Quali sono i principi di progettazione termica dei diodi nei PCB dei dispositivi medici?

1, selezione del materiale: bilanciamento della bassa resistenza termica e dell'elevata conduttività termica
I dispositivi medici sono altamente sensibili alla temperatura, come i dispositivi impiantabili che devono soddisfare la compatibilità con i tessuti umani (standard ISO 10993) e funzionare stabilmente in un ambiente con temperatura di 37 gradi per lungo tempo. La scelta dei materiali per l'imballaggio dei diodi dovrebbe tenere conto sia della resistenza termica che delle prestazioni elettriche:

Materiale a bassa caduta di tensione diretta: sono preferiti i diodi Schottky (come BAT62-02V), con una caduta di tensione diretta (Vf) di soli 0,25 V a 10 mA. Rispetto ai tradizionali diodi al silicio (0,6 V~0,7 V), riduce il consumo energetico di oltre il 60%. Nel modulo di trasmissione wireless dei dispositivi CGM, una Vf bassa può ridurre la perdita di conduzione del circuito front-end RF ed estendere il raggio di carica singola.
Packaging ad alta conduttività termica: per i diodi ad alta-potenza (come i diodi IGBT confezionati in TO-247), è necessario utilizzare substrati metallici (come substrati di alluminio) o la tecnologia a blocchi di rame. La conduttività termica del substrato di alluminio raggiunge 2 W/m · K, ovvero 6 volte superiore a quella della scheda FR-4 (0,3 W/m · K), e può condurre rapidamente la temperatura di giunzione del diodo alla superficie del PCB.
Materiali resistenti alle alte temperature: le apparecchiature mediche devono essere sterilizzate ad alte temperature (come la sterilizzazione a vapore a 121 gradi) e i materiali di imballaggio dei diodi devono soddisfare i requisiti di resistenza alla temperatura. Ad esempio, i diodi Schottky di livello industriale (come SS54) possono resistere a un intervallo di temperature compreso tra -55 e 150 gradi, evitando la rottura dei giunti di saldatura causata da coefficienti di dilatazione termica non corrispondenti durante la disinfezione.
2, ottimizzazione del layout: ridurre la concentrazione della fonte di calore e l'ostruzione del flusso d'aria
I PCB delle apparecchiature mediche sono generalmente compatti nello spazio e la disposizione dei diodi deve seguire il principio di "dispersione delle fonti di calore e ottimizzazione dei condotti dell'aria":

Disposizione distribuita della fonte di calore: i diodi ad alta potenza devono essere distribuiti uniformemente sul PCB per evitare un posizionamento concentrato che potrebbe causare punti caldi locali. Ad esempio, nel modulo di potenza di un dispositivo diagnostico a ultrasuoni portatile, i diodi raddrizzatori sono distribuiti lungo il bordo del PCB, utilizzando la convezione naturale per la dissipazione del calore, con una conseguente riduzione di 15 gradi della temperatura di giunzione rispetto a un layout centralizzato.
Isolamento del dispositivo sensibile alla temperatura: i componenti sensibili alla temperatura come i condensatori elettrolitici devono essere tenuti lontani dalle fonti di calore del diodo. In condizioni di raffreddamento ad aria-, la distanza tra i due deve essere maggiore o uguale a 2,5 mm; in condizioni di raffreddamento naturale, la distanza dovrebbe essere maggiore o uguale a 4,0 mm. Se lo spazio è limitato, la radiazione termica può essere isolata mediante una piastra di scudo termico (ad esempio una piastra di rame spessa 0,5 mm).
Progettazione della guida del flusso d'aria: per le apparecchiature di raffreddamento ad aria forzata (come i monitor utilizzati nelle sale operatorie), i diodi devono essere posizionati a valle dell'ingresso dell'aria o a monte dell'uscita dell'aria per garantire che il flusso d'aria copra direttamente la fonte di calore. Ad esempio, posizionando i diodi raddrizzatori direttamente dietro la ventola di raffreddamento è possibile aumentare la velocità del vento superficiale del 30% e ridurre la resistenza termica del 20%.
3, Miglioramento della dissipazione del calore: costruzione di percorsi di conduzione del calore multi-livello
I PCB delle apparecchiature mediche richiedono un sistema di dissipazione del calore a tre- livelli di "dissipatore di calore PCB del dispositivo" per ottenere una gestione termica efficiente:

Dissipazione del calore a livello del dispositivo:
Progettazione dei pad di dissipazione del calore: i diodi package TO-247 richiedono un'ampia area di pad di dissipazione del calore (che collegano i pin centrali) da progettare sulla parte anteriore del PCB e un'area più ampia di foglio di rame per la dissipazione del calore (come 10 mm × 10 mm) da progettare sul retro. Le lamine di rame anteriore e posteriore devono essere collegate tramite densi passaggi termoconduttivi (come un array 10 × 10 con un diametro di 0,3 mm). I passaggi termoconduttivi devono essere riempiti con materiali conduttivi (come pasta d'argento) e coperti con maschera di saldatura per ridurre la resistenza termica del contatto.
Dissipatore di calore esterno: installare un dissipatore di calore alettato (come un dissipatore di calore in alluminio da 60 mm × 60 mm) sul cuscinetto di dissipazione del calore sul retro del PCB e riempire lo spazio della superficie di contatto con grasso siliconico termoconduttivo (conduttività termica 5 W/m · K) per garantire che la temperatura di giunzione sia ridotta di oltre 30 gradi rispetto a quando non è presente alcun dissipatore di calore.
Dissipazione del calore a livello PCB:
Foglio di rame spesso e scheda multistrato: utilizzare PCB con spessore di rame maggiore o uguale a 70 μm (2 once) e utilizzare anche uno spessore di rame di 3 once o un substrato metallico. Per scenari di potenza estremamente elevata, è possibile incorporare blocchi di rame (ad esempio blocchi di rame spessi 5 mm) all'interno del PCB per entrare in contatto diretto con i pad di dissipazione del calore del diodo, ottenendo un'efficiente conduzione del calore da punto a punto.
Dissipazione del calore attraverso fori e fori ciechi: progettare la dissipazione del calore attraverso fori (Via in Pad, VIPPO) attorno al diodo, riempirli con resina o materiali conduttivi e coprirli con una maschera di saldatura per aumentare l'area di dissipazione del calore. Ad esempio, la configurazione tramite fori sui pad del dispositivo LCCC può aumentare la conduttività termica del 50%.
Dissipazione del calore a livello di sistema:
Ottimizzazione della convezione naturale: quando si utilizza la convezione naturale per il trasferimento di calore, la direzione della lunghezza delle alette di dissipazione del calore deve essere perpendicolare al suolo, utilizzando l'effetto ascendente dell'aria calda per migliorare la dissipazione del calore. Ad esempio, l'installazione verticale delle alette del dissipatore di calore del diodo può ridurre la resistenza termica del 15% rispetto all'installazione orizzontale.
Sinergia di raffreddamento ad aria forzata: quando si utilizza l'aria forzata per dissipare il calore, la direzione delle alette del radiatore deve essere coerente con la direzione del flusso d'aria per evitare la deviazione del flusso d'aria a monte del radiatore. Ad esempio, nella direzione della circolazione dell'aria, utilizzando la disposizione sfalsata dei radiatori o delle alette sfalsate è possibile aumentare del 20% la velocità del vento superficiale dei radiatori a valle.
4, verifica dell'affidabilità: controllo completo del processo dalla simulazione al test effettivo
Le apparecchiature mediche devono superare severi test ambientali (come lo standard IEC 60601-1) e la progettazione termica del diodo deve essere verificata attraverso simulazioni e test effettivi:

Analisi di simulazione termica: utilizza software come ANSYS Icepak o Flotherm per stabilire un modello termico tridimensionale del PCB, simulare la temperatura della giunzione del diodo, la distribuzione della temperatura del PCB e il campo del flusso d'aria. Ad esempio, simulando e ottimizzando il layout PCB di un dispositivo impiantato, la temperatura della giunzione del diodo può essere ridotta da 125 gradi a 105 gradi, soddisfacendo i requisiti di sicurezza dell'impianto a lungo termine-.
Verifica della misurazione dell'aumento della temperatura: nei test ciclici di temperatura e umidità (come -40 gradi ~85 gradi, 1000 cicli), utilizzare una termocamera a infrarossi per monitorare la temperatura superficiale del diodo, assicurandosi che l'aumento di temperatura sia inferiore o uguale a 10 gradi (valore tipico). Ad esempio, un dispositivo CGM è stato testato in un ambiente ad alta temperatura e umidità elevata e la deviazione della temperatura superficiale del diodo dai risultati della simulazione è stata inferiore o uguale a 2 gradi, il che ha verificato l'accuratezza del progetto termico.
Test di accelerazione dell'affidabilità a lungo termine: valuta l'affidabilità dei giunti di saldatura dei diodi attraverso l'invecchiamento ad alta-temperatura (come 125 gradi, 1.000 ore) e test di vibrazione (come 10-2.000 Hz, vibrazione di 5 g). Ad esempio, i test sulle vibrazioni sono stati condotti su diodi impacchettati BGA riempiti con adesivo Underfill e i giunti di saldatura non hanno mostrato crepe, soddisfacendo il requisito di durata di servizio di 10 anni delle apparecchiature mediche.