مع التطور السريع لتكنولوجيا الليزر عالي الطاقة، أصبحت قضبان الليزر الثنائي (LDBs) تُستخدم على نطاق واسع في العمليات الصناعية، والجراحة الطبية، والليدار، والبحث العلمي، نظرًا لكثافة طاقتها العالية ودرجة سطوعها العالية. ومع ذلك، مع تزايد تكامل وتيار تشغيل رقائق الليزر، أصبحت تحديات الإدارة الحرارية أكثر بروزًا، مما يؤثر بشكل مباشر على استقرار أداء الليزر وعمره الافتراضي.
من بين استراتيجيات إدارة الحرارة المتنوعة، يُعدّ التبريد بالتوصيل التلامسي من أهم التقنيات وأكثرها انتشارًا في تغليف قضبان الصمام الثنائي الليزري، بفضل بنيته البسيطة وموصليته الحرارية العالية. يستكشف هذا المقال مبادئ هذا "المسار الهادئ" للتحكم الحراري، واعتباراته الرئيسية، واختيار المواد، والاتجاهات المستقبلية.
1. مبادئ التبريد بالتوصيل التلامسي
كما يوحي الاسم، تعمل تقنية تبريد التوصيل التلامسي عن طريق إنشاء اتصال مباشر بين شريحة الليزر ومشتت الحرارة، مما يتيح نقل الحرارة بكفاءة من خلال المواد ذات التوصيل الحراري العالي والتبديد السريع للبيئة الخارجية.
①The HيأكلPأث:
في شريط الصمام الثنائي الليزري النموذجي، يكون مسار الحرارة على النحو التالي:
الشريحة → طبقة اللحام → التركيب الفرعي (على سبيل المثال، النحاس أو السيراميك) → TEC (المبرد الحراري الكهربائي) أو المشتت الحراري → البيئة المحيطة
②سمات:
تتميز طريقة التبريد هذه بما يلي:
تدفق حراري مركّز ومسار حراري قصير، يقلل بشكل فعال من درجة حرارة الوصلة؛ تصميم مضغوط، مناسب للتعبئة والتغليف المصغرة؛ توصيل سلبي، لا يتطلب حلقات تبريد نشطة معقدة.
2. اعتبارات التصميم الرئيسية للأداء الحراري
لضمان تبريد التوصيل التلامسي الفعال، يجب معالجة الجوانب التالية بعناية أثناء تصميم الجهاز:
① المقاومة الحرارية عند واجهة اللحام
تلعب الموصلية الحرارية لطبقة اللحام دورًا حاسمًا في المقاومة الحرارية الكلية. لذا، ينبغي استخدام معادن عالية الموصلية، مثل سبيكة AuSn أو الإنديوم النقي، مع التحكم في سمك طبقة اللحام وتجانسها لتقليل الحواجز الحرارية.
② اختيار مادة التركيب الفرعي
تشمل مواد التركيب الفرعي الشائعة ما يلي:
النحاس (Cu): موصلية حرارية عالية، فعالة من حيث التكلفة؛
نحاس التنغستن (WCu) / نحاس الموليبدينوم (MoCu): تطابق CTE أفضل مع الرقائق، مما يوفر القوة والتوصيل؛
نتريد الألومنيوم (AlN): عزل كهربائي ممتاز، مناسب لتطبيقات الجهد العالي.
③ جودة ملامسة السطح
تؤثر خشونة السطح، واستواؤه، وقابليته للبلل بشكل مباشر على كفاءة نقل الحرارة. يُستخدم التلميع والطلاء الذهبي غالبًا لتحسين أداء التلامس الحراري.
④ تقليل المسار الحراري
ينبغي أن يهدف التصميم الهيكلي إلى تقصير المسار الحراري بين الشريحة والمشتت الحراري. تجنب طبقات المواد الوسيطة غير الضرورية لتحسين كفاءة تبديد الحرارة بشكل عام.
3. اتجاهات التطوير المستقبلية
مع الاتجاه المستمر نحو التصغير وكثافة الطاقة الأعلى، تتطور تقنية تبريد التوصيل التلامسي في الاتجاهات التالية:
① TIMs المركبة متعددة الطبقات
الجمع بين التوصيل الحراري المعدني والتخزين المؤقت المرن لتقليل مقاومة الواجهة وتحسين متانة الدورة الحرارية.
② تغليف المشتت الحراري المتكامل
تصميم الحوامل الفرعية ومبددات الحرارة كهيكل متكامل واحد لتقليل واجهات التلامس وزيادة كفاءة نقل الحرارة على مستوى النظام.
③ تحسين البنية الحيوية
تطبيق الأسطح ذات البنية الدقيقة التي تحاكي آليات تبديد الحرارة الطبيعية - مثل "التوصيل الشبيه بالشجرة" أو "الأنماط الشبيهة بالمقاييس" - لتعزيز الأداء الحراري.
④ التحكم الحراري الذكي
دمج أجهزة استشعار درجة الحرارة والتحكم الديناميكي في الطاقة لإدارة حرارية تكيفية، مما يؤدي إلى إطالة العمر التشغيلي للجهاز.
4. الخاتمة
بالنسبة لقضبان ثنائيات الليزر عالية الطاقة، لا تُعدّ الإدارة الحرارية مجرد تحدٍّ تقني، بل تُعدّ أساسًا بالغ الأهمية للموثوقية. ويظلّ التبريد بالتوصيل التلامسي، بخصائصه الفعالة والمتطورة والفعّالة من حيث التكلفة، أحد الحلول الشائعة لتبديد الحرارة اليوم.
5. نبذة عنا
في لوميسبوت، نتمتع بخبرة واسعة في مجال تغليف ثنائيات الليزر، وتقييم الإدارة الحرارية، واختيار المواد. مهمتنا هي توفير حلول ليزر عالية الأداء وطويلة الأمد، مصممة خصيصًا لتلبية احتياجات تطبيقاتكم. للمزيد من المعلومات، نرحب بكم للتواصل مع فريقنا.
وقت النشر: ٢٣ يونيو ٢٠٢٥