लेजर चिकित्सा उपकरणों में डायोड के ताप अपव्यय को कैसे अनुकूलित करें?

1, सामग्री नवाचार: कम तापीय प्रतिरोध संचालन पथ का निर्माण
1. चिप सब्सट्रेट इंटरफ़ेस का अनुकूलन
लेजर डायोड के लिए गर्मी अपव्यय का प्रारंभिक बिंदु चिप और सब्सट्रेट के बीच संपर्क इंटरफ़ेस है। पारंपरिक एल्यूमिना सिरेमिक (Al ₂ O ∝) की तापीय चालकता केवल 20 - 30W/m · K है, जबकि एल्यूमीनियम नाइट्राइड सिरेमिक (AlN) की तापीय चालकता 200W/m · K से अधिक है, जो उन्हें उच्च शक्ति वाले मेडिकल लेजर के लिए पसंदीदा विकल्प बनाती है। उदाहरण के लिए, एक निश्चित औद्योगिक ग्रेड नीला बैंगनी लेजर मॉड्यूल "चिप एल्यूमीनियम नाइट्राइड सब्सट्रेट ग्राफीन कॉपर आधारित" की तीन-परत संरचना को अपनाता है, जो पारंपरिक डिजाइन 5 डिग्री / डब्ल्यू से 1.2 डिग्री / डब्ल्यू तक थर्मल प्रतिरोध को कम करता है, और उसी शक्ति पर चिप जंक्शन तापमान को 30 डिग्री तक कम करता है।

2. वेल्डिंग परत सामग्री का उन्नयन
सोल्डर परत चिप से सब्सट्रेट तक गर्मी हस्तांतरण के लिए एक महत्वपूर्ण चैनल है। गोल्ड टिन सोल्डर (AuSn) अपनी उच्च तापीय चालकता (58W/m · K), उच्च गलनांक (280 डिग्री), और थकान प्रतिरोध के कारण मेडिकल लेजर के लिए मानक वेल्डिंग सामग्री बन गया है। प्रायोगिक डेटा से पता चलता है कि AuSn पूर्व निर्मित सोल्डर पैड का उपयोग करने वाले मॉड्यूल 310 डिग्री के ताप तापमान पर 30 सेकंड के भीतर सोल्डरिंग पूरा कर सकते हैं, और सोल्डर परत की मोटाई की एकरूपता पारंपरिक सोल्डर पेस्ट की तुलना में बेहतर है, जिसमें थर्मल प्रतिरोध में 40% की कमी होती है।

3. हीट सिंक सामग्री का चयन
तांबा (थर्मल चालकता 401W/m · K) और एल्युमीनियम (थर्मल चालकता 237W/m · K) आमतौर पर हीट सिंक सामग्री का उपयोग किया जाता है, लेकिन तांबे का घनत्व (8.9g/cm ³) पोर्टेबल उपकरणों में इसके अनुप्रयोग को सीमित करता है। प्रदर्शन और वजन को संतुलित करने के लिए, मेडिकल लेजर अक्सर कॉपर मोलिब्डेनम मिश्र धातु (CuW) या सिलिकॉन कार्बाइड एल्यूमीनियम (SiC/Al) मिश्रित सामग्री का उपयोग करते हैं। उदाहरण के लिए, एक निश्चित 808nm निकट {{6}इन्फ्रारेड चिकित्सीय उपकरण एक CuW हीट सिंक का उपयोग करता है, जिसमें शुद्ध तांबे की तुलना में लेजर चिप के साथ मेल खाने वाले थर्मल विस्तार (CTE) का बेहतर गुणांक होता है, और जंक्शन तापमान में उतार-चढ़ाव को 10W पावर पर ± 1.5 डिग्री के भीतर नियंत्रित किया जाता है।

2, संरचनात्मक डिजाइन: थर्मल संवहन और विकिरण को बढ़ाएं
1. माइक्रोचैनल कूलिंग तकनीक
निरंतर तरंग (सीडब्ल्यू) उच्च -शक्ति लेजर (जैसे 1470एनएम प्रोस्टेट वाष्पीकरण सर्जरी उपकरण) के लिए, माइक्रोचैनल कूलर (एमसीसी) सबसे कुशल गर्मी अपव्यय समाधान हैं। एमसीसी तांबे के सब्सट्रेट के अंदर 0.1-0.5 मिमी की चौड़ाई के साथ माइक्रोचैनल खोदता है, जिससे ठंडा तरल (जैसे विआयनीकृत पानी) और गर्मी स्रोत के बीच सीधे संपर्क की अनुमति मिलती है, जिसका थर्मल प्रतिरोध 0.01 डिग्री / डब्ल्यू जितना कम होता है। एक शोध दल द्वारा डिज़ाइन की गई कोसाइन आकार की माइक्रोचैनल संरचना में हीट सिंक तापमान की एकरूपता 95% से बेहतर है और 20W पावर के तहत 1m/s की शीतलन तरल प्रवाह दर पर पानी पंप दबाव की आवश्यकता 30% कम हो जाती है।

2. उलटी चिप पैकेजिंग
पारंपरिक औपचारिक चिप पैकेजिंग में, गर्मी को चिप सब्सट्रेट (लगभग 100 μ मीटर की मोटाई के साथ) के माध्यम से हीट सिंक तक ले जाने की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप थर्मल प्रतिरोध में वृद्धि होती है। इनवर्टेड चिप तकनीक सक्रिय क्षेत्र को हीट सिंक में सीधे सोल्डर करके सब्सट्रेट थर्मल प्रतिरोध को समाप्त कर देती है। प्रयोगों से पता चला है कि उल्टे पैकेजिंग वाले 980nm लेजर डायोड का जंक्शन तापमान 5W पावर पर पारंपरिक पैकेजिंग की तुलना में 25 डिग्री कम है, और ऑप्टिकल आउटपुट पावर की स्थिरता में 15% सुधार हुआ है।

3. फिन ऐरे अनुकूलन
निम्न से मध्यम शक्ति वाले मेडिकल लेज़रों, जैसे कि लेज़र बाल हटाने वाले उपकरण, के लिए फिन ऐरे सबसे अधिक लागत प्रभावी ताप अपव्यय समाधान हैं। ANSYS परिमित तत्व विश्लेषण के माध्यम से, यह पाया गया कि पंख की ऊंचाई में प्रत्येक 1 मिमी की वृद्धि के लिए, गर्मी अपव्यय क्षेत्र 12% बढ़ जाता है। हालाँकि, जब ऊंचाई 15 मिमी से अधिक हो जाती है, तो वायु प्रवाह प्रतिरोध काफी बढ़ जाता है। लेजर हेयर रिमूवल डिवाइस का एक निश्चित मॉडल "ग्रेडिएंट फिन" डिज़ाइन को अपनाता है, जिसमें निचले पंख की ऊंचाई 10 मिमी और शीर्ष पंख की ऊंचाई 5 मिमी होती है। 20W की शक्ति पर, प्राकृतिक संवहन ताप अपव्यय दक्षता एकसमान पंखों की तुलना में 18% अधिक है।

3, सिस्टम एकीकरण: बहु स्तरीय सहयोगात्मक नियंत्रण
1. सेमीकंडक्टर कूलर (टीईसी) का बंद लूप नियंत्रण
मेडिकल लेज़रों को अत्यधिक उच्च तरंग दैर्ध्य स्थिरता की आवश्यकता होती है (जैसे कि तरंग दैर्ध्य बहाव)।<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. चरण परिवर्तन सामग्री (पीसीएम) ने गर्मी अपव्यय में सहायता की
स्पंदित मेडिकल लेजर (जैसे लेजर लिथोट्रिप्सी) के लिए, चरण परिवर्तन सामग्री पल्स गैप में गर्मी को अवशोषित कर सकती है और तापमान में उतार-चढ़ाव को सुचारू कर सकती है। एक शोध दल ने लेजर डायोड पैकेजिंग में पैराफिन/विस्तारित ग्रेफाइट मिश्रित पीसीएम (पिघलने बिंदु 45 डिग्री) को एकीकृत किया। 100 हर्ट्ज की पल्स आवृत्ति पर, पीसीएम 40% तात्कालिक गर्मी को अवशोषित कर सकता है, जिससे पीक जंक्शन तापमान 12 डिग्री कम हो जाता है।

3. तरल शीतलन प्रणाली का निरर्थक डिज़ाइन
उच्च शक्ति वाले मेडिकल लेजर (जैसे ट्यूमर फोटोडायनामिक थेरेपी उपकरण) के लिए तरल शीतलन प्रणाली की आवश्यकता होती है, लेकिन शीतलक रिसाव का खतरा रोगी की सुरक्षा को खतरे में डाल सकता है। इसलिए, अनावश्यक डिज़ाइन महत्वपूर्ण है। उपकरण का एक निश्चित मॉडल एक दोहरी परिसंचरण तरल शीतलन प्रणाली को अपनाता है: मुख्य परिसंचरण लेजर डायोड को ठंडा करता है, माध्यमिक परिसंचरण मुख्य परिसंचरण पंप को ठंडा करता है, और दबाव सेंसर के माध्यम से वास्तविक समय में लीक की निगरानी की जाती है। जब मुख्य परिसंचरण दबाव 10% कम हो जाता है, तो उपचार की निरंतरता सुनिश्चित करने के लिए सिस्टम स्वचालित रूप से बैकअप पंप पर स्विच हो जाता है।