Kontaktno prevodno hlajenje: »Mirna pot« za aplikacije z visokozmogljivimi laserskimi diodami

Ker se tehnologija visokozmogljivih laserjev še naprej hitro razvija, so se laserske diodne palice (LDB) zaradi visoke gostote moči in visoke svetlosti pogosto uporabljale v industrijski obdelavi, medicinski kirurgiji, LiDAR-ju in znanstvenih raziskavah. Vendar pa z naraščajočo integracijo in obratovalnim tokom laserskih čipov postajajo izzivi pri upravljanju temperature vse bolj izraziti, kar neposredno vpliva na stabilnost delovanja in življenjsko dobo laserja.

Med različnimi strategijami za upravljanje toplote izstopa kontaktno prevodno hlajenje kot ena najpomembnejših in široko uporabljenih tehnik pri pakiranju laserskih diod, zahvaljujoč svoji preprosti strukturi in visoki toplotni prevodnosti. Ta članek raziskuje načela, ključne oblikovalske vidike, izbiro materialov in prihodnje trende te »mirne poti« do nadzora toplote.

1. Načela kontaktnega prevodnega hlajenja

Kot že ime pove, kontaktno prevodno hlajenje deluje tako, da vzpostavi neposreden stik med laserskim čipom in hladilnikom, kar omogoča učinkovit prenos toplote prek materialov z visoko toplotno prevodnostjo in hitro odvajanje v zunanje okolje.

①The HjestiPath:

V tipični laserski diodni palici je toplotna pot naslednja:
Čip → Spajkalna plast → Podstavek (npr. baker ali keramika) → TEC (termoelektrični hladilnik) ali hladilno telo → Okolje okolice

2Značilnosti:

Ta metoda hlajenja ima naslednje značilnosti:

Koncentriran toplotni tok in kratka toplotna pot, ki učinkovito znižujeta temperaturo spoja; Kompaktna zasnova, primerna za miniaturizirano ohišje; Pasivna prevodnost, ki ne zahteva kompleksnih aktivnih hladilnih zank.

2. Ključni načrtovalski vidiki toplotne učinkovitosti

Za zagotovitev učinkovitega hlajenja s kontaktno prevodnostjo je treba med načrtovanjem naprave skrbno upoštevati naslednje vidike:

① Toplotna upornost na stiku spajke

Toplotna prevodnost spajkalne plasti igra ključno vlogo pri celotni toplotni upornosti. Uporabiti je treba visoko prevodne kovine, kot sta zlitina AuSn ali čisti indij, debelino in enakomernost spajkalne plasti pa je treba nadzorovati, da se čim bolj zmanjšajo toplotne ovire.

② Izbira materiala podnožja

Med običajne materiale za podnožje spadajo:

Baker (Cu): Visoka toplotna prevodnost, stroškovno učinkovit;

Volframov baker (WCu)/molibdenov baker (MoCu): Boljše ujemanje CTE s čipi, kar zagotavlja tako trdnost kot prevodnost;

Aluminijev nitrid (AlN): Odlična električna izolacija, primerna za visokonapetostne aplikacije.

③ Kakovost stika s površino

Hrapavost, ravnost in omočljivost površine neposredno vplivajo na učinkovitost prenosa toplote. Poliranje in pozlačevanje se pogosto uporabljata za izboljšanje toplotnega stika.

④ Zmanjšanje toplotne poti

Strukturna zasnova bi morala biti usmerjena v skrajšanje toplotne poti med čipom in hladilnikom. Za izboljšanje splošne učinkovitosti odvajanja toplote se je treba izogibati nepotrebnim vmesnim plastem materiala.

3. Smernice za prihodnji razvoj

Z nenehnim trendom miniaturizacije in večje gostote moči se tehnologija kontaktnega hlajenja razvija v naslednjih smereh:

① Večplastni kompozitni TIM-i

Kombinacija kovinske toplotne prevodnosti s fleksibilnim pufriranjem za zmanjšanje upornosti vmesnika in izboljšanje vzdržljivosti pri termičnih ciklih.

② Embalaža z integriranim hladilnikom

Zasnova podnožij in hladilnih teles kot enotne integrirane strukture za zmanjšanje kontaktnih vmesnikov in povečanje učinkovitosti prenosa toplote na ravni sistema.

③ Optimizacija bionične strukture

Uporaba mikrostrukturiranih površin, ki posnemajo naravne mehanizme odvajanja toplote – kot so »drevesna prevodnost« ali »luskasti vzorci« – za izboljšanje toplotne učinkovitosti.

④ Inteligentni toplotni nadzor

Vključevanje temperaturnih senzorjev in dinamičnega nadzora moči za prilagodljivo upravljanje temperature, kar podaljšuje življenjsko dobo naprave.

4. Zaključek

Za laserske diode z visoko močjo upravljanje toplote ni le tehnični izziv – je ključni temelj za zanesljivost. Kontaktno prevodno hlajenje s svojimi učinkovitimi, zrelimi in stroškovno učinkovitimi lastnostmi ostaja ena od glavnih rešitev za odvajanje toplote danes.

5. O nas

V podjetju Lumispot imamo bogato strokovno znanje na področju ohišja laserskih diod, ocenjevanja toplotnega upravljanja in izbire materialov. Naše poslanstvo je zagotavljati visokozmogljive laserske rešitve z dolgo življenjsko dobo, prilagojene vašim potrebam. Če želite izvedeti več, vas toplo vabimo, da stopite v stik z našo ekipo.