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这一难题的解决,迎来了激光加工行业利润破千亿的契机——飞秒激光表面的散热

发布:2022-05-31 10:03作者:www.huyunjituan.com点击:838次

这一难题的解决,迎来了激光加工行业利润破千亿的契机——飞秒激光表面的散热:随着消费电子、工业电子和航空电子设备的更新速度更快、频率降低,微处理器、电池和面板等内部组件过热已成为许多行业的问题。过热会导致设备磨损和故障,缩短其使用寿命。同时,过热也会导致火灾、爆炸等直接危害。
更好的热控制对于不断提高电子产品的性能至关重要,而飞秒激光器由于其独特的加工特性可以改善热管理。在飞秒激光出现之前,传统的激光疗法使用连续光或脉冲光,脉冲宽度为微秒或纳秒。脉冲激光似乎与材料快速相互作用,但微秒或纳秒级的脉冲对于材料的吸热率时间尺度仍然太大,因此可能导致严重的热损伤,例如开裂或熔化。相比之下,飞秒激光脉冲的时间尺度比材料的热吸收率要短得多,这使得飞秒激光可以用作“冷”光源,在加工过程中热效应微不足道。尽管飞秒激光是高精度加工的理想光源,但没有飞秒激光加工系统可以更好地进行热管理。
用于 50 秒温度控制的激光技术可以对半导体、电池和航空航天应用等行业产生重大影响,但该技术目前尚未在这些领域采用。造成这种情况的原因有很多,包括缺乏技术知识和系统的复杂性。但有迹象可能很快就会改变。
热管理解决方案市场增长迅速,总市值每年接近 110 亿美元,到 2025 年将达到 171 亿美元。这可能归功于电子封装市场的增长。电子包装不能影响产品的性能,所以要提高产品的温度控制。
随着激光技术的发展,飞间隔激光器的功率已经增加到1千瓦以上。强大的激光器、快速扫描系统和交钥匙操作相结合,可以快速准确地处理大型基板,从而实现许多潜在的应用,例如:
用于各种电子设备的散热片、翅片和热交换器,以达到更好的散热和更大的热辐射;提高医疗植入物的生物相容性;提高太阳能电池和电池板的转换效率;提高超级电容器电极的存储容量;提高生物传感器的性能;让卫星“隐形”。 (卫星处理表面,没有激光信号发送到激光制导武器系统)
这家年轻的公司通过开发用于处理纳米表面的(专利)激光技术,进入了使用飞秒激光改进热管理的领域。公司采用超快激光系统对金属和非金属表面的微米和纳米结构进行处理,增加了表面积,增加了表面热发射,表面冷却率提高了100%以上。该技术显着提高了辐射传热效率,改善了热控系统中的导热性和对流冷却,并以高效的方式改善了微处理器、锂离子电池和太阳能电池板等产品的散热。
激光表面的功能化增加了表面积和热发射能力,并补充、消除或改进了传统的热传导和对流散热方法,例如风扇或流体。与空气冷却、液体冷却、纳米管、纳米线和纳米胺等传统冷却方法不同,表面功能化工艺仅适用于金属、合金、塑料和复合材料等材料。激光处理对环境友好,不会对SWAP(强度、重量、强度)产生不利影响,并且不使用化学工艺,因此无需劳动密集型的后处理步骤,实现一步处理。在飞秒激光表面处理过程中偶尔也会产生纳米颗粒,这些纳米颗粒也广泛用于生物医学、光学和电子领域。
激光表面的功能化基本上揭示了表面中的单个原子。表面越大,辐射热传递越快。表面上纳米颗粒数量的增加也会影响光学性质,例如热发射能力。根据 Stefan-Boltzmann 方程,表面积和发射率的增加会显着增加辐射传热。由于飞秒激光脉冲的持续时间极短,峰值功率非常高,使材料在热量蒸发之前迅速电离和蒸发。
当业界开始专注于使用飞秒激光去除表面热量时,业内人士十年前就知道,在自然对流和低气流的环境中,激光表面处理可以产生与对流热传递同样重要的辐射热传递。 .在微处理器中,每个飞秒激光处理的图像中较亮的区域更暖和,因为红外光子比未经处理的区域发射得更快,从而可以迅速从微处理器中去除热量。
上述结果表明,近场辐射的传热效率超过了远场辐射的传热效率。当辐射的波长小于发射器和接收器之间的距离时,就会发生这种情况。随着表面积的增加,表面的发射率增加,远场传热效果也很大。
通过在近场中使用纳米结构可以进一步增强辐射传热的效果。当发射器和接收器之间的距离在近场时,表面辐射的热传递至少增加 25 倍。当发射器/接收器处于近场并且它们之间的空间用纳米结构处理时,表面积增加,表面发射率增加并且表面辐射的热传递变得更加有效。研究发现,一方面,通过增加更多的表面纳米结构,另一方面,通过调整发射器和接收器之间的距离,可以大大提高表面散热的效果。这种双重技术的发展使得在地球和空间科学中推广热吸收、传递和消散解决方案成为可能,特别是集成在微处理器中的散热器和卫星中的散热器。
与处理前相对平坦的表面相比,激光处理的表面产生了非常类似于自组装的结构。由于铜的高导热性,铜的传热性能可以通过在铜表面产生相似的纳米结构来不断提高,从而实现更多的散热应用。例如,集成散热器等组件的散热器板可以转换为“可拆卸”纳米冷却板,甚至可以将热界面材料从管道中完全去除。现代包装。一般来说,接口的热导率与组装组件的热导率相比一般很低,这样可以提高微处理器的整体热性能。
提高散热效率的飞秒激光表面功能化工艺早已得到验证,现已在飞秒激光加工单元ThermOptical Cooling Work System中实施。该系统可用于创建新的原型和热产品,以及提高市场上热产品的性能。
由于技术的重大进步,飞秒激光器现在可以提供高性能、大批量生产的热控制装置,可用于复杂的热控制系统。
所有这些发展现在使高功率脉冲飞秒激光器的生产与大规模生产用于复杂热控制系统的热控制组件成为可能。
计算机、智能手机、物联网设备和工业设备中处理器、电池和面板的爆炸性增长,以及电子元件尺寸的缩小,为飞秒激光器的表面功能化提供了可能性,以满足不断增长的需求。 † 热管理解决方案。飞秒激光治疗技术在过去 20 年中取得了长足的进步。在不久的将来,飞秒激光功能化技术将在满足工业应用和消费市场的需求方面发挥重要作用。
另一种优雅的方法是使用掺镱光纤作为有源激光介质。直接优势是回收的热量沿着光纤分布在大面积上,因此可以很好地消散。因此,与其他方法相比,实现高平均功率相对容易。除了有效的热回收外,由于光纤传输长度长,因此可以实现高激光增益。主要问题是纤芯需要横向功能才能保持良好的光束质量。这确立了传统光纤制造工艺无法满足的严格光学设计要求。只有具有高掺杂纤芯和高效泵浦光开关的微结构光纤的出现绕过了这一限制。光纤中的最终纤芯尺寸和累积的非线性进一步限制了每个脉冲的可用能量。
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