Koja su načela toplinskog dizajna dioda u tiskanim pločama medicinskih uređaja?

1, Izbor materijala: Balansiranje niske toplinske otpornosti i visoke toplinske vodljivosti
Medicinski uređaji vrlo su osjetljivi na temperaturu, kao što su implantabilni uređaji koji moraju zadovoljiti kompatibilnost s ljudskim tkivom (standard ISO 10993) i dugo vremena stabilno raditi u temperaturnom okruženju od 37 stupnjeva. Odabir materijala za pakiranje dioda treba uzeti u obzir i toplinski otpor i električnu izvedbu:

Materijal s niskim padom napona: poželjne su Schottky diode (kao što je BAT62-02V), s padom napona (Vf) od samo 0,25V@10mA. U usporedbi s tradicionalnim silicijskim diodama (0,6V~0,7V), smanjuje potrošnju energije za više od 60%. U bežičnom prijenosnom modulu CGM uređaja, niski Vf može smanjiti gubitak vodljivosti RF prednjeg kruga i proširiti raspon jednog punjenja.
Pakiranje visoke toplinske vodljivosti: Za diode velike-napone (kao što su IGBT diode pakirane u TO-247), treba koristiti metalne podloge (kao što su aluminijske podloge) ili tehnologiju bakrenih blokova. Toplinska vodljivost aluminijske podloge doseže 2 W/m · K, što je 6 puta više od one FR-4 ploče (0,3 W/m · K), i može brzo provesti temperaturu spoja diode na površinu PCB-a.
Materijali otporni na visoke temperature: medicinsku opremu treba sterilizirati na visokim temperaturama (kao što je sterilizacija parom na 121 stupanj), a diodni materijali za pakiranje moraju ispunjavati zahtjeve otpornosti na temperaturu. Na primjer, industrijske Schottky diode (kao što je SS54) mogu izdržati temperaturni raspon od -55 stupnjeva do 150 stupnjeva, izbjegavajući pucanje lemljenih spojeva uzrokovano neusklađenim koeficijentima toplinske ekspanzije tijekom dezinfekcije.
2, Optimizacija izgleda: smanjite koncentraciju izvora topline i ometanje protoka zraka
PCB-ovi za medicinsku opremu obično su kompaktni u prostoru, a raspored dioda mora slijediti načelo "raspršivanja izvora topline i optimizacije zračnih kanala":

Distribuirani raspored izvora topline: Diode velike snage trebaju biti ravnomjerno raspoređene na tiskanoj ploči kako bi se izbjeglo koncentrirano postavljanje koje može uzrokovati lokalne vruće točke. Na primjer, u modulu napajanja prijenosnog ultrazvučnog dijagnostičkog uređaja, ispravljačke diode raspoređene su duž ruba PCB-a, koristeći prirodnu konvekciju za raspršivanje topline, što rezultira smanjenjem temperature spoja od 15 stupnjeva u usporedbi s centraliziranim rasporedom.
Izolacija uređaja osjetljivog na temperaturu: komponente osjetljive na temperaturu kao što su elektrolitski kondenzatori trebaju se držati podalje od izvora topline dioda. U uvjetima-hlađenja zrakom, razmak između njih trebao bi biti veći ili jednak 2,5 mm; u uvjetima prirodnog hlađenja, udaljenost bi trebala biti veća ili jednaka 4,0 mm. Ako je prostor ograničen, toplinsko zračenje može se izolirati pločom za toplinski štit (kao što je bakrena ploča debljine 0,5 mm).
Dizajn vođenja protoka zraka: Za opremu za prisilno hlađenje zrakom (kao što su monitori koji se koriste u operacijskim dvoranama), diode treba postaviti nizvodno od ulaza zraka ili uzvodno od izlaza zraka kako bi se osiguralo da protok zraka izravno pokriva izvor topline. Na primjer, postavljanje ispravljačkih dioda izravno iza rashladnog ventilatora može povećati površinsku brzinu vjetra za 30% i smanjiti toplinski otpor za 20%.
3, Poboljšanje disipacije topline: konstrukcija više{1}}razinski putova provođenja topline
PCB-ovi medicinske opreme zahtijevaju tro{0}}sustav rasipanja topline "Device PCB Heat Sink" za postizanje učinkovitog upravljanja toplinom:

Rasipanje topline na razini uređaja:
Dizajn jastučića za raspršivanje topline: TO-247 pakirane diode zahtijevaju veliko područje jastučića za raspršivanje topline (koji povezuju srednje pinove) koje treba dizajnirati na prednjoj strani PCB-a i veće područje bakrene folije za raspršivanje topline (kao što je 10 mm × 10 mm) koje treba dizajnirati na stražnjoj strani. Prednja i stražnja bakrena folija trebaju biti spojene kroz guste toplinski vodljive otvore (kao što je niz 10 × 10 s promjerom od 0,3 mm). Toplinski vodljive otvore potrebno je ispuniti vodljivim materijalima (kao što je srebrna pasta) i prekriti maskom za lemljenje kako bi se smanjio kontaktni toplinski otpor.
Vanjski hladnjak: Instalirajte rebrasti hladnjak (kao što je aluminijski hladnjak od 60 mm × 60 mm) na podlogu za raspršivanje topline na stražnjoj strani PCB-a i ispunite razmak kontaktne površine toplinski vodljivom silikonskom mašću (toplinska vodljivost 5 W/m · K) kako biste osigurali smanjenje temperature spoja za više od 30 stupnjeva u usporedbi s uvjetima kada nema hladnjaka.
Rasipanje topline na razini PCB-a:
Debela bakrena folija i višeslojna ploča: Koristite PCB s debljinom bakra većom od ili jednakom 2 oz (70 μ m), pa čak koristite debljinu bakra od 3 oz ili metalnu podlogu. Za scenarije ekstremno velike snage, bakreni blokovi (kao što su bakreni blokovi debljine 5 mm) mogu se ugraditi unutar tiskane ploče kako bi izravno kontaktirali diode za raspršivanje topline, postižući učinkovito provođenje topline od točke-do-točke.
Rasipanje topline kroz rupe i slijepe rupe: Dizajnirajte rasipanje topline kroz rupe (Via in Pad, VIPPO) oko diode, ispunite ih smolom ili vodljivim materijalima i pokrijte maskom za lemljenje kako biste povećali područje rasipanja topline. Na primjer, postavljanje kroz rupe na jastučićima LCCC uređaja može povećati toplinsku vodljivost za 50%.
Rasipanje topline na razini sustava:
Optimizacija prirodne konvekcije: Kada se koristi prirodna konvekcija za prijenos topline, smjer duljine rebara za disipaciju topline trebao bi biti okomit na tlo, koristeći uzlazni učinak vrućeg zraka za povećanje disipacije topline. Na primjer, okomita ugradnja rebara diodnog hladnjaka može smanjiti toplinski otpor za 15% u usporedbi s vodoravnom ugradnjom.
Sinergija hlađenja prisilnim zrakom: Kada koristite prisilni zrak za odvođenje topline, smjer rebara hladnjaka treba biti u skladu sa smjerom protoka zraka kako bi se izbjeglo skretanje protoka zraka uzvodno radijatora. Na primjer, u smjeru kruženja zraka, korištenje stepenasto postavljenih radijatora ili raspoređenih rebara može povećati površinsku brzinu vjetra radijatora nizvodno za 20%.
4, Provjera pouzdanosti: potpuna kontrola procesa od simulacije do stvarnog testiranja
Medicinska oprema treba proći stroga testiranja zaštite okoliša (kao što je standard IEC 60601-1), a toplinski dizajn diode mora se provjeriti simulacijom i stvarnim testiranjem:

Analiza toplinske simulacije: Koristite softver kao što je ANSYS Icepak ili Flotherm za uspostavljanje tro-dimenzionalnog toplinskog modela PCB-a, simulaciju temperature spoja dioda, distribucije temperature PCB-a i polja protoka zraka. Na primjer, simulacijom i optimiziranjem rasporeda PCB-a implantiranog uređaja, temperatura spoja diode može se smanjiti sa 125 stupnjeva na 105 stupnjeva, ispunjavajući dugoročne -sigurnosne zahtjeve implantata.
Provjera mjerenja porasta temperature: U cikličkim testovima temperature i vlažnosti (kao što su -40 stupnjeva ~85 stupnjeva, 1000 ciklusa), koristite infracrvenu termalnu kameru za praćenje površinske temperature diode, osiguravajući da porast temperature bude manji ili jednak 10 stupnjeva (tipična vrijednost). Na primjer, CGM uređaj testiran je u okruženju visoke temperature i visoke vlažnosti, a odstupanje temperature površine diode od rezultata simulacije bilo je manje ili jednako 2 stupnja, što je potvrdilo točnost toplinskog dizajna.
Dugotrajno ispitivanje pouzdanosti ubrzanjem: procijenite pouzdanost diodnih lemljenih spojeva kroz visoko-temperaturno starenje (kao što je 125 stupnjeva, 1000 sati) i ispitivanje vibracija (kao što je 10-2000 Hz, 5g vibracija). Na primjer, ispitivanje vibracija provedeno je na diodama u BGA paketu ispunjenim Underfill ljepilom, a lemljeni spojevi nisu pokazali pukotine, ispunjavajući zahtjeve za 10-godišnji vijek trajanja medicinske opreme.