Quins són els principis de disseny tèrmic dels díodes als PCB de dispositius mèdics?

1, Selecció de material: equilibri de baixa resistència tèrmica i alta conductivitat tèrmica
Els dispositius mèdics són molt sensibles a la temperatura, com els dispositius implantables que han de complir la compatibilitat dels teixits humans (estàndard ISO 10993) i funcionen de manera estable en un entorn de temperatura de 37 graus durant molt de temps. La selecció dels materials d'embalatge de díodes ha de tenir en compte tant la resistència tèrmica com el rendiment elèctric:

Material de baixa caiguda de tensió directa: es prefereixen els díodes Schottky (com ara BAT62-02V), amb una caiguda de tensió directa (Vf) tan baixa com 0,25 V @ 10 mA En comparació amb els díodes de silici tradicionals (0,6 V ~ 0,7 V), redueix el consum d'energia en més d'un 60%. Al mòdul de transmissió sense fil dels dispositius CGM, la baixa Vf pot reduir la pèrdua de conducció del circuit frontal de RF i ampliar el rang de càrrega única.
Embalatge d'alta conductivitat tèrmica: per als díodes d'alta-potència (com els díodes IGBT empaquetats a TO-247), s'han d'utilitzar substrats metàl·lics (com els substrats d'alumini) o la tecnologia de blocs de coure. La conductivitat tèrmica del substrat d'alumini arriba a 2 W/m · K, que és 6 vegades superior a la del tauler FR-4 (0,3 W/m · K), i pot conduir ràpidament la temperatura d'unió del díode a la superfície del PCB.
Materials resistents a altes temperatures: els equips mèdics s'han d'esterilitzar a altes temperatures (com ara l'esterilització de vapor de 121 graus) i els materials d'embalatge de díodes han de complir els requisits de resistència a la temperatura. Per exemple, els díodes Schottky de grau industrial (com ara SS54) poden suportar un rang de temperatures de -55 graus a 150 graus, evitant l'esquerda de la junta de soldadura causada per coeficients d'expansió tèrmica no coincidents durant la desinfecció.
2, Optimització de la disposició: redueix la concentració de la font de calor i l'obstrucció del flux d'aire
Els PCB d'equips mèdics solen ser compactes a l'espai i la disposició dels díodes ha de seguir el principi de "dispersió de fonts de calor i optimització dels conductes d'aire":

Disposició distribuïda de la font de calor: els díodes d'alta potència s'han de distribuir uniformement a la PCB per evitar la col·locació concentrada que pugui provocar punts calents locals. Per exemple, al mòdul d'alimentació d'un dispositiu de diagnòstic d'ultrasons portàtil, els díodes rectificadors es distribueixen al llarg de la vora del PCB, utilitzant la convecció natural per a la dissipació de calor, donant lloc a una reducció de 15 graus en la temperatura de la unió en comparació amb un disseny centralitzat.
Aïllament del dispositiu sensible a la temperatura: els components sensibles a la temperatura, com els condensadors electrolítics, s'han de mantenir allunyats de fonts de calor de díodes. En condicions de refrigeració-aire, la distància entre ambdós hauria de ser superior o igual a 2,5 mm; en condicions de refrigeració natural, la distància hauria de ser superior o igual a 4,0 mm. Si l'espai és limitat, la radiació tèrmica es pot aïllar mitjançant una placa d'escut tèrmic (com una placa de coure de 0,5 mm de gruix).
Disseny d'orientació del flux d'aire: per a equips de refrigeració d'aire forçat (com ara monitors utilitzats en quiròfans), els díodes s'han de col·locar aigües avall de l'entrada d'aire o aigües amunt de la sortida d'aire per assegurar-se que el flux d'aire cobreix directament la font de calor. Per exemple, col·locar díodes rectificadors directament darrere del ventilador de refrigeració pot augmentar la velocitat del vent a la superfície en un 30% i reduir la resistència tèrmica en un 20%.
3, Millora de la dissipació de calor: construcció de camins de conducció de calor multi-nivell
Els PCB d'equips mèdics requereixen un sistema de dissipació de calor de tres -nivells de "Dissipador de calor de PCB del dispositiu" per aconseguir una gestió tèrmica eficient:

Dissipació de calor a nivell del dispositiu:
Disseny de coixinets de dissipació de calor: els díodes empaquetats TO-247 requereixen que es dissenyi una gran àrea de coixinets de dissipació de calor (que connecten els pins del mig) a la part frontal del PCB i una àrea més gran de làmina de coure de dissipació de calor (com ara 10 mm × 10 mm) a la part posterior. Les làmines de coure davantera i posterior s'han de connectar a través de vies conductores tèrmiques denses (com ara una matriu de 10 × 10 amb un diàmetre de 0,3 mm). Les vies conductores tèrmiques s'han d'omplir de materials conductors (com ara pasta de plata) i cobertes amb màscara de soldadura per reduir la resistència tèrmica de contacte.
Disipador de calor extern: instal·leu un dissipador de calor amb aletes (com un dissipador de calor d'alumini de 60 mm × 60 mm) al coixinet de dissipació de calor a la part posterior del PCB i ompliu el buit de la superfície de contacte amb greix de silicona tèrmica (conductivitat tèrmica 5 W/m · K) per assegurar-vos que la temperatura de la unió es redueixi en més de 30 graus en comparació amb el dissipador de calor.
Dissipació de calor a nivell de PCB:
Làmina de coure gruixuda i tauler multicapa: utilitzeu PCB amb un gruix de coure superior o igual a 2 oz (70 μ m) i fins i tot utilitzeu un gruix de coure de 3 oz o un substrat metàl·lic. Per a escenaris de potència extremadament alta, els blocs de coure (com els blocs de coure de 5 mm de gruix) es poden incrustar dins de la PCB per contactar directament amb els coixinets de dissipació de calor del díode, aconseguint una conducció de calor eficient punt-a-.
Dissipació de calor a través de forats i forats cecs: dissenyeu la dissipació de calor a través dels forats (Via in Pad, VIPPO) al voltant del díode, ompliu-los amb resina o materials conductors i cobriu-los amb màscara de soldadura per augmentar l'àrea de dissipació de calor. Per exemple, la configuració mitjançant forats als coixinets del dispositiu LCCC pot augmentar la conductivitat tèrmica en un 50%.
Dissipació de calor a nivell del sistema:
Optimització de la convecció natural: quan s'utilitza la convecció natural per a la transferència de calor, la direcció de la longitud de les aletes de dissipació de calor ha de ser perpendicular al terra, utilitzant l'efecte ascendent de l'aire calent per millorar la dissipació de la calor. Per exemple, la instal·lació vertical de les aletes del dissipador de calor del díode pot reduir la resistència tèrmica en un 15% en comparació amb la instal·lació horitzontal.
Sinèrgia de refrigeració d'aire forçat: quan s'utilitza aire forçat per dissipar la calor, la direcció de les aletes del radiador ha de ser coherent amb la direcció del flux d'aire per evitar el desviament del flux d'aire del radiador aigües amunt. Per exemple, en la direcció de la circulació de l'aire, l'ús de la disposició esglaonada dels radiadors o les aletes esglaonades pot augmentar la velocitat del vent superficial dels radiadors aigües avall en un 20%.
4, Verificació de la fiabilitat: control complet del procés des de la simulació fins a les proves reals
L'equip mèdic ha de passar proves ambientals estrictes (com l'estàndard IEC 60601-1) i el disseny tèrmic del díode s'ha de verificar mitjançant simulacions i proves reals:

Anàlisi de simulació tèrmica: utilitzeu programari com ANSYS Icepak o Flotherm per establir un model tèrmic tridimensional de la PCB, simular la temperatura de la unió del díode, la distribució de la temperatura de la PCB i el camp del flux d'aire. Per exemple, simulant i optimitzant la disposició de la PCB d'un dispositiu implantat, la temperatura de la unió del díode es pot reduir de 125 graus a 105 graus, complint els requisits de seguretat de l'implant a llarg termini-.
Verificació de la mesura de l'augment de la temperatura: a les proves de cicle de temperatura i humitat (com ara -40 graus ~ 85 graus, 1000 cicles), utilitzeu una imatge tèrmica d'infrarojos per controlar la temperatura superficial del díode, assegurant-vos que l'augment de temperatura sigui inferior o igual a 10 graus (valor típic). Per exemple, es va provar un dispositiu CGM en un entorn d'alta temperatura i humitat elevada, i la desviació de la temperatura de la superfície del díode dels resultats de la simulació va ser inferior o igual a 2 graus, cosa que va verificar la precisió del disseny tèrmic.
Proves d'acceleració de fiabilitat a llarg termini: avalueu la fiabilitat de les juntes de soldadura de díodes mitjançant un envelliment a alta -temperatura (com ara 125 graus, 1000 hores) i proves de vibració (com ara 10-2000 Hz, vibració de 5 g). Per exemple, les proves de vibració es van dur a terme en díodes envasats BGA plens d'adhesiu Underfill i les juntes de soldadura no van mostrar cap esquerda, complint amb el requisit de vida útil de 10 anys dels equips mèdics.