レーザー医療機器のダイオードの熱放散を最適化するにはどうすればよいですか?

1、材料革新：低熱抵抗伝導パスの構築
1. チップ基板インターフェースの最適化
レーザー ダイオードの熱放散の開始点は、チップと基板の間の接触界面です。従来のアルミナ セラミック（Al ₂ O ∝）の熱伝導率はわずか 20-30W/m · K ですが、窒化アルミニウム セラミック（AlN）の熱伝導率は 200W/m · K を超えるため、高出力医療用レーザーに最適です。-例えば、ある工業グレードの青紫色レーザーモジュールは「チップ窒化アルミニウム基板グラフェン銅ベース」の3層構造を採用しており、熱抵抗を従来設計の5度/Wから1.2度/Wに低減し、同じ出力でチップの接合温度を30度低下させています。

2. 溶接層材質のグレードアップ
はんだ層は、チップから基板への熱伝達の重要なチャネルです。金錫はんだ（AuSn）は、高い熱伝導率（58W/m・K）、高い融点（280度）、耐疲労性により、医療用レーザーの標準溶接材料となっています。実験データによると、AuSnの事前形成はんだパッドを使用したモジュールは、310度の加熱温度で30秒以内にはんだ付けを完了でき、はんだ層の厚さの均一性は従来のはんだペーストより優れており、熱抵抗は40%減少しています。

3. ヒートシンク材質の選定
銅 (熱伝導率 401W/m・K) とアルミニウム (熱伝導率 237W/m・K) が一般的に使用されるヒートシンク材料ですが、銅の密度 (8.9g/cm 3) により、ポータブル機器への用途は制限されます。性能と重量のバランスをとるために、医療用レーザーには銅モリブデン合金 (CuW) または炭化ケイ素アルミニウム (SiC/Al) 複合材料が使用されることがよくあります。たとえば、特定の 808nm 近赤外線治療装置では、CuW ヒートシンクが使用されています。このヒートシンクは、純銅よりもレーザー チップとの熱膨張係数 (CTE) のマッチングが優れており、接合部の温度変動は 10W の電力で ±1.5 度以内に制御されています。

2、構造設計：熱対流と輻射を強化
1. マイクロチャネル冷却技術
連続波（CW）高出力レーザー（1470 nm の前立腺気化手術装置など）の場合、マイクロチャネル クーラー（MCC）が最も効率的な放熱ソリューションです。{0} MCCは、銅基板内に幅0.1～0.5mmのマイクロチャネルをエッチングし、冷却液（脱イオン水など）と熱源が0.01度/Wという低い熱抵抗で直接接触できるようにします。研究チームが設計したコサイン型マイクロチャネル構造は、20W電力下で1m/sの冷却液流量で95%以上のヒートシンク温度均一性と、ウォーターポンプ圧力要件を30%削減しました。

2. 反転チップパッケージング
従来の正式なチップパッケージングでは、熱をチップ基板(厚さ約100μm)を通してヒートシンクに伝導する必要があり、その結果、熱抵抗が増加します。反転チップ技術は、アクティブ領域をヒートシンクに直接はんだ付けすることにより、基板の熱抵抗を排除します。実験の結果、反転パッケージングを備えた980nmレーザーダイオードは、5W出力において従来のパッケージングよりもジャンクション温度が25度低くなり、光出力パワーの安定性が15%向上することが示されました。

3. フィンアレイの最適化
レーザー脱毛装置などの低出力から中出力の医療レーザーの場合、フィン アレイは最もコスト効率の高い放熱ソリューションです。{0} ANSYS 有限要素解析により、フィンの高さが 1mm 増加するごとに、放熱面積が 12% 増加することがわかりました。ただし、高さが15mmを超えると通気抵抗が大幅に増加します。レーザー脱毛器の一部のモデルは、下部フィンの高さが10mm、上部フィンの高さが5mmの「グラデーションフィン」デザインを採用しています。 20Wの電力で、自然対流による放熱効率は均一フィンよりも18%高くなります。

3、システム統合：多層協調制御
1. 半導体冷却器（TEC）のクローズドループ制御
医療用レーザーには、非常に高い波長安定性 (波長ドリフトが 100% であるなど) が必要です。<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. 相変化材料 (PCM) による放熱
パルス医療レーザー (レーザー結石破砕術など) の場合、相変化材料はパルスギャップ内の熱を吸収し、温度変動を滑らかにすることができます。研究チームは、パラフィン/膨張黒鉛複合材 PCM (融点 45 度) をレーザー ダイオードのパッケージに統合しました。 100Hz のパルス周波数では、PCM は瞬間的な熱の 40% を吸収し、ピーク接合温度を 12 度低下させます。

3. 液冷システムの冗長設計
高出力医療レーザー (腫瘍光線力学的治療装置など) には液体冷却システムが必要ですが、冷却液漏れのリスクにより患者の安全が危険にさらされる可能性があります。したがって、冗長設計が重要です。ある機種では二重循環液冷システムを採用しており、主循環でレーザーダイオードを冷却し、二次循環で主循環ポンプを冷却し、圧力センサーで漏れをリアルタイムに監視しています。主循環圧力が10%低下すると、システムは自動的にバックアップポンプに切り替わり、治療の継続を確保します。