmarkaðri kælivirkni, sem leiðir oft til ófullkominnar kælivökvafyllingar nálægt hitagjafanum og staðbundinnar lækkunar á flæðihraða, sem leiðir til lélegrar einsleitni hitastigs. Hitaraafskæling getur stjórnað hitastigi ávinningsmiðilsins, en skilvirkni hans lækkar verulega við há-hitaskilyrði og stendur frammi fyrir kostnaðartakmörkunum. Örrásarleiðnikælitækni, sem stækkar varmaleiðnisvæðið til muna með rásahönnun í smáskala, eykur á áhrifaríkan hátt skilvirkni hitastigs og einsleitni hitastigssviðs, og verður rannsóknaráhersla í varmastjórnun fyrir há-meðal-afl leysira. Vegna mikillar hörku og stökkleika SiC keramik er mjög erfitt að búa til flóknar innri flæðisrásir með hefðbundinni CNC vinnslu. Tilkoma 3D prentunartækni, eins og Digital Light Processing (DLP), hefur í raun leyst þetta vandamál. Vísindamenn geta nú beint prentað SiC keramik örrásir með flóknum innri skjögurri pinna-uggabyggingum (MCHS-SF). Þessir pinnauggar hrista kælivökvann ákaft, trufla varmamarkalagið og auka verulega hitaflutning.
Samsettar hitauppbyggingar:
Þetta felur í sér að nota 4H-SiC sem undirlag, vaxa mjög varmaleiðandi fjölkristallað demantslag (varmaleiðni > 1780 W·m⁻¹·K⁻¹) á bakhlið þess og búa til AlGaN-GaN misskipting á framhliðinni. Viðmótið sem myndast á milli demants og SiC í gegnum frumeinda-stig náin tenging sýnir mikinn tengingarstyrk, þétta uppbyggingu og fáa galla. Tæki sem notuðu þetta samsetta undirlag sýndu hámarkshitastig yfirborðs sem var 52,5 gráður lægra en hefðbundin ein SiC undirlagsbygging, 41% minnkun á varmaviðnámi og 19% aukningu á hámarksrennslisstraumi. Mikilvægara er að veruleg lækkun á rekstrarhita lengdi meðaltíma tækisins til bilunar (MTTF) um meira en 100 sinnum, sem náði tvöfaldri hagræðingu á skilvirkni hitaleiðni og ferlisamhæfni.
