Jak optimalizovat odvod tepla diod v laserových lékařských přístrojích?

1, Inovace materiálu: Vybudování cesty vedení s nízkým tepelným odporem
1. Optimalizace rozhraní substrátu čipu
Výchozím bodem odvodu tepla u laserových diod je kontaktní rozhraní mezi čipem a substrátem. Tradiční keramika z oxidu hlinitého (Al ₂ O ∝) má tepelnou vodivost pouze 20-30 W/m · K, zatímco keramika z nitridu hliníku (AlN) má tepelnou vodivost přes 200 W/m · K, díky čemuž je preferovanou volbou pro vysoce výkonné lékařské lasery. Například určitý modrofialový laserový modul průmyslové třídy využívá třívrstvou strukturu „čipového hliníkového nitridového substrátu na bázi grafenové mědi“, která snižuje tepelný odpor z tradičního designu 5 stupňů /W na 1,2 stupně /W a snižuje teplotu přechodu čipu o 30 stupňů při stejném výkonu.

2. Modernizace materiálů svařovací vrstvy
Vrstva pájky je kritickým kanálem pro přenos tepla z čipu na substrát. Zlatá cínová pájka (AuSn) se stala standardním svařovacím materiálem pro lékařské lasery díky své vysoké tepelné vodivosti (58 W/m · K), vysokému bodu tání (280 stupňů) a odolnosti proti únavě. Experimentální data ukazují, že moduly využívající předtvarované pájecí plošky AuSn mohou dokončit pájení během 30 sekund při teplotě ohřevu 310 stupňů a rovnoměrnost tloušťky pájecí vrstvy je lepší než u tradiční pájecí pasty se 40% snížením tepelného odporu.

3. Výběr materiálů chladičů
Měď (tepelná vodivost 401 W/m · K) a hliník (tepelná vodivost 237 W/m · K) jsou běžně používané materiály chladiče, ale hustota mědi (8,9 g/cm³) omezuje její použití v přenosných zařízeních. Pro vyvážení výkonu a hmotnosti používají lékařské lasery často kompozitní materiály ze slitiny mědi molybdenu (CuW) nebo karbidu křemíku (SiC/Al). Například určité 808nm blízké -infračervené terapeutické zařízení používá chladič CuW, který má lepší koeficient tepelné roztažnosti (CTE) odpovídající laserovému čipu než čistá měď a kolísání teploty přechodu je řízeno v rozmezí ± 1,5 stupně při výkonu 10 W.

2, Konstrukční řešení: Zvyšte tepelnou konvekci a sálání
1. Technologie mikrokanálového chlazení
Pro vysokovýkonné lasery s kontinuální vlnou (CW)- (jako je 1470nm operační zařízení pro odpařování prostaty) jsou mikrokanálové chladiče (MCC) nejúčinnějším řešením pro odvod tepla. MCC leptá mikrokanálky o šířce 0,1-0,5 mm uvnitř měděného substrátu, což umožňuje přímý kontakt mezi chladicí kapalinou (jako je deionizovaná voda) a zdrojem tepla, s tepelným odporem jen 0,01 stupně /W. Kosinově tvarovaná mikrokanálová struktura navržená výzkumným týmem má rovnoměrnost teploty chladiče lepší než 95 % a požadavek na tlak vodního čerpadla snížený o 30 % při průtoku chladicí kapaliny 1 m/s při výkonu 20 W.

2. Obrácený obal čipu
V tradičním formálním balení čipů je potřeba teplo vést do chladiče přes substrát čipu (s tloušťkou asi 100 μm), což má za následek zvýšení tepelného odporu. Technologie obráceného čipu eliminuje tepelný odpor substrátu přímým připájením aktivní plochy k chladiči. Experimenty ukázaly, že 980nm laserová dioda s obráceným obalem má teplotu přechodu o 25 stupňů nižší než u konvenčního obalu při výkonu 5 W a stabilita optického výstupního výkonu je zlepšena o 15 %.

3. Optimalizace Finového pole
U lékařských laserů s nízkým až středním výkonem, jako jsou laserová zařízení na odstraňování chloupků, jsou soustavy ploutví cenově-nejefektivnějším řešením pro odvod tepla. Prostřednictvím analýzy metodou konečných prvků ANSYS bylo zjištěno, že s každým zvýšením výšky žebra o 1 mm se plocha rozptylu tepla zvětší o 12 %. Když však výška přesáhne 15 mm, výrazně se zvýší odpor proudění vzduchu. Určitý model laserového zařízení pro odstraňování chloupků využívá design „gradient fin“ s výškou spodní žebra 10 mm a výškou horní žebrovky 5 mm. Při výkonu 20 W je účinnost odvodu tepla přirozenou konvekcí o 18 % vyšší než u jednotných žeber.

3, Systémová integrace: Víceúrovňová kolaborativní kontrola
1. Řízení s uzavřenou smyčkou chladiče polovodičů (TEC)
Lékařské lasery vyžadují extrémně vysokou stabilitu vlnové délky (jako je drift vlnové délky<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. Materiál s fázovou změnou (PCM) asistovaný odvod tepla
U pulzních lékařských laserů (jako je laserová litotrypse) mohou materiály s fázovou změnou absorbovat teplo v pulzní mezeře a vyhladit kolísání teploty. Výzkumný tým integroval parafín/expandovaný grafitový kompozit PCM (bod tání 45 stupňů) do obalu laserové diody. Při pulzní frekvenci 100 Hz může PCM absorbovat 40 % okamžitého tepla, což snižuje špičkovou teplotu přechodu o 12 stupňů.

3. Redundantní návrh kapalinového chladicího systému
Vysoce výkonné lékařské lasery (jako zařízení pro fotodynamickou terapii nádorů) vyžadují systém chlazení kapalinou, ale riziko úniku chladicí kapaliny může ohrozit bezpečnost pacienta. Proto je zásadní redundantní design. Určitý model zařízení využívá duální cirkulační kapalinový chladicí systém: hlavní cirkulace ochlazuje laserovou diodu, sekundární cirkulace ochlazuje hlavní oběhové čerpadlo a netěsnosti jsou monitorovány v reálném čase pomocí tlakových senzorů. Když hlavní cirkulační tlak klesne o 10 %, systém se automaticky přepne na záložní čerpadlo, aby byla zajištěna kontinuita čištění.