Como otimizar a dissipação de calor de diodos em instrumentos médicos a laser?

1, Inovação de materiais: Construindo um caminho de condução de baixa resistência térmica
1. Otimização da interface do substrato do chip
O ponto inicial da dissipação de calor para diodos laser é a interface de contato entre o chip e o substrato. As cerâmicas de alumina tradicionais (Al ₂ O ∝) têm uma condutividade térmica de apenas 20-30W/m · K, enquanto as cerâmicas de nitreto de alumínio (AlN) têm uma condutividade térmica superior a 200W/m · K, tornando-as a escolha preferida para lasers médicos de alta-potência. Por exemplo, um determinado módulo de laser violeta azul de nível industrial adota uma estrutura de três camadas de "chip de substrato de nitreto de alumínio à base de cobre e grafeno", que reduz a resistência térmica do design tradicional de 5 graus /W para 1,2 graus /W e reduz a temperatura da junção do chip em 30 graus na mesma potência.

2. Atualização de materiais de camada de soldagem
A camada de solda é um canal crítico para a transferência de calor do chip para o substrato. A solda de ouro e estanho (AuSn) tornou-se o material de soldagem padrão para lasers médicos devido à sua alta condutividade térmica (58W/m·K), alto ponto de fusão (280 graus) e resistência à fadiga. Dados experimentais mostram que os módulos que usam almofadas de solda pré-formadas AuSn podem completar a soldagem em 30 segundos a uma temperatura de aquecimento de 310 graus, e a uniformidade da espessura da camada de solda é melhor do que a pasta de solda tradicional, com uma redução de 40% na resistência térmica.

3. Seleção de materiais de dissipador de calor
Cobre (condutividade térmica 401W/m · K) e alumínio (condutividade térmica 237W/m · K) são materiais dissipadores de calor comumente usados, mas a densidade do cobre (8,9g/cm³) limita sua aplicação em dispositivos portáteis. Para equilibrar desempenho e peso, os lasers médicos geralmente usam materiais compostos de liga de cobre e molibdênio (CuW) ou carboneto de silício e alumínio (SiC/Al). Por exemplo, um determinado dispositivo terapêutico de infravermelho próximo de 808nm usa um dissipador de calor CuW, que tem um melhor coeficiente de expansão térmica (CTE) correspondente ao chip do laser do que o cobre puro, e a flutuação de temperatura da junção é controlada dentro de ± 1,5 grau com potência de 10W.

2, Projeto estrutural: Melhorar a convecção térmica e a radiação
1. Tecnologia de resfriamento microcanal
Para lasers de alta-potência de onda contínua (CW) (como equipamentos de cirurgia de vaporização de próstata de 1470 nm), os resfriadores de microcanais (MCC) são a solução de dissipação de calor mais eficiente. O MCC grava microcanais com largura de 0,1-0,5 mm dentro do substrato de cobre, permitindo contato direto entre o líquido de resfriamento (como água deionizada) e a fonte de calor, com uma resistência térmica tão baixa quanto 0,01 grau/W. A estrutura de microcanais em forma de cosseno projetada por uma equipe de pesquisa tem uma uniformidade de temperatura do dissipador de calor superior a 95% e um requisito de pressão da bomba de água reduzido em 30% a uma taxa de fluxo de líquido de resfriamento de 1m/s com potência de 20W.

2. Embalagem de chips invertidos
Na embalagem formal tradicional de chips, o calor precisa ser conduzido para o dissipador de calor através do substrato do chip (com espessura de cerca de 100 μm), resultando em um aumento na resistência térmica. A tecnologia de chip invertido elimina a resistência térmica do substrato soldando diretamente a área ativa ao dissipador de calor. Experimentos mostraram que o diodo laser de 980nm com embalagem invertida tem uma temperatura de junção 25 graus menor que a da embalagem convencional com potência de 5W, e a estabilidade da potência de saída óptica é melhorada em 15%.

3. Otimização do array Fin
Para lasers médicos de baixa a média potência, como dispositivos de remoção de pêlos a laser, os conjuntos de aletas são a solução de dissipação de calor mais econômica-. Através da análise de elementos finitos ANSYS, constatou-se que para cada aumento de 1 mm na altura da aleta, a área de dissipação de calor aumenta em 12%. No entanto, quando a altura excede 15 mm, a resistência ao fluxo de ar aumenta significativamente. Um determinado modelo de dispositivo de depilação a laser adota um design de "barbatana gradiente", com uma altura de aleta inferior de 10 mm e uma altura de aleta superior de 5 mm. Com uma potência de 20W, a eficiência de dissipação de calor por convecção natural é 18% maior que a das aletas uniformes.

3, Integração de sistemas: Controle colaborativo multinível
1. Controle de circuito fechado do resfriador de semicondutores (TEC)
Os lasers médicos requerem estabilidade de comprimento de onda extremamente alta (como um desvio de comprimento de onda 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. Dissipação de calor assistida por material de mudança de fase (PCM)
Para lasers médicos pulsados ​​(como litotripsia a laser), os materiais de mudança de fase podem absorver o calor na lacuna do pulso e suavizar as flutuações de temperatura. Uma equipe de pesquisa integrou PCM composto de parafina/grafite expandido (ponto de fusão de 45 graus) em embalagens de diodo laser. A uma frequência de pulso de 100 Hz, o PCM pode absorver 40% do calor instantâneo, reduzindo o pico de temperatura da junção em 12 graus.

3. Projeto redundante do sistema de refrigeração líquida
Lasers médicos de alta potência (como equipamentos de terapia fotodinâmica tumoral) requerem um sistema de refrigeração líquida, mas o risco de vazamento de líquido refrigerante pode colocar em risco a segurança do paciente. Portanto, o design redundante é crucial. Um determinado modelo de equipamento adota um sistema de refrigeração líquida de dupla circulação: a circulação principal resfria o diodo laser, a circulação secundária resfria a bomba de circulação principal e os vazamentos são monitorados em tempo real por meio de sensores de pressão. Quando a pressão de circulação principal cai 10%, o sistema muda automaticamente para a bomba de reserva para garantir a continuidade do tratamento.