Kakšna so načela toplotne zasnove diod v PCB-jih medicinskih naprav?

1, Izbira materiala: uravnoteženje nizke toplotne odpornosti in visoke toplotne prevodnosti
Medicinske naprave so zelo občutljive na temperaturo, kot so naprave za vsaditev, ki morajo ustrezati kompatibilnosti s človeškimi tkivi (standard ISO 10993) in dolgo časa stabilno delovati v temperaturnem okolju 37 stopinj. Pri izbiri materiala za pakiranje diod je treba upoštevati tako toplotno odpornost kot električno zmogljivost:

Material z nizkim padcem napetosti naprej: zaželene so diode Schottky (kot je BAT62-02V), s padcem napetosti naprej (Vf) le 0,25 V@10mA. V primerjavi s tradicionalnimi silicijevimi diodami (0,6 V~0,7 V) zmanjša porabo energije za več kot 60 %. V brezžičnem prenosnem modulu naprav CGM lahko nizek Vf zmanjša izgubo prevodnosti v RF sprednjem vezju in razširi obseg enega polnjenja.
Embalaža z visoko toplotno prevodnostjo: za visoko{0}}zmogljive diode (kot so diode IGBT, pakirane v TO-247), je treba uporabiti kovinske podlage (kot so aluminijaste podlage) ali tehnologijo bakrenih blokov. Toplotna prevodnost aluminijaste podlage doseže 2 W/m · K, kar je 6-krat več kot pri plošči FR-4 (0,3 W/m · K), in lahko hitro prenese temperaturo spoja diode na površino tiskanega vezja.
Materiali, odporni na visoke temperature: medicinsko opremo je treba sterilizirati pri visokih temperaturah (kot je parna sterilizacija pri 121 stopinjah), embalažni materiali diod pa morajo izpolnjevati zahteve glede temperaturne odpornosti. Na primer, industrijske diode Schottky (kot je SS54) lahko prenesejo temperaturno območje od -55 stopinj do 150 stopinj, s čimer se izognejo pokanju spajkalnih spojev, ki ga povzročajo neusklajeni koeficienti toplotnega raztezanja med dezinfekcijo.
2, Optimizacija postavitve: zmanjšajte koncentracijo vira toplote in oviranje pretoka zraka
PCB medicinske opreme so običajno kompaktni v prostoru, postavitev diod pa mora slediti načelu "razpršitve virov toplote in optimizacije zračnih kanalov":

Porazdeljena postavitev vira toplote: Diode visoke moči morajo biti enakomerno porazdeljene po tiskanem vezju, da se izognete zgoščeni postavitvi, ki lahko povzroči lokalne vroče točke. Na primer, v napajalnem modulu prenosne ultrazvočne diagnostične naprave so usmerniške diode porazdeljene vzdolž roba tiskanega vezja, pri čemer uporabljajo naravno konvekcijo za odvajanje toplote, kar ima za posledico 15-stopinjsko znižanje temperature spoja v primerjavi s centralizirano postavitvijo.
Izolacija naprave, občutljive na temperaturo: Komponente, občutljive na temperaturo, kot so elektrolitski kondenzatorji, morajo biti ločene od virov toplote diod. V pogojih zračnega{1}}hlajenja mora biti razdalja med obema večja ali enaka 2,5 mm; v pogojih naravnega hlajenja mora biti razdalja večja ali enaka 4,0 mm. Če je prostor omejen, lahko toplotno sevanje izoliramo s ploščo za toplotni ščit (kot je bakrena plošča debeline 0,5 mm).
Zasnova vodenja pretoka zraka: Za opremo za prisilno hlajenje z zrakom (kot so monitorji, ki se uporabljajo v operacijskih sobah) je treba diode namestiti dolvodno od vstopne odprtine za zrak ali pred odprtino za izstop zraka, da zagotovite, da zračni tok neposredno pokriva vir toplote. Na primer, namestitev usmerniških diod neposredno za hladilni ventilator lahko poveča hitrost površinskega vetra za 30 % in zmanjša toplotni upor za 20 %.
3, Izboljšanje odvajanja toplote: izgradnja poti-prevoda toplote na več ravneh
PCB medicinske opreme zahtevajo tri{0}}nivojski sistem odvajanja toplote "Device PCB Heat Sink" za doseganje učinkovitega upravljanja toplote:

Odvajanje toplote na ravni naprave:
Zasnova blazinic za odvajanje toplote: zapakirane diode TO-247 zahtevajo, da je treba na sprednji strani tiskanega vezja oblikovati veliko površino blazinic za odvajanje toplote (ki povezujejo srednje zatiče), na hrbtni strani pa je treba oblikovati večjo površino bakrene folije za odvajanje toplote (kot je 10 mm × 10 mm). Sprednjo in zadnjo bakreno folijo je treba povezati z gostimi toplotno prevodnimi prehodi (kot je niz 10 × 10 s premerom 0,3 mm). Toplotno prevodne odprtine je treba napolniti s prevodnimi materiali (kot je srebrna pasta) in pokriti s spajkalno masko, da zmanjšate kontaktni toplotni upor.
Zunanje hladilno telo: Namestite hladilno telo z rebri (kot je aluminijasto hladilno telo 60 mm × 60 mm) na ploščo za odvajanje toplote na hrbtni strani tiskanega vezja in napolnite režo na kontaktni površini s toplotno prevodno silikonsko mastjo (toplotna prevodnost 5 W/m · K), da zagotovite, da se temperatura spoja zniža za več kot 30 stopinj v primerjavi s stanjem, ko ni hladilnega telesa.
Odvajanje toplote na ravni PCB:
Debela bakrena folija in večplastna plošča: Uporabite tiskano vezje z debelino bakra, ki je večja od ali enaka 2 oz (70 μ m), in uporabite celo debelino bakra 3 oz ali kovinsko podlago. Za scenarije z izjemno visoko močjo je mogoče bakrene bloke (na primer 5 mm debele bakrene bloke) vdelati v tiskano vezje, da neposredno pridejo v stik z diodami za odvajanje toplote, s čimer se doseže učinkovito prevajanje toplote od točke-do-točke.
Odvajanje toplote skozi luknje in slepe luknje: načrtujte odvajanje toplote skozi luknje (Via in Pad, VIPPO) okoli diode, napolnite jih s smolo ali prevodnimi materiali in jih pokrijte z masko za spajkanje, da povečate območje odvajanja toplote. Na primer, nastavitev prek lukenj na blazinicah naprave LCCC lahko poveča toplotno prevodnost za 50 %.
Odvajanje toplote na ravni sistema:
Optimizacija naravne konvekcije: pri uporabi naravne konvekcije za prenos toplote mora biti smer dolžine reber za odvajanje toplote pravokotna na tla, pri čemer se izkorišča učinek dviganja vročega zraka za izboljšanje odvajanja toplote. Na primer, navpična namestitev reber diodnega hladilnega telesa lahko zmanjša toplotni upor za 15 % v primerjavi z vodoravno namestitvijo.
Sinergija prisilnega hlajenja z zrakom: Pri uporabi prisilnega zraka za odvajanje toplote mora biti smer reber hladilnika skladna s smerjo zračnega toka, da se izognete preusmerjanju zračnega toka navzgor. Na primer, v smeri kroženja zraka lahko z zamaknjeno razporeditvijo radiatorjev ali zamaknjenimi rebri povečate površinsko hitrost vetra spodnjih radiatorjev za 20 %.
4, Preverjanje zanesljivosti: popoln nadzor procesa od simulacije do dejanskega testiranja
Medicinska oprema mora prestati stroge okoljske preskuse (kot je standard IEC 60601-1), toplotno zasnovo diode pa je treba preveriti s simulacijo in dejanskim testiranjem:

Analiza toplotne simulacije: uporabite programsko opremo, kot je ANSYS Icepak ali Flotherm, da vzpostavite tri{0}}dimenzionalni toplotni model tiskanega vezja, simulirate temperaturo spoja diod, porazdelitev temperature tiskanega vezja in polje zračnega toka. Na primer, s simulacijo in optimiziranjem postavitve tiskanega vezja implantirane naprave je mogoče temperaturo spoja diod znižati s 125 stopinj na 105 stopinj, kar izpolnjuje dolgoročne -zahteve glede varnosti implantatov.
Preverjanje merjenja dviga temperature: Pri cikličnih preskusih temperature in vlažnosti (kot je -40 stopinj ~85 stopinj, 1000 ciklov) uporabite infrardečo toplotno sliko za spremljanje površinske temperature diode in zagotovite, da je dvig temperature manjši ali enak 10 stopinj (tipična vrednost). Na primer, naprava CGM je bila preizkušena v okolju z visoko temperaturo in visoko vlažnostjo, odstopanje temperature površine diode od rezultatov simulacije pa je bilo manj kot ali enako 2 stopinjam, kar je potrdilo natančnost toplotne zasnove.
Preizkušanje pospeševanja dolgoročne zanesljivosti: Ocenite zanesljivost spajkanih spojev diod s staranjem pri visoki-temperaturi (kot je 125 stopinj, 1000 ur) in testiranjem vibracij (kot je 10–2000Hz, 5g vibracij). Na primer, testiranje vibracij je bilo opravljeno na diodah v paketu BGA, napolnjenih z lepilom Underfill, in spajkalni spoji niso pokazali razpok, kar je izpolnilo zahtevo za 10-letno življenjsko dobo medicinske opreme.