Які принципи теплової конструкції діодів у друкованих платах медичного обладнання?

1, Вибір матеріалу: балансування низького теплового опору та високої теплопровідності
Медичні пристрої дуже чутливі до температури, наприклад пристрої для імплантації, які мають відповідати сумісності з людськими тканинами (стандарт ISO 10993) і стабільно працювати за температури 37 градусів протягом тривалого часу. Вибір матеріалів для упаковки діодів повинен враховувати як термічний опір, так і електричні характеристики:

Матеріал із низьким падінням прямої напруги: бажано використовувати діоди Шотткі (наприклад, BAT62-02V) із падінням прямої напруги (Vf) до 0,25 В при 10 мА. Порівняно з традиційними кремнієвими діодами (0,6 В ~ 0,7 В) це зменшує енергоспоживання більш ніж на 60%. У модулі бездротової передачі пристроїв CGM низький Vf може зменшити втрати провідності переднього радіочастотного контуру та розширити діапазон одного заряду.
Упаковка з високою теплопровідністю: для високо-потужних діодів (таких як IGBT-діоди, упаковані в TO-247), слід використовувати металеві підкладки (наприклад, алюмінієві підкладки) або технологію мідних блоків. Теплопровідність алюмінієвої підкладки досягає 2 Вт/м · К, що в 6 разів вище, ніж у плати FR-4 (0,3 Вт/м · К), і може швидко перенести температуру переходу діода на поверхню друкованої плати.
Матеріали, стійкі до високих температур: медичне обладнання необхідно стерилізувати при високих температурах (наприклад, стерилізація парою при 121 градусі), а діодні пакувальні матеріали мають відповідати вимогам щодо термостійкості. Наприклад, промислові діоди Шотткі (такі як SS54) можуть витримувати діапазон температур від -55 градусів до 150 градусів, уникаючи розтріскування паяних з’єднань, спричинене невідповідністю коефіцієнтів теплового розширення під час дезінфекції.
2, оптимізація компонування: зменшити концентрацію джерела тепла та перешкоду потоку повітря
Печатні плати медичного обладнання, як правило, компактні в просторі, а діодне розташування має відповідати принципу «розсіювання джерел тепла та оптимізації повітропроводів»:

Розподілене розташування джерела тепла: потужні діоди повинні бути рівномірно розподілені на друкованій платі, щоб уникнути концентрованого розміщення, яке може спричинити локальні гарячі точки. Наприклад, у силовому модулі портативного ультразвукового діагностичного пристрою випрямні діоди розподілені вздовж краю друкованої плати, використовуючи природну конвекцію для розсіювання тепла, що призводить до зниження температури переходу на 15 градусів порівняно з централізованим розташуванням.
Ізоляція чутливого до температури пристрою: чутливі до температури компоненти, такі як електролітичні конденсатори, слід тримати подалі від діодних джерел тепла. В умовах-повітряного охолодження відстань між двома має бути більшою або дорівнювати 2,5 мм; за умов природного охолодження відстань має бути більше або дорівнювати 4,0 мм. Якщо простір обмежений, теплове випромінювання можна ізолювати теплозахисною пластиною (наприклад, мідною пластиною товщиною 0,5 мм).
Конструкція спрямування повітряного потоку: для обладнання з примусовим повітряним охолодженням (наприклад, моніторів, що використовуються в операційних), діоди слід розміщувати нижче за впускний отвір повітря або перед вихідний отвір для повітря, щоб гарантувати, що потік повітря безпосередньо покриває джерело тепла. Наприклад, розміщення випрямних діодів безпосередньо за охолоджуючим вентилятором може збільшити швидкість вітру на 30% і зменшити термічний опір на 20%.
3, Покращення розсіювання тепла: побудова багаторівневих шляхів теплопровідності
Плати медичного обладнання вимагають три{0}}системи розсіювання тепла «Device PCB Heat Sink» для ефективного керування температурою:

Тепловіддача рівня пристрою:
Конструкція прокладок для розсіювання тепла: діоди в упаковці TO-247 вимагають великої площі прокладок для розсіювання тепла (що з’єднують середні штифти) на передній частині друкованої плати та більшої площі розсіювання тепла з мідної фольги (наприклад, 10 мм × 10 мм) на задній частині. Передню та задню мідні фольги слід з’єднати через щільні теплопровідні отвори (наприклад, масив 10 × 10 діаметром 0,3 мм). Теплопровідні отвори потрібно заповнювати струмопровідними матеріалами (наприклад, срібною пастою) і покривати паяльною маскою, щоб зменшити контактний термічний опір.
Зовнішній радіатор: встановіть ребристий радіатор (наприклад, алюмінієвий радіатор розміром 60 мм × 60 мм) на теплорозсіювальну прокладку на задній частині друкованої плати та заповніть проміжок контактної поверхні теплопровідним силіконовим мастилом (теплопровідність 5 Вт/м·К), щоб забезпечити зниження температури з’єднання більш ніж на 30 градусів порівняно з відсутністю радіатора.
Розсіювання тепла на рівні друкованої плати:
Товста мідна фольга та багатошарова плата: використовуйте друковану плату з товщиною міді, що перевищує або дорівнює 2 унціям (70 мкм), і навіть використовуйте мідь товщиною 3 унції або металеву підкладку. Для сценаріїв надзвичайно високої потужності мідні блоки (наприклад, мідні блоки товщиною 5 мм) можна вставити всередину друкованої плати для прямого контакту з діодними тепловідвідними майданчиками, досягаючи ефективного від -до-теплопровідності.
Розсіювання тепла через отвори та глухі отвори: спроектуйте розсіювання тепла через отвори (Via in Pad, VIPPO) навколо діода, заповніть їх смолою або провідними матеріалами та накрийте маскою для пайки, щоб збільшити площу розсіювання тепла. Наприклад, встановлення через отвори на майданчиках пристрою LCCC може збільшити теплопровідність на 50%.
Тепловіддача рівня системи:
Оптимізація природної конвекції: при використанні природної конвекції для передачі тепла напрямок довжини ребер розсіювання тепла має бути перпендикулярним до землі, використовуючи ефект підйому гарячого повітря для покращення розсіювання тепла. Наприклад, встановлення ребер діодного радіатора вертикально може зменшити тепловий опір на 15% порівняно з горизонтальним встановленням.
Синергія примусового повітряного охолодження: під час використання примусового повітря для розсіювання тепла напрямок ребер радіатора має відповідати напрямку повітряного потоку, щоб уникнути відхилення повітряного потоку від радіатора. Наприклад, у напрямку циркуляції повітря використання радіаторів у шаховому порядку або ребер у шаховому порядку може збільшити швидкість вітру на поверхні нижніх радіаторів на 20%.
4, Перевірка надійності: повний контроль процесу від моделювання до фактичного тестування
Медичне обладнання має пройти суворе випробування на навколишнє середовище (наприклад, стандарт IEC 60601-1), а тепловий дизайн діодів має бути перевірено шляхом моделювання та фактичних випробувань:

Аналіз термічного моделювання: використовуйте програмне забезпечення, таке як ANSYS Icepak або Flotherm, щоб створити три{0}}вимірну теплову модель друкованої плати, змоделювати температуру діодного переходу, розподіл температури друкованої плати та поле повітряного потоку. Наприклад, моделюючи та оптимізуючи компонування друкованої плати імплантованого пристрою, температуру діодного переходу можна знизити зі 125 градусів до 105 градусів, відповідаючи довгостроковим -вимогам щодо безпеки імплантату.
Перевірка вимірювання підвищення температури: під час циклічних випробувань температури та вологості (наприклад, від -40 градусів до 85 градусів, 1000 циклів) використовуйте інфрачервоний тепловізор для моніторингу температури поверхні діода, переконавшись, що підвищення температури менше або дорівнює 10 градусам (типове значення). Наприклад, пристрій CGM було випробувано в середовищі з високою температурою та високою вологістю, і відхилення температури поверхні діода від результатів моделювання було менше або дорівнює 2 градусам, що підтвердило точність теплової конструкції.
Довгострокове прискорене випробування надійності: оцініть надійність паяних з’єднань діодів за допомогою високо-температурного старіння (наприклад, 125 градусів, 1000 годин) і випробування на вібрацію (наприклад, 10–2000 Гц, вібрація 5g). Наприклад, випробування на вібрацію було проведено на діодах у корпусі BGA, заповнених клеєм Underfill, і паяні з’єднання не показали тріщин, що відповідає вимогам 10-річного терміну служби медичного обладнання.