Koji su principi termičkog dizajna dioda u štampanim pločama za medicinske uređaje?

1, Izbor materijala: Balansiranje niske toplotne otpornosti i visoke toplotne provodljivosti
Medicinski uređaji su visoko osjetljivi na temperaturu, kao što su implantabilni uređaji koji moraju zadovoljiti kompatibilnost ljudskog tkiva (ISO 10993 standard) i stabilno raditi u temperaturnom okruženju od 37 stepeni dugo vremena. Odabir materijala za pakiranje dioda treba uzeti u obzir i toplinsku otpornost i električne performanse:

Materijal za mali pad napona: poželjne su Schottky diode (kao što je BAT62-02V), sa padom napona naprijed (Vf) od samo 0,25V@10mA U poređenju sa tradicionalnim silikonskim diodama (0,6V~0,7V), smanjuje potrošnju energije za više od 60%. U modulu bežičnog prijenosa CGM uređaja, nizak Vf može smanjiti gubitak provodljivosti RF prednjeg kruga i proširiti raspon jednog punjenja.
Pakovanje visoke toplotne provodljivosti: Za diode velike- snage (kao što su IGBT diode upakovane u TO-247), treba koristiti metalne podloge (kao što su aluminijumske podloge) ili tehnologiju bakarnih blokova. Toplotna provodljivost aluminijumske podloge dostiže 2W/m·K, što je 6 puta više od FR-4 ploče (0,3W/m·K), i može brzo da odvede temperaturu spoja diode na površinu PCB-a.
Materijali otporni na visoke temperature: Medicinska oprema mora biti sterilizirana na visokim temperaturama (kao što je sterilizacija parom od 121 stepen), a diodni materijali za pakovanje moraju ispunjavati zahtjeve otpornosti na temperaturu. Na primjer, Schottky diode industrijske klase (kao što je SS54) mogu izdržati temperaturni raspon od -55 stupnjeva do 150 stupnjeva, izbjegavajući pucanje lemnih spojeva uzrokovano neusklađenim koeficijentima toplinskog širenja tokom dezinfekcije.
2, Optimizacija rasporeda: smanjiti koncentraciju izvora topline i opstrukciju protoka zraka
PCB-i za medicinsku opremu obično su kompaktni u prostoru, a raspored dioda mora slijediti princip "disperzije izvora topline i optimizacije zračnih kanala":

Distribuirani raspored izvora topline: Diode velike snage trebaju biti ravnomjerno raspoređene na PCB-u kako bi se izbjeglo koncentrisano postavljanje koje može uzrokovati lokalne žarišne tačke. Na primjer, u modulu napajanja prijenosnog ultrazvučnog dijagnostičkog uređaja, ispravljačke diode su raspoređene duž ruba PCB-a, koristeći prirodnu konvekciju za odvođenje topline, što rezultira smanjenjem temperature spoja za 15 stupnjeva u odnosu na centralizirani raspored.
Izolacija uređaja osjetljivog na temperaturu: Komponente osjetljive na temperaturu, kao što su elektrolitski kondenzatori, treba držati dalje od izvora topline diode. U uslovima hlađenja vazduhom{1}}razmak između njih treba da bude veći ili jednak 2,5 mm; u uslovima prirodnog hlađenja, razmak bi trebao biti veći ili jednak 4,0 mm. Ako je prostor ograničen, toplotno zračenje se može izolovati toplotnom zaštitom (kao što je bakarna ploča debljine 0,5 mm).
Dizajn usmjeravanja protoka zraka: Za opremu za prisilno hlađenje zraka (kao što su monitori koji se koriste u operacionim salama), diode treba postaviti nizvodno od ulaza zraka ili uzvodno od izlaza zraka kako bi se osiguralo da strujanje zraka direktno pokriva izvor topline. Na primjer, postavljanje ispravljačkih dioda direktno iza rashladnog ventilatora može povećati brzinu površinskog vjetra za 30% i smanjiti toplinski otpor za 20%.
3, poboljšanje disipacije topline: izgradnja više-puteva za provođenje topline
PCB-i za medicinsku opremu zahtijevaju tro-sistem za disipaciju topline "Heat Sink uređaja" za postizanje efikasnog upravljanja toplinom:

Rasipanje topline na nivou uređaja:
Dizajn jastučića za rasipanje topline: diode u paketu TO-247 zahtijevaju da se na prednjoj strani PCB-a dizajnira velika površina jastučića za rasipanje topline (koji povezuju srednje pinove), a na poleđini treba dizajnirati veću površinu bakrene folije za rasipanje topline (kao što je 10 mm × 10 mm). Prednju i stražnju bakrenu foliju treba povezati kroz guste toplotno provodljive prolaze (kao što je niz 10 × 10 prečnika 0,3 mm). Toplotno vodljivi spojevi moraju biti ispunjeni provodljivim materijalima (kao što je srebrna pasta) i prekriveni maskom za lemljenje kako bi se smanjio toplinski otpor kontakta.
Vanjski hladnjak: Instalirajte rebrasti hladnjak (kao što je aluminijski hladnjak 60 mm × 60 mm) na jastučić za rasipanje topline na poleđini PCB-a i popunite prostor kontaktne površine toplotno provodljivom silikonskom mašću (toplotna provodljivost 5W/m · K) kako biste osigurali da se temperatura spoja ne smanji za više od 30 stupnjeva.
PCB nivo rasipanje toplote:
Debela bakarna folija i višeslojna ploča: Koristite PCB debljine bakra veće od ili jednake 2 oz (70 μm), pa čak koristite i 3 oz debljine bakra ili metalnu podlogu. Za scenarije izuzetno velike snage, bakreni blokovi (kao što su bakreni blokovi debljine 5 mm) mogu se ugraditi unutar PCB-a kako bi direktno kontaktirali diodne jastučiće za rasipanje topline, postižući efikasnu provodljivost topline od tačke{5}}do-tačke.
Rasipanje topline kroz rupe i slijepe rupe: Dizajnirajte rasipanje topline kroz rupe (Via in Pad, VIPPO) oko diode, napunite ih smolom ili provodljivim materijalima i pokrijte ih maskom za lemljenje kako biste povećali površinu odvođenja topline. Na primjer, postavljanje preko rupa na podlogama LCCC uređaja može povećati toplinsku provodljivost za 50%.
Rasipanje toplote na nivou sistema:
Optimizacija prirodne konvekcije: Kada se koristi prirodna konvekcija za prijenos topline, smjer dužine lamela za rasipanje topline treba biti okomit na tlo, koristeći efekat porasta vrućeg zraka kako bi se poboljšalo rasipanje topline. Na primjer, vertikalno postavljanje peraja diodnog hladnjaka može smanjiti toplinski otpor za 15% u usporedbi s horizontalnom instalacijom.
Sinergija prinudnog hlađenja zraka: Kada se koristi prisilni zrak za odvođenje topline, smjer rebara hladnjaka treba biti u skladu sa smjerom strujanja zraka kako bi se izbjeglo preusmjeravanje strujanja zraka uzvodno od radijatora. Na primjer, u smjeru cirkulacije zraka, korištenjem raspoređenih radijatora ili raspoređenih peraja može se povećati brzina površinskog vjetra nizvodnih radijatora za 20%.
4, provjera pouzdanosti: potpuna kontrola procesa od simulacije do stvarnog testiranja
Medicinska oprema mora proći striktno ispitivanje okoliša (kao što je standard IEC 60601-1), a termički dizajn diode treba provjeriti kroz simulaciju i stvarno testiranje:

Analiza termičke simulacije: Koristite softver kao što je ANSYS Icepak ili Flotherm da uspostavite trodimenzionalni termalni model PCB-a, simulirate temperaturu diodnog spoja, raspodjelu temperature PCB-a i polje strujanja zraka. Na primjer, simulacijom i optimizacijom rasporeda PCB implantiranog uređaja, temperatura diodnog spoja može se smanjiti sa 125 stepeni na 105 stepeni, ispunjavajući dugoročne-zahtjeve o sigurnosti implantata.
Provera merenja porasta temperature: U ciklusnim testovima temperature i vlažnosti (kao što su -40 stepeni ~85 stepeni, 1000 ciklusa), koristite infracrveni termovizir za praćenje površinske temperature diode, osiguravajući da je porast temperature manji ili jednak 10 stepeni (tipična vrednost). Na primjer, CGM uređaj je testiran u okruženju visoke temperature i visoke vlažnosti, a odstupanje temperature površine diode od rezultata simulacije bilo je manje od ili jednako 2 stepena, što je potvrdilo tačnost termičkog dizajna.
Dugoročno ispitivanje ubrzanja pouzdanosti: Procijenite pouzdanost diodnih lemnih spojeva kroz starenje na visokim-temperaturama (kao što je 125 stepeni, 1000 sati) i testiranje vibracijama (kao što je 10-2000Hz, 5g vibracija). Na primjer, ispitivanje vibracija je provedeno na diodama upakovanim BGA punjenim Underfill adhezivom, a spojevi za lemljenje nisu pokazali pukotine, što je ispunjavalo zahtjev za 10-godišnji vijek trajanja medicinske opreme.