Come ottimizzare la dissipazione del calore dei diodi negli strumenti medici laser?

1, Innovazione dei materiali: costruzione di un percorso di conduzione a bassa resistenza termica
1. Ottimizzazione dell'interfaccia del substrato del chip
Il punto di partenza della dissipazione del calore per i diodi laser è l'interfaccia di contatto tra il chip e il substrato. Le tradizionali ceramiche di allumina (Al ₂ O ∝) hanno una conduttività termica di soli 20-30 W/m · K, mentre le ceramiche di nitruro di alluminio (AlN) hanno una conduttività termica di oltre 200 W/m · K, il che le rende la scelta preferita per i laser medicali ad alta-potenza. Ad esempio, un certo modulo laser blu-violetto di livello industriale adotta una struttura a tre strati di "substrato di nitruro di alluminio a base di grafene e rame", che riduce la resistenza termica dal design tradizionale da 5 gradi /W a 1,2 gradi /W e abbassa la temperatura di giunzione del chip di 30 gradi alla stessa potenza.

2. Miglioramento dei materiali dello strato di saldatura
Lo strato di saldatura è un canale fondamentale per il trasferimento di calore dal chip al substrato. La saldatura a stagno dorato (AuSn) è diventata il materiale di saldatura standard per i laser medicali grazie alla sua elevata conduttività termica (58 W/m · K), all'elevato punto di fusione (280 gradi) e alla resistenza alla fatica. I dati sperimentali mostrano che i moduli che utilizzano cuscinetti di saldatura preformati AuSn possono completare la saldatura entro 30 secondi a una temperatura di riscaldamento di 310 gradi e l'uniformità dello spessore dello strato di saldatura è migliore rispetto alla pasta saldante tradizionale, con una riduzione del 40% nella resistenza termica.

3. Selezione dei materiali del dissipatore di calore
Il rame (conduttività termica 401 W/m · K) e l'alluminio (conduttività termica 237 W/m · K) sono materiali comunemente utilizzati per i dissipatori di calore, ma la densità del rame (8,9 g/cm ³) ne limita l'applicazione nei dispositivi portatili. Per bilanciare prestazioni e peso, i laser medicali utilizzano spesso materiali compositi in lega di rame molibdeno (CuW) o carburo di silicio e alluminio (SiC/Al). Ad esempio, un certo dispositivo terapeutico nel vicino-infrarosso da 808 nm utilizza un dissipatore di calore CuW, che ha un coefficiente di espansione termica (CTE) migliore rispetto al rame puro e la fluttuazione della temperatura di giunzione è controllata entro ± 1,5 gradi con una potenza di 10 W.

2, progettazione strutturale: migliora la convezione termica e la radiazione
1. Tecnologia di raffreddamento a microcanali
Per i laser ad alta-potenza a onda continua (CW) (come le apparecchiature chirurgiche per la vaporizzazione della prostata da 1470 nm), i raffreddatori a microcanali (MCC) rappresentano la soluzione di dissipazione del calore più efficiente. MCC incide microcanali con una larghezza di 0,1-0,5 mm all'interno del substrato di rame, consentendo il contatto diretto tra il liquido di raffreddamento (come l'acqua deionizzata) e la fonte di calore, con una resistenza termica di soli 0,01 gradi/W. La struttura a microcanali a forma di coseno progettata da un gruppo di ricerca ha un'uniformità della temperatura del dissipatore di calore migliore del 95% e un requisito di pressione della pompa dell'acqua ridotto del 30% con una portata del liquido di raffreddamento di 1 m/s con una potenza di 20 W.

2. Confezione di chip invertita
Nel tradizionale confezionamento formale dei chip, il calore deve essere condotto al dissipatore di calore attraverso il substrato del chip (con uno spessore di circa 100 μm), con conseguente aumento della resistenza termica. La tecnologia a chip invertito elimina la resistenza termica del substrato saldando direttamente l'area attiva al dissipatore di calore. Gli esperimenti hanno dimostrato che il diodo laser da 980 nm con confezionamento invertito ha una temperatura di giunzione di 25 gradi inferiore a quella del confezionamento convenzionale con potenza di 5 W e la stabilità della potenza di uscita ottica è migliorata del 15%.

3. Ottimizzazione dell'array di pinne
Per i laser medicali di potenza medio-bassa, come i dispositivi laser per la depilazione, gli array di alette rappresentano la soluzione di dissipazione del calore più conveniente-. Attraverso l'analisi agli elementi finiti ANSYS, si è scoperto che per ogni aumento di 1 mm dell'altezza delle alette, l'area di dissipazione del calore aumenta del 12%. Tuttavia, quando l'altezza supera i 15 mm, la resistenza al flusso d'aria aumenta notevolmente. Un certo modello di dispositivo di depilazione laser adotta un design a "aletta sfumata", con un'altezza della pinna inferiore di 10 mm e un'altezza della pinna superiore di 5 mm. Con una potenza di 20 W, l'efficienza di dissipazione del calore per convezione naturale è superiore del 18% rispetto a quella delle alette uniformi.

3, Integrazione di sistema: controllo collaborativo multilivello
1. Controllo ad anello chiuso del dispositivo di raffreddamento dei semiconduttori (TEC)
I laser medicali richiedono una stabilità della lunghezza d'onda estremamente elevata (come una deriva della lunghezza d'onda di<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. Dissipazione del calore assistita dal materiale a cambiamento di fase (PCM).
Per i laser medicali pulsati (come la litotrissia laser), i materiali a cambiamento di fase possono assorbire il calore nell'intervallo dell'impulso e attenuare le fluttuazioni di temperatura. Un gruppo di ricerca ha integrato il PCM composito di paraffina/grafite espansa (punto di fusione 45 gradi) nella confezione del diodo laser. Ad una frequenza di impulso di 100 Hz, il PCM può assorbire il 40% del calore istantaneo, riducendo la temperatura di picco della giunzione di 12 gradi.

3. Progettazione ridondante del sistema di raffreddamento a liquido
I laser medicali ad alta potenza (come le apparecchiature per la terapia fotodinamica dei tumori) richiedono un sistema di raffreddamento a liquido, ma il rischio di perdite di refrigerante può mettere a repentaglio la sicurezza del paziente. Pertanto, la progettazione ridondante è fondamentale. Alcuni modelli di apparecchiature adottano un sistema di raffreddamento a liquido a doppia circolazione: la circolazione principale raffredda il diodo laser, la circolazione secondaria raffredda la pompa di circolazione principale e le perdite vengono monitorate in tempo reale tramite sensori di pressione. Quando la pressione di circolazione principale scende del 10%, il sistema passa automaticamente alla pompa di riserva per garantire la continuità del trattamento.