Wat zijn de thermische ontwerpprincipes van diodes in printplaten voor medische apparaten?

1, materiaalkeuze: balanceren tussen lage thermische weerstand en hoge thermische geleidbaarheid
Medische apparaten zijn zeer gevoelig voor temperatuur, zoals implanteerbare apparaten die moeten voldoen aan de compatibiliteit met menselijk weefsel (ISO 10993-norm) en langdurig stabiel moeten werken in een temperatuuromgeving van 37 graden. Bij de selectie van diodeverpakkingsmaterialen moet rekening worden gehouden met zowel de thermische weerstand als de elektrische prestaties:

Materiaal met lage voorwaartse spanningsval: Schottky-diodes (zoals BAT62-02V) hebben de voorkeur, met een voorwaartse spanningsval (Vf) zo laag als 0,25V bij 10mA. Vergeleken met traditionele siliciumdiodes (0,6V~0,7V), vermindert dit het energieverbruik met meer dan 60%. In de draadloze transmissiemodule van CGM-apparaten kan een lage Vf het geleidingsverlies van het RF-front-endcircuit verminderen en het enkele laadbereik vergroten.
Verpakking met hoge thermische geleidbaarheid: voor diodes met hoog-vermogen (zoals IGBT-diodes verpakt in TO-247) moeten metalen substraten (zoals aluminiumsubstraten) of koperbloktechnologie worden gebruikt. De thermische geleidbaarheid van het aluminiumsubstraat bereikt 2W/m · K, wat 6 keer hoger is dan dat van FR-4-platen (0,3 W/m · K), en kan de junctietemperatuur van de diode snel naar het oppervlak van de PCB geleiden.
Materialen die bestand zijn tegen hoge temperaturen: medische apparatuur moet worden gesteriliseerd bij hoge temperaturen (zoals stoomsterilisatie van 121 graden) en diodeverpakkingsmaterialen moeten voldoen aan de vereisten voor temperatuurbestendigheid. Schottky-diodes van industriële kwaliteit (zoals SS54) zijn bijvoorbeeld bestand tegen een temperatuurbereik van -55 graden tot 150 graden, waardoor scheuren in de soldeerverbinding worden vermeden die worden veroorzaakt door niet-overeenkomende thermische uitzettingscoëfficiënten tijdens desinfectie.
2, Lay-outoptimalisatie: verminder de concentratie van warmtebronnen en luchtstroomobstructie
PCB's voor medische apparatuur zijn meestal compact in de ruimte en de diode-indeling moet het principe volgen van "het verspreiden van warmtebronnen en het optimaliseren van luchtkanalen":

Gedistribueerde lay-out van de warmtebron: Hoogvermogendiodes moeten gelijkmatig over de printplaat worden verdeeld om geconcentreerde plaatsing te voorkomen die lokale hotspots kan veroorzaken. In de voedingsmodule van een draagbaar ultrasoon diagnostisch apparaat zijn bijvoorbeeld gelijkrichterdiodes verdeeld langs de rand van de PCB, waarbij gebruik wordt gemaakt van natuurlijke convectie voor warmteafvoer, wat resulteert in een verlaging van de junctietemperatuur met 15 graden vergeleken met een gecentraliseerde lay-out.
Temperatuurgevoelige apparaatisolatie: Temperatuurgevoelige componenten zoals elektrolytische condensatoren moeten uit de buurt van diodewarmtebronnen worden gehouden. Onder lucht-gekoelde omstandigheden moet de afstand tussen de twee groter dan of gelijk aan 2,5 mm zijn; onder natuurlijke koelingsomstandigheden moet de afstand groter dan of gelijk aan 4,0 mm zijn. Als de ruimte beperkt is, kan thermische straling worden geïsoleerd door een hitteschildplaat (zoals een koperen plaat van 0,5 mm dik).
Ontwerp voor luchtstroomgeleiding: Voor apparatuur voor geforceerde luchtkoeling (zoals monitoren die in operatiekamers worden gebruikt) moeten diodes stroomafwaarts van de luchtinlaat of stroomopwaarts van de luchtuitlaat worden geplaatst om ervoor te zorgen dat de luchtstroom de warmtebron rechtstreeks bedekt. Het plaatsen van gelijkrichterdiodes direct achter de koelventilator kan de oppervlaktewindsnelheid bijvoorbeeld met 30% verhogen en de thermische weerstand met 20% verminderen.
3, Verbetering van de warmtedissipatie: aanleg van warmtegeleidingspaden met meerdere- niveaus
PCB's voor medische apparatuur vereisen een warmtedissipatiesysteem met drie- niveaus: "Device PCB Heat Sink" om een ​​efficiënt thermisch beheer te bereiken:

Warmteafvoer op apparaatniveau:
Ontwerp van warmtedissipatiepads: TO-247 verpakte diodes vereisen dat een groot oppervlak aan warmtedissipatiepads (die de middelste pinnen verbinden) aan de voorkant van de PCB worden ontworpen, en een groter oppervlak aan warmtedissipatiekoperfolie (zoals 10 mm x 10 mm) dat aan de achterkant moet worden ontworpen. De koperfolies aan de voor- en achterkant moeten worden verbonden via dichte thermisch geleidende via's (zoals een 10 x 10 array met een diameter van 0,3 mm). Thermisch geleidende via's moeten worden gevuld met geleidende materialen (zoals zilverpasta) en bedekt met een soldeermasker om de thermische contactweerstand te verminderen.
Extern koellichaam: Installeer een koellichaam met vinnen (zoals een aluminium koellichaam van 60 mm x 60 mm) op het warmteafvoerkussen aan de achterkant van de printplaat en vul de opening in het contactoppervlak met thermisch geleidend siliconenvet (thermische geleidbaarheid 5 W/m · K) om ervoor te zorgen dat de verbindingstemperatuur met meer dan 30 graden wordt verlaagd in vergelijking met wanneer er geen koellichaam is.
Warmteafvoer op PCB-niveau:
Dikke koperfolie en meerlagige plaat: gebruik PCB's met een koperdikte van meer dan of gelijk aan 2 oz (70 μm), en gebruik zelfs een koperdikte van 3 oz of een metalen substraat. Voor scenario's met extreem hoog vermogen kunnen koperen blokken (zoals koperen blokken van 5 mm dik) in de PCB worden ingebed om direct contact te maken met de warmtedissipatiepads van de diode, waardoor een efficiënte punt-naar- puntwarmtegeleiding wordt bereikt.
Warmteafvoer door gaten en blinde gaten: Ontwerp warmteafvoer door gaten (Via in Pad, VIPPO) rond de diode, vul ze met hars of geleidende materialen en bedek ze met een soldeermasker om het warmteafvoergebied te vergroten. Het plaatsen via gaten in LCCC-apparaatpads kan bijvoorbeeld de thermische geleidbaarheid met 50% verhogen.
Warmteafvoer op systeemniveau:
Optimalisatie van natuurlijke convectie: Bij gebruik van natuurlijke convectie voor warmteoverdracht moet de lengterichting van de warmteafvoervinnen loodrecht op de grond staan, waarbij gebruik wordt gemaakt van het stijgende effect van hete lucht om de warmteafvoer te verbeteren. Als u bijvoorbeeld de vinnen van het diodekoellichaam verticaal installeert, kunt u de thermische weerstand met 15% verminderen in vergelijking met horizontale installatie.
Synergie voor geforceerde luchtkoeling: Wanneer geforceerde lucht wordt gebruikt om warmte af te voeren, moet de richting van de radiatorvinnen consistent zijn met de richting van de luchtstroom om te voorkomen dat de luchtstroom stroomopwaarts door de radiator wordt afgeleid. In de richting van de luchtcirculatie kan het gebruik van een verspringende opstelling van radiatoren of verspringende vinnen bijvoorbeeld de oppervlaktewindsnelheid van stroomafwaartse radiatoren met 20% verhogen.
4, Betrouwbaarheidsverificatie: volledige procescontrole van simulatie tot daadwerkelijk testen
Medische apparatuur moet strenge milieutests ondergaan (zoals de IEC 60601-1-norm), en het thermische ontwerp van de diodes moet worden geverifieerd door middel van simulatie en daadwerkelijke tests:

Thermische simulatieanalyse: Gebruik software zoals ANSYS Icepak of Flotherm om een ​​drie-dimensionaal thermisch model van de PCB op te stellen, de diode-junctietemperatuur, de temperatuurverdeling van de PCB en het luchtstroomveld te simuleren. Door bijvoorbeeld de PCB-indeling van een geïmplanteerd apparaat te simuleren en te optimaliseren, kan de temperatuur van de diodeverbinding worden verlaagd van 125 graden naar 105 graden, waardoor wordt voldaan aan de -langetermijnveiligheidseisen voor implantaten.
Verificatie van temperatuurstijgingsmetingen: Gebruik bij temperatuur- en vochtigheidscyclustests (zoals -40 graden ~85 graden, 1000 cycli) een infrarood warmtebeeldcamera om de oppervlaktetemperatuur van de diode te controleren, waarbij u ervoor zorgt dat de temperatuurstijging kleiner is dan of gelijk is aan 10 graden (typische waarde). Een CGM-apparaat werd bijvoorbeeld getest in een omgeving met hoge temperaturen en hoge luchtvochtigheid, en de afwijking van de oppervlaktetemperatuur van de diode ten opzichte van de simulatieresultaten was kleiner dan of gelijk aan 2 graden, wat de nauwkeurigheid van het thermische ontwerp verifieerde.
Betrouwbaarheidsversnellingstests op lange termijn: Evalueer de betrouwbaarheid van diodesoldeerverbindingen door veroudering bij hoge- temperaturen (zoals 125 graden, 1000 uur) en trillingstests (zoals 10-2000 Hz, 5 g trillingen). Er zijn bijvoorbeeld trillingstests uitgevoerd op in BGA verpakte diodes gevuld met Underfill-lijm, en de soldeerverbindingen vertoonden geen scheuren, wat voldeed aan de levensduurvereiste van 10 jaar voor medische apparatuur.