Com optimitzar la dissipació de calor dels díodes en instruments mèdics làser?

1, Innovació de materials: construir un camí de conducció de baixa resistència tèrmica
1. Optimització de la interfície del substrat del xip
El punt de partida de la dissipació de calor dels díodes làser és la interfície de contacte entre el xip i el substrat. Les ceràmiques tradicionals d'alúmina (Al ₂ O ∝) tenen una conductivitat tèrmica de només 20-30W/m·K, mentre que les ceràmiques de nitrur d'alumini (AlN) tenen una conductivitat tèrmica de més de 200W/m·K, la qual cosa les converteix en l'opció preferida per als làsers mèdics d'alta potència. Per exemple, un mòdul làser blau violeta de cert grau industrial adopta una estructura de tres capes de "sustrat de nitrur d'alumini de xip a base de coure grafè", que redueix la resistència tèrmica del disseny tradicional de 5 graus /W a 1,2 graus /W i redueix la temperatura de la unió de xip en 30 graus a la mateixa potència.

2. Actualització dels materials de la capa de soldadura
La capa de soldadura és un canal crític per a la transferència de calor del xip al substrat. La soldadura d'estany d'or (AuSn) s'ha convertit en el material de soldadura estàndard per a làsers mèdics a causa de la seva alta conductivitat tèrmica (58 W/m · K), alt punt de fusió (280 graus) i resistència a la fatiga. Les dades experimentals mostren que els mòduls que utilitzen coixinets de soldadura preformats d'AuSn poden completar la soldadura en 30 segons a una temperatura de calefacció de 310 graus, i la uniformitat del gruix de la capa de soldadura és millor que la pasta de soldadura tradicional, amb una reducció del 40% de la resistència tèrmica.

3. Selecció de materials dissipadors de calor
El coure (conductivitat tèrmica 401 W/m · K) i l'alumini (conductivitat tèrmica 237 W/m · K) són materials dissipadors de calor utilitzats habitualment, però la densitat del coure (8,9 g/cm³) limita la seva aplicació en dispositius portàtils. Per equilibrar el rendiment i el pes, els làsers mèdics sovint utilitzen materials compostos d'aliatge de coure-molibdè (CuW) o carbur de silici (SiC/Al). Per exemple, un dispositiu terapèutic d'infraroig proper de 808 nm -utilitza un dissipador de calor CuW, que té un millor coeficient d'expansió tèrmica (CTE) que coincideix amb el xip làser que el coure pur, i la fluctuació de la temperatura de la unió es controla en ± 1,5 graus amb una potència de 10 W.

2, Disseny estructural: millora la convecció tèrmica i la radiació
1. Tecnologia de refrigeració microcanal
Per als làsers d'alta potència-d'ona contínua (CW) (com ara equips de cirurgia de vaporització de pròstata de 1470 nm), els refrigeradors de microcanal (MCC) són la solució de dissipació de calor més eficient. MCC grava microcanals amb una amplada de 0,1-0,5 mm dins del substrat de coure, permetent el contacte directe entre el líquid de refrigeració (com l'aigua desionitzada) i la font de calor, amb una resistència tèrmica tan baixa com 0,01 graus /W. L'estructura de microcanals en forma de cosinus dissenyada per un equip d'investigació té una uniformitat de temperatura del dissipador de calor superior al 95% i un requisit de pressió de la bomba d'aigua reduït un 30% a un cabal de líquid de refrigeració d'1 m/s per sota de 20 W de potència.

2. Embalatge de xip invertit
En els envasos de xips formals tradicionals, la calor s'ha de conduir al dissipador de calor a través del substrat de xip (amb un gruix d'uns 100 μ m), donant lloc a un augment de la resistència tèrmica. La tecnologia de xip invertit elimina la resistència tèrmica del substrat soldant directament l'àrea activa al dissipador de calor. Els experiments han demostrat que el díode làser de 980 nm amb embalatge invertit té una temperatura d'unió 25 graus inferior a la de l'envàs convencional amb una potència de 5 W, i l'estabilitat de la potència de sortida òptica es millora un 15%.

3. Optimització de la matriu d'aletes
Per als làsers mèdics de baixa o mitjana potència, com ara els dispositius de depilació làser, les matrius d'aletes són la solució de dissipació de calor{0}}més rendible. Mitjançant l'anàlisi d'elements finits ANSYS, es va trobar que per cada augment d'1 mm d'alçada de l'aleta, l'àrea de dissipació de calor augmenta un 12%. Tanmateix, quan l'alçada supera els 15 mm, la resistència al flux d'aire augmenta significativament. Un determinat model de dispositiu de depilació làser adopta un disseny d'"aleta degradada", amb una alçada de l'aleta inferior de 10 mm i una alçada de l'aleta superior de 5 mm. Amb una potència de 20 W, l'eficiència de dissipació de calor per convecció natural és un 18% superior a la de les aletes uniformes.

3, Integració del sistema: control col·laboratiu multinivell
1. Control de llaç tancat del refrigerador de semiconductors (TEC)
Els làsers mèdics requereixen una estabilitat de longitud d'ona extremadament alta (com ara una deriva de longitud d'ona de<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. Material de canvi de fase (PCM) assistit a la dissipació de calor
Per als làsers mèdics polsats (com ara la litotripsia làser), els materials de canvi de fase poden absorbir la calor a la bretxa del pols i suavitzar les fluctuacions de temperatura. Un equip d'investigació va integrar PCM compost de parafina/grafit expandit (punt de fusió de 45 graus) a l'embalatge de díodes làser. A una freqüència de pols de 100 Hz, el PCM pot absorbir el 40% de la calor instantània, reduint la temperatura màxima de la unió en 12 graus.

3. Disseny redundant del sistema de refrigeració líquida
Els làsers mèdics d'alta potència (com ara equips de teràpia fotodinàmica de tumors) requereixen un sistema de refrigeració líquida, però el risc de fuites de refrigerant pot posar en perill la seguretat del pacient. Per tant, el disseny redundant és crucial. Un determinat model d'equip adopta un sistema de refrigeració líquida de doble circulació: la circulació principal refreda el díode làser, la circulació secundària refreda la bomba de circulació principal i les fuites es controlen en temps real mitjançant sensors de pressió. Quan la pressió de circulació principal baixa un 10%, el sistema passa automàticament a la bomba de seguretat per garantir la continuïtat del tractament.