Resfriamento por condução de contato: o caminho mais seguro para aplicações de barras de diodos laser de alta potência.

Com o rápido avanço da tecnologia de lasers de alta potência, as barras de diodos laser (LDBs) tornaram-se amplamente utilizadas em processos industriais, cirurgia médica, LiDAR e pesquisa científica devido à sua alta densidade de potência e alto brilho. No entanto, com o aumento da integração e da corrente de operação dos chips de laser, os desafios de gerenciamento térmico estão se tornando mais evidentes, impactando diretamente a estabilidade do desempenho e a vida útil do laser.

Dentre as diversas estratégias de gerenciamento térmico, o resfriamento por condução de contato se destaca como uma das técnicas mais essenciais e amplamente adotadas na embalagem de diodos laser em barra, graças à sua estrutura simples e alta condutividade térmica. Este artigo explora os princípios, as principais considerações de projeto, a seleção de materiais e as tendências futuras desse "caminho tranquilo" para o controle térmico.

1. Princípios do resfriamento por condução de contato

Como o próprio nome sugere, o resfriamento por condução de contato funciona estabelecendo contato direto entre o chip do laser e um dissipador de calor, permitindo a transferência eficiente de calor através de materiais de alta condutividade térmica e a rápida dissipação para o ambiente externo.

①The HcomerPatletismo:

Numa barra de diodos laser típica, o percurso do calor é o seguinte:
Chip → Camada de solda → Substrato (ex.: cobre ou cerâmica) → TEC (resfriador termoelétrico) ou dissipador de calor → Ambiente

②Características:

Este método de resfriamento apresenta as seguintes características:

Fluxo de calor concentrado e percurso térmico curto, reduzindo efetivamente a temperatura de junção; Design compacto, adequado para embalagens miniaturizadas; Condução passiva, não exigindo circuitos de resfriamento ativos complexos.

2. Principais considerações de projeto para o desempenho térmico

Para garantir um resfriamento eficaz por condução de contato, os seguintes aspectos devem ser cuidadosamente considerados durante o projeto do dispositivo:

① Resistência térmica na interface de solda

A condutividade térmica da camada de solda desempenha um papel crucial na resistência térmica geral. Metais de alta condutividade, como a liga AuSn ou o índio puro, devem ser utilizados, e a espessura e a uniformidade da camada de solda devem ser controladas para minimizar as barreiras térmicas.

② Seleção do material de montagem

Os materiais comuns para montagem incluem:

Cobre (Cu): Alta condutividade térmica, custo-benefício;

Cobre-tungstênio (WCu)/Cobre-molibdênio (MoCu): Melhor compatibilidade do coeficiente de expansão térmica (CTE) com os chips, oferecendo resistência e condutividade;

Nitreto de alumínio (AlN): Excelente isolamento elétrico, adequado para aplicações de alta tensão.

③ Qualidade de contato com a superfície

A rugosidade, a planicidade e a molhabilidade da superfície afetam diretamente a eficiência da transferência de calor. O polimento e o revestimento em ouro são frequentemente usados ​​para melhorar o desempenho do contato térmico.

④ Minimizar o caminho térmico

O projeto estrutural deve visar a encurtar o caminho térmico entre o chip e o dissipador de calor. Evite camadas de material intermediárias desnecessárias para melhorar a eficiência geral da dissipação de calor.

3. Direções para o Desenvolvimento Futuro

Com a tendência contínua de miniaturização e maior densidade de potência, a tecnologia de resfriamento por condução de contato está evoluindo nas seguintes direções:

① TIMs compostos multicamadas

Combinação da condução térmica metálica com um amortecimento flexível para reduzir a resistência da interface e melhorar a durabilidade em ciclos térmicos.

② Embalagem do dissipador de calor integrado

Projetar submontagens e dissipadores de calor como uma única estrutura integrada para reduzir as interfaces de contato e aumentar a eficiência da transferência de calor em nível de sistema.

③ Otimização da estrutura biônica

Aplicar superfícies microestruturadas que imitam mecanismos naturais de dissipação de calor — como a “condução em forma de árvore” ou “padrões em forma de escama” — para melhorar o desempenho térmico.

④ Controle Térmico Inteligente

Incorpora sensores de temperatura e controle dinâmico de potência para gerenciamento térmico adaptativo, prolongando a vida útil do dispositivo.

4. Conclusão

Para barras de diodos laser de alta potência, o gerenciamento térmico não é apenas um desafio técnico — é um fundamento crítico para a confiabilidade. O resfriamento por condução de contato, com suas características eficientes, consolidadas e econômicas, continua sendo uma das principais soluções para dissipação de calor atualmente.

5. Sobre nós

Na Lumispot, possuímos vasta experiência em encapsulamento de diodos laser, avaliação de gerenciamento térmico e seleção de materiais. Nossa missão é fornecer soluções a laser de alto desempenho e longa vida útil, personalizadas para as necessidades da sua aplicação. Se desejar saber mais, entre em contato com nossa equipe.