Hvad er de termiske designprincipper for dioder i medicinsk udstyrs PCB'er?

1, Materialevalg: Balancering af lav termisk modstand og høj varmeledningsevne
Medicinsk udstyr er meget følsomt over for temperatur, såsom implanterbare enheder, der skal opfylde humant vævskompatibilitet (ISO 10993 standard) og fungere stabilt i et temperaturmiljø på 37 grader i lang tid. Udvælgelsen af ​​diodeemballagematerialer bør tage hensyn til både termisk modstand og elektrisk ydeevne:

Materiale med lavt fremadgående spændingsfald: Schottky-dioder (såsom BAT62-02V) foretrækkes, med et fremadgående spændingsfald (Vf) så lavt som 0,25V@10mA Sammenlignet med traditionelle siliciumdioder (0,6V~0,7V), reducerer det strømforbruget med mere end 60 %. I det trådløse transmissionsmodul i CGM-enheder kan lav Vf reducere ledningstabet af RF-front-end-kredsløbet og udvide enkeltopladningsområdet.
Emballage med høj termisk ledningsevne: Til høj-effektdioder (såsom IGBT-dioder pakket i TO-247), bør metalsubstrater (såsom aluminiumsubstrater) eller kobberblokteknologi anvendes. Den termiske ledningsevne af aluminiumssubstratet når 2W/m · K, hvilket er 6 gange højere end FR-4-kortets (0,3W/m · K), og kan hurtigt føre diodens overgangstemperatur til overfladen af ​​printkortet.
Højtemperaturbestandige materialer: Medicinsk udstyr skal steriliseres ved høje temperaturer (såsom 121 graders dampsterilisering), og diodeemballagematerialer skal opfylde kravene til temperaturmodstand. For eksempel kan Schottky-dioder af industriel kvalitet (såsom SS54) modstå et temperaturområde på -55 grader til 150 grader, hvilket undgår revner i loddeforbindelser forårsaget af uoverensstemmende termiske udvidelseskoefficienter under desinfektion.
2, Layoutoptimering: Reducer varmekildekoncentrationen og luftstrømmens obstruktion
Medicinsk udstyr PCB'er er normalt kompakte i rummet, og diodelayoutet skal følge princippet om "spredning af varmekilder og optimering af luftkanaler":

Distribueret layout af varmekilde: Højeffektdioder bør være jævnt fordelt på printkortet for at undgå koncentreret placering, der kan forårsage lokale hotspots. For eksempel, i strømmodulet i en bærbar ultralydsdiagnoseenhed, er ensretterdioder fordelt langs kanten af ​​printkortet, ved at bruge naturlig konvektion til varmeafledning, hvilket resulterer i en 15 graders reduktion i overgangstemperatur sammenlignet med et centraliseret layout.
Temperaturfølsom enhedsisolering: Temperaturfølsomme komponenter såsom elektrolytiske kondensatorer bør holdes væk fra diodevarmekilder. Under luft-afkølede forhold skal afstanden mellem de to være større end eller lig med 2,5 mm; under naturlige afkølingsforhold skal afstanden være større end eller lig med 4,0 mm. Hvis pladsen er begrænset, kan termisk stråling isoleres af en varmeskærmsplade (såsom en 0,5 mm tyk kobberplade).
Luftstrømsstyringsdesign: For udstyr til tvungen luftkøling (såsom monitorer, der bruges i operationsrum), bør dioder placeres nedstrøms for luftindtaget eller opstrøms for luftudløbet for at sikre, at luftstrømmen direkte dækker varmekilden. For eksempel kan en placering af ensretterdioder direkte bag køleventilatoren øge overfladevindhastigheden med 30 % og reducere den termiske modstand med 20 %.
3, Forbedring af varmeafledning: konstruktion af varmeledningsveje på flere-niveauer
Medicinsk udstyrs PCB'er kræver et tre-niveau varmeafledningssystem af "Device PCB Heat Sink" for at opnå effektiv termisk styring:

Varmeafledning på enhedsniveau:
Design af varmeafledningspuder: TO-247-pakkede dioder kræver, at et stort område af varmeafledningspuder (forbinder de midterste ben) skal designes på forsiden af ​​printkortet, og et større område af varmeaflednings-kobberfolie (såsom 10 mm × 10 mm) skal designes på bagsiden. De forreste og bageste kobberfolier skal forbindes gennem tætte varmeledende vias (såsom et 10 × 10-array med en diameter på 0,3 mm). Termisk ledende vias skal fyldes med ledende materialer (såsom sølvpasta) og dækkes med loddemaske for at reducere termisk kontaktmodstand.
Ekstern køleplade: Installer en køleplade med ribber (såsom en 60 mm × 60 mm aluminium køleplade) på varmeafledningspuden på bagsiden af ​​printkortet, og fyld kontaktfladespalten med termisk ledende silikonefedt (termisk ledningsevne 5W/m · K) for at sikre, at overgangstemperaturen ikke er reduceret med mere end 30 grader i forhold til 30 grader.
PCB niveau varmeafledning:
Tyk kobberfolie og flerlagsplade: Brug PCB med større end eller lig med 2oz (70 μm) kobbertykkelse, og brug endda 3oz kobbertykkelse eller metalsubstrat. Til scenarier med ekstrem høj effekt kan kobberblokke (såsom 5 mm tykke kobberblokke) indlejres inde i PCB'et for direkte at komme i kontakt med diodevarmeafledningspuderne, hvilket opnår effektiv punkt-til-punkt varmeledning.
Varmeafledning gennem huller og blinde huller: Design varmeafledning gennem huller (Via in Pad, VIPPO) omkring dioden, fyld dem med harpiks eller ledende materialer, og dæk dem med loddemaske for at øge varmeafledningsområdet. For eksempel kan opsætning af gennemhuller på LCCC-enhedspuder øge den termiske ledningsevne med 50 %.
Systemniveau varmeafledning:
Optimering af naturlig konvektion: Ved brug af naturlig konvektion til varmeoverførsel, bør længderetningen af ​​varmeafledningsfinnerne være vinkelret på jorden, idet den stigende effekt af varm luft udnyttes til at øge varmeafledningen. For eksempel kan lodret installation af diodekølepladens finner reducere termisk modstand med 15 % sammenlignet med vandret installation.
Synergi med tvungen luftkøling: Når der bruges tvungen luft til at sprede varme, skal retningen af ​​radiatorfinnerne være i overensstemmelse med luftstrømmens retning for at undgå opstrøms radiatorafledning af luftstrømmen. For eksempel, i retning af luftcirkulation, kan brug af forskudt arrangement af radiatorer eller forskudte finner øge overfladevindhastigheden af ​​nedstrøms radiatorer med 20%.
4, Pålidelighedsverifikation: fuld proceskontrol fra simulering til faktisk test
Medicinsk udstyr skal bestå strenge miljøtest (såsom IEC 60601-1-standarden), og termisk diodedesign skal verificeres gennem simulering og faktisk test:

Termisk simuleringsanalyse: Brug software såsom ANSYS Icepak eller Flotherm til at etablere en tre-dimensionel termisk model af PCB'en, simulere diodeforbindelsestemperaturen, PCB-temperaturfordelingen og luftstrømsfeltet. For eksempel, ved at simulere og optimere printkortets layout af en implanteret enhed, kan diodeforbindelsestemperaturen reduceres fra 125 grader til 105 grader, hvilket opfylder de langsigtede-implantatsikkerhedskrav.
Verifikation af temperaturstigningsmåling: I temperatur- og luftfugtighedscyklustests (såsom -40 grader ~85 grader , 1000 cyklusser), skal du bruge et infrarødt termisk billedkamera til at overvåge diodens overfladetemperatur og sikre, at temperaturstigningen er mindre end eller lig med 10 grader (typisk værdi). For eksempel blev en CGM-enhed testet i et miljø med høj temperatur og høj luftfugtighed, og afvigelsen af ​​diodeoverfladetemperaturen fra simuleringsresultaterne var mindre end eller lig med 2 grader, hvilket bekræftede nøjagtigheden af ​​det termiske design.
Langsigtet pålidelighedsaccelerationstest: Evaluer pålideligheden af ​​diodeloddeforbindelser gennem høj-temperaturældning (såsom 125 grader, 1000 timer) og vibrationstest (såsom 10-2000Hz, 5g vibration). For eksempel blev der udført vibrationstest på BGA-pakkede dioder fyldt med Underfill-klæber, og loddeforbindelserne viste ingen revner, hvilket opfyldte 10-års levetidskravet for medicinsk udstyr.