Jakie są zasady projektowania termicznego diod w płytkach PCB urządzeń medycznych?

1, Wybór materiału: Równoważenie niskiego oporu cieplnego i wysokiej przewodności cieplnej
Wyroby medyczne są bardzo wrażliwe na temperaturę, np. urządzenia wszczepialne, które muszą spełniać zgodność z tkankami ludzkimi (norma ISO 10993) i działać stabilnie w środowisku o temperaturze 37 stopni przez długi czas. Przy wyborze materiałów opakowaniowych na diody należy wziąć pod uwagę zarówno opór cieplny, jak i parametry elektryczne:

Materiał o niskim spadku napięcia w kierunku przewodzenia: preferowane są diody Schottky'ego (takie jak BAT62-02 V), których spadek napięcia w kierunku przewodzenia (Vf) wynosi zaledwie 0,25 V przy 10 mA. W porównaniu z tradycyjnymi diodami krzemowymi (0,6 V ~ 0,7 V) zmniejsza zużycie energii o ponad 60%. W module transmisji bezprzewodowej urządzeń CGM niska wartość Vf może zmniejszyć straty przewodzenia w obwodzie czołowym RF i wydłużyć zasięg pojedynczego ładowania.
Opakowanie o wysokiej przewodności cieplnej: w przypadku-diod dużej mocy (takich jak diody IGBT opakowane w TO-247) należy zastosować podłoża metalowe (takie jak podłoża aluminiowe) lub technologię bloków miedzianych. Przewodność cieplna podłoża aluminiowego sięga 2 W/m · K, czyli jest 6 razy wyższa niż w przypadku płyty FR-4 (0,3 W/m · K) i może szybko przewodzić temperaturę złącza diody do powierzchni PCB.
Materiały odporne na wysokie temperatury: sprzęt medyczny należy sterylizować w wysokich temperaturach (np. sterylizacja parowa w temperaturze 121 stopni), a materiały opakowaniowe z diodami muszą spełniać wymagania dotyczące odporności na temperaturę. Na przykład diody Schottky'ego klasy przemysłowej (takie jak SS54) mogą wytrzymać zakres temperatur od -55 stopni do 150 stopni, unikając pękania połączeń lutowniczych spowodowanych niedopasowanymi współczynnikami rozszerzalności cieplnej podczas dezynfekcji.
2, Optymalizacja układu: zmniejsz stężenie źródła ciepła i utrudnienie przepływu powietrza
Płytki PCB sprzętu medycznego mają zwykle zwartą przestrzeń, a układ diod musi być zgodny z zasadą „rozpraszania źródeł ciepła i optymalizacji kanałów powietrznych”:

Rozproszony układ źródła ciepła: Diody dużej mocy powinny być równomiernie rozmieszczone na płytce drukowanej, aby uniknąć skupionego rozmieszczenia, które może powodować lokalne gorące punkty. Na przykład w module zasilania przenośnego urządzenia do diagnostyki ultradźwiękowej diody prostownicze są rozmieszczone wzdłuż krawędzi płytki drukowanej, wykorzystując naturalną konwekcję do rozpraszania ciepła, co skutkuje obniżeniem temperatury złącza o 15 stopni w porównaniu z układem scentralizowanym.
Izolacja urządzenia wrażliwego na temperaturę: Elementy wrażliwe na temperaturę, takie jak kondensatory elektrolityczne, należy trzymać z dala od źródeł ciepła diod. W warunkach-chłodzenia powietrzem odległość między nimi powinna być większa lub równa 2,5 mm; w naturalnych warunkach chłodzenia odległość powinna być większa lub równa 4,0 mm. Jeśli przestrzeń jest ograniczona, promieniowanie cieplne można odizolować za pomocą płyty osłony termicznej (takiej jak płyta miedziana o grubości 0,5 mm).
Projekt kierowania przepływem powietrza: W przypadku sprzętu chłodzącego z wymuszonym obiegiem powietrza (takiego jak monitory używane na salach operacyjnych) diody należy umieścić za wlotem powietrza lub przed wylotem powietrza, aby zapewnić, że przepływ powietrza bezpośrednio pokrywa źródło ciepła. Na przykład umieszczenie diod prostowniczych bezpośrednio za wentylatorem chłodzącym może zwiększyć prędkość wiatru powierzchniowego o 30% i zmniejszyć opór cieplny o 20%.
3, Poprawa rozpraszania ciepła: budowa wielopoziomowych-ścieżek przewodzenia ciepła
Płytki PCB sprzętu medycznego wymagają-trzypoziomowego systemu rozpraszania ciepła „Radiatora PCB urządzenia”, aby zapewnić efektywne zarządzanie temperaturą:

Rozpraszanie ciepła na poziomie urządzenia:
Projekt podkładek rozpraszających ciepło: Diody w obudowie TO-247 wymagają zaprojektowania dużej powierzchni płytek rozpraszających ciepło (łączących środkowe styki) z przodu płytki PCB oraz zaprojektowania większej powierzchni folii miedzianej odprowadzającej ciepło (np. 10 mm × 10 mm) z tyłu. Przednią i tylną folię miedzianą należy połączyć gęstymi przelotkami przewodzącymi ciepło (np. układem 10 × 10 o średnicy 0,3 mm). Przelotki termoprzewodzące należy wypełnić materiałami przewodzącymi (takimi jak pasta srebrna) i przykryć maską lutowniczą, aby zmniejszyć opór cieplny styków.
Zewnętrzny radiator: Zainstaluj radiator żebrowany (taki jak radiator aluminiowy o wymiarach 60 mm × 60 mm) na podkładce rozpraszającej ciepło z tyłu płytki drukowanej i wypełnij szczelinę w powierzchni stykowej przewodzącym ciepło smarem silikonowym (przewodność cieplna 5 W/m·K), aby zapewnić obniżenie temperatury złącza o ponad 30 stopni w porównaniu do sytuacji, gdy nie ma radiatora.
Rozpraszanie ciepła na poziomie PCB:
Gruba folia miedziana i płytka wielowarstwowa: Użyj PCB o grubości miedzi większej lub równej 2 uncji (70 μm), a nawet użyj miedzi o grubości 3 uncji lub podłoża metalowego. W przypadku scenariuszy o wyjątkowo dużej mocy bloki miedziane (takie jak bloki miedziane o grubości 5 mm) można osadzić wewnątrz płytki drukowanej, aby bezpośrednio stykały się z podkładkami rozpraszającymi ciepło diody, uzyskując efektywne przewodzenie ciepła od punktu--.
Odprowadzanie ciepła przez otwory i ślepe otwory: Zaprojektuj odprowadzanie ciepła przez otwory (Via in Pad, VIPPO) wokół diody, wypełnij je żywicą lub materiałami przewodzącymi i przykryj maską lutowniczą, aby zwiększyć obszar rozpraszania ciepła. Na przykład ustawienie poprzez otwory w podkładkach urządzenia LCCC może zwiększyć przewodność cieplną o 50%.
Rozpraszanie ciepła na poziomie systemu:
Optymalizacja konwekcji naturalnej: W przypadku stosowania konwekcji naturalnej do przenoszenia ciepła, kierunek długości żeber rozpraszających ciepło powinien być prostopadły do ​​podłoża, wykorzystując efekt unoszącego się gorącego powietrza w celu zwiększenia rozpraszania ciepła. Przykładowo, montaż żeberek radiatora diody pionowo może zmniejszyć opór cieplny o 15% w porównaniu do montażu poziomego.
Synergia wymuszonego chłodzenia powietrzem: W przypadku stosowania wymuszonego powietrza do rozpraszania ciepła, kierunek żeberek chłodnicy powinien być zgodny z kierunkiem przepływu powietrza, aby uniknąć przekierowania przepływu powietrza w górę chłodnicy. Na przykład, w kierunku cyrkulacji powietrza, zastosowanie naprzemiennego ułożenia grzejników lub naprzemiennych żeberek może zwiększyć prędkość wiatru powierzchniowego dalszych grzejników o 20%.
4, Weryfikacja niezawodności: pełna kontrola procesu od symulacji do rzeczywistych testów
Sprzęt medyczny musi przejść rygorystyczne testy środowiskowe (takie jak norma IEC 60601-1), a konstrukcja termiczna diody musi zostać zweryfikowana poprzez symulację i rzeczywiste testy:

Analiza symulacji termicznej: użyj oprogramowania takiego jak ANSYS Icepak lub Flotherm, aby utworzyć-trójwymiarowy model termiczny płytki drukowanej, przeprowadzić symulację temperatury złącza diody, rozkładu temperatury płytki drukowanej i pola przepływu powietrza. Na przykład poprzez symulację i optymalizację układu PCB wszczepionego urządzenia, temperaturę złącza diody można obniżyć ze 125 stopni do 105 stopni, spełniając-długoterminowe wymogi bezpieczeństwa implantów.
Weryfikacja pomiaru wzrostu temperatury: W testach cyklicznych temperatur i wilgotności (takich jak -40 stopni ~ 85 stopni, 1000 cykli) użyj kamery termowizyjnej na podczerwień do monitorowania temperatury powierzchni diody, upewniając się, że wzrost temperatury jest mniejszy lub równy 10 stopni (typowa wartość). Na przykład urządzenie CGM zostało przetestowane w środowisku o wysokiej temperaturze i dużej wilgotności, a odchylenie temperatury powierzchni diody od wyników symulacji było mniejsze lub równe 2 stopnie, co zweryfikowało dokładność projektu termicznego.
Długoterminowe testy przyspieszania niezawodności: ocena niezawodności połączeń lutowanych diod poprzez-starzenie w wysokiej temperaturze (np. 125 stopni, 1000 godzin) i testy wibracyjne (np. 10–2000 Hz, wibracje 5 g). Na przykład przeprowadzono testy wibracyjne diod w obudowach BGA wypełnionych klejem Underfill i połączenia lutowane nie wykazały pęknięć, co spełniało wymagania dotyczące 10-letniego okresu użytkowania sprzętu medycznego.