كيفية تحسين تبديد الحرارة للثنائيات في أدوات الليزر الطبية؟
ترك رسالة
1، ابتكار المواد: بناء مسار توصيل منخفض المقاومة للحرارة
1. تحسين واجهة الركيزة للرقاقة
نقطة البداية لتبديد الحرارة لثنائيات الليزر هي واجهة الاتصال بين الشريحة والركيزة. يتمتع سيراميك الألومينا التقليدي (Al ₂ O ∝) بموصلية حرارية تبلغ 20-30 واط/م · كلفن فقط، بينما يتمتع سيراميك نيتريد الألومنيوم (AlN) بموصلية حرارية تزيد عن 200 واط/م · كلفن، مما يجعله الخيار المفضل لأجهزة الليزر الطبية عالية الطاقة-. على سبيل المثال، وحدة ليزر بنفسجية زرقاء من الدرجة الصناعية تعتمد هيكلًا ثلاثي الطبقات من "رقاقة نيتريد الألومنيوم القائمة على الجرافين والنحاس"، مما يقلل المقاومة الحرارية من التصميم التقليدي من 5 درجات /W إلى 1.2 درجة /W، ويخفض درجة حرارة وصلة الرقاقة بمقدار 30 درجة بنفس الطاقة.
2. تطوير مواد طبقة اللحام
تعد طبقة اللحام بمثابة قناة مهمة لنقل الحرارة من الشريحة إلى الركيزة. أصبح لحام القصدير الذهبي (AuSn) مادة اللحام القياسية لليزر الطبي بسبب الموصلية الحرارية العالية (58 واط / م · ك)، ونقطة الانصهار العالية (280 درجة)، ومقاومة التعب. تظهر البيانات التجريبية أن الوحدات التي تستخدم وسادات اللحام المشكلة مسبقًا AuSn يمكنها إكمال اللحام خلال 30 ثانية عند درجة حرارة تسخين تبلغ 310 درجة، كما أن توحيد سمك طبقة اللحام أفضل من معجون اللحام التقليدي، مع انخفاض بنسبة 40% في المقاومة الحرارية.
3. اختيار مواد المشتت الحراري
يعد النحاس (الموصلية الحرارية 401 وات/م · ك) والألمنيوم (الموصلية الحرارية 237 وات/م · ك) من المواد المستخدمة بشكل شائع كمشتت للحرارة، لكن كثافة النحاس (8.9 جم/سم 3) تحد من تطبيقه في الأجهزة المحمولة. لتحقيق التوازن بين الأداء والوزن، غالبًا ما تستخدم أجهزة الليزر الطبية سبائك الموليبدينوم النحاسية (CuW) أو المواد المركبة من كربيد السيليكون (SiC/Al). على سبيل المثال، يستخدم جهاز علاجي معين يعمل بالأشعة تحت الحمراء القريبة من 808 نانومتر مشتتًا حراريًا CuW، والذي يتمتع بمعامل تمدد حراري (CTE) أفضل يتطابق مع شريحة الليزر مقارنة بالنحاس النقي، ويتم التحكم في تقلب درجة حرارة الوصلة في حدود ± 1.5 درجة عند طاقة 10 وات.
2، التصميم الهيكلي: تعزيز الحمل الحراري والإشعاع
1. تكنولوجيا التبريد Microchannel
بالنسبة إلى أجهزة الليزر ذات الموجة المستمرة (CW) ذات الطاقة العالية- (مثل معدات جراحة تبخير البروستاتا بطول 1470 نانومتر)، فإن مبردات القنوات الدقيقة (MCC) هي الحل الأكثر كفاءة لتبديد الحرارة. يقوم MCC بحفر قنوات صغيرة بعرض 0.1-0.5 مم داخل الركيزة النحاسية، مما يسمح بالاتصال المباشر بين سائل التبريد (مثل الماء منزوع الأيونات) ومصدر الحرارة، مع مقاومة حرارية منخفضة تصل إلى 0.01 درجة / واط. إن هيكل القناة الدقيقة على شكل جيب التمام المصمم من قبل فريق بحث لديه تجانس في درجة حرارة المشتت الحراري أفضل من 95% ومتطلبات ضغط مضخة المياه مخفضة بنسبة 30% عند معدل تدفق سائل تبريد يبلغ 1 متر/ثانية تحت طاقة 20 واط.
2. تغليف الرقائق المقلوبة
في عبوات الرقائق الرسمية التقليدية، يجب توصيل الحرارة إلى المشتت الحراري من خلال ركيزة الرقاقة (بسمك حوالي 100 ميكرومتر)، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة الحرارية. تعمل تقنية الرقاقة المقلوبة على التخلص من المقاومة الحرارية للركيزة عن طريق لحام المنطقة النشطة مباشرة بالمشتت الحراري. أظهرت التجارب أن الصمام الثنائي الليزري 980 نانومتر مع العبوة المقلوبة لديه درجة حرارة توصيل أقل بمقدار 25 درجة من درجة حرارة العبوة التقليدية بقدرة 5 وات، كما تم تحسين استقرار طاقة الخرج البصري بنسبة 15%.
3. تحسين مجموعة الزعانف
بالنسبة لأجهزة الليزر الطبية ذات الطاقة المنخفضة إلى المتوسطة، مثل أجهزة إزالة الشعر بالليزر، فإن مصفوفات الزعانف هي الحل الأكثر فعالية من حيث التكلفة-لتبديد الحرارة. من خلال تحليل العناصر المحدودة لبرنامج ANSYS، وجد أنه مقابل كل زيادة بمقدار 1 مم في ارتفاع الزعنفة، تزيد مساحة تبديد الحرارة بنسبة 12٪. ومع ذلك، عندما يتجاوز الارتفاع 15 ملم، تزداد مقاومة تدفق الهواء بشكل ملحوظ. يعتمد نموذج معين من أجهزة إزالة الشعر بالليزر تصميم "الزعنفة المتدرجة"، مع ارتفاع الزعنفة السفلية 10 مم وارتفاع الزعنفة العلوية 5 مم. عند قوة 20 وات، تكون كفاءة تبديد الحرارة بالحمل الحراري الطبيعي أعلى بنسبة 18% من كفاءة الزعانف الموحدة.
3، تكامل النظام: تحكم تعاوني متعدد المستويات
1. التحكم في الحلقة المغلقة لمبرد أشباه الموصلات (TEC)
تتطلب أجهزة الليزر الطبية استقرارًا عاليًا للغاية في الطول الموجي (مثل انحراف الطول الموجي بمقدار<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. مادة تغيير الطور (PCM) تساعد على تبديد الحرارة
بالنسبة لأشعة الليزر الطبية النبضية (مثل تفتيت الحصوات بالليزر)، يمكن للمواد المتغيرة الطور أن تمتص الحرارة في فجوة النبض وتخفف من تقلبات درجات الحرارة. قام فريق بحث بدمج مركب البارافين/الجرافيت الموسع PCM (نقطة الانصهار 45 درجة) في عبوات الصمام الثنائي الليزري. عند تردد نبضي يبلغ 100 هرتز، يمكن لـ PCM أن يمتص 40% من الحرارة اللحظية، مما يقلل من درجة حرارة الوصلة القصوى بمقدار 12 درجة.
3. التصميم الزائد لنظام التبريد السائل
تتطلب أجهزة الليزر الطبية عالية الطاقة (مثل معدات العلاج الديناميكي الضوئي للأورام) نظام تبريد سائل، ولكن خطر تسرب سائل التبريد قد يعرض سلامة المرضى للخطر. ولذلك، تصميم زائدة عن الحاجة أمر بالغ الأهمية. نموذج معين من المعدات يعتمد نظام تبريد سائل مزدوج الدورة: الدوران الرئيسي يبرد صمام الليزر الثنائي، الدوران الثانوي يبرد مضخة الدوران الرئيسية، ويتم مراقبة التسربات في الوقت الحقيقي من خلال أجهزة استشعار الضغط. عندما ينخفض ضغط التدوير الرئيسي بنسبة 10%، يتحول النظام تلقائيًا إلى المضخة الاحتياطية لضمان استمرارية المعالجة.
