Охолодження контактною провідністю: «спокійний шлях» для застосувань потужних лазерних діодних стрижнів

Оскільки технологія потужних лазерів продовжує стрімко розвиватися, лазерні діодні смуги (LDB) широко використовуються в промисловій обробці, медичній хірургії, LiDAR та наукових дослідженнях завдяки високій щільності потужності та високій яскравості. Однак зі зростанням інтеграції та робочого струму лазерних чипів, проблеми з терморегулюванням стають все більш помітними, що безпосередньо впливає на стабільність роботи та термін служби лазера.

Серед різних стратегій терморегуляції, контактно-провідне охолодження виділяється як один з найважливіших та широко застосовуваних методів у корпусуванні лазерних діодних стрижнів завдяки своїй простій структурі та високій теплопровідності. У цій статті досліджуються принципи, ключові конструктивні міркування, вибір матеріалів та майбутні тенденції цього «спокійного шляху» до терморегуляції.

1. Принципи контактно-провідного охолодження

Як випливає з назви, контактно-провідне охолодження працює шляхом встановлення прямого контакту між лазерним чіпом та радіатором, що забезпечує ефективну передачу тепла через матеріали з високою теплопровідністю та швидке розсіювання тепла у зовнішнє середовище.

①The HїстиPат:

У типовій лазерній діодній планці тепловий шлях виглядає наступним чином:
Чіп → Шар припою → Підкріплення (наприклад, мідне або керамічне) → Термоелектричний охолоджувач (TEC) або радіатор → Навколишнє середовище

②Особливості:

Цей метод охолодження має такі особливості:

Концентрований тепловий потік та короткий тепловий шлях, що ефективно знижують температуру переходу; Компактна конструкція, що підходить для мініатюрного корпусування; Пасивна провідність, що не потребує складних активних контурів охолодження.

2. Ключові конструктивні міркування щодо теплових характеристик

Щоб забезпечити ефективне охолодження контактною провідністю, під час проектування пристрою необхідно ретельно врахувати такі аспекти:

① Термічний опір на межі припою

Теплопровідність шару припою відіграє вирішальну роль у загальному тепловому опорі. Слід використовувати метали з високою провідністю, такі як сплав AuSn або чистий індій, а товщину та однорідність шару припою слід контролювати, щоб мінімізувати теплові бар'єри.

② Вибір матеріалу підкріплення

Поширені матеріали для підкріплення включають:

Мідь (Cu): Висока теплопровідність, економічно ефективна;

Вольфрамово-мідна (WCu)/молібденово-мідна (MoCu): краща відповідність коефіцієнта теплової екструзії (CTE) з чіпами, що забезпечує як міцність, так і провідність;

Нітрид алюмінію (AlN): Відмінна електроізоляція, підходить для високовольтних застосувань.

③ Якість контакту з поверхнею

Шорсткість поверхні, площинність та змочуваність безпосередньо впливають на ефективність теплопередачі. Полірування та золочення часто використовуються для покращення характеристик теплового контакту.

④ Мінімізація теплового шляху

Структурна проекція повинна бути спрямована на скорочення теплового шляху між чіпом та радіатором. Уникайте непотрібних проміжних шарів матеріалів для покращення загальної ефективності розсіювання тепла.

3. Напрямки майбутнього розвитку

З огляду на постійну тенденцію до мініатюризації та вищої щільності потужності, технологія контактно-провідного охолодження розвивається в таких напрямках:

① Багатошарові композитні TIM

Поєднання металевої теплопровідності з гнучким буфером для зменшення опору інтерфейсу та підвищення довговічності при термоциклуванні.

② Інтегрована упаковка радіатора

Проектування підкріплень та радіаторів як єдиної інтегрованої структури для зменшення контактних поверхонь та підвищення ефективності теплопередачі на рівні системи.

③ Оптимізація біонічної структури

Застосування мікроструктурованих поверхонь, що імітують природні механізми розсіювання тепла, такі як «деревоподібна провідність» або «лускоподібні візерунки», для покращення теплових характеристик.

④ Інтелектуальний термоконтроль

Вбудовані датчики температури та динамічне керування живленням для адаптивного терморегулювання, що подовжує термін служби пристрою.

4. Висновок

Для потужних лазерних діодних лійок управління температурою є не просто технічною проблемою, а критично важливою основою надійності. Контактно-провідне охолодження, завдяки своїм ефективним, зрілим та економічно вигідним характеристикам, залишається одним з основних рішень для розсіювання тепла сьогодні.

5. Про нас

У Lumispot ми маємо глибокий досвід у сфері корпусування лазерних діодів, оцінки терморегуляції та вибору матеріалів. Наша місія — надавати високопродуктивні лазерні рішення з тривалим терміном служби, адаптовані до потреб вашого застосування. Якщо ви хочете дізнатися більше, ми щиро раді запрошувати вас зв’язатися з нашою командою.