Khi công nghệ laser công suất cao tiếp tục phát triển nhanh chóng, các thanh diode laser (LDB) đã được sử dụng rộng rãi trong xử lý công nghiệp, phẫu thuật y tế, LiDAR và nghiên cứu khoa học nhờ mật độ công suất cao và độ sáng đầu ra cao. Tuy nhiên, với sự tích hợp ngày càng tăng và dòng điện hoạt động của các chip laser, các thách thức về quản lý nhiệt đang trở nên nổi bật hơn—ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định hiệu suất và tuổi thọ của laser.
Trong số các chiến lược quản lý nhiệt khác nhau, làm mát bằng dẫn nhiệt tiếp xúc nổi bật như một trong những kỹ thuật thiết yếu và được áp dụng rộng rãi nhất trong đóng gói thanh diode laser, nhờ cấu trúc đơn giản và độ dẫn nhiệt cao. Bài viết này khám phá các nguyên tắc, các yếu tố thiết kế chính, lựa chọn vật liệu và xu hướng tương lai của "con đường êm dịu" này để kiểm soát nhiệt.
1. Nguyên lý làm mát bằng dẫn nhiệt tiếp xúc
Như tên gọi cho thấy, làm mát bằng dẫn nhiệt tiếp xúc hoạt động bằng cách thiết lập sự tiếp xúc trực tiếp giữa chip laser và bộ tản nhiệt, cho phép truyền nhiệt hiệu quả thông qua các vật liệu có độ dẫn nhiệt cao và tản nhiệt nhanh chóng ra môi trường bên ngoài.
①The HănPath:
Trong một thanh diode laser điển hình, đường dẫn nhiệt diễn ra như sau:
Chip → Lớp hàn → Đế đỡ (ví dụ: đồng hoặc gốm) → Bộ làm mát nhiệt điện (TEC) hoặc Tản nhiệt → Môi trường xung quanh
②Đặc trưng:
Phương pháp làm mát này có các đặc điểm sau:
Luồng nhiệt tập trung và đường dẫn nhiệt ngắn, giúp giảm nhiệt độ mối nối hiệu quả; Thiết kế nhỏ gọn, phù hợp với bao bì thu nhỏ; Dẫn nhiệt thụ động, không cần các vòng làm mát chủ động phức tạp.
2. Các yếu tố thiết kế quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất tản nhiệt
Để đảm bảo làm mát bằng dẫn nhiệt tiếp xúc hiệu quả, cần phải chú trọng đến các khía cạnh sau trong quá trình thiết kế thiết bị:
① Điện trở nhiệt tại giao diện mối hàn
Độ dẫn nhiệt của lớp hàn đóng vai trò quan trọng trong tổng trở nhiệt. Nên sử dụng các kim loại có độ dẫn nhiệt cao như hợp kim AuSn hoặc indium nguyên chất, đồng thời cần kiểm soát độ dày và độ đồng đều của lớp hàn để giảm thiểu các rào cản nhiệt.
② Lựa chọn vật liệu đế phụ
Các vật liệu đế gắn phổ biến bao gồm:
Đồng (Cu): Có độ dẫn nhiệt cao, tiết kiệm chi phí;
Đồng vonfram (WCu)/Đồng molypden (MoCu): Độ giãn nở nhiệt (CTE) phù hợp hơn với chip, mang lại cả độ bền và khả năng dẫn điện;
Nhôm nitrua (AlN): Có khả năng cách điện tuyệt vời, thích hợp cho các ứng dụng điện áp cao.
③ Chất lượng tiếp xúc bề mặt
Độ nhám bề mặt, độ phẳng và khả năng thấm ướt ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả truyền nhiệt. Việc đánh bóng và mạ vàng thường được sử dụng để cải thiện hiệu suất tiếp xúc nhiệt.
④ Giảm thiểu đường dẫn nhiệt
Thiết kế cấu trúc cần hướng đến mục tiêu rút ngắn đường dẫn nhiệt giữa chip và bộ tản nhiệt. Tránh các lớp vật liệu trung gian không cần thiết để cải thiện hiệu quả tản nhiệt tổng thể.
3. Định hướng phát triển trong tương lai
Với xu hướng thu nhỏ và tăng mật độ công suất hiện nay, công nghệ làm mát bằng dẫn nhiệt tiếp xúc đang phát triển theo các hướng sau:
① Vật liệu giao thoa nhiệt composite nhiều lớp
Kết hợp dẫn nhiệt kim loại với lớp đệm linh hoạt để giảm điện trở giao diện và cải thiện độ bền khi chịu được chu kỳ nhiệt.
② Bao bì tản nhiệt tích hợp
Thiết kế các đế phụ và tản nhiệt thành một cấu trúc tích hợp duy nhất để giảm diện tích tiếp xúc và tăng hiệu quả truyền nhiệt ở cấp độ hệ thống.
③ Tối ưu hóa cấu trúc sinh học
Áp dụng các bề mặt có cấu trúc vi mô mô phỏng các cơ chế tản nhiệt tự nhiên—chẳng hạn như "dẫn nhiệt dạng cây" hoặc "mẫu dạng vảy"—để nâng cao hiệu suất tản nhiệt.
④ Điều khiển nhiệt thông minh
Tích hợp cảm biến nhiệt độ và điều khiển công suất động để quản lý nhiệt thích ứng, kéo dài tuổi thọ hoạt động của thiết bị.
4. Kết luận
Đối với các thanh diode laser công suất cao, quản lý nhiệt không chỉ là một thách thức kỹ thuật mà còn là nền tảng quan trọng cho độ tin cậy. Làm mát bằng dẫn nhiệt tiếp xúc, với các đặc tính hiệu quả, đã được hoàn thiện và tiết kiệm chi phí, vẫn là một trong những giải pháp chính để tản nhiệt hiện nay.
5. Về chúng tôi
Tại Lumispot, chúng tôi sở hữu chuyên môn sâu rộng trong lĩnh vực đóng gói diode laser, đánh giá quản lý nhiệt và lựa chọn vật liệu. Sứ mệnh của chúng tôi là cung cấp các giải pháp laser hiệu suất cao, tuổi thọ dài, được thiết kế riêng cho nhu cầu ứng dụng của bạn. Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm, vui lòng liên hệ với đội ngũ của chúng tôi.
Thời gian đăng bài: 23/06/2025