Ako optimalizovať odvod tepla diód v laserových lekárskych prístrojoch?

1, Inovácia materiálu: Vybudovanie cesty vedenia s nízkym tepelným odporom
1. Optimalizácia rozhrania substrátu čipu
Východiskovým bodom odvodu tepla pre laserové diódy je kontaktné rozhranie medzi čipom a substrátom. Tradičná keramika z oxidu hlinitého (Al ₂ O ∝) má tepelnú vodivosť iba 20-30 W/m · K, zatiaľ čo keramika z nitridu hliníka (AlN) má tepelnú vodivosť viac ako 200 W/m · K, vďaka čomu je preferovanou voľbou pre vysokovýkonné lekárske lasery. Napríklad určitý modrofialový laserový modul priemyselnej kvality využíva trojvrstvovú štruktúru „čipového hliníkového nitridového substrátu na báze grafénovej medi“, ktorá znižuje tepelný odpor z tradičného dizajnu 5 stupňov /W na 1,2 stupňa /W a znižuje teplotu spojenia čipov o 30 stupňov pri rovnakom výkone.

2. Modernizácia materiálov zváracích vrstiev
Vrstva spájky je kritickým kanálom pre prenos tepla z čipu na substrát. Zlatá cínová spájka (AuSn) sa stala štandardným zváracím materiálom pre medicínske lasery vďaka svojej vysokej tepelnej vodivosti (58 W/m · K), vysokému bodu topenia (280 stupňov) a odolnosti proti únave. Experimentálne údaje ukazujú, že moduly využívajúce predtvarované spájkovacie plôšky AuSn môžu dokončiť spájkovanie do 30 sekúnd pri teplote ohrevu 310 stupňov a rovnomernosť hrúbky spájkovacej vrstvy je lepšia ako pri tradičnej spájkovacej paste so 40% znížením tepelného odporu.

3. Výber materiálov chladiča
Meď (tepelná vodivosť 401 W/m · K) a hliník (tepelná vodivosť 237 W/m · K) sú bežne používané materiály chladiča, ale hustota medi (8,9 g/cm³) obmedzuje ich použitie v prenosných zariadeniach. Na vyváženie výkonu a hmotnosti lekárske lasery často používajú kompozitné materiály zo zliatiny medi a molybdénu (CuW) alebo karbidu kremíka (SiC/Al). Napríklad určité 808nm blízke -infračervené terapeutické zariadenie používa chladič CuW, ktorý má lepší koeficient tepelnej rozťažnosti (CTE) zodpovedajúci laserovému čipu ako čistá meď a kolísanie teploty spoja je kontrolované v rozmedzí ± 1,5 stupňa pri výkone 10 W.

2, Konštrukčný dizajn: Zvýšte tepelnú konvekciu a vyžarovanie
1. Technológia mikrokanálového chladenia
Pre vysokovýkonné lasery s kontinuálnou vlnou (CW)- (ako je 1470nm chirurgické zariadenie na odparovanie prostaty) sú mikrokanálové chladiče (MCC) najefektívnejším riešením na odvod tepla. MCC leptá mikrokanály so šírkou 0,1-0,5 mm vo vnútri medeného substrátu, čo umožňuje priamy kontakt medzi chladiacou kvapalinou (ako je deionizovaná voda) a zdrojom tepla s tepelným odporom len 0,01 stupňa /W. Štruktúra mikrokanálového kosínusového tvaru navrhnutá výskumným tímom má rovnomernosť teploty chladiča lepšiu ako 95 % a tlak vodného čerpadla znížený o 30 % pri prietoku chladiacej kvapaliny 1 m/s pri výkone 20 W.

2. Obrátený obal čipov
V tradičnom formálnom balení čipov je potrebné teplo viesť do chladiča cez substrát čipu (s hrúbkou asi 100 μm), čo vedie k zvýšeniu tepelného odporu. Technológia obráteného čipu eliminuje tepelný odpor substrátu priamym spájkovaním aktívnej plochy s chladičom. Experimenty ukázali, že 980nm laserová dióda s obráteným obalom má teplotu spojenia o 25 stupňov nižšiu ako konvenčné balenie pri výkone 5 W a stabilita optického výstupného výkonu sa zlepšila o 15 %.

3. Optimalizácia poľa Fin
V prípade lekárskych laserov s nízkym až stredným výkonom, ako sú laserové zariadenia na odstraňovanie chĺpkov, sú sústavy plutiev cenovo-najefektívnejším riešením odvádzania tepla. Prostredníctvom analýzy konečných prvkov ANSYS sa zistilo, že s každým zvýšením výšky rebra o 1 mm sa plocha rozptylu tepla zväčší o 12 %. Keď však výška presiahne 15 mm, odpor prúdenia vzduchu sa výrazne zvýši. Určitý model laserového zariadenia na odstraňovanie chĺpkov využíva dizajn „gradient fin“ s výškou spodnej rebriny 10 mm a výškou hornej rebier 5 mm. Pri výkone 20 W je účinnosť odvodu tepla prirodzeným prúdením o 18 % vyššia ako u rovnomerných rebier.

3, Systémová integrácia: Viacúrovňové riadenie spolupráce
1. Uzavretá regulácia chladiča polovodičov (TEC)
Lekárske lasery vyžadujú extrémne vysokú stabilitu vlnovej dĺžky (ako je posun vlnovej dĺžky<1nm for 650nm epidermal repair lasers), and the wavelength change rate with temperature can reach 0.3nm/℃. Therefore, TEC has become the core component for precise temperature control. A multifunctional beauty device adopts a closed-loop system of "TEC+NTC thermistor". When the chip temperature exceeds the set value (such as 25 ℃), TEC cools at a rate of 0.1 ℃/s, and dynamically adjusts the driving current through PID algorithm to make the power fluctuation less than ± 1%.

2. Odvod tepla pomocou materiálu s fázovou zmenou (PCM).
V prípade pulzných lekárskych laserov (ako je laserová litotrypsia) môžu materiály s fázovou zmenou absorbovať teplo v pulzovej medzere a vyrovnávať kolísanie teploty. Výskumný tím integroval parafínový/expandovaný grafitový kompozit PCM (bod topenia 45 stupňov) do balenia laserovej diódy. Pri pulznej frekvencii 100 Hz dokáže PCM absorbovať 40 % okamžitého tepla, čím sa zníži maximálna teplota spoja o 12 stupňov.

3. Redundantný dizajn kvapalinového chladiaceho systému
Vysokovýkonné lekárske lasery (ako sú zariadenia na fotodynamickú terapiu nádorov) vyžadujú systém chladenia kvapalinou, ale riziko úniku chladiacej kvapaliny môže ohroziť bezpečnosť pacienta. Preto je rozhodujúci redundantný dizajn. Určitý model zariadenia využíva systém chladenia kvapalín s dvojitou cirkuláciou: hlavná cirkulácia chladí laserovú diódu, sekundárna cirkulácia ochladzuje hlavné obehové čerpadlo a netesnosti sú monitorované v reálnom čase prostredníctvom tlakových snímačov. Keď hlavný cirkulačný tlak klesne o 10 %, systém sa automaticky prepne na záložné čerpadlo, aby sa zabezpečila kontinuita liečby.