כיצד לייעל את פיזור החום של דיודות במכשירים רפואיים בלייזר?

1, חדשנות חומרית: בניית נתיב הולכה עם התנגדות תרמית נמוכה
1. אופטימיזציה של ממשק מצע שבב
נקודת המוצא של פיזור חום עבור דיודות לייזר היא ממשק המגע בין השבב למצע. לקרמיקה מסורתית מאלומינה (Al ₂ O ∝) יש מוליכות תרמית של 20-30W/m · K בלבד, בעוד שלקרמיקת אלומיניום ניטריד (AlN) יש מוליכות תרמית של מעל 200W/m · K, מה שהופך אותם לבחירה המועדפת עבור לייזרים רפואיים- גבוהים. לדוגמה, מודול לייזר כחול סגול כחול בדרגה תעשייתית מאמץ מבנה תלת-שכבתי של "מצע אלומיניום ניטריד מבוסס גרפן נחושת", אשר מפחית את ההתנגדות התרמית מהעיצוב המסורתי של 5 מעלות/W ל-1.2 מעלות/W, ומוריד את טמפרטורת צומת השבב ב-30 מעלות באותה הספק.

2. שדרוג חומרי שכבת ריתוך
שכבת ההלחמה היא ערוץ קריטי להעברת חום מהשבב למצע. הלחמת פח זהב (AuSn) הפכה לחומר הריתוך הסטנדרטי עבור לייזרים רפואיים בשל מוליכות תרמית גבוהה (58W/m · K), נקודת התכה גבוהה (280 מעלות), ועמידות בפני עייפות. נתונים ניסיוניים מראים כי מודולים המשתמשים ברפידות הלחמה מוכנות מראש מסוג AuSn יכולים להשלים הלחמה תוך 30 שניות בטמפרטורת חימום של 310 מעלות, והאחידות של עובי שכבת ההלחמה טובה יותר מהדבקת הלחמה מסורתית, עם הפחתה של 40% בהתנגדות התרמית.

3. בחירת חומרים לגוף קירור
נחושת (מוליכות תרמית 401W/m · K) ואלומיניום (מוליכות תרמית 237W/m · K) הם חומרי גוף קירור נפוצים, אך צפיפות הנחושת (8.9g/cm ³) מגבילה את היישום שלה במכשירים ניידים. כדי לאזן בין ביצועים ומשקל, לייזרים רפואיים משתמשים לעתים קרובות בסגסוגת מוליבדן נחושת (CuW) או בחומרים מרוכבים מאלומיניום סיליקון קרביד (SiC/Al). לדוגמה, מכשיר טיפולי מסוים של 808 ננומטר ליד -אינפרא אדום משתמש בגוף קירור CuW, בעל מקדם התפשטות תרמית (CTE) טוב יותר התואם עם שבב הלייזר מאשר נחושת טהורה, ותנודת טמפרטורת הצומת נשלטת בתוך ± 1.5 מעלות בהספק של 10W.

2, עיצוב מבני: שפר הסעה תרמית וקרינה
1. טכנולוגיית קירור מיקרו-ערוצית
עבור לייזרים בעלי הספק גבוה-בגל מתמשך (כגון ציוד לניתוח אידוי ערמונית 1470nm), מצננים מיקרו-ערוציים (MCC) הם הפתרון היעיל ביותר לפיזור חום. MCC חורט מיקרו-תעלות ברוחב של 0.1-0.5 מ"מ בתוך מצע הנחושת, מה שמאפשר מגע ישיר בין נוזל הקירור (כגון מים מופחתים) לבין מקור החום, עם התנגדות תרמית נמוכה כמו 0.01 מעלות /W. למבנה המיקרו-ערוץ בצורת קוסינוס שתוכנן על ידי צוות מחקר יש אחידות טמפרטורת גוף קירור טובה מ-95% ודרישת לחץ משאבת מים מופחתת ב-30% בקצב זרימת נוזל קירור של 1m/s תחת הספק של 20W.

2. אריזת שבב הפוכה
באריזת שבבים רשמית מסורתית, חום צריך להיות מוליך אל גוף הקירור דרך מצע השבב (בעובי של כ-100 מיקרומטר), וכתוצאה מכך לעלייה בהתנגדות התרמית. טכנולוגיית שבב הפוך מבטלת התנגדות תרמית של המצע על ידי הלחמה ישירה של האזור הפעיל לגוף הקירור. ניסויים הראו שלדיודת הלייזר 980nm עם אריזה הפוכה יש טמפרטורת צומת נמוכה ב-25 מעלות מזו של האריזה הקונבנציונלית בהספק של 5W, והיציבות של הספק המוצא האופטי משופרת ב-15%.

3. אופטימיזציה של מערך סנפירים
עבור לייזרים רפואיים בהספק נמוך עד בינוני, כגון מכשירים להסרת שיער בלייזר, מערכי סנפירים הם הפתרון-היעיל ביותר לפיזור חום. באמצעות ניתוח אלמנטים סופיים של ANSYS, נמצא כי על כל עלייה של 1 מ"מ בגובה הסנפיר, שטח פיזור החום גדל ב-12%. עם זאת, כאשר הגובה עולה על 15 מ"מ, התנגדות זרימת האוויר עולה באופן משמעותי. דגם מסוים של מכשיר להסרת שיער בלייזר מאמץ עיצוב "סנפיר שיפוע", עם גובה סנפיר תחתון של 10 מ"מ וגובה סנפיר עליון של 5 מ"מ. בהספק של 20W, יעילות פיזור החום הטבעית בהסעה גבוהה ב-18% מזו של סנפירים אחידים.

3, שילוב מערכת: בקרה שיתופית רב רמות
1. בקרת לולאה סגורה של מצנן מוליכים למחצה (TEC)
לייזרים רפואיים דורשים יציבות באורך גל גבוה במיוחד (כגון סחיפה באורך גל של<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. חומר לשינוי שלב (PCM) מסייע בפיזור חום
עבור לייזרים רפואיים דופקים (כגון לייזר ליתוטריפסיה), חומרים לשינוי פאזה יכולים לספוג חום במרווח הדופק ולהחליק את תנודות הטמפרטורה. צוות מחקר שילב פרפין/גרפיט מורכב PCM (נקודת התכה 45 מעלות) באריזת דיודות לייזר. בתדר דופק של 100Hz, PCM יכול לספוג 40% מהחום המיידי, ולהפחית את טמפרטורת השיא של הצומת ב-12 מעלות.

3. עיצוב מיותר של מערכת קירור נוזלי
לייזרים רפואיים בעלי הספק גבוה (כגון ציוד לטיפול פוטודינמי בגידולים) דורשים מערכת קירור נוזלית, אך הסיכון של דליפת נוזל קירור עלול לסכן את בטיחות המטופל. לכן, עיצוב מיותר הוא קריטי. דגם מסוים של ציוד מאמץ מערכת קירור נוזלים בסירקולציה כפולה: המחזור הראשי מקרר את דיודת הלייזר, הסירקולציה המשנית מקררת את משאבת המחזור הראשית, והדליפות מנוטרות בזמן אמת באמצעות חיישני לחץ. כאשר לחץ המחזור הראשי יורד ב-10%, המערכת עוברת אוטומטית למשאבת הגיבוי כדי להבטיח את המשכיות הטיפול.