Πώς να βελτιστοποιήσετε τη διάχυση θερμότητας των διόδων σε ιατρικά όργανα λέιζερ;

1, Καινοτομία Υλικών: Χτίζοντας μια διαδρομή αγωγιμότητας χαμηλής θερμικής αντίστασης
1. Βελτιστοποίηση της διεπαφής υποστρώματος τσιπ
Το σημείο εκκίνησης της απαγωγής θερμότητας για τις διόδους λέιζερ είναι η διεπαφή επαφής μεταξύ του τσιπ και του υποστρώματος. Τα παραδοσιακά κεραμικά αλουμίνας (Al ₂ O ∝) έχουν θερμική αγωγιμότητα μόνο 20-30 W/m · K, ενώ τα κεραμικά νιτριδίου αλουμινίου (AlN) έχουν θερμική αγωγιμότητα άνω των 200 W/m · K, καθιστώντας τα την προτιμώμενη επιλογή για ιατρικά υψηλής ισχύος{{5}. Για παράδειγμα, μια συγκεκριμένη μονάδα λέιζερ μπλε βιολετί βιομηχανικής ποιότητας υιοθετεί μια δομή τριών στρωμάτων "υπόστρωμα νιτριδίου αλουμινίου με βάση το γραφένιο με βάση τον χαλκό", η οποία μειώνει τη θερμική αντίσταση από τον παραδοσιακό σχεδιασμό των 5 μοιρών /W σε 1,2 βαθμούς /W και μειώνει τη θερμοκρασία σύνδεσης του τσιπ κατά 30 βαθμούς με την ίδια ισχύ.

2. Αναβάθμιση υλικών στρώσης συγκόλλησης
Το στρώμα συγκόλλησης είναι ένα κρίσιμο κανάλι για τη μεταφορά θερμότητας από το τσιπ στο υπόστρωμα. Η συγκόλληση χρυσού κασσίτερου (AuSn) έχει γίνει το τυπικό υλικό συγκόλλησης για ιατρικά λέιζερ λόγω της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας (58W/m · K), του υψηλού σημείου τήξης (280 μοίρες) και της αντοχής στην κόπωση. Πειραματικά δεδομένα δείχνουν ότι οι μονάδες που χρησιμοποιούν προδιαμορφωμένα μαξιλάρια συγκόλλησης AuSn μπορούν να ολοκληρώσουν τη συγκόλληση εντός 30 δευτερολέπτων σε θερμοκρασία θέρμανσης 310 βαθμών και η ομοιομορφία του πάχους του στρώματος συγκόλλησης είναι καλύτερη από την παραδοσιακή πάστα συγκόλλησης, με 40% μείωση στη θερμική αντίσταση.

3. Επιλογή υλικών ψύκτρας
Ο χαλκός (θερμική αγωγιμότητα 401 W/m · K) και το αλουμίνιο (θερμική αγωγιμότητα 237 W/m · K) είναι συνήθως χρησιμοποιούμενα υλικά ψύκτρας, αλλά η πυκνότητα του χαλκού (8,9 g/cm ³) περιορίζει την εφαρμογή του σε φορητές συσκευές. Για να εξισορροπηθεί η απόδοση και το βάρος, τα ιατρικά λέιζερ χρησιμοποιούν συχνά σύνθετα υλικά από κράμα χαλκού μολυβδαινίου (CuW) ή καρβίδιο του πυριτίου (SiC/Al). Για παράδειγμα, μια συγκεκριμένη θεραπευτική συσκευή 808 nm κοντά-υπέρυθρων χρησιμοποιεί μια ψύκτρα CuW, η οποία έχει καλύτερο συντελεστή θερμικής διαστολής (CTE) που ταιριάζει με το τσιπ λέιζερ από τον καθαρό χαλκό και η διακύμανση της θερμοκρασίας της διασταύρωσης ελέγχεται εντός ± 1,5 μοιρών σε ισχύ 10 W.

2, δομικός σχεδιασμός: Βελτιώστε τη θερμική μεταφορά και την ακτινοβολία
1. Τεχνολογία ψύξης μικροκαναλιού
Για λέιζερ υψηλής ισχύος συνεχούς κύματος (CW)-(όπως εξοπλισμός χειρουργικής εξάτμισης προστάτη 1470 nm), οι ψύκτες μικροκαναλιού (MCC) είναι η πιο αποτελεσματική λύση απαγωγής θερμότητας. Το MCC χαράζει μικροκανάλια με πλάτος 0,1-0,5 mm μέσα στο χάλκινο υπόστρωμα, επιτρέποντας την άμεση επαφή μεταξύ του ψυκτικού υγρού (όπως απιονισμένο νερό) και της πηγής θερμότητας, με θερμική αντίσταση τόσο χαμηλή όσο 0,01 μοίρες /W. Η δομή μικροκαναλιού σε σχήμα συνημιτόνου που σχεδιάστηκε από μια ερευνητική ομάδα έχει ομοιομορφία θερμοκρασίας ψύκτρας καλύτερη από 95% και απαίτηση πίεσης αντλίας νερού μειωμένη κατά 30% με ρυθμό ροής ψυκτικού υγρού 1 m/s με ισχύ 20 W.

2. Συσκευασία ανεστραμμένου τσιπ
Στην παραδοσιακή επίσημη συσκευασία τσιπ, η θερμότητα πρέπει να διοχετεύεται στην ψύκτρα μέσω του υποστρώματος του τσιπ (με πάχος περίπου 100 μ m), με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμικής αντίστασης. Η τεχνολογία ανεστραμμένου τσιπ εξαλείφει τη θερμική αντίσταση του υποστρώματος συγκολλώντας απευθείας την ενεργή περιοχή στην ψύκτρα. Πειράματα έδειξαν ότι η δίοδος λέιζερ 980 nm με ανεστραμμένη συσκευασία έχει θερμοκρασία σύνδεσης 25 μοίρες χαμηλότερη από αυτή της συμβατικής συσκευασίας σε ισχύ 5 W και η σταθερότητα της οπτικής ισχύος εξόδου βελτιώνεται κατά 15%.

3. Βελτιστοποίηση πίνακα πτερυγίων
Για ιατρικά λέιζερ χαμηλής έως μέσης ισχύος, όπως συσκευές αποτρίχωσης με λέιζερ, οι συστοιχίες πτερυγίων είναι η πιο αποτελεσματική λύση απαγωγής θερμότητας-. Μέσω της ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων ANSYS, διαπιστώθηκε ότι για κάθε αύξηση ύψους πτερυγίου κατά 1 mm, η περιοχή απαγωγής θερμότητας αυξάνεται κατά 12%. Ωστόσο, όταν το ύψος υπερβαίνει τα 15 mm, η αντίσταση ροής αέρα αυξάνεται σημαντικά. Ένα συγκεκριμένο μοντέλο συσκευής αποτρίχωσης με λέιζερ υιοθετεί ένα σχέδιο "gradient fin", με ύψος κάτω πτερυγίου 10 mm και ύψος άνω πτερυγίου 5 mm. Σε ισχύ 20 W, η απόδοση απαγωγής θερμότητας με φυσική μεταφορά είναι 18% υψηλότερη από αυτή των ομοιόμορφων πτερυγίων.

3, Ενοποίηση συστήματος: Συνεργατικός έλεγχος πολλαπλών επιπέδων
1. Έλεγχος κλειστού βρόχου ψυγείου ημιαγωγών (TEC)
Τα ιατρικά λέιζερ απαιτούν εξαιρετικά υψηλή σταθερότητα μήκους κύματος (όπως μετατόπιση μήκους κύματος<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. Υποβοηθούμενη απόρριψη θερμότητας υλικού αλλαγής φάσης (PCM).
Για παλμικά ιατρικά λέιζερ (όπως η λιθοτριψία με λέιζερ), τα υλικά αλλαγής φάσης μπορούν να απορροφήσουν θερμότητα στο διάκενο παλμών και να εξομαλύνουν τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Μια ερευνητική ομάδα ενσωμάτωσε το σύνθετο PCM παραφίνης/διογκωμένου γραφίτη (σημείο τήξης 45 μοίρες) σε συσκευασία διόδων λέιζερ. Σε συχνότητα παλμού 100Hz, το PCM μπορεί να απορροφήσει το 40% της στιγμιαίας θερμότητας, μειώνοντας τη μέγιστη θερμοκρασία διασταύρωσης κατά 12 βαθμούς.

3. Περιττός σχεδιασμός συστήματος υγρής ψύξης
Τα ιατρικά λέιζερ υψηλής ισχύος (όπως ο εξοπλισμός φωτοδυναμικής θεραπείας όγκων) απαιτούν σύστημα ψύξης υγρού, αλλά ο κίνδυνος διαρροής ψυκτικού μπορεί να θέσει σε κίνδυνο την ασφάλεια του ασθενούς. Επομένως, ο περιττός σχεδιασμός είναι ζωτικής σημασίας. Ένα συγκεκριμένο μοντέλο εξοπλισμού υιοθετεί ένα σύστημα ψύξης υγρού διπλής κυκλοφορίας: η κύρια κυκλοφορία ψύχει τη δίοδο λέιζερ, η δευτερεύουσα κυκλοφορία ψύχει την κύρια αντλία κυκλοφορίας και οι διαρροές παρακολουθούνται σε πραγματικό χρόνο μέσω αισθητήρων πίεσης. Όταν η κύρια πίεση κυκλοφορίας πέσει κατά 10%, το σύστημα μεταβαίνει αυτόματα στην εφεδρική αντλία για να διασφαλίσει τη συνέχεια της θεραπείας.