Vilka är de termiska designprinciperna för dioder i kretskort för medicinsk utrustning?

1, Materialval: Balanserar lågt termiskt motstånd och hög värmeledningsförmåga
Medicinsk utrustning är mycket känslig för temperatur, såsom implanterbara apparater som måste uppfylla mänsklig vävnadskompatibilitet (ISO 10993-standard) och fungera stabilt i en temperaturmiljö på 37 grader under lång tid. Valet av diodförpackningsmaterial bör ta hänsyn till både termisk resistans och elektrisk prestanda:

Material med lågt framåtspänningsfall: Schottky-dioder (som BAT62-02V) är att föredra, med ett framåtspänningsfall (Vf) så lågt som 0,25V@10mA Jämfört med traditionella kiseldioder (0,6V~0,7V), minskar det strömförbrukningen med mer än 60 %. I den trådlösa överföringsmodulen för CGM-enheter kan låg Vf minska ledningsförlusten i RF-front-end-kretsen och utöka enstaka laddningsintervall.
Förpackningar med hög värmeledningsförmåga: För hög-effektdioder (som IGBT-dioder förpackade i TO-247), bör metallsubstrat (som aluminiumsubstrat) eller kopparblockteknik användas. Den termiska ledningsförmågan hos aluminiumsubstratet når 2W/m · K, vilket är 6 gånger högre än den för FR-4-kort (0,3W/m · K), och kan snabbt leda diodens korsningstemperatur till ytan av PCB.
Högtemperaturbeständiga material: Medicinsk utrustning måste steriliseras vid höga temperaturer (som 121 graders ångsterilisering), och diodförpackningsmaterial måste uppfylla kraven på temperaturbeständighet. Till exempel kan Schottky-dioder av industriell kvalitet (såsom SS54) motstå ett temperaturområde på -55 grader till 150 grader, vilket undviker sprickbildning i lödfogen orsakad av felaktiga värmeutvidgningskoefficienter under desinfektion.
2, Layoutoptimering: minska värmekällans koncentration och luftflödeshinder
Medicinsk utrustning PCB är vanligtvis kompakt i utrymmet, och diodlayouten måste följa principen om att "sprida värmekällor och optimera luftkanaler":

Distribuerad layout av värmekälla: Högeffektsdioder bör vara jämnt fördelade på kretskortet för att undvika koncentrerad placering som kan orsaka lokala hotspots. Till exempel, i kraftmodulen i en bärbar ultraljudsdiagnostisk enhet, är likriktardioder fördelade längs kanten av PCB:n, med naturlig konvektion för värmeavledning, vilket resulterar i en 15 graders minskning av korsningstemperaturen jämfört med en centraliserad layout.
Temperaturkänslig enhetsisolering: Temperaturkänsliga komponenter som elektrolytkondensatorer bör hållas borta från diodvärmekällor. Under luft-kylda förhållanden bör avståndet mellan de två vara större än eller lika med 2,5 mm; under naturliga kylförhållanden bör avståndet vara större än eller lika med 4,0 mm. Om utrymmet är begränsat kan värmestrålning isoleras med en värmesköldplatta (som en 0,5 mm tjock kopparplatta).
Luftflödesstyrningsdesign: För utrustning för forcerad luftkylning (såsom monitorer som används i operationssalar) bör dioder placeras nedströms luftinloppet eller uppströms luftutloppet för att säkerställa att luftflödet direkt täcker värmekällan. Att placera likriktardioder direkt bakom kylfläkten kan till exempel öka ytvindhastigheten med 30 % och minska termisk resistans med 20 %.
3, Förbättring av värmeavledning: konstruktion av värmeledningsvägar på flera nivåer-
PCB för medicinsk utrustning kräver ett värmeavledningssystem med tre-nivåer av "Device PCB Heat Sink" för att uppnå effektiv värmehantering:

Värmeavledning på enhetsnivå:
Design av värmeavledningsdynor: TO-247 förpackade dioder kräver att ett stort område med värmeavledningsdynor (som ansluter de mittersta stiften) utformas på framsidan av kretskortet, och ett större område av värmeavledningskopparfolie (som 10 mm × 10 mm) som ska utformas på baksidan. De främre och bakre kopparfolierna ska anslutas genom täta värmeledande vias (som en 10 × 10 array med en diameter på 0,3 mm). Värmeledande vias måste fyllas med ledande material (som silverpasta) och täckas med lödmask för att minska kontaktvärmemotståndet.
Extern kylfläns: Installera ett kylfläns med flänsar (såsom en 60 mm × 60 mm aluminiumkylare) på värmeavledningsplattan på baksidan av kretskortet, och fyll kontaktytan med värmeledande silikonfett (värmeledningsförmåga 5W/m · K) för att säkerställa att kopplingstemperaturen sänks med mer än 30 grader jämfört med när det inte sänks mer än 30 grader.
PCB-nivå värmeavledning:
Tjock kopparfolie och flerskiktskort: Använd PCB med större än eller lika med 2oz (70 μm) koppartjocklek, och använd till och med 3oz koppartjocklek eller metallsubstrat. För scenarier med extremt hög effekt kan kopparblock (som 5 mm tjocka kopparblock) bäddas in i kretskortet för att direkt komma i kontakt med diodens värmeavledningsdynor, vilket uppnår effektiv punkt-till-punkt värmeledning.
Värmeavledning genom hål och blinda hål: Designa värmeavledning genom hål (Via in Pad, VIPPO) runt dioden, fyll dem med harts eller ledande material och täck dem med lödmask för att öka värmeavledningsytan. Till exempel kan inställning av via hål på LCCC-enhetsdynor öka värmeledningsförmågan med 50 %.
Systemnivå värmeavledning:
Optimering av naturlig konvektion: När naturlig konvektion används för värmeöverföring, bör längdriktningen på värmeavledningsfenorna vara vinkelräta mot marken, och utnyttja den stigande effekten av varm luft för att förbättra värmeavledningen. Om du till exempel installerar fenorna på diodkylflänsen vertikalt kan det minska värmemotståndet med 15 % jämfört med horisontell installation.
Forcerad luftkylningssynergi: När man använder forcerad luft för att avleda värme, bör radiatorfenornas riktning överensstämma med luftflödesriktningen för att undvika uppströms radiatoravledning av luftflödet. Till exempel, i luftcirkulationens riktning, kan användning av förskjutna arrangemang av radiatorer eller förskjutna fenor öka ytvindhastigheten för nedströms radiatorer med 20 %.
4, Tillförlitlighetsverifiering: fullständig processkontroll från simulering till faktisk testning
Medicinsk utrustning måste klara strikta miljötester (som IEC 60601-1-standarden), och termisk dioddesign måste verifieras genom simulering och faktisk testning:

Termisk simuleringsanalys: Använd programvara som ANSYS Icepak eller Flotherm för att upprätta en tre-dimensionell termisk modell av PCB, simulera diodövergångstemperaturen, PCB-temperaturfördelningen och luftflödesfältet. Till exempel, genom att simulera och optimera PCB-layouten för en implanterad enhet, kan diodövergångstemperaturen sänkas från 125 grader till 105 grader, vilket uppfyller de långsiktiga -implantatsäkerhetskraven.
Verifiering av temperaturstegringsmätning: I temperatur- och luftfuktighetscykeltester (som -40 grader ~85 grader , 1000 cykler), använd en infraröd värmekamera för att övervaka yttemperaturen på dioden, och se till att temperaturökningen är mindre än eller lika med 10 grader (typiskt värde). Till exempel testades en CGM-enhet i en miljö med hög temperatur och hög luftfuktighet, och avvikelsen för diodens yttemperatur från simuleringsresultaten var Mindre än eller lika med 2 grader, vilket verifierade noggrannheten i den termiska designen.
Långsiktig tillförlitlighetsaccelerationstestning: Utvärdera tillförlitligheten hos diodlödfogar genom hög-temperaturåldring (som 125 grader, 1000 timmar) och vibrationstestning (som 10-2000Hz, 5g vibration). Vibrationstestning utfördes till exempel på BGA-förpackade dioder fyllda med Underfill-lim, och lödfogarna visade inga sprickor, vilket uppfyllde 10-åriga livslängdskrav för medicinsk utrustning.