Каковы принципы теплового проектирования диодов в печатных платах медицинских устройств?

1. Выбор материала: баланс низкого термического сопротивления и высокой теплопроводности.
Медицинские изделия обладают высокой чувствительностью к температуре, например, имплантируемые устройства, которые должны соответствовать совместимости тканей человека (стандарт ISO 10993) и стабильно работать в температурной среде 37 градусов в течение длительного времени. При выборе материалов корпуса диода следует учитывать как термическое сопротивление, так и электрические характеристики:

Материал с низким прямым падением напряжения: предпочтительны диоды Шоттки (такие как BAT62-02V), у которых прямое падение напряжения (Vf) составляет всего 0,25 В при 10 мА. По сравнению с традиционными кремниевыми диодами (0,6–0,7 В) это снижает энергопотребление более чем на 60 %. В модуле беспроводной передачи устройств CGM низкий Vf может уменьшить потери проводимости входной радиочастотной цепи и расширить диапазон одиночного заряда.
Корпус с высокой теплопроводностью. Для мощных-диодов (например, IGBT-диодов, упакованных в TO-247) следует использовать металлические подложки (например, алюминиевые подложки) или технологию медных блоков. Теплопроводность алюминиевой подложки достигает 2 Вт/м·К, что в 6 раз выше, чем у платы FR-4 (0,3 Вт/м·К), и позволяет быстро проводить температуру перехода диода на поверхность печатной платы.
Материалы, устойчивые к высоким температурам. Медицинское оборудование необходимо стерилизовать при высоких температурах (например, стерилизация паром при температуре 121 градус), а упаковочные материалы для диодов должны соответствовать требованиям по термостойкости. Например, диоды Шоттки промышленного класса (такие как SS54) могут выдерживать диапазон температур от -55 до 150 градусов, избегая растрескивания паяных соединений, вызванного несовпадением коэффициентов теплового расширения во время дезинфекции.
2. Оптимизация компоновки: уменьшите концентрацию источника тепла и затруднение воздушного потока.
Печатные платы медицинского оборудования обычно компактны в пространстве, а расположение диодов должно соответствовать принципу «рассредоточения источников тепла и оптимизации воздуховодов»:

Распределенное расположение источника тепла: мощные диоды должны быть равномерно распределены на печатной плате, чтобы избежать их концентрированного размещения, которое может привести к появлению локальных горячих точек. Например, в модуле питания портативного устройства ультразвуковой диагностики выпрямительные диоды распределены по краю печатной платы, используя естественную конвекцию для отвода тепла, что приводит к снижению температуры перехода на 15 градусов по сравнению с централизованной компоновкой.
Изоляция устройства, чувствительного к температуре. Компоненты, чувствительные к температуре, такие как электролитические конденсаторы, следует хранить вдали от источников тепла диодов. В условиях воздушного-охлаждения расстояние между ними должно быть больше или равно 2,5 мм; в условиях естественного охлаждения расстояние должно быть больше или равно 4,0 мм. Если пространство ограничено, тепловое излучение можно изолировать с помощью теплозащитной пластины (например, медной пластины толщиной 0,5 мм).
Конструкция направления воздушного потока. Для оборудования с принудительным воздушным охлаждением (например, мониторов, используемых в операционных) диоды следует размещать после воздухозаборника или перед воздуховыпускным отверстием, чтобы гарантировать, что воздушный поток непосредственно охватывает источник тепла. Например, размещение выпрямительных диодов непосредственно за охлаждающим вентилятором может увеличить скорость приземного ветра на 30 % и снизить тепловое сопротивление на 20 %.
3. Улучшение отвода тепла: создание многоуровневых путей теплопроводности.
Для печатных плат медицинского оборудования требуется трехуровневая система отвода тепла, называемая «Радиатор печатной платы устройства», для достижения эффективного управления температурой:

Тепловыделение на уровне устройства:
Конструкция площадок для отвода тепла: диоды в корпусе TO-247 требуют размещения площадок для отвода тепла большой площади (соединяющих средние контакты) на передней части печатной платы, а также медной фольги большей площади для отвода тепла (например, 10 мм × 10 мм) на задней стороне. Передняя и задняя медная фольга должна быть соединена через плотные теплопроводящие отверстия (например, массив 10 × 10 диаметром 0,3 мм). Теплопроводящие переходные отверстия необходимо заполнить проводящими материалами (например, серебряной пастой) и покрыть паяльной маской, чтобы уменьшить контактное тепловое сопротивление.
Внешний радиатор: установите ребристый радиатор (например, алюминиевый радиатор размером 60 × 60 мм) на теплоотводящую площадку на задней стороне печатной платы и заполните зазор контактной поверхности теплопроводной силиконовой смазкой (теплопроводность 5 Вт/м · К), чтобы обеспечить снижение температуры перехода более чем на 30 градусов по сравнению с отсутствием радиатора.
Тепловыделение на уровне печатной платы:
Толстая медная фольга и многослойная плата: используйте печатную плату с толщиной меди не менее 2 унций (70 мкм) и даже используйте медь толщиной 3 унции или металлическую подложку. В сценариях с очень высоким энергопотреблением медные блоки (например, медные блоки толщиной 5 мм) можно встроить внутрь печатной платы для непосредственного контакта с площадками рассеивания тепла диодов, обеспечивая эффективную теплопроводность от-к-точкам.
Рассеяние тепла через отверстия и глухие отверстия: спроектируйте рассеивание тепла через отверстия (Via in Pad, VIPPO) вокруг диода, заполните их смолой или проводящими материалами и накройте паяльной маской, чтобы увеличить площадь рассеивания тепла. Например, установка сквозных отверстий на площадках устройства LCCC может увеличить теплопроводность на 50%.
Тепловыделение на уровне системы:
Оптимизация естественной конвекции: при использовании естественной конвекции для теплопередачи направление длины ребер теплоотвода должно быть перпендикулярно земле, что позволяет использовать восходящий эффект горячего воздуха для улучшения рассеивания тепла. Например, вертикальная установка ребер диодного радиатора позволяет снизить тепловое сопротивление на 15 % по сравнению с горизонтальной установкой.
Синергия принудительного воздушного охлаждения: при использовании принудительного воздушного охлаждения для рассеивания тепла направление ребер радиатора должно совпадать с направлением воздушного потока, чтобы избежать отклонения воздушного потока вверх по потоку от радиатора. Например, в направлении циркуляции воздуха использование шахматного расположения радиаторов или шахматных ребер может увеличить скорость приземного ветра ниже по потоку радиаторов на 20%.
4. Проверка надежности: полный контроль процесса от моделирования до реальных испытаний.
Медицинское оборудование должно пройти строгие экологические испытания (например, стандарт IEC 60601-1), а тепловая конструкция диода должна быть проверена посредством моделирования и реальных испытаний:

Анализ термического моделирования. Используйте такое программное обеспечение, как ANSYS Icepak или Flotherm, чтобы создать трехмерную-тепловую модель печатной платы, смоделировать температуру диодного перехода, распределение температуры печатной платы и поле воздушного потока. Например, путем моделирования и оптимизации компоновки печатной платы имплантированного устройства температура диодного перехода может быть снижена со 125 до 105 градусов, что соответствует долгосрочным-требованиям безопасности имплантата.
Проверка измерения повышения температуры: при циклических испытаниях температуры и влажности (например, от -40 до 85 градусов, 1000 циклов) используйте инфракрасный тепловизор для контроля температуры поверхности диода, гарантируя, что повышение температуры не превышает 10 градусов (типичное значение). Например, устройство CGM было протестировано в условиях высокой температуры и высокой влажности, и отклонение температуры поверхности диода от результатов моделирования составило менее или равно 2 градуса, что подтвердило точность теплового расчета.
Ускоренное тестирование долгосрочной надежности. Оцените надежность паяных соединений диодов посредством высоко-температурного старения (например, 125 градусов, 1000 часов) и испытаний на вибрацию (например, 10–2000 Гц, вибрация 5g). Например, были проведены испытания на вибрацию диодов в корпусе BGA, заполненных клеем Underfill, и паяные соединения не показали трещин, что соответствует 10-летнему сроку службы медицинского оборудования.