Kako optimizirati rasipanje topline dioda u laserskim medicinskim instrumentima?

1, Inovacija materijala: Izgradnja provodnog puta niske toplotne otpornosti
1. Optimizacija interfejsa čip supstrata
Početna tačka odvođenja toplote za laserske diode je kontaktni interfejs između čipa i podloge. Tradicionalna keramika od aluminijuma (Al ₂ O ∝) ima toplotnu provodljivost od samo 20-30W/m · K, dok keramika od aluminijum nitrida (AlN) ima toplotnu provodljivost od preko 200W/m · K, što ih čini poželjnim izborom za medicinske lasere velike- Na primjer, određeni industrijski modul plavoljubičastog laserskog modula usvaja troslojnu strukturu "čip aluminij nitrida na bazi grafena na bazi bakra", što smanjuje toplinski otpor sa tradicionalnog dizajna od 5 stepeni/W na 1,2 stepena/W, i snižava temperaturu spoja čipa za 30 stepeni pri istoj snazi.

2. Nadogradnja materijala za zavarivanje
Sloj lemljenja je kritičan kanal za prijenos topline sa čipa na podlogu. Zlatno-kalajni lem (AuSn) je postao standardni materijal za zavarivanje medicinskih lasera zbog svoje visoke toplotne provodljivosti (58W/m·K), visoke tačke topljenja (280 stepeni) i otpornosti na zamor. Eksperimentalni podaci pokazuju da moduli koji koriste AuSn preformirane jastučiće za lemljenje mogu završiti lemljenje u roku od 30 sekundi na temperaturi grijanja od 310 stepeni, a ujednačenost debljine sloja lemljenja je bolja od tradicionalne paste za lemljenje, uz smanjenje termičke otpornosti za 40%.

3. Izbor materijala hladnjaka
Bakar (toplotna provodljivost 401W/m·K) i aluminijum (toplotna provodljivost 237W/m·K) su uobičajeni materijali za hladnjak, ali gustina bakra (8,9g/cm³) ograničava njegovu primenu u prenosivim uređajima. Kako bi uravnotežili performanse i težinu, medicinski laseri često koriste kompozitne materijale od legure bakra i molibdena (CuW) ili silicijum karbidnog aluminijuma (SiC/Al). Na primjer, određeni 808nm blizu-infracrveni terapeutski uređaj koristi CuW hladnjak, koji ima bolji koeficijent termičke ekspanzije (CTE) koji odgovara laserskom čipu od čistog bakra, a fluktuacija temperature spoja se kontrolira unutar ± 1,5 stepeni pri 10W snazi.

2, Strukturni dizajn: Povećajte toplinsku konvekciju i zračenje
1. Tehnologija mikrokanalnog hlađenja
Za lasere velike snage s kontinuiranim valovima (CW) (kao što je oprema za operaciju vaporizacije prostate od 1470 nm), mikrokanalni hladnjaci (MCC) su najefikasnije rješenje za rasipanje topline. MCC urezuje mikrokanale širine 0,1-0,5 mm unutar bakrene podloge, omogućavajući direktan kontakt između rashladne tečnosti (kao što je dejonizovana voda) i izvora toplote, sa toplotnim otporom od samo 0,01 stepen/W. Mikrokanalna struktura u obliku kosinusa koju je dizajnirao istraživački tim ima ujednačenost temperature hladnjaka bolju od 95% i zahtjev za pritiskom vodene pumpe smanjen za 30% pri brzini protoka rashladne tekućine od 1m/s pod snagom od 20W.

2. Pakovanje obrnutih čipova
U tradicionalnom formalnom pakovanju čipova, toplota se mora odvoditi do hladnjaka kroz podlogu za čipove (debljine od oko 100 μm), što rezultira povećanjem toplotne otpornosti. Tehnologija obrnutih čipova eliminiše termičku otpornost podloge direktnim lemljenjem aktivne površine na hladnjak. Eksperimenti su pokazali da laserska dioda od 980nm sa obrnutim pakovanjem ima temperaturu spoja za 25 stepeni nižu od one kod konvencionalnog pakovanja pri snazi ​​od 5W, a stabilnost optičke izlazne snage je poboljšana za 15%.

3. Optimizacija polja Fin
Za medicinske lasere male do srednje snage, kao što su uređaji za lasersko uklanjanje dlaka, nizovi peraja su najisplativije-rješenje za rasipanje topline. Kroz ANSYS analizu konačnih elemenata, utvrđeno je da se za svaki 1 mm povećanja visine rebra, površina rasipanje topline povećava za 12%. Međutim, kada visina prelazi 15 mm, otpor protoka zraka se značajno povećava. Određeni model uređaja za lasersko uklanjanje dlaka ima dizajn "gradijent peraje", s visinom donje peraje od 10 mm i gornjom visinom peraja od 5 mm. Pri snazi ​​od 20W, prirodna konvekcijska efikasnost odvođenja topline je 18% veća od one kod jednolikih rebara.

3, Integracija sistema: Kolaborativna kontrola na više nivoa
1. Upravljanje zatvorenom petljom poluvodičkog hladnjaka (TEC)
Medicinski laseri zahtevaju izuzetno visoku stabilnost talasne dužine (kao što je odstupanje talasne dužine<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. Materijal za promjenu faze (PCM) potpomognuto rasipanje topline
Za pulsne medicinske lasere (kao što je laserska litotripsija), materijali s promjenom faze mogu apsorbirati toplinu u pulsnom razmaku i izgladiti temperaturne fluktuacije. Istraživački tim je integrirao parafin/ekspandirani grafit kompozitni PCM (tačka topljenja 45 stepeni) u pakovanje laserske diode. Pri frekvenciji impulsa od 100Hz, PCM može apsorbirati 40% trenutne topline, smanjujući vršnu temperaturu spoja za 12 stepeni.

3. Redundantni dizajn sistema tečnog hlađenja
Medicinski laseri velike snage (kao što je oprema za fotodinamičku terapiju tumora) zahtijevaju tečni sistem hlađenja, ali rizik od curenja rashladne tekućine može ugroziti sigurnost pacijenata. Stoga je redundantni dizajn ključan. Određeni model opreme koristi sistem za hlađenje tečnosti sa dvostrukom cirkulacijom: glavna cirkulacija hladi lasersku diodu, sekundarna cirkulacija hladi glavnu cirkulacijsku pumpu, a curenja se prate u realnom vremenu pomoću senzora pritiska. Kada glavni cirkulacioni pritisak padne za 10%, sistem se automatski prebacuje na rezervnu pumpu kako bi osigurao kontinuitet tretmana.