Як оптимізувати тепловиділення діодів у лазерних медичних інструментах?

1, Інноваційний матеріал: створення шляху провідності з низьким тепловим опором
1. Оптимізація інтерфейсу підкладки мікросхеми
Початковою точкою розсіювання тепла для лазерних діодів є контактний інтерфейс між чіпом і підкладкою. Традиційна глиноземна кераміка (Al ₂ O ∝) має теплопровідність лише 20-30 Вт/м · К, тоді як кераміка з нітриду алюмінію (AlN) має теплопровідність понад 200 Вт/м · К, що робить її кращим вибором для високо-потужних медичних лазерів. Наприклад, певний синьо-фіолетовий лазерний модуль промислового класу має тришарову структуру «підкладка нітриду алюмінію мікросхеми на основі графенової міді», яка зменшує термічний опір із традиційної конструкції з 5 градусів / Вт до 1,2 градуса / Вт і знижує температуру з’єднання мікросхеми на 30 градусів за тієї самої потужності.

2. Оновлення матеріалів зварювального шару
Шар припою є критичним каналом для передачі тепла від мікросхеми до підкладки. Золотоолов’яний припій (AuSn) став стандартним зварювальним матеріалом для медичних лазерів завдяки його високій теплопровідності (58 Вт/м·K), високій температурі плавлення (280 градусів) і стійкості до втоми. Експериментальні дані показують, що модулі, які використовують попередньо сформовані контактні площадки AuSn, можуть завершити пайку протягом 30 секунд при температурі нагрівання 310 градусів, а рівномірність товщини шару припою краща, ніж у традиційної паяльної пасти, зі зниженням термічного опору на 40%.

3. Вибір тепловідвідних матеріалів
Мідь (теплопровідність 401 Вт/м · К) і алюміній (теплопровідність 237 Вт/м · К) є зазвичай використовуваними матеріалами для радіатора, але щільність міді (8,9 г/см³) обмежує її застосування в портативних пристроях. Щоб збалансувати продуктивність і вагу, медичні лазери часто використовують композитні матеріали з мідно-молібденового сплаву (CuW) або карбіду кремнію, алюмінію (SiC/Al). Наприклад, певний терапевтичний пристрій для ближнього{6}}ІЧ-випромінювання на 808 нм використовує радіатор CuW, який має кращий коефіцієнт теплового розширення (КТР), що відповідає лазерному чіпу, ніж чиста мідь, а коливання температури з’єднання контролюються в межах ± 1,5 градуса при потужності 10 Вт.

2, структурний дизайн: посилення теплової конвекції та випромінювання
1. Технологія мікроканального охолодження
Для лазерів безперервної хвилі (CW) високої-потужності (наприклад, обладнання для хірургії вапоризації простати 1470 нм), мікроканальні охолоджувачі (MCC) є найефективнішим рішенням для розсіювання тепла. MCC протравлює мікроканали шириною 0,1-0,5 мм всередині мідної підкладки, що забезпечує прямий контакт між охолоджувальною рідиною (наприклад, деіонізованою водою) і джерелом тепла з термічним опором до 0,01 градуса/Вт. Косинусоподібна мікроканальна структура, розроблена дослідницькою групою, має рівномірність температури радіатора більше 95%, а вимоги до тиску водяного насоса знижені на 30% при швидкості потоку охолоджувальної рідини 1 м/с при потужності 20 Вт.

2. Перевернута упаковка мікросхем
У традиційній формальній упаковці чіпа тепло має передаватися до радіатора через підкладку чіпа (з товщиною приблизно 100 мкм), що призводить до збільшення теплового опору. Технологія інвертованого чіпа усуває термічний опір підкладки шляхом безпосереднього припаювання активної області до радіатора. Експерименти показали, що лазерний діод 980 нм з перевернутим корпусом має температуру переходу на 25 градусів нижчу, ніж у звичайного корпусу при потужності 5 Вт, а стабільність оптичної вихідної потужності покращена на 15%.

3. Оптимізація масиву ребер
Для медичних лазерів малої та середньої потужності, як-от пристроїв для лазерної епіляції, масиви плавників є найбільш-економічним рішенням для розсіювання тепла. Завдяки аналізу кінцевих елементів ANSYS було встановлено, що на кожний 1 мм збільшення висоти ребра площа розсіювання тепла збільшується на 12%. Однак, коли висота перевищує 15 мм, опір потоку повітря значно збільшується. Певна модель пристрою для лазерної епіляції має дизайн «градієнтного плавника» з висотою нижнього плавця 10 мм і верхнього 5 мм. При потужності 20 Вт ефективність розсіювання тепла природною конвекцією на 18% вища, ніж у однорідних ребер.

3, системна інтеграція: багаторівневий спільний контроль
1. Керування замкнутим контуром напівпровідникового охолоджувача (TEC)
Для медичних лазерів потрібна надзвичайно висока стабільність довжини хвилі (наприклад, дрейф довжини хвилі<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. Розсіювання тепла за допомогою фазоперехідного матеріалу (PCM).
Для імпульсних медичних лазерів (таких як лазерна літотрипсія) матеріали зі зміною фази можуть поглинати тепло в імпульсному проміжку та згладжувати температурні коливання. Дослідницька група інтегрувала композит парафін/розширений графіт PCM (точка плавлення 45 градусів) у упаковку лазерного діода. При частоті імпульсів 100 Гц PCM може поглинати 40% миттєвого тепла, знижуючи пікову температуру переходу на 12 градусів.

3. Резервна конструкція рідинної системи охолодження
Медичні лазери високої потужності (наприклад, обладнання для фотодинамічної терапії пухлин) потребують рідинної системи охолодження, але ризик витоку охолоджуючої рідини може загрожувати безпеці пацієнта. Тому надлишковий дизайн має вирішальне значення. Певна модель обладнання використовує подвійну циркуляційну систему рідинного охолодження: основна циркуляція охолоджує лазерний діод, вторинна циркуляція охолоджує головний циркуляційний насос, а витоки контролюються в реальному часі за допомогою датчиків тиску. Коли тиск основної циркуляції падає на 10%, система автоматично перемикається на резервний насос для забезпечення безперервності лікування.