Care sunt principiile de proiectare termică a diodelor din PCB-urile dispozitivelor medicale?

1, Selecția materialului: Echilibrarea rezistenței termice scăzute și conductibilității termice ridicate
Dispozitivele medicale sunt foarte sensibile la temperatură, cum ar fi dispozitivele implantabile care trebuie să respecte compatibilitatea cu țesuturile umane (standard ISO 10993) și să funcționeze stabil într-un mediu de temperatură de 37 de grade pentru o lungă perioadă de timp. Selectarea materialelor de ambalare a diodelor ar trebui să țină cont atât de rezistența termică, cât și de performanța electrică:

Material de cădere de tensiune directă joasă: sunt preferate diodele Schottky (cum ar fi BAT62-02V), cu o cădere de tensiune directă (Vf) de până la 0,25V@10mA În comparație cu diodele tradiționale de siliciu (0,6V~0,7V), aceasta reduce consumul de energie cu mai mult de 60%. În modulul de transmisie fără fir al dispozitivelor CGM, Vf scăzut poate reduce pierderea de conducție a circuitului frontal RF și poate extinde intervalul de încărcare unică.
Ambalare cu conductivitate termică ridicată: pentru diodele de-putere mare (cum ar fi diodele IGBT ambalate în TO-247), ar trebui utilizate substraturi metalice (cum ar fi substraturi de aluminiu) sau tehnologia blocului de cupru. Conductivitatea termică a substratului de aluminiu ajunge la 2W/m · K, care este de 6 ori mai mare decât cea a plăcii FR-4 (0,3W/m · K) și poate conduce rapid temperatura de joncțiune a diodei la suprafața PCB.
Materiale rezistente la temperaturi ridicate: echipamentele medicale trebuie sterilizate la temperaturi ridicate (cum ar fi sterilizarea cu abur la 121 de grade), iar materialele de ambalare a diodelor trebuie să îndeplinească cerințele de rezistență la temperatură. De exemplu, diodele Schottky de calitate industrială (cum ar fi SS54) pot rezista la un interval de temperatură de la -55 grade până la 150 de grade, evitând fisurarea îmbinărilor de lipit cauzată de coeficienții de dilatare termică nepotriviți în timpul dezinfectării.
2, Optimizarea aspectului: reduce concentrația sursei de căldură și obstrucția fluxului de aer
PCB-urile pentru echipamente medicale sunt de obicei compacte în spațiu, iar diodele trebuie să urmeze principiul „dispersării surselor de căldură și optimizării conductelor de aer”:

Dispunerea distribuită a sursei de căldură: diodele de mare putere ar trebui să fie distribuite uniform pe PCB pentru a evita plasarea concentrată care poate cauza puncte fierbinți locale. De exemplu, în modulul de putere al unui dispozitiv portabil de diagnosticare cu ultrasunete, diodele redresoare sunt distribuite de-a lungul marginii PCB, utilizând convecția naturală pentru disiparea căldurii, rezultând o reducere cu 15 grade a temperaturii joncțiunii în comparație cu un aspect centralizat.
Izolarea dispozitivului sensibil la temperatură: Componentele sensibile la temperatură, cum ar fi condensatoarele electrolitice, trebuie ținute departe de sursele de căldură ale diodei. În condiții de-răcire cu aer, distanța dintre cele două ar trebui să fie mai mare sau egală cu 2,5 mm; în condiții naturale de răcire, distanța ar trebui să fie mai mare sau egală cu 4,0 mm. Dacă spațiul este limitat, radiația termică poate fi izolată de o placă de protecție termică (cum ar fi o placă de cupru de 0,5 mm grosime).
Proiectare de ghidare a fluxului de aer: pentru echipamentele de răcire cu aer forțat (cum ar fi monitoarele utilizate în sălile de operație), diodele trebuie plasate în aval de intrarea aerului sau în amonte de orificiul de evacuare a aerului pentru a se asigura că fluxul de aer acoperă direct sursa de căldură. De exemplu, plasarea diodelor redresoare direct în spatele ventilatorului de răcire poate crește viteza vântului la suprafață cu 30% și poate reduce rezistența termică cu 20%.
3, Îmbunătățirea disipării căldurii: construirea de căi de conducție a căldurii pe mai multe-nivele
PCB-urile pentru echipamente medicale necesită un sistem de disipare a căldurii cu trei-nivele de „Dispozitiv PCB radiator” pentru a realiza un management termic eficient:

Disiparea căldurii la nivel de dispozitiv:
Proiectarea plăcuțelor de disipare a căldurii: diodele ambalate TO-247 necesită o suprafață mare de plăci de disipare a căldurii (conectând pinii din mijloc) să fie proiectată pe partea din față a PCB și o zonă mai mare de folie de cupru de disipare a căldurii (cum ar fi 10 mm × 10 mm) să fie proiectată pe spate. Foliile de cupru din față și din spate trebuie conectate prin căi dense conductoare termic (cum ar fi o matrice 10 × 10 cu un diametru de 0,3 mm). Căile conductoare termice trebuie umplute cu materiale conductoare (cum ar fi pastă de argint) și acoperite cu mască de lipit pentru a reduce rezistența termică de contact.
Radiator extern de căldură: Instalați un radiator cu aripioare (cum ar fi un radiator din aluminiu de 60 mm × 60 mm) pe suportul de disipare a căldurii de pe spatele PCB și umpleți golul suprafeței de contact cu unsoare siliconică conductoare termic (conductivitate termică 5 W/m · K) pentru a vă asigura că temperatura joncțiunii este redusă cu mai mult de 30 de grade în comparație cu radiatorul.
Disiparea căldurii la nivel de PCB:
Folie groasă de cupru și placă multistrat: utilizați PCB cu o grosime de cupru mai mare sau egală cu 2 oz (70 μ m) și chiar folosiți o grosime de cupru de 3 oz sau substrat metalic. Pentru scenarii de putere extrem de mare, blocurile de cupru (cum ar fi blocurile de cupru cu grosimea de 5 mm) pot fi încorporate în interiorul PCB pentru a intra în contact direct cu plăcuțele de disipare a căldurii diodei, obținând o conducere eficientă a căldurii punct-la-punct{5}}la-punct.
Disiparea căldurii prin găuri și găuri oarbe: proiectați disiparea căldurii prin găuri (Via in Pad, VIPPO) în jurul diodei, umpleți-le cu rășină sau materiale conductoare și acoperiți-le cu mască de lipit pentru a crește zona de disipare a căldurii. De exemplu, configurarea prin găuri pe plăcuțele dispozitivului LCCC poate crește conductibilitatea termică cu 50%.
Disiparea căldurii la nivel de sistem:
Optimizarea convecției naturale: atunci când utilizați convecția naturală pentru transferul de căldură, direcția lungimii aripioarelor de disipare a căldurii ar trebui să fie perpendiculară pe sol, utilizând efectul de creștere al aerului cald pentru a îmbunătăți disiparea căldurii. De exemplu, instalarea aripioarelor radiatorului diodei pe verticală poate reduce rezistența termică cu 15% în comparație cu instalarea orizontală.
Sinergia de răcire cu aer forțat: atunci când utilizați aer forțat pentru a disipa căldura, direcția aripioarelor radiatorului trebuie să fie în concordanță cu direcția fluxului de aer pentru a evita devierea fluxului de aer a radiatorului din amonte. De exemplu, în direcția de circulație a aerului, utilizarea eșalonată a radiatoarelor sau a aripioarelor eșalonate poate crește viteza vântului la suprafață a radiatoarelor din aval cu 20%.
4, Verificarea fiabilității: control complet al procesului de la simulare la testarea efectivă
Echipamentele medicale trebuie să treacă prin teste stricte de mediu (cum ar fi standardul IEC 60601-1), iar proiectarea termică a diodei trebuie verificată prin simulare și teste efective:

Analiza de simulare termică: utilizați software precum ANSYS Icepak sau Flotherm pentru a stabili un model termic tridimensional al PCB, pentru a simula temperatura joncțiunii diodei, distribuția temperaturii PCB și câmpul fluxului de aer. De exemplu, prin simularea și optimizarea aspectului PCB al unui dispozitiv implantat, temperatura joncțiunii diodei poate fi redusă de la 125 de grade la 105 de grade , îndeplinind cerințele de siguranță a implantului pe termen lung-.
Verificarea măsurării creșterii temperaturii: în testele de ciclism de temperatură și umiditate (cum ar fi -40 grade ~ 85 grade, 1000 de cicluri), utilizați o cameră termică cu infraroșu pentru a monitoriza temperatura suprafeței diodei, asigurându-vă că creșterea temperaturii este mai mică sau egală cu 10 grade (valoare tipică). De exemplu, un dispozitiv CGM a fost testat într-un mediu cu temperatură ridicată și umiditate ridicată, iar abaterea temperaturii suprafeței diodei de la rezultatele simulării a fost mai mică sau egală cu 2 grade, ceea ce a verificat acuratețea designului termic.
Testare de accelerare a fiabilității pe termen lung: evaluați fiabilitatea îmbinărilor de lipire a diodelor prin îmbătrânirea la temperatură înaltă-(cum ar fi 125 de grade, 1000 de ore) și testarea vibrațiilor (cum ar fi 10-2000 Hz, vibrații de 5 g). De exemplu, testarea vibrațiilor a fost efectuată pe diode BGA umplute cu adeziv Underfill, iar îmbinările de lipire nu au prezentat fisuri, îndeplinind cerința de viață de 10 ani a echipamentului medical.