В связи с быстрым развитием технологий мощных лазеров, лазерные диодные линейки (ЛДЛ) нашли широкое применение в промышленной обработке, медицинской хирургии, лидарах и научных исследованиях благодаря высокой плотности мощности и яркости. Однако с ростом интеграции и рабочего тока лазерных чипов всё более актуальными становятся проблемы терморегулирования, напрямую влияющие на стабильность работы и срок службы лазера.
Среди различных стратегий терморегулирования контактно-конвективное охлаждение выделяется как один из наиболее важных и широко распространённых методов корпусирования лазерных диодных линеек благодаря своей простой конструкции и высокой теплопроводности. В данной статье рассматриваются принципы, ключевые аспекты проектирования, выбор материалов и будущие тенденции этого «спокойного пути» к терморегулированию.
1. Принципы контактного кондуктивного охлаждения
Как следует из названия, контактно-кондуктивное охлаждение работает за счет установления прямого контакта между лазерным чипом и радиатором, что обеспечивает эффективную передачу тепла через материалы с высокой теплопроводностью и быстрое рассеивание во внешнюю среду.
①The HестьPат:
В типичной линейке лазерных диодов тепловой путь выглядит следующим образом:
Чип → Слой припоя → Подложка (например, медная или керамическая) → ТЭО (термоэлектрический охладитель) или радиатор → Окружающая среда
②Функции:
Этот метод охлаждения характеризуется:
Концентрированный тепловой поток и короткий тепловой путь эффективно снижают температуру перехода; Компактная конструкция, подходящая для миниатюрных корпусов; Пассивная теплопроводность, не требующая сложных активных охлаждающих контуров.
2. Ключевые соображения по проектированию тепловых характеристик
Для обеспечения эффективного охлаждения за счет контактной проводимости при проектировании устройства необходимо тщательно учесть следующие аспекты:
① Тепловое сопротивление на границе припоя
Теплопроводность припойного слоя играет решающую роль в общем тепловом сопротивлении. Следует использовать металлы с высокой теплопроводностью, такие как сплав AuSn или чистый индий, а также контролировать толщину и однородность припойного слоя для минимизации тепловых барьеров.
② Выбор материала для подкрепления
К распространенным материалам для подкрепления относятся:
Медь (Cu): высокая теплопроводность, экономичность;
Вольфрамовая медь (WCu)/Молибденовая медь (MoCu): лучшее соответствие КТР чипам, что обеспечивает как прочность, так и проводимость;
Нитрид алюминия (AlN): отличная электроизоляция, подходит для высоковольтных применений.
③ Качество контакта с поверхностью
Шероховатость поверхности, её плоскостность и смачиваемость напрямую влияют на эффективность теплопередачи. Полировка и золочение часто используются для улучшения характеристик теплового контакта.
④ Минимизация теплового пути
Структурная конструкция должна быть направлена на сокращение теплового пути между чипом и радиатором. Избегайте ненужных промежуточных слоёв материала для повышения общей эффективности рассеивания тепла.
3. Направления будущего развития
В связи с продолжающейся тенденцией к миниатюризации и повышению плотности мощности технология контактного теплопроводного охлаждения развивается в следующих направлениях:
① Многослойные композитные TIM
Сочетание металлической теплопроводности с гибкой буферизацией позволяет снизить сопротивление интерфейса и повысить стойкость к циклическим перепадам температур.
② Интегрированная упаковка радиатора
Проектирование подмостей и радиаторов как единой интегрированной конструкции для уменьшения контактных интерфейсов и повышения эффективности теплопередачи на уровне системы.
③ Оптимизация бионической структуры
Применение микроструктурированных поверхностей, имитирующих естественные механизмы рассеивания тепла, такие как «древовидная проводимость» или «чешуйчатые узоры», для улучшения тепловых характеристик.
④ Интеллектуальный термоконтроль
Встроенные датчики температуры и динамическое управление мощностью для адаптивного терморегулирования продлевают срок службы устройства.
4. Заключение
Для мощных лазерных диодных линеек управление тепловым режимом — это не просто техническая задача, а критически важный фактор обеспечения надёжности. Контактное теплопроводное охлаждение, благодаря своей эффективности, продуманности и экономичности, остаётся одним из основных решений для отвода тепла на сегодняшний день.
5. О нас
Компания Lumispot обладает глубокими знаниями в области корпусирования лазерных диодов, оценки терморегулирования и выбора материалов. Наша миссия — предоставлять высокопроизводительные и долговечные лазерные решения, адаптированные к вашим потребностям. Если вы хотите узнать больше, свяжитесь с нашей командой.
Время публикации: 23 июня 2025 г.