Ποιες είναι οι αρχές θερμικού σχεδιασμού των διόδων σε PCB ιατρικών συσκευών;

1, Επιλογή υλικού: Εξισορρόπηση χαμηλής θερμικής αντίστασης και υψηλής θερμικής αγωγιμότητας
Οι ιατρικές συσκευές είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες στη θερμοκρασία, όπως οι εμφυτεύσιμες συσκευές που πρέπει να πληρούν τη συμβατότητα με ανθρώπινο ιστό (πρότυπο ISO 10993) και να λειτουργούν σταθερά σε περιβάλλον θερμοκρασίας 37 βαθμών για μεγάλο χρονικό διάστημα. Η επιλογή των υλικών συσκευασίας διόδων θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη τόσο τη θερμική αντίσταση όσο και την ηλεκτρική απόδοση:

Υλικό χαμηλής μπροστινής πτώσης τάσης: Προτιμώνται οι δίοδοι Schottky (όπως BAT62-02V), με πτώση τάσης προς τα εμπρός (Vf) έως 0,25V@10mA Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές διόδους πυριτίου (0,6V~0,7V), μειώνει την κατανάλωση ενέργειας περισσότερο από 60%. Στη μονάδα ασύρματης μετάδοσης των συσκευών CGM, το χαμηλό Vf μπορεί να μειώσει την απώλεια αγωγιμότητας του μπροστινού κυκλώματος RF και να επεκτείνει το εύρος μιας φόρτισης.
Συσκευασία υψηλής θερμικής αγωγιμότητας: Για διόδους υψηλής ισχύος (όπως δίοδοι IGBT συσκευασμένες σε TO-247), θα πρέπει να χρησιμοποιούνται μεταλλικά υποστρώματα (όπως υποστρώματα αλουμινίου) ή τεχνολογία χαλκού. Η θερμική αγωγιμότητα του υποστρώματος αλουμινίου φτάνει τα 2W/m · K, που είναι 6 φορές υψηλότερη από αυτή της πλακέτας FR-4 (0,3W/m · K) και μπορεί να μεταφέρει γρήγορα τη θερμοκρασία σύνδεσης της διόδου στην επιφάνεια του PCB.
Υλικά ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες: Ο ιατρικός εξοπλισμός πρέπει να αποστειρώνεται σε υψηλές θερμοκρασίες (όπως αποστείρωση με ατμό 121 μοιρών) και τα υλικά συσκευασίας διόδων πρέπει να πληρούν τις απαιτήσεις αντοχής στη θερμοκρασία. Για παράδειγμα, οι δίοδοι Schottky βιομηχανικής ποιότητας (όπως η SS54) μπορούν να αντέξουν ένα εύρος θερμοκρασίας από -55 βαθμούς έως 150 μοίρες, αποφεύγοντας το ράγισμα της άρθρωσης συγκόλλησης που προκαλείται από αταίριαστους συντελεστές θερμικής διαστολής κατά την απολύμανση.
2, Βελτιστοποίηση διάταξης: μείωση συγκέντρωσης πηγής θερμότητας και παρεμπόδιση ροής αέρα
Τα PCB ιατρικού εξοπλισμού είναι συνήθως συμπαγή στο χώρο και η διάταξη της διόδου πρέπει να ακολουθεί την αρχή της "διασποράς πηγών θερμότητας και βελτιστοποίησης των αεραγωγών":

Κατανεμημένη διάταξη της πηγής θερμότητας: Οι δίοδοι υψηλής ισχύος πρέπει να είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες στο PCB για να αποφευχθεί η συγκεντρωμένη τοποθέτηση που μπορεί να προκαλέσει τοπικά hotspot. Για παράδειγμα, στη μονάδα ισχύος μιας φορητής συσκευής διάγνωσης υπερήχων, οι διόδους ανορθωτή κατανέμονται κατά μήκος της άκρης του PCB, χρησιμοποιώντας φυσική μεταφορά θερμότητας για απαγωγή θερμότητας, με αποτέλεσμα τη μείωση της θερμοκρασίας της σύνδεσης κατά 15 βαθμούς σε σύγκριση με μια κεντρική διάταξη.
Απομόνωση συσκευής ευαίσθητης στη θερμοκρασία: Τα ευαίσθητα στη θερμοκρασία εξαρτήματα όπως οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές θα πρέπει να φυλάσσονται μακριά από πηγές θερμότητας διόδου. Σε συνθήκες αερόψυξης, η απόσταση μεταξύ των δύο πρέπει να είναι μεγαλύτερη ή ίση με 2,5 mm. υπό φυσικές συνθήκες ψύξης, η απόσταση πρέπει να είναι μεγαλύτερη ή ίση με 4,0 mm. Εάν ο χώρος είναι περιορισμένος, η θερμική ακτινοβολία μπορεί να απομονωθεί με μια πλάκα θερμικής ασπίδας (όπως μια πλάκα χαλκού πάχους 0,5 mm).
Σχεδιασμός καθοδήγησης ροής αέρα: Για εξοπλισμό εξαναγκασμένης ψύξης αέρα (όπως οθόνες που χρησιμοποιούνται σε χειρουργεία), οι δίοδοι πρέπει να τοποθετούνται κατάντη της εισόδου αέρα ή ανάντη της εξόδου αέρα για να διασφαλιστεί ότι η ροή αέρα καλύπτει απευθείας την πηγή θερμότητας. Για παράδειγμα, η τοποθέτηση διόδων ανορθωτή ακριβώς πίσω από τον ανεμιστήρα ψύξης μπορεί να αυξήσει την ταχύτητα του ανέμου στην επιφάνεια κατά 30% και να μειώσει τη θερμική αντίσταση κατά 20%.
3, Βελτίωση απαγωγής θερμότητας: κατασκευή μονοπατιών αγωγιμότητας θερμότητας πολλαπλών-επιπέδων
Τα PCB ιατρικού εξοπλισμού απαιτούν ένα-σύστημα απαγωγής θερμότητας τριών επιπέδων "Device PCB Heat Sink" για την επίτευξη αποτελεσματικής θερμικής διαχείρισης:

Διάχυση θερμότητας σε επίπεδο συσκευής:
Σχεδιασμός μαξιλαριών απαγωγής θερμότητας: Οι συσκευασμένες δίοδοι TO-247 απαιτούν να σχεδιαστεί μια μεγάλη περιοχή μαξιλαριών απαγωγής θερμότητας (που συνδέουν τις μεσαίες ακίδες) στο μπροστινό μέρος του PCB και μια μεγαλύτερη περιοχή φύλλου χαλκού απαγωγής θερμότητας (όπως 10 mm × 10 mm) να σχεδιαστεί στο πίσω μέρος. Το μπροστινό και το πίσω φύλλο χαλκού πρέπει να συνδέονται μέσω πυκνών θερμοαγώγιμων αγωγών (όπως μια διάταξη 10 × 10 με διάμετρο 0,3 mm). Τα θερμικά αγώγιμα στόμια πρέπει να γεμιστούν με αγώγιμα υλικά (όπως πάστα αργύρου) και να καλυφθούν με μάσκα συγκόλλησης για να μειωθεί η θερμική αντίσταση επαφής.
Εξωτερική ψύκτρα: Εγκαταστήστε μια ψύκτρα με πτερύγια (όπως μια ψύκτρα αλουμινίου 60 mm × 60 mm) στο μαξιλάρι απαγωγής θερμότητας στο πίσω μέρος της πλακέτας και γεμίστε το κενό της επιφάνειας επαφής με θερμικά αγώγιμο γράσο σιλικόνης (θερμική αγωγιμότητα 5 W/m · K) για να διασφαλίσετε ότι η θερμοκρασία της σύνδεσης δεν μειώνεται περισσότερο από 30 βαθμούς.
Διάχυση θερμότητας σε επίπεδο PCB:
Χοντρό φύλλο χαλκού και πολυστρωματική σανίδα: Χρησιμοποιήστε PCB με πάχος χαλκού μεγαλύτερο ή ίσο με 2 oz (70 μ m) και χρησιμοποιήστε ακόμη και 3 oz πάχος χαλκού ή μεταλλικό υπόστρωμα. Για σενάρια εξαιρετικά υψηλής ισχύος, μπλοκ χαλκού (όπως χάλκινα μπλοκ πάχους 5 mm) μπορούν να ενσωματωθούν μέσα στο PCB για άμεση επαφή με τα μαξιλαράκια απαγωγής θερμότητας της διόδου, επιτυγχάνοντας αποτελεσματική αγωγιμότητα θερμότητας από σημείο-σε-σημείο.
Διαρροή θερμότητας μέσω οπών και τυφλών οπών: Σχεδιάστε την απαγωγή θερμότητας μέσω οπών (Via in Pad, VIPPO) γύρω από τη δίοδο, γεμίστε τις με ρητίνη ή αγώγιμα υλικά και καλύψτε τις με μάσκα συγκόλλησης για να αυξήσετε την περιοχή απαγωγής θερμότητας. Για παράδειγμα, η εγκατάσταση μέσω οπών σε τακάκια συσκευών LCCC μπορεί να αυξήσει τη θερμική αγωγιμότητα κατά 50%.
Διάχυση θερμότητας σε επίπεδο συστήματος:
Βελτιστοποίηση φυσικής μεταφοράς: Κατά τη χρήση φυσικής μεταφοράς για μεταφορά θερμότητας, η κατεύθυνση μήκους των πτερυγίων απαγωγής θερμότητας πρέπει να είναι κάθετη στο έδαφος, χρησιμοποιώντας την επίδραση ανόδου του θερμού αέρα για την ενίσχυση της απαγωγής θερμότητας. Για παράδειγμα, η κάθετη τοποθέτηση των πτερυγίων της ψύκτρας της διόδου μπορεί να μειώσει τη θερμική αντίσταση κατά 15% σε σύγκριση με την οριζόντια εγκατάσταση.
Συνέργεια εξαναγκασμένης ψύξης αέρα: Όταν χρησιμοποιείται εξαναγκασμένος αέρας για τη διάχυση της θερμότητας, η κατεύθυνση των πτερυγίων του ψυγείου πρέπει να είναι συνεπής με την κατεύθυνση ροής αέρα για να αποφευχθεί η εκτροπή της ροής αέρα από το ψυγείο προς τα πάνω. Για παράδειγμα, προς την κατεύθυνση της κυκλοφορίας του αέρα, η χρήση κλιμακωτής διάταξης καλοριφέρ ή κλιμακωτών πτερυγίων μπορεί να αυξήσει την ταχύτητα του επιφανειακού ανέμου των κατάντη καλοριφέρ κατά 20%.
4, Επαλήθευση αξιοπιστίας: πλήρης έλεγχος της διαδικασίας από την προσομοίωση στην πραγματική δοκιμή
Ο ιατρικός εξοπλισμός πρέπει να περάσει αυστηρές περιβαλλοντικές δοκιμές (όπως το πρότυπο IEC 60601-1) και ο θερμικός σχεδιασμός της διόδου πρέπει να επαληθευτεί μέσω προσομοίωσης και πραγματικών δοκιμών:

Ανάλυση θερμικής προσομοίωσης: Χρησιμοποιήστε λογισμικό όπως το ANSYS Icepak ή το Flotherm για να δημιουργήσετε ένα τρισδιάστατο θερμικό μοντέλο του PCB, να προσομοιώσετε τη θερμοκρασία σύνδεσης της διόδου, την κατανομή θερμοκρασίας PCB και το πεδίο ροής αέρα. Για παράδειγμα, με την προσομοίωση και τη βελτιστοποίηση της διάταξης PCB μιας εμφυτευμένης συσκευής, η θερμοκρασία σύνδεσης διόδου μπορεί να μειωθεί από 125 μοίρες σε 105 μοίρες, ικανοποιώντας τις μακροπρόθεσμες απαιτήσεις ασφάλειας εμφυτεύματος.
Επαλήθευση μέτρησης αύξησης θερμοκρασίας: Σε δοκιμές κύκλου θερμοκρασίας και υγρασίας (όπως -40 βαθμοί ~85 μοίρες, 1000 κύκλοι), χρησιμοποιήστε μια υπέρυθρη θερμική εικόνα για να παρακολουθήσετε τη θερμοκρασία επιφάνειας της διόδου, διασφαλίζοντας ότι η άνοδος της θερμοκρασίας είναι Μικρότερη ή ίση με 10 μοίρες (τυπική τιμή). Για παράδειγμα, μια συσκευή CGM δοκιμάστηκε σε περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής υγρασίας και η απόκλιση της θερμοκρασίας της επιφάνειας της διόδου από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης ήταν μικρότερη ή ίση με 2 μοίρες, γεγονός που επαλήθευσε την ακρίβεια του θερμικού σχεδιασμού.
Δοκιμή επιτάχυνσης μακροπρόθεσμης αξιοπιστίας: Αξιολογήστε την αξιοπιστία των συνδέσμων συγκόλλησης διόδων μέσω γήρανσης υψηλής{{0} θερμοκρασίας (όπως 125 μοίρες, 1000 ώρες) και δοκιμών δόνησης (όπως 10-2000 Hz, δόνηση 5 g). Για παράδειγμα, η δοκιμή δόνησης διεξήχθη σε συσκευασμένες διόδους BGA γεμάτες με κόλλα Underfill και οι σύνδεσμοι συγκόλλησης δεν παρουσίασαν ρωγμές, ικανοποιώντας την απαίτηση διάρκειας ζωής 10 ετών του ιατρικού εξοπλισμού.