Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка композиционного материала на основе системы «медь-алмаз» для эффективного отвода тепла с диодов высокой мощности

ФИО: Савостьянов А.В.

Направление: Материаловедение

Научный руководитель: Ховайло Владимир Васильевич

Институт: Институт новых материалов и нанотехнологий

Кафедра: Кафедра Функциональных наносистем и высокотемпературных материалов

Академическая группа: Ф7-10-5, НМ-10-3

Благодаря высокому коэффициенту полезного действия (КПД) преобразования электрической энергии в оптическую, компактности, надежности и высокому уровню развития технологии изготовления мощные лазерные диоды, линейки и сборки лазеров нашли широкое применение в системах накачки твердотельных и волоконных лазеров и оптических усилителей, оборудовании для обработки материалов, в метрологии, полиграфии, медицине, системах оптической локации, робототехнике и других отраслях. Подавляющее большинство приборов этого класса выполняется в виде торцевых излучателей с широким полосковым контактом, обеспечивающим многомодовую в плоскости эпитаксиальных слоев лазерной структуры генерацию света. Ключевой задачей разработки таких излучателей является максимальное повышение удельной мощности излучения, т.е. мощности, приходящейся на единичную ширину полоскового контакта. Для решения этой задачи необходимо детальное понимание механизмов, ограничивающих мощность излучения лазерных диодов, и их связи с конструктивными особенностями лазерной гетероструктуры и чипа.

Инженерный поиск новых возможностей для отвода тепловой мощности привел к новому материалу на основе порошка алмаза (синтетического или натурального) и меди. Основной компонент композиционного материала – медь, наполнитель – алмазный порошок.

Для создания композита использовался уникальный метод электроискрового спекания или спекания в электрическом поле. Это инновационная технология, которая все шире применяется для получения многочисленных материалов, например, наноструктурных, композиционных и градиентных материалов. Технология основана на модифицированном методе горячего прессования, в котором электрический ток подается не на внешний нагреватель, а напрямую пропускается через пресс-форму и заготовку. Благодаря пропусканию импульсного электротока и возникающего при этом «эффекту плазмы разряда», удается реализовать исключительно быстрый предварительный нагрев и кратковременные циклы. В результате можно подавить рост зерна и возникновение равновесных состояний, что позволяет получить материалы с ранее недостижимой композицией и свойствами.

В дальнейшей работе планируется использовать в качестве материала связки карбид бора, который обладает очень хорошей адгезией и рядом уникальных характеристик.

Наша основная цель создать алмазно-медный композиционный материал с повышенной теплопроводностью и коэффициентом термического расширения близким к GaAs, и его дальнейшее использование в качестве теплоотвода для диодов.

Планируется заменить медный теплоотвод на теплоотвод из композита.

Эффективный отвод тепла из рабочей зоны позволит:

1) Увеличить квантовую эффективность;

2) Увеличить мощность излучения;

3) Увеличить надежность и долговечность;

4) Уменьшить стоимость 1 Вт накачки;

5) Уменьшить массогабаритные параметры.

КТР близкий к GaAs позволит избежать деформации диодной линейки при высоких термических нагрузках, вследствие чего увеличивается вертикальная и горизонтальная расходимость пучка и уменьшается мощность лазерного излучения.

По предварительный расчетам возможно увеличение КПД лазерных диодов и диодов накачки на 20%, а для криолазеров на 30%.

Сегмент мощных лазерных диодов является самым быстрорастущим сегментом (8%) на лазерном рынке. Мировой рынок прирастает на 3–5% годовых и в 2014 году составил почти $9 млрд. по данным журнала «LaserFocus World».