Vzhledem k rychlému pokroku v oblasti vysoce výkonných laserů se laserové diodové tyče (LDB) díky své vysoké hustotě výkonu a vysokému jasu široce používají v průmyslovém zpracování, lékařské chirurgii, LiDARu a vědeckém výzkumu. S rostoucí integrací a provozním proudem laserových čipů se však stávají stále důležitějšími problémy s tepelným řízením, které přímo ovlivňují stabilitu výkonu a životnost laseru.
Mezi různými strategiemi tepelného řízení vyniká kontaktní vodivé chlazení jako jedna z nejdůležitějších a nejširší škály používaných technik v oblasti pouzdření laserových diod, a to díky své jednoduché struktuře a vysoké tepelné vodivosti. Tento článek zkoumá principy, klíčové konstrukční aspekty, výběr materiálů a budoucí trendy této „klidné cesty“ k tepelnému řízení.
1. Principy chlazení kontaktním vedením
Jak název napovídá, kontaktní vedení chlazení funguje na principu přímého kontaktu mezi laserovým čipem a chladičem, což umožňuje efektivní přenos tepla prostřednictvím materiálů s vysokou tepelnou vodivostí a jeho rychlý odvod do vnějšího prostředí.
①The HjístPath:
V typické laserové diodové tyči je tepelná dráha následující:
Čip → Pájecí vrstva → Podmount (např. měď nebo keramika) → TEC (termoelektrický chladič) nebo chladič → Okolní prostředí
2Vlastnosti:
Tato metoda chlazení se vyznačuje:
Koncentrovaný tepelný tok a krátká tepelná dráha, účinně snižující teplotu spoje; Kompaktní konstrukce, vhodná pro miniaturizované pouzdra; Pasivní vedení, nevyžadující žádné složité aktivní chladicí smyčky.
2. Klíčové konstrukční aspekty tepelného výkonu
Pro zajištění účinného chlazení kontaktním vedením je třeba při návrhu zařízení pečlivě zohlednit následující aspekty:
① Tepelný odpor na rozhraní pájky
Tepelná vodivost pájecí vrstvy hraje klíčovou roli v celkovém tepelném odporu. Měly by se používat kovy s vysokou vodivostí, jako je slitina AuSn nebo čisté indium, a tloušťka a rovnoměrnost pájecí vrstvy by se měly kontrolovat, aby se minimalizovaly tepelné bariéry.
② Výběr materiálu pro podklad
Mezi běžné materiály pro podkladové systémy patří:
Měď (Cu): Vysoká tepelná vodivost, cenově výhodná;
Wolfram-měď (WCu)/molybden-měď (MoCu): Lepší součinitel tepelné roztažnosti (CTE) s čipy, nabízí pevnost i vodivost;
Nitrid hliníku (AlN): Vynikající elektrická izolace, vhodný pro aplikace s vysokým napětím.
③ Kvalita kontaktu s povrchem
Drsnost povrchu, rovinnost a smáčivost přímo ovlivňují účinnost přenosu tepla. Leštění a zlacení se často používají ke zlepšení tepelného kontaktu.
④ Minimalizace tepelné dráhy
Strukturální návrh by měl usilovat o zkrácení tepelné dráhy mezi čipem a chladičem. Pro zlepšení celkové účinnosti odvodu tepla je třeba se vyhnout zbytečným mezivrstvám materiálu.
3. Směry budoucího rozvoje
S pokračujícím trendem miniaturizace a vyšší hustoty výkonu se technologie kontaktního chlazení vyvíjí následujícími směry:
① Vícevrstvé kompozitní TIM
Kombinace kovové tepelné vodivosti s flexibilními vyrovnávacími prvky pro snížení odporu rozhraní a zlepšení odolnosti proti tepelným cyklům.
② Balení s integrovaným chladičem
Navrhování podmountů a chladičů jako jedné integrované struktury pro snížení počtu kontaktních rozhraní a zvýšení účinnosti přenosu tepla na úrovni systému.
③ Optimalizace bionické struktury
Aplikace mikrostrukturovaných povrchů, které napodobují přirozené mechanismy odvodu tepla – jako je „stromovité vedení“ nebo „šupinovité vzory“ – pro zlepšení tepelného výkonu.
④ Inteligentní regulace teploty
Začlenění teplotních senzorů a dynamické regulace výkonu pro adaptivní řízení teploty, což prodlužuje provozní životnost zařízení.
4. Závěr
U vysoce výkonných laserových diod není tepelný management jen technickou výzvou – je to kritický základ spolehlivosti. Kontaktní vedení chlazení se svými účinnými, vyspělými a cenově dostupnými vlastnostmi zůstává jedním z hlavních řešení pro odvod tepla.
5. O nás
Ve společnosti Lumispot máme hluboké odborné znalosti v oblasti pouzder laserových diod, hodnocení tepelného managementu a výběru materiálů. Naším posláním je poskytovat vysoce výkonná laserová řešení s dlouhou životností přizpůsobená potřebám vaší aplikace. Pokud se chcete dozvědět více, srdečně vás zveme, abyste se spojili s naším týmem.
Čas zveřejnění: 23. června 2025