การระบายความร้อนด้วยการนำความร้อนผ่านการสัมผัส: “เส้นทางที่ราบรื่น” สำหรับการใช้งานเลเซอร์ไดโอดบาร์กำลังสูง

เนื่องจากเทคโนโลยีเลเซอร์กำลังสูงมีการพัฒนาอย่างรวดเร็วอย่างต่อเนื่อง เลเซอร์ไดโอดแบบแท่ง (LDBs) จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในกระบวนการผลิตทางอุตสาหกรรม การผ่าตัดทางการแพทย์ LiDAR และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ เนื่องจากมีความหนาแน่นของกำลังสูงและความสว่างสูง อย่างไรก็ตาม ด้วยการรวมวงจรและการใช้กระแสไฟฟ้าของชิปเลเซอร์ที่เพิ่มขึ้น ปัญหาด้านการจัดการความร้อนจึงมีความสำคัญมากขึ้น ซึ่งส่งผลกระทบโดยตรงต่อเสถียรภาพการทำงานและอายุการใช้งานของเลเซอร์

ในบรรดากลยุทธ์การจัดการความร้อนต่างๆ การระบายความร้อนด้วยการนำความร้อนแบบสัมผัส (Contact Conduction Cooling) โดดเด่นในฐานะเทคนิคที่สำคัญและได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางที่สุดในการบรรจุภัณฑ์แท่งไดโอดเลเซอร์ เนื่องจากมีโครงสร้างที่เรียบง่ายและมีค่าการนำความร้อนสูง บทความนี้จะสำรวจหลักการ ข้อควรพิจารณาในการออกแบบที่สำคัญ การเลือกวัสดุ และแนวโน้มในอนาคตของ "เส้นทางที่สงบ" นี้สู่การควบคุมอุณหภูมิ

1. หลักการระบายความร้อนด้วยการนำความร้อนแบบสัมผัส

ดังที่ชื่อบ่งบอก การระบายความร้อนด้วยการนำความร้อนแบบสัมผัสทำงานโดยการสร้างการสัมผัสโดยตรงระหว่างชิปเลเซอร์กับแผ่นระบายความร้อน ทำให้เกิดการถ่ายเทความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพผ่านวัสดุที่มีค่าการนำความร้อนสูง และระบายความร้อนสู่สภาพแวดล้อมภายนอกได้อย่างรวดเร็ว

①The HกินPath:

ในแท่งไดโอดเลเซอร์ทั่วไป เส้นทางการถ่ายเทความร้อนเป็นดังนี้:
ชิป → ชั้นบัดกรี → แผ่นรอง (เช่น ทองแดงหรือเซรามิก) → TEC (ตัวระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก) หรือแผ่นระบายความร้อน → สภาพแวดล้อมโดยรอบ

②คุณสมบัติ:

วิธีการระบายความร้อนนี้มีคุณสมบัติเด่นดังนี้:

การไหลของความร้อนที่เข้มข้นและเส้นทางความร้อนที่สั้น ช่วยลดอุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อได้อย่างมีประสิทธิภาพ การออกแบบที่กะทัดรัด เหมาะสำหรับการบรรจุภัณฑ์ขนาดเล็ก การนำความร้อนแบบพาสซีฟ ไม่จำเป็นต้องใช้ระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟที่ซับซ้อน

2. ข้อควรพิจารณาหลักในการออกแบบเพื่อประสิทธิภาพทางความร้อน

เพื่อให้มั่นใจได้ว่าการระบายความร้อนด้วยการนำความร้อนผ่านหน้าสัมผัสมีประสิทธิภาพ ต้องพิจารณาประเด็นต่อไปนี้อย่างรอบคอบในระหว่างการออกแบบอุปกรณ์:

① ความต้านทานความร้อนที่บริเวณรอยบัดกรี

ค่าการนำความร้อนของชั้นบัดกรีมีบทบาทสำคัญต่อความต้านทานความร้อนโดยรวม ควรใช้โลหะที่มีค่าการนำความร้อนสูง เช่น โลหะผสม AuSn หรืออินเดียมบริสุทธิ์ และควรควบคุมความหนาและความสม่ำเสมอของชั้นบัดกรีเพื่อลดอุปสรรคทางความร้อนให้น้อยที่สุด

② การเลือกวัสดุสำหรับฐานรอง

วัสดุรองรับฐานที่นิยมใช้กันทั่วไป ได้แก่:

ทองแดง (Cu): มีค่าการนำความร้อนสูง ราคาประหยัด

ทังสเตนทองแดง (WCu)/โมลิบเดนัมทองแดง (MoCu): มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ที่เข้ากันได้ดีกับชิป ให้ทั้งความแข็งแรงและการนำไฟฟ้า

อะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN): เป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม เหมาะสำหรับงานที่ใช้แรงดันไฟฟ้าสูง

③ คุณภาพการสัมผัสพื้นผิว

ความหยาบ ความเรียบ และความสามารถในการเปียกของพื้นผิวส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน การขัดเงาและการชุบทองมักถูกนำมาใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการสัมผัสทางความร้อน

④ ลดระยะทางการถ่ายเทความร้อนให้น้อยที่สุด

การออกแบบโครงสร้างควรมีเป้าหมายเพื่อลดระยะทางการถ่ายเทความร้อนระหว่างชิปและแผ่นระบายความร้อน หลีกเลี่ยงการใช้ชั้นวัสดุที่ไม่จำเป็นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนโดยรวม

3. ทิศทางการพัฒนาในอนาคต

ด้วยแนวโน้มที่กำลังดำเนินไปสู่การย่อขนาดและความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น เทคโนโลยีการระบายความร้อนด้วยการนำความร้อนแบบสัมผัสจึงกำลังพัฒนาไปในทิศทางต่อไปนี้:

① วัสดุเชื่อมต่อระหว่างเนื้อเยื่อแบบคอมโพสิตหลายชั้น

การผสมผสานการนำความร้อนของโลหะเข้ากับการรองรับที่ยืดหยุ่นเพื่อลดความต้านทานที่ส่วนต่อประสานและเพิ่มความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

② บรรจุภัณฑ์ระบายความร้อนแบบรวม

ออกแบบฐานรองและแผ่นระบายความร้อนให้เป็นโครงสร้างแบบบูรณาการชิ้นเดียว เพื่อลดจุดสัมผัสและเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนในระดับระบบ

③ การเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างไบโอนิก

การประยุกต์ใช้พื้นผิวที่มีโครงสร้างระดับจุลภาคซึ่งเลียนแบบกลไกการกระจายความร้อนตามธรรมชาติ เช่น "การนำความร้อนแบบต้นไม้" หรือ "ลวดลายแบบเกล็ดปลา" เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพทางความร้อน

④ ระบบควบคุมอุณหภูมิอัจฉริยะ

การรวมเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิและการควบคุมพลังงานแบบไดนามิกเพื่อการจัดการความร้อนแบบปรับได้ ช่วยยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์

4. บทสรุป

สำหรับแท่งไดโอดเลเซอร์กำลังสูง การจัดการความร้อนไม่ใช่แค่ความท้าทายทางเทคนิคเท่านั้น แต่ยังเป็นรากฐานที่สำคัญยิ่งต่อความน่าเชื่อถือ การระบายความร้อนด้วยการนำความร้อนผ่านการสัมผัส ซึ่งมีประสิทธิภาพ เป็นที่ยอมรับ และคุ้มค่า ยังคงเป็นหนึ่งในวิธีการหลักในการระบายความร้อนในปัจจุบัน

5. เกี่ยวกับเรา

ที่ Lumispot เรามีความเชี่ยวชาญอย่างลึกซึ้งในด้านการบรรจุภัณฑ์ไดโอดเลเซอร์ การประเมินการจัดการความร้อน และการเลือกใช้วัสดุ ภารกิจของเราคือการจัดหาโซลูชันเลเซอร์ประสิทธิภาพสูง อายุการใช้งานยาวนาน ที่ปรับแต่งให้เหมาะสมกับความต้องการใช้งานของคุณ หากคุณต้องการเรียนรู้เพิ่มเติม เรายินดีต้อนรับให้คุณติดต่อทีมงานของเรา