چگونه اتلاف حرارت دیودها را در ابزار پزشکی لیزر بهینه کنیم؟

1، نوآوری مواد: ساخت یک مسیر هدایت حرارتی کم
1. بهینه سازی رابط بستر تراشه
نقطه شروع اتلاف گرما برای دیودهای لیزر، رابط تماس بین تراشه و بستر است. سرامیک‌های آلومینا سنتی (Al₂O∝) دارای رسانایی حرارتی تنها 20-30W/m · K هستند، در حالی که سرامیک‌های نیترید آلومینیوم (AlN) دارای رسانایی حرارتی بیش از 200W/m · K هستند، که آنها را به انتخاب ترجیحی برای لیزرهای پزشکی با قدرت بالا تبدیل می‌کند. به عنوان مثال، یک ماژول لیزر آبی بنفش درجه صنعتی خاص ساختار سه لایه ای از "تراشه آلومینیوم نیترید زیرلایه گرافن بر پایه مس" را اتخاذ می کند، که مقاومت حرارتی را از طراحی سنتی 5 درجه / وات به 1.2 درجه / وات کاهش می دهد و دمای اتصال تراشه را 30 درجه با همان قدرت کاهش می دهد.

2. ارتقاء مواد لایه جوش
لایه لحیم کاری یک کانال حیاتی برای انتقال حرارت از تراشه به زیرلایه است. لحیم کاری قلع طلا (AuSn) به دلیل رسانایی حرارتی بالا (58W/m · K)، نقطه ذوب بالا (280 درجه) و مقاومت در برابر خستگی، به ماده جوشکاری استاندارد لیزرهای پزشکی تبدیل شده است. داده‌های تجربی نشان می‌دهند که ماژول‌هایی که از لحیم‌های از پیش ساخته شده AuSn استفاده می‌کنند، می‌توانند لحیم کاری را در مدت 30 ثانیه در دمای حرارت 310 درجه کامل کنند و یکنواختی ضخامت لایه لحیم کاری بهتر از خمیر لحیم کاری سنتی است، با 40٪ کاهش در مقاومت حرارتی.

3. انتخاب مواد هیت سینک
مس (رسانایی حرارتی 401W/m · K) و آلومینیوم (رسانایی حرارتی 237W/m · K) معمولاً از مواد سینک حرارتی استفاده می‌شوند، اما چگالی مس (8.9g/cm³) کاربرد آن را در دستگاه‌های قابل حمل محدود می‌کند. برای متعادل کردن عملکرد و وزن، لیزرهای پزشکی اغلب از آلیاژ مس مولیبدن (CuW) یا کاربید سیلیکون آلومینیوم (SiC/Al) مواد کامپوزیتی استفاده می کنند. به عنوان مثال، یک دستگاه درمانی مادون قرمز نزدیک به 808 نانومتر از یک هیت سینک CuW استفاده می کند که ضریب انبساط حرارتی (CTE) بهتری با تراشه لیزری نسبت به مس خالص دارد و نوسان دمای محل اتصال در 1.5 ± درجه با توان 10 وات کنترل می شود.

2، طراحی ساختاری: افزایش همرفت حرارتی و تشعشع
1. تکنولوژی خنک کننده میکروکانال
برای لیزرهای پرقدرت موج پیوسته (CW){0}(مانند تجهیزات جراحی تبخیر پروستات 1470 نانومتری)، خنک کننده های میکروکانال (MCC) کارآمدترین راه حل اتلاف گرما هستند. MCC میکروکانال‌هایی را با عرض 0.1-0.5 میلی‌متر در داخل بستر مسی حکاکی می‌کند و اجازه می‌دهد تا تماس مستقیم بین مایع خنک‌کننده (مانند آب دیونیزه) و منبع گرما با مقاومت حرارتی تا 0.01 درجه بر وات باشد. ساختار میکروکانالی کسینوس شکل طراحی شده توسط یک تیم تحقیقاتی دارای یکنواختی دمای سینک حرارتی بهتر از 95 درصد و فشار پمپ آب مورد نیاز با سرعت جریان مایع خنک کننده 1 متر بر ثانیه تحت توان 20 وات 30 درصد کاهش می یابد.

2. بسته بندی تراشه معکوس
در بسته بندی تراشه های رسمی سنتی، گرما باید از طریق بستر تراشه (با ضخامت حدود 100 میکرومتر) به سینک حرارتی هدایت شود که در نتیجه مقاومت حرارتی افزایش می یابد. فناوری تراشه معکوس با لحیم کردن مستقیم ناحیه فعال به هیت سینک، مقاومت حرارتی زیرلایه را از بین می برد. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که دیود لیزر 980 نانومتری با بسته‌بندی معکوس دارای دمای اتصال 25 درجه کمتر از بسته‌بندی معمولی در توان 5 وات است و پایداری توان خروجی نوری تا 15 درصد بهبود یافته است.

3. بهینه سازی آرایه باله
برای لیزرهای پزشکی با توان کم تا متوسط، مانند دستگاه‌های لیزر موهای زائد، آرایه‌های باله‌ای مقرون به صرفه‌ترین راه‌حل اتلاف حرارت هستند. از طریق تجزیه و تحلیل اجزای محدود ANSYS، مشخص شد که به ازای هر 1 میلی متر افزایش در ارتفاع باله، ناحیه اتلاف گرما 12٪ افزایش می یابد. با این حال، زمانی که ارتفاع بیش از 15 میلی متر باشد، مقاومت جریان هوا به طور قابل توجهی افزایش می یابد. مدل خاصی از دستگاه لیزر موهای زائد از طراحی "باله گرادیان" با ارتفاع باله پایین 10 میلی متر و ارتفاع باله بالایی 5 میلی متر استفاده می کند. در توان 20 وات، راندمان اتلاف گرمای جابجایی طبیعی 18 درصد بیشتر از باله های یکنواخت است.

3، یکپارچه سازی سیستم: کنترل مشارکتی چند سطحی
1. کنترل حلقه بسته خنک کننده نیمه هادی (TEC)
لیزرهای پزشکی به پایداری طول موج بسیار بالایی نیاز دارند (مانند رانش طول موج).<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. مواد تغییر فاز (PCM) به اتلاف گرما کمک می کند
برای لیزرهای پزشکی پالسی (مانند لیتوتریپسی لیزری)، مواد تغییر فاز می توانند گرما را در شکاف پالس جذب کرده و نوسانات دما را صاف کنند. یک تیم تحقیقاتی PCM کامپوزیت پارافین/گرافیت منبسط شده (نقطه ذوب 45 درجه) را در بسته بندی دیود لیزری ادغام کردند. در فرکانس پالسی 100 هرتز، PCM می تواند 40 درصد گرمای لحظه ای را جذب کند و دمای اوج اتصال را تا 12 درجه کاهش دهد.

3. طراحی اضافی سیستم خنک کننده مایع
لیزرهای پزشکی با قدرت بالا (مانند تجهیزات فتودینامیک درمانی تومور) به سیستم خنک کننده مایع نیاز دارند، اما خطر نشت مایع خنک کننده ممکن است ایمنی بیمار را به خطر بیندازد. بنابراین، طراحی اضافی بسیار مهم است. مدل خاصی از تجهیزات سیستم خنک‌کننده مایع دوگانه را به کار می‌گیرد: گردش اصلی دیود لیزر را خنک می‌کند، گردش ثانویه پمپ گردش خون اصلی را خنک می‌کند و نشت‌ها در زمان واقعی از طریق سنسورهای فشار نظارت می‌شوند. هنگامی که فشار گردش اصلی 10٪ کاهش می یابد، سیستم به طور خودکار به پمپ پشتیبان سوئیچ می کند تا از تداوم درمان اطمینان حاصل کند.