По мере стремительного развития технологий мощных лазеров, лазерные диодные линейки (ЛДЛ) получили широкое распространение в промышленной обработке, медицинской хирургии, лидарах и научных исследованиях благодаря высокой удельной мощности и высокой яркости излучения. Однако с увеличением степени интеграции и рабочего тока лазерных чипов проблемы управления тепловым режимом становятся все более актуальными, что напрямую влияет на стабильность работы и срок службы лазера.
Среди различных стратегий управления тепловым режимом контактное теплопроводящее охлаждение выделяется как одна из наиболее важных и широко используемых технологий в корпусировании лазерных диодных линеек благодаря своей простой конструкции и высокой теплопроводности. В данной статье рассматриваются принципы, ключевые аспекты проектирования, выбор материалов и будущие тенденции этого «щадящего пути» к управлению тепловым режимом.
1. Принципы контактного теплопроводного охлаждения
Как следует из названия, контактно-кондуктивное охлаждение работает за счет установления прямого контакта между лазерным чипом и радиатором, обеспечивая эффективную передачу тепла через материалы с высокой теплопроводностью и быстрое рассеивание тепла во внешнюю среду.
①The HестьPатх:
В типичной линейке лазерных диодов путь теплопередачи выглядит следующим образом:
Микросхема → Пайка → Монтаж на подложку (например, медную или керамическую) → Термоэлектрический охладитель (TEC) или радиатор → Окружающая среда
②Функции:
Данный метод охлаждения включает в себя:
Концентрированный тепловой поток и короткий тепловой путь, эффективно снижающие температуру перехода; компактная конструкция, подходящая для миниатюрной упаковки; пассивная теплопроводность, не требующая сложных активных контуров охлаждения.
2. Ключевые конструктивные соображения для обеспечения тепловых характеристик
Для обеспечения эффективного контактного теплоотвода при проектировании устройства необходимо тщательно учитывать следующие аспекты:
① Тепловое сопротивление на границе раздела припоя
Теплопроводность припоя играет решающую роль в общем тепловом сопротивлении. Следует использовать металлы с высокой теплопроводностью, такие как сплав AuSn или чистый индий, а толщину и однородность припоя необходимо контролировать для минимизации тепловых барьеров.
② Выбор материала для подложки
К распространенным материалам для подложки относятся:
Медь (Cu): высокая теплопроводность, экономичность;
Вольфрам-медь (WCu)/молибден-медь (MoCu): лучшее соответствие коэффициентов теплового расширения с микросхемами, обеспечивающее как прочность, так и проводимость;
Нитрид алюминия (AlN): Отличная электрическая изоляция, подходит для применения в высоковольтных системах.
③ Качество контакта с поверхностью
Шероховатость поверхности, ее плоскостность и смачиваемость напрямую влияют на эффективность теплопередачи. Для улучшения тепловых характеристик контакта часто используются полировка и золочение.
④ Минимизация теплового пути
Конструкция должна быть направлена на сокращение пути теплоотвода между чипом и радиатором. Следует избегать ненужных промежуточных слоев материала для повышения общей эффективности рассеивания тепла.
3. Направления дальнейшего развития
В условиях продолжающейся тенденции к миниатюризации и повышению удельной мощности технология контактного кондуктивного охлаждения развивается в следующих направлениях:
① Многослойные композитные термоинтерфейсные материалы
Сочетание металлической теплопроводности с гибким буфером позволяет снизить сопротивление на границе раздела и повысить устойчивость к термическим циклам.
② Корпус с интегрированным радиатором
Разработка опорных элементов и радиаторов как единой интегрированной конструкции для уменьшения контактных поверхностей и повышения эффективности теплопередачи на системном уровне.
③ Оптимизация бионической структуры
Применение микроструктурированных поверхностей, имитирующих естественные механизмы рассеивания тепла, такие как «древовидная теплопроводность» или «чешуйчатые узоры», позволяет повысить тепловые характеристики.
④ Интеллектуальное терморегулирование
Внедрение датчиков температуры и динамического управления мощностью для адаптивного терморегулирования, что продлевает срок службы устройства.
4. Заключение
Для мощных лазерных диодных линеек управление тепловым режимом — это не просто техническая задача, а критически важная основа для надежности. Контактно-кондуктивное охлаждение, благодаря своим эффективным, отработанным и экономичным характеристикам, остается одним из основных решений для отвода тепла сегодня.
5. О нас
В компании Lumispot мы обладаем глубокими знаниями в области корпусирования лазерных диодов, оценки теплоотвода и выбора материалов. Наша миссия — предоставлять высокопроизводительные лазерные решения с длительным сроком службы, разработанные с учетом потребностей вашего приложения. Если вы хотите узнать больше, мы будем рады, если вы свяжетесь с нашей командой.
Дата публикации: 23 июня 2025 г.