Quais são os princípios de design térmico de diodos em PCBs de dispositivos médicos?

1, seleção de materiais: Equilibrando baixa resistência térmica e alta condutividade térmica
Os dispositivos médicos são altamente sensíveis à temperatura, como os dispositivos implantáveis ​​que devem atender à compatibilidade do tecido humano (norma ISO 10993) e operar de forma estável em um ambiente de temperatura de 37 graus por um longo período. A seleção dos materiais de embalagem do diodo deve levar em consideração tanto a resistência térmica quanto o desempenho elétrico:

Material de queda de tensão direta baixa: diodos Schottky (como BAT62-02V) são preferidos, com uma queda de tensão direta (Vf) tão baixa quanto 0,25V@10mA Em comparação com diodos de silício tradicionais (0,6V~0,7V), reduz o consumo de energia em mais de 60%. No módulo de transmissão sem fio de dispositivos CGM, o Vf baixo pode reduzir a perda de condução do circuito frontal de RF e estender a faixa de carga única.
Embalagem de alta condutividade térmica: para diodos-de alta potência (como diodos IGBT embalados em TO-247), substratos metálicos (como substratos de alumínio) ou tecnologia de bloco de cobre devem ser usados. A condutividade térmica do substrato de alumínio atinge 2W/m·K, que é 6 vezes maior que a da placa FR-4 (0,3W/m·K), e pode conduzir rapidamente a temperatura de junção do diodo para a superfície do PCB.
Materiais resistentes a altas temperaturas: O equipamento médico precisa ser esterilizado em altas temperaturas (como esterilização a vapor de 121 graus) e os materiais de embalagem de diodo precisam atender aos requisitos de resistência à temperatura. Por exemplo, diodos Schottky de nível industrial (como SS54) podem suportar uma faixa de temperatura de -55 graus a 150 graus, evitando rachaduras nas juntas de solda causadas por coeficientes de expansão térmica incompatíveis durante a desinfecção.
2, Otimização de layout: reduza a concentração da fonte de calor e a obstrução do fluxo de ar
Os PCBs de equipamentos médicos são geralmente compactos no espaço, e o layout do diodo precisa seguir o princípio de "dispersar fontes de calor e otimizar dutos de ar":

Layout distribuído da fonte de calor: Os diodos de alta potência devem ser distribuídos uniformemente na PCB para evitar a colocação concentrada que pode causar pontos de acesso locais. Por exemplo, no módulo de potência de um dispositivo portátil de diagnóstico por ultrassom, os diodos retificadores são distribuídos ao longo da borda da PCB, utilizando convecção natural para dissipação de calor, resultando em uma redução de 15 graus na temperatura da junção em comparação com um layout centralizado.
Isolamento de dispositivos sensíveis à temperatura: Componentes sensíveis à temperatura, como capacitores eletrolíticos, devem ser mantidos longe de fontes de calor de diodo. Em condições-refrigeradas a ar, a distância entre os dois deve ser maior ou igual a 2,5 mm; sob condições naturais de resfriamento, a distância deve ser maior ou igual a 4,0 mm. Se o espaço for limitado, a radiação térmica pode ser isolada por uma placa de proteção térmica (como uma placa de cobre com 0,5 mm de espessura).
Projeto de orientação do fluxo de ar: Para equipamentos de resfriamento de ar forçado (como monitores usados ​​em salas cirúrgicas), os diodos devem ser colocados a jusante da entrada de ar ou a montante da saída de ar para garantir que o fluxo de ar cubra diretamente a fonte de calor. Por exemplo, colocar diodos retificadores diretamente atrás da ventoinha de resfriamento pode aumentar a velocidade do vento na superfície em 30% e reduzir a resistência térmica em 20%.
3, Melhoria da dissipação de calor: construção de caminhos de condução de calor de vários-níveis
PCBs de equipamentos médicos exigem um sistema de dissipação de calor de três{0}}níveis de "dissipador de calor da PCB do dispositivo" para obter gerenciamento térmico eficiente:

Dissipação de calor no nível do dispositivo:
Projeto de almofadas de dissipação de calor: os diodos embalados TO-247 exigem que uma grande área de almofadas de dissipação de calor (conectando os pinos intermediários) seja projetada na frente do PCB e uma área maior de folha de cobre de dissipação de calor (como 10 mm × 10 mm) para ser projetada na parte traseira. As folhas de cobre frontal e traseira devem ser conectadas através de vias condutoras térmicas densas (como uma matriz 10 × 10 com diâmetro de 0,3 mm). As vias condutoras térmicas precisam ser preenchidas com materiais condutores (como pasta de prata) e cobertas com máscara de solda para reduzir a resistência térmica de contato.
Dissipador de calor externo: Instale um dissipador de calor com aletas (como um dissipador de calor de alumínio de 60 mm × 60 mm) na almofada de dissipação de calor na parte traseira da PCB e preencha a lacuna da superfície de contato com graxa de silicone condutora térmica (condutividade térmica 5W/m · K) para garantir que a temperatura da junção seja reduzida em mais de 30 graus em comparação com quando não há dissipador de calor.
Dissipação de calor em nível de PCB:
Folha de cobre espessa e placa multicamadas: Use PCB com espessura de cobre maior ou igual a 2 onças (70 μ m) e até mesmo use espessura de cobre de 3 onças ou substrato de metal. Para cenários de potência extremamente alta, blocos de cobre (como blocos de cobre com 5 mm de espessura) podem ser incorporados dentro da PCB para entrar em contato direto com as almofadas de dissipação de calor do diodo, obtendo uma condução de calor ponto-a{6}}eficiente.
Dissipação de calor através de furos e furos cegos: Projete a dissipação de calor através de furos (Via in Pad, VIPPO) ao redor do diodo, preencha-os com resina ou materiais condutores e cubra-os com máscara de solda para aumentar a área de dissipação de calor. Por exemplo, a configuração através de furos nas almofadas do dispositivo LCCC pode aumentar a condutividade térmica em 50%.
Dissipação de calor no nível do sistema:
Otimização da convecção natural: Ao usar a convecção natural para transferência de calor, a direção do comprimento das aletas de dissipação de calor deve ser perpendicular ao solo, utilizando o efeito ascendente do ar quente para aumentar a dissipação de calor. Por exemplo, a instalação vertical das aletas do dissipador de calor do diodo pode reduzir a resistência térmica em 15% em comparação com a instalação horizontal.
Sinergia de resfriamento por ar forçado: Ao usar ar forçado para dissipar o calor, a direção das aletas do radiador deve ser consistente com a direção do fluxo de ar para evitar o desvio do fluxo de ar do radiador a montante. Por exemplo, na direção da circulação de ar, o uso de arranjos escalonados de radiadores ou aletas escalonadas pode aumentar a velocidade do vento superficial dos radiadores a jusante em 20%.
4, Verificação de confiabilidade: controle total do processo, desde a simulação até o teste real
O equipamento médico precisa passar por testes ambientais rigorosos (como o padrão IEC 60601-1), e o projeto térmico do diodo precisa ser verificado por meio de simulação e testes reais:

Análise de simulação térmica: use software como ANSYS Icepak ou Flotherm para estabelecer um modelo térmico tridimensional da PCB, simular a temperatura da junção do diodo, a distribuição de temperatura da PCB e o campo de fluxo de ar. Por exemplo, ao simular e otimizar o layout da PCB de um dispositivo implantado, a temperatura da junção do diodo pode ser reduzida de 125 graus para 105 graus, atendendo aos-requisitos de segurança do implante de longo prazo.
Verificação de medição de aumento de temperatura: Em testes de ciclo de temperatura e umidade (como -40 graus ~ 85 graus, 1000 ciclos), use um termovisor infravermelho para monitorar a temperatura da superfície do diodo, garantindo que o aumento de temperatura seja menor ou igual a 10 graus (valor típico). Por exemplo, um dispositivo CGM foi testado em um ambiente de alta temperatura e alta umidade, e o desvio da temperatura da superfície do diodo dos resultados da simulação foi menor ou igual a 2 graus, o que verificou a precisão do projeto térmico.
Testes de aceleração de confiabilidade de longo prazo: avalie a confiabilidade das juntas de solda de diodo por meio de envelhecimento em alta-temperatura (como 125 graus, 1.000 horas) e testes de vibração (como 10-2.000 Hz, vibração de 5g). Por exemplo, testes de vibração foram realizados em diodos BGA preenchidos com adesivo Underfill, e as juntas de solda não apresentaram rachaduras, atendendo ao requisito de vida útil de 10 anos para equipamentos médicos.