จะเพิ่มประสิทธิภาพการกระจายความร้อนของไดโอดในเครื่องมือแพทย์ด้วยเลเซอร์ได้อย่างไร

1 นวัตกรรมวัสดุ: การสร้างเส้นทางการนำความต้านทานความร้อนต่ำ
1. การเพิ่มประสิทธิภาพอินเทอร์เฟซของพื้นผิวชิป
จุดเริ่มต้นของการกระจายความร้อนสำหรับไดโอดเลเซอร์คือส่วนต่อประสานระหว่างชิปและวัสดุพิมพ์ เซรามิกอลูมินาแบบดั้งเดิม (Al ₂ O ∝) มีค่าการนำความร้อนเพียง 20-30W/m · K ในขณะที่เซรามิกอะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) มีค่าการนำความร้อนมากกว่า 200W/m · K ทำให้เป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับเลเซอร์ทางการแพทย์กำลังสูง- ตัวอย่างเช่น โมดูลเลเซอร์สีม่วงสีน้ำเงินเกรดอุตสาหกรรมบางรุ่นใช้โครงสร้างสามชั้นของ "ชิปอะลูมิเนียมไนไตรด์ซับสเตรตกราฟีนทองแดง" ซึ่งช่วยลดความต้านทานความร้อนจากการออกแบบแบบดั้งเดิมที่ 5 องศา /W เหลือ 1.2 องศา /W และลดอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อชิปลง 30 องศาที่กำลังไฟเท่ากัน

2. การอัพเกรดวัสดุชั้นเชื่อม
ชั้นบัดกรีเป็นช่องทางสำคัญสำหรับการถ่ายเทความร้อนจากชิปไปยังสารตั้งต้น โลหะบัดกรีดีบุกทอง (AuSn) ได้กลายเป็นวัสดุเชื่อมมาตรฐานสำหรับเลเซอร์ทางการแพทย์ เนื่องจากมีการนำความร้อนสูง (58W/m · K) จุดหลอมเหลวสูง (280 องศา ) และความต้านทานต่อความเมื่อยล้า ข้อมูลการทดลองแสดงให้เห็นว่าโมดูลที่ใช้แผ่นบัดกรีที่ขึ้นรูปล่วงหน้าของ AuSn สามารถทำการบัดกรีให้เสร็จสิ้นภายใน 30 วินาทีที่อุณหภูมิความร้อน 310 องศา และความสม่ำเสมอของความหนาของชั้นโลหะบัดกรีนั้นดีกว่าการบัดกรีแบบดั้งเดิม โดยมีความต้านทานความร้อนลดลง 40%

3. การเลือกใช้วัสดุระบายความร้อน
ทองแดง (ค่าการนำความร้อน 401W/m · K) และอะลูมิเนียม (ค่าการนำความร้อน 237W/m · K) มักใช้วัสดุแผงระบายความร้อน แต่ความหนาแน่นของทองแดง (8.9 ก./ซม. ³) จำกัดการใช้งานในอุปกรณ์พกพา เพื่อความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและน้ำหนัก เลเซอร์ทางการแพทย์มักใช้วัสดุผสมทองแดงโมลิบดีนัมอัลลอยด์ (CuW) หรืออะลูมิเนียมคาร์ไบด์ซิลิคอน (SiC/Al) ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์บำบัดด้วยอินฟราเรดใกล้-ขนาด 808 นาโนเมตรบางตัวใช้แผ่นระบายความร้อน CuW ซึ่งมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ที่จับคู่กับชิปเลเซอร์ได้ดีกว่าทองแดงบริสุทธิ์ และความผันผวนของอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อจะถูกควบคุมภายใน ± 1.5 องศาที่กำลังไฟ 10W

2 การออกแบบโครงสร้าง: เพิ่มการพาความร้อนและการแผ่รังสี
1. เทคโนโลยีระบายความร้อนแบบไมโครช่อง
สำหรับเลเซอร์กำลังสูง{0}}แบบคลื่นต่อเนื่อง (CW) (เช่น อุปกรณ์ผ่าตัดต่อมลูกหมากกลายเป็นไอ 1470 นาโนเมตร) เครื่องทำความเย็นแบบไมโครช่อง (MCC) ถือเป็นโซลูชันการกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด MCC กัดเซาะไมโครช่องด้วยความกว้าง 0.1-0.5 มม. ภายในซับสเตรตทองแดง ช่วยให้สัมผัสโดยตรงระหว่างของเหลวหล่อเย็น (เช่น น้ำปราศจากไอออน) และแหล่งความร้อน โดยมีความต้านทานความร้อนต่ำเพียง 0.01 องศา /W โครงสร้างไมโครช่องสัญญาณรูปโคไซน์ที่ออกแบบโดยทีมวิจัยมีความสม่ำเสมอของอุณหภูมิแผงระบายความร้อนดีกว่า 95% และความต้องการแรงดันปั๊มน้ำลดลง 30% ที่อัตราการไหลของของเหลวทำความเย็น 1 เมตร/วินาที ภายใต้พลังงาน 20 วัตต์

2. บรรจุภัณฑ์ชิปกลับด้าน
ในบรรจุภัณฑ์ชิปที่เป็นทางการแบบดั้งเดิม จะต้องให้ความร้อนกับตัวระบายความร้อนผ่านซับสเตรตของชิป (ที่มีความหนาประมาณ 100 μm) ส่งผลให้มีความต้านทานความร้อนเพิ่มขึ้น เทคโนโลยีชิปแบบกลับหัวช่วยลดความต้านทานความร้อนของพื้นผิวโดยการบัดกรีบริเวณที่ใช้งานกับแผงระบายความร้อนโดยตรง การทดลองแสดงให้เห็นว่าเลเซอร์ไดโอด 980 นาโนเมตรที่มีบรรจุภัณฑ์แบบกลับด้านมีอุณหภูมิทางแยกต่ำกว่าบรรจุภัณฑ์ทั่วไปที่ 25 องศาที่กำลังไฟ 5W และความเสถียรของกำลังเอาท์พุตออปติคัลได้รับการปรับปรุงขึ้น 15%

3. การเพิ่มประสิทธิภาพอาร์เรย์ครีบ
สำหรับเลเซอร์ทางการแพทย์กำลังต่ำถึงปานกลาง เช่น อุปกรณ์เลเซอร์กำจัดขน ครีบอาร์เรย์เป็นโซลูชันการกระจายความร้อนที่คุ้มค่าที่สุด- จากการวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์เอลิเมนต์ของ ANSYS พบว่าทุก ๆ ความสูงของครีบที่เพิ่มขึ้น 1 มม. พื้นที่การกระจายความร้อนจะเพิ่มขึ้น 12% อย่างไรก็ตาม เมื่อความสูงเกิน 15 มม. ความต้านทานการไหลของอากาศจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก อุปกรณ์กำจัดขนด้วยเลเซอร์บางรุ่นใช้การออกแบบ "ครีบไล่ระดับ" โดยมีความสูงครีบด้านล่าง 10 มม. และความสูงครีบด้านบน 5 มม. ด้วยกำลังไฟ 20W ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนแบบพาความร้อนตามธรรมชาติจะสูงกว่าครีบสม่ำเสมอถึง 18%

3 การรวมระบบ: การควบคุมการทำงานร่วมกันหลายระดับ
1. การควบคุมวงปิดของเครื่องทำความเย็นเซมิคอนดักเตอร์ (TEC)
เลเซอร์ทางการแพทย์ต้องการความเสถียรของความยาวคลื่นที่สูงมาก (เช่น การเบี่ยงเบนของความยาวคลื่น<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. วัสดุเปลี่ยนเฟส (PCM) ช่วยกระจายความร้อน
สำหรับเลเซอร์ทางการแพทย์แบบพัลส์ (เช่น ลิโธทริปซีด้วยเลเซอร์) วัสดุที่เปลี่ยนเฟสสามารถดูดซับความร้อนในช่องว่างของพัลส์ และลดความผันผวนของอุณหภูมิได้ ทีมวิจัยได้รวม PCM คอมโพสิตพาราฟิน/กราไฟท์ขยายตัว (จุดหลอมเหลว 45 องศา) ลงในบรรจุภัณฑ์ไดโอดเลเซอร์ ที่ความถี่พัลส์ 100Hz PCM สามารถดูดซับความร้อนทันทีได้ 40% ส่งผลให้อุณหภูมิจุดเชื่อมต่อสูงสุดลดลง 12 องศา

3. การออกแบบระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวซ้ำซ้อน
เลเซอร์ทางการแพทย์กำลังสูง (เช่น อุปกรณ์บำบัดด้วยแสงโฟโตไดนามิกของเนื้องอก) ต้องใช้ระบบทำความเย็นด้วยของเหลว แต่ความเสี่ยงที่สารหล่อเย็นรั่วอาจเป็นอันตรายต่อความปลอดภัยของผู้ป่วย ดังนั้นการออกแบบที่ซ้ำซ้อนจึงเป็นสิ่งสำคัญ อุปกรณ์บางรุ่นใช้ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบหมุนเวียนคู่: การไหลเวียนหลักจะทำให้เลเซอร์ไดโอดเย็นลง การไหลเวียนที่สองจะทำให้ปั๊มหมุนเวียนหลักเย็นลง และการรั่วไหลจะถูกตรวจสอบแบบเรียลไทม์ผ่านเซ็นเซอร์ความดัน เมื่อความดันการไหลเวียนหลักลดลง 10% ระบบจะสลับไปที่ปั๊มสำรองโดยอัตโนมัติเพื่อให้มั่นใจว่าการรักษาจะดำเนินต่อไปอย่างต่อเนื่อง