Jaké jsou principy tepelného návrhu diod v DPS zdravotnických zařízení?

1, Výběr materiálu: Vyvážení nízkého tepelného odporu a vysoké tepelné vodivosti
Zdravotnická zařízení jsou vysoce citlivá na teplotu, jako jsou implantabilní zařízení, která musí splňovat kompatibilitu s lidskou tkání (norma ISO 10993) a pracovat stabilně v teplotním prostředí 37 stupňů po dlouhou dobu. Výběr materiálů pro balení diod by měl brát v úvahu jak tepelný odpor, tak elektrický výkon:

Materiál s nízkým propustným úbytkem napětí: Upřednostňují se Schottkyho diody (jako BAT62-02V), s propustným úbytkem napětí (Vf) až 0,25V@10mA Ve srovnání s tradičními křemíkovými diodami (0,6V~0,7V) snižuje spotřebu energie o více než 60 %. V modulu bezdrátového přenosu zařízení CGM může nízké Vf snížit ztrátu vedení v RF front-end obvodu a rozšířit rozsah na jedno nabití.
Balení s vysokou tepelnou vodivostí: Pro vysoce{0}}výkonové diody (jako jsou diody IGBT zabalené v TO-247), kovové substráty (jako jsou hliníkové substráty) nebo technologii měděných bloků. Tepelná vodivost hliníkového substrátu dosahuje 2 W/m · K, což je 6krát více než u desky FR-4 (0,3 W/m · K), a dokáže rychle převést teplotu přechodu diody na povrch PCB.
Materiály odolné vůči vysokým teplotám: Lékařské vybavení musí být sterilizováno při vysokých teplotách (jako je sterilizace párou 121 stupňů) a obalové materiály diod musí splňovat požadavky na teplotní odolnost. Například průmyslové Schottkyho diody (jako je SS54) vydrží teplotní rozsah -55 stupňů až 150 stupňů, čímž se zabrání praskání pájeného spoje způsobenému nesprávnými koeficienty tepelné roztažnosti během dezinfekce.
2, Optimalizace uspořádání: snížení koncentrace zdroje tepla a překážky proudění vzduchu
Desky plošných spojů zdravotnických zařízení jsou obvykle kompaktní v prostoru a uspořádání diod musí dodržovat princip „rozptylování zdrojů tepla a optimalizace vzduchových kanálů“:

Distribuované uspořádání zdroje tepla: Diody s vysokým výkonem by měly být rovnoměrně rozmístěny na desce plošných spojů, aby se zabránilo koncentrovanému umístění, které může způsobit místní horké body. Například v napájecím modulu přenosného ultrazvukového diagnostického zařízení jsou podél okraje desky plošných spojů rozmístěny usměrňovací diody, které využívají přirozené proudění k odvodu tepla, což má za následek snížení teploty přechodu o 15 stupňů ve srovnání s centralizovaným uspořádáním.
Izolace zařízení citlivého na teplotu: Součásti citlivé na teplotu, jako jsou elektrolytické kondenzátory, by měly být umístěny mimo zdroje tepla diod. Při vzduchovém-chlazení by vzdálenost mezi nimi měla být větší nebo rovna 2,5 mm; za podmínek přirozeného chlazení by vzdálenost měla být větší nebo rovna 4,0 mm. Pokud je prostor omezený, tepelné záření může být izolováno deskou tepelného štítu (jako je měděná deska o tloušťce 0,5 mm).
Návrh vedení proudění vzduchu: U zařízení s nuceným chlazením vzduchu (jako jsou monitory používané v operačních sálech) by měly být diody umístěny za vstupem vzduchu nebo před výstupem vzduchu, aby bylo zajištěno, že proud vzduchu přímo pokryje zdroj tepla. Například umístění usměrňovacích diod přímo za chladicí ventilátor může zvýšit rychlost přízemního větru o 30 % a snížit tepelný odpor o 20 %.
3, Zlepšení odvodu tepla: konstrukce víceúrovňových drah vedení tepla
Desky s plošnými spoji pro lékařské vybavení vyžadují tří{0}}úrovňový systém odvodu tepla „Device PCB Heat Sink“, aby bylo dosaženo účinného řízení teploty:

Odvod tepla na úrovni zařízení:
Konstrukce podložek pro odvod tepla: Zabalené diody TO-247 vyžadují, aby byla na přední straně desky plošných spojů navržena velká plocha podložek pro odvod tepla (spojující střední kolíky) a na zadní straně větší plocha měděné fólie pro odvod tepla (například 10 mm × 10 mm). Přední a zadní měděné fólie by měly být spojeny hustými tepelně vodivými průchody (jako je pole 10 × 10 o průměru 0,3 mm). Tepelně vodivé prokovy je třeba vyplnit vodivými materiály (jako je stříbrná pasta) a zakrýt pájecí maskou, aby se snížil kontaktní tepelný odpor.
Externí chladič: Nainstalujte žebrovaný chladič (jako je hliníkový chladič 60 mm × 60 mm) na podložku pro odvod tepla na zadní straně desky plošných spojů a vyplňte mezeru kontaktního povrchu tepelně vodivou silikonovou vazelínou (tepelná vodivost 5 W/m · K), abyste zajistili, že se teplota přechodu sníží o více než 30 stupňů ve srovnání s případem, kdy neexistuje žádný chladič.
Odvod tepla na úrovni PCB:
Silná měděná fólie a vícevrstvá deska: Použijte PCB s tloušťkou mědi větší nebo rovnou 2 oz (70 μm) a dokonce použijte tloušťku mědi 3 oz nebo kovový substrát. Pro scénáře s extrémně vysokým výkonem lze měděné bloky (jako jsou měděné bloky o tloušťce 5 mm) zabudovat do desky plošných spojů, aby se přímo dotkly podložek pro odvod tepla diody, čímž se dosáhne účinného vedení tepla z bodu do bodu -.
Odvod tepla otvory a slepými otvory: Navrhněte odvod tepla otvory (Via in Pad, VIPPO) kolem diody, naplňte je pryskyřicí nebo vodivými materiály a zakryjte je pájecí maskou, abyste zvětšili plochu pro odvod tepla. Například nastavení pomocí otvorů na podložkách zařízení LCCC může zvýšit tepelnou vodivost o 50 %.
Odvod tepla na úrovni systému:
Optimalizace přirozené konvekce: Při použití přirozené konvekce pro přenos tepla by měl být směr délky žeber pro odvod tepla kolmý k zemi, přičemž by se měl využívat stoupající účinek horkého vzduchu ke zvýšení odvodu tepla. Například vertikální instalace žeber diodového chladiče může snížit tepelný odpor o 15 % ve srovnání s horizontální instalací.
Synergie nuceného chlazení vzduchu: Při použití nuceného vzduchu k odvádění tepla by měl být směr žeber chladiče konzistentní se směrem proudění vzduchu, aby se zabránilo odklonění proudu vzduchu před chladičem. Například ve směru cirkulace vzduchu může použití stupňovitého uspořádání radiátorů nebo stupňovitých žeber zvýšit rychlost přízemního větru následujících radiátorů o 20 %.
4, Ověření spolehlivosti: úplné řízení procesu od simulace až po skutečné testování
Lékařské vybavení musí projít přísným environmentálním testováním (jako je norma IEC 60601-1) a tepelný design diody musí být ověřen pomocí simulace a skutečného testování:

Termální simulační analýza: Pomocí softwaru, jako je ANSYS Icepak nebo Flotherm, vytvořte trojrozměrný tepelný model desky plošných spojů, simulujte teplotu přechodu diod, rozložení teploty desky plošných spojů a pole proudění vzduchu. Například simulací a optimalizací rozmístění plošných spojů implantovaného zařízení lze teplotu přechodu diod snížit ze 125 stupňů na 105 stupňů, což splňuje dlouhodobé-požadavky na bezpečnost implantátů.
Ověření měření nárůstu teploty: Při cyklických testech teploty a vlhkosti (jako je -40 stupňů ~ 85 stupňů, 1000 cyklů) použijte infračervenou termokameru ke sledování povrchové teploty diody a ujistěte se, že nárůst teploty je menší nebo roven 10 stupňům (typická hodnota). Například zařízení CGM bylo testováno v prostředí s vysokou teplotou a vysokou vlhkostí a odchylka teploty povrchu diody od výsledků simulace byla menší nebo rovna 2 stupňům, což ověřilo přesnost tepelného návrhu.
Dlouhodobé akcelerační testy spolehlivosti: Vyhodnoťte spolehlivost pájených spojů diod pomocí vysoko-teplotního stárnutí (např. 125 stupňů, 1000 hodin) a vibračního testování (např. 10–2000 Hz, 5g vibrace). Například vibrační testy byly provedeny na diodách zabalených v BGA naplněných lepidlem Underfill a pájené spoje nevykazovaly žádné praskliny, což splnilo požadavek na 10letou životnost lékařského vybavení.