קירור הולכת מגע: "הנתיב השקט" עבור יישומי מוט דיודה לייזר בעלי הספק גבוה

ככל שטכנולוגיית לייזר בעלת הספק גבוה ממשיכה להתקדם במהירות, מוטות דיודה לייזר (LDB) הפכו לשימוש נרחב בעיבוד תעשייתי, כירורגיה רפואית, LiDAR ומחקר מדעי בשל צפיפות ההספק הגבוהה ותפוקת הבהירות הגבוהה שלהם. עם זאת, עם העלייה בשילוב וזרם ההפעלה של שבבי לייזר, אתגרי ניהול התרמי הופכים בולטים יותר - ומשפיעים ישירות על יציבות הביצועים ועל אורך החיים של הלייזר.

מבין אסטרטגיות ניהול תרמי שונות, קירור באמצעות הולכת מגע בולט כאחת הטכניקות החיוניות והנפוצות ביותר באריזת מוטות דיודה בלייזר, הודות למבנה הפשוט ולמוליכות התרמית הגבוהה שלה. מאמר זה בוחן את העקרונות, שיקולי התכנון המרכזיים, בחירת החומרים והמגמות העתידיות של "נתיב רגוע" זה לבקרה תרמית.

1. עקרונות קירור הולכת מגע

כפי שהשם מרמז, קירור באמצעות הולכת מגע פועל על ידי יצירת מגע ישיר בין שבב הלייזר לגוף קירור, מה שמאפשר העברת חום יעילה דרך חומרים בעלי מוליכות תרמית גבוהה ופיזור מהיר לסביבה החיצונית.

①The HלֶאֱכוֹלPאת:

בדיודת לייזר טיפוסית, נתיב החום הוא כדלקמן:
שבב → שכבת הלחמה → תת-הרכבה (למשל, נחושת או קרמיקה) → TEC (מקרר תרמואלקטרי) או גוף קירור → סביבה סביבתית

②תכונות:

שיטת קירור זו כוללת:

זרימת חום מרוכזת ונתיב תרמי קצר, המפחיתים ביעילות את טמפרטורת הצומת; עיצוב קומפקטי, מתאים לאריזה ממוזערת; הולכה פסיבית, שאינה דורשת לולאות קירור אקטיביות מורכבות.

2. שיקולי תכנון מרכזיים לביצועים תרמיים

כדי להבטיח קירור יעיל של הולכת מגע, יש להתייחס בקפידה להיבטים הבאים במהלך תכנון המכשיר:

① התנגדות תרמית בממשק ההלחמה

המוליכות התרמית של שכבת ההלחמה משחקת תפקיד קריטי בהתנגדות התרמית הכוללת. יש להשתמש במתכות בעלות מוליכות גבוהה כגון סגסוגת AuSn או אינדיום טהור, ויש לשלוט בעובי ובאחידות של שכבת ההלחמה כדי למזער את המחסומים התרמיים.

② בחירת חומר תת-הרכבה

חומרי תת-הרכבה נפוצים כוללים:

נחושת (Cu): מוליכות תרמית גבוהה, חסכונית;

נחושת טונגסטן (WCu)/נחושת מוליבדן (MoCu): התאמה טובה יותר של CTE לשבבים, המציעה גם חוזק וגם מוליכות;

אלומיניום ניטריד (AlN): בידוד חשמלי מעולה, מתאים ליישומים במתח גבוה.

③ איכות מגע פני השטח

חספוס פני השטח, שטוחותם ויכולת הרטבה משפיעים ישירות על יעילות העברת החום. ליטוש וציפוי זהב משמשים לעתים קרובות לשיפור ביצועי המגע התרמי.

④ מזעור נתיב תרמי

התכנון המבני צריך לשאוף לקצר את הנתיב התרמי בין השבב לגוף הקירור. יש להימנע משכבות חומר ביניים מיותרות כדי לשפר את יעילות פיזור החום הכוללת.

3. כיווני פיתוח עתידיים

עם המגמה המתמשכת של מזעור וצפיפות הספק גבוהה יותר, טכנולוגיית קירור הולכה במגע מתפתחת בכיוונים הבאים:

① TIM מרוכבים רב-שכבתיים

שילוב של הולכה תרמית מתכתית עם חציצה גמישה כדי להפחית את התנגדות הממשק ולשפר את עמידות המחזור התרמי.

② אריזת גוף קירור משולב

תכנון תת-הרכבות וצלעות קירור כמבנה משולב יחיד כדי להפחית ממשקי מגע ולהגביר את יעילות העברת החום ברמת המערכת.

③ אופטימיזציה של מבנה ביוני

יישום משטחים מיקרו-מובנים המחקים מנגנוני פיזור חום טבעיים - כגון "הולכה דמוית עץ" או "דפוסים דמויות קשקשים" - כדי לשפר את הביצועים התרמיים.

④ בקרה תרמית חכמה

שילוב חיישני טמפרטורה ובקרת צריכת חשמל דינמית לניהול תרמי אדפטיבי, המאריך את חיי הפעולה של המכשיר.

4. סיכום

עבור מוטות דיודה לייזר בעלי הספק גבוה, ניהול תרמי אינו רק אתגר טכני - זהו בסיס קריטי לאמינות. קירור הולכת מגע, עם מאפייניו היעילים, הבוגרים והחסכוניים, נותר אחד הפתרונות המרכזיים לפיזור חום כיום.

5. אודותינו

ב-Lumispot, אנו מביאים מומחיות מעמיקה באריזת דיודות לייזר, הערכת ניהול תרמי ובחירת חומרים. המשימה שלנו היא לספק פתרונות לייזר בעלי ביצועים גבוהים ואורך חיים ארוך, המותאמים לצורכי היישום שלך. אם ברצונך ללמוד עוד, נשמח שתפנה לצוות שלנו.