Da sich die Hochleistungslasertechnologie rasant weiterentwickelt, finden Laserdiodenbarren (LDBs) aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte und hohen Helligkeit breite Anwendung in der industriellen Verarbeitung, der medizinischen Chirurgie, LiDAR und der wissenschaftlichen Forschung. Mit zunehmender Integration und Betriebsstromstärke von Laserchips werden jedoch die Herausforderungen beim Wärmemanagement immer größer – was sich direkt auf die Leistungsstabilität und Lebensdauer des Lasers auswirkt.
Unter den verschiedenen Wärmemanagementstrategien ist die Kontaktleitungskühlung dank ihrer einfachen Struktur und hohen Wärmeleitfähigkeit eine der wichtigsten und am weitesten verbreiteten Techniken für die Verpackung von Laserdiodenbarren. Dieser Artikel untersucht die Prinzipien, wichtigsten Designüberlegungen, die Materialauswahl und zukünftige Trends dieses „ruhigen Weges“ zur Wärmekontrolle.
1. Prinzipien der Kontaktleitungskühlung
Wie der Name schon sagt, funktioniert die Kontaktleitungskühlung durch die Herstellung eines direkten Kontakts zwischen dem Laserchip und einem Kühlkörper, wodurch eine effiziente Wärmeübertragung durch Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit und eine schnelle Ableitung an die Außenumgebung ermöglicht wird.
①The HessenPath:
In einem typischen Laserdiodenbarren ist der Wärmepfad wie folgt:
Chip → Lötschicht → Submount (z. B. Kupfer oder Keramik) → TEC (Thermoelektrischer Kühler) oder Kühlkörper → Umgebung
②Merkmale:
Diese Kühlmethode bietet:
Konzentrierter Wärmefluss und kurzer Wärmeweg, wodurch die Sperrschichttemperatur effektiv gesenkt wird; Kompaktes Design, geeignet für miniaturisierte Verpackungen; Passive Leitung, erfordert keine komplexen aktiven Kühlkreisläufe.
2. Wichtige Designüberlegungen zur Wärmeleistung
Um eine wirksame Kontaktleitungskühlung zu gewährleisten, müssen bei der Gerätekonstruktion die folgenden Aspekte sorgfältig berücksichtigt werden:
① Wärmewiderstand an der Lötschnittstelle
Die Wärmeleitfähigkeit der Lötschicht spielt eine entscheidende Rolle für den gesamten Wärmewiderstand. Es sollten hochleitfähige Metalle wie AuSn-Legierungen oder reines Indium verwendet werden. Die Dicke und Gleichmäßigkeit der Lötschicht sollte kontrolliert werden, um Wärmebarrieren zu minimieren.
② Auswahl des Submount-Materials
Zu den gängigen Submount-Materialien gehören:
Kupfer (Cu): Hohe Wärmeleitfähigkeit, kostengünstig;
Wolframkupfer (WCu)/Molybdänkupfer (MoCu): Bessere Übereinstimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten mit Chips, bietet sowohl Festigkeit als auch Leitfähigkeit;
Aluminiumnitrid (AlN): Hervorragende elektrische Isolierung, geeignet für Hochspannungsanwendungen.
3 Oberflächenkontaktqualität
Oberflächenrauheit, Ebenheit und Benetzbarkeit wirken sich direkt auf die Wärmeübertragungseffizienz aus. Polieren und Vergolden werden häufig verwendet, um die Wärmekontaktleistung zu verbessern.
④ Minimierung des Wärmepfads
Das strukturelle Design sollte darauf abzielen, den Wärmeweg zwischen Chip und Kühlkörper zu verkürzen. Vermeiden Sie unnötige Zwischenmaterialschichten, um die Gesamteffizienz der Wärmeableitung zu verbessern.
3. Zukünftige Entwicklungsrichtungen
Mit dem anhaltenden Trend zur Miniaturisierung und höheren Leistungsdichte entwickelt sich die Kontaktleitungskühlungstechnologie in die folgenden Richtungen:
① Mehrschichtige Verbund-TIMs
Durch die Kombination metallischer Wärmeleitung mit flexibler Pufferung wird der Schnittstellenwiderstand verringert und die Beständigkeit gegen Temperaturwechsel verbessert.
② Integrierte Kühlkörperverpackung
Durch die Konstruktion von Submounts und Kühlkörpern als einzelne integrierte Struktur werden Kontaktschnittstellen reduziert und die Wärmeübertragungseffizienz auf Systemebene erhöht.
③ Bionische Strukturoptimierung
Anwendung mikrostrukturierter Oberflächen, die natürliche Wärmeableitungsmechanismen nachahmen – wie etwa „baumartige Leitung“ oder „schuppenartige Muster“ – um die Wärmeleistung zu verbessern.
④ Intelligente Wärmeregelung
Durch die Integration von Temperatursensoren und dynamischer Leistungssteuerung für ein adaptives Wärmemanagement wird die Betriebslebensdauer des Geräts verlängert.
4. Fazit
Bei Hochleistungs-Laserdiodenbarren ist das Wärmemanagement nicht nur eine technische Herausforderung, sondern auch eine entscheidende Grundlage für die Zuverlässigkeit. Die Kontaktleitungskühlung ist mit ihren effizienten, ausgereiften und kostengünstigen Eigenschaften auch heute noch eine der gängigsten Lösungen zur Wärmeableitung.
5. Über uns
Lumispot verfügt über umfassende Expertise in der Laserdioden-Verpackung, der Wärmemanagement-Evaluierung und der Materialauswahl. Unsere Mission ist es, leistungsstarke, langlebige Laserlösungen anzubieten, die auf Ihre Anwendungsanforderungen zugeschnitten sind. Wenn Sie mehr erfahren möchten, kontaktieren Sie unser Team gerne.
Veröffentlichungszeit: 23. Juni 2025