หลักการออกแบบการระบายความร้อนของไดโอดใน PCB ของอุปกรณ์การแพทย์มีอะไรบ้าง

1, การเลือกวัสดุ: ปรับสมดุลความต้านทานความร้อนต่ำและการนำความร้อนสูง
อุปกรณ์การแพทย์มีความไวต่ออุณหภูมิสูง เช่น อุปกรณ์ฝังที่ต้องเป็นไปตามความเข้ากันได้ของเนื้อเยื่อของมนุษย์ (มาตรฐาน ISO 10993) และทำงานได้อย่างเสถียรในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิ 37 องศาเป็นเวลานาน การเลือกวัสดุบรรจุภัณฑ์ไดโอดควรคำนึงถึงทั้งความต้านทานความร้อนและประสิทธิภาพทางไฟฟ้า:

วัสดุแรงดันตกคร่อมไปข้างหน้าต่ำ: แนะนำให้ใช้ไดโอด Schottky (เช่น BAT62-02V) โดยมีแรงดันตกคร่อมไปข้างหน้า (Vf) ต่ำเพียง 0.25V@10mA เมื่อเปรียบเทียบกับไดโอดซิลิคอนแบบดั้งเดิม (0.6V~0.7V) จะช่วยลดการใช้พลังงานได้มากกว่า 60% ในโมดูลส่งสัญญาณไร้สายของอุปกรณ์ CGM ค่า Vf ต่ำสามารถลดการสูญเสียการนำไฟฟ้าของวงจร RF front-end และขยายช่วงการชาร์จครั้งเดียว
บรรจุภัณฑ์ที่มีการนำความร้อนสูง: สำหรับไดโอดกำลังสูง- (เช่น ไดโอด IGBT ที่บรรจุใน TO-247) ควรใช้พื้นผิวโลหะ (เช่น พื้นผิวอะลูมิเนียม) หรือเทคโนโลยีบล็อกทองแดง ค่าการนำความร้อนของพื้นผิวอะลูมิเนียมมีค่าถึง 2W/m · K ซึ่งสูงกว่าบอร์ด FR-4 ถึง 6 เท่า (0.3W/m · K) และสามารถนำอุณหภูมิทางแยกของไดโอดไปที่พื้นผิวของ PCB ได้อย่างรวดเร็ว
วัสดุทนอุณหภูมิสูง: อุปกรณ์ทางการแพทย์ต้องผ่านการฆ่าเชื้อที่อุณหภูมิสูง (เช่น การฆ่าเชื้อด้วยไอน้ำ 121 องศา) และวัสดุบรรจุภัณฑ์ไดโอดต้องเป็นไปตามข้อกำหนดการต้านทานอุณหภูมิ ตัวอย่างเช่น ไดโอด Schottky เกรดอุตสาหกรรม (เช่น SS54) สามารถทนต่อช่วงอุณหภูมิ -55 องศาถึง 150 องศา หลีกเลี่ยงการแตกร้าวของข้อต่อบัดกรีที่เกิดจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ไม่ตรงกันในระหว่างการฆ่าเชื้อ
2 การเพิ่มประสิทธิภาพเค้าโครง: ลดความเข้มข้นของแหล่งความร้อนและการอุดตันของการไหลของอากาศ
PCB อุปกรณ์ทางการแพทย์มักจะมีขนาดกะทัดรัด และเค้าโครงไดโอดต้องเป็นไปตามหลักการ "กระจายแหล่งความร้อนและเพิ่มประสิทธิภาพท่ออากาศ":

เค้าโครงแบบกระจายของแหล่งความร้อน: ไดโอดกำลังสูงควรกระจายเท่าๆ กันบน PCB เพื่อหลีกเลี่ยงการวางตำแหน่งที่กระจุกตัวซึ่งอาจทำให้เกิดฮอตสปอตในพื้นที่ ตัวอย่างเช่น ในโมดูลพลังงานของอุปกรณ์วินิจฉัยอัลตราซาวนด์แบบพกพา ไดโอดเรียงกระแสจะถูกกระจายไปตามขอบของ PCB โดยใช้การพาความร้อนตามธรรมชาติเพื่อกระจายความร้อน ส่งผลให้อุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อลดลง 15 องศา เมื่อเทียบกับรูปแบบแบบรวมศูนย์
การแยกอุปกรณ์ที่ไวต่ออุณหภูมิ: ส่วนประกอบที่ไวต่ออุณหภูมิ เช่น ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า ควรเก็บให้ห่างจากแหล่งความร้อนของไดโอด ภายใต้สภาพอากาศที่เย็น- ระยะห่างระหว่างทั้งสองควรมากกว่าหรือเท่ากับ 2.5 มม. ภายใต้สภาวะความเย็นตามธรรมชาติ ระยะห่างควรมากกว่าหรือเท่ากับ 4.0 มม. หากพื้นที่มีจำกัด คุณสามารถแยกการแผ่รังสีความร้อนได้ด้วยแผ่นป้องกันความร้อน (เช่น แผ่นทองแดงหนา 0.5 มม.)
การออกแบบแนวทางการไหลของอากาศ: สำหรับอุปกรณ์ระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับ (เช่น จอภาพที่ใช้ในห้องผ่าตัด) ควรวางไดโอดไว้ด้านล่างของช่องอากาศเข้าหรือต้นน้ำของช่องลมเพื่อให้แน่ใจว่ากระแสลมครอบคลุมแหล่งความร้อนโดยตรง ตัวอย่างเช่น การวางไดโอดเรียงกระแสไว้ด้านหลังพัดลมระบายความร้อนโดยตรงจะช่วยเพิ่มความเร็วลมบนพื้นผิวได้ 30% และลดความต้านทานความร้อนได้ 20%
3 การปรับปรุงการกระจายความร้อน: การสร้างเส้นทางการนำความร้อนหลาย-
PCB อุปกรณ์ทางการแพทย์ต้องการระบบกระจายความร้อนสาม-ระดับของ "Device PCB Heat Sink" เพื่อให้เกิดการจัดการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ:

การกระจายความร้อนระดับอุปกรณ์:
การออกแบบแผ่นกระจายความร้อน: ไดโอดในแพ็คเกจ TO-247 ต้องใช้พื้นที่ขนาดใหญ่ของแผ่นกระจายความร้อน (เชื่อมต่อพินกลาง) เพื่อออกแบบที่ด้านหน้าของ PCB และพื้นที่ฟอยล์ทองแดงกระจายความร้อนขนาดใหญ่ (เช่น 10 มม. × 10 มม.) ที่จะออกแบบที่ด้านหลัง ฟอยล์ทองแดงด้านหน้าและด้านหลังควรเชื่อมต่อผ่านจุดนำความร้อนที่มีความหนาแน่นสูง (เช่น อาเรย์ 10 × 10 ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.3 มม.) จุดแวะนำความร้อนจะต้องเต็มไปด้วยวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า (เช่น ซิลเวอร์เพสต์) และปิดด้วยหน้ากากประสานเพื่อลดความต้านทานความร้อนเมื่อสัมผัส
แผ่นระบายความร้อนภายนอก: ติดตั้งแผ่นระบายความร้อนแบบครีบ (เช่น แผ่นระบายความร้อนอลูมิเนียมขนาด 60 มม. × 60 มม.) บนแผ่นกระจายความร้อนที่ด้านหลังของ PCB และเติมช่องว่างพื้นผิวสัมผัสด้วยจาระบีซิลิโคนนำความร้อน (การนำความร้อน 5W/m · K) เพื่อให้แน่ใจว่าอุณหภูมิทางแยกลดลงมากกว่า 30 องศา เมื่อเทียบกับเมื่อไม่มีแผ่นระบายความร้อน
การกระจายความร้อนระดับ PCB:
ฟอยล์ทองแดงหนาและบอร์ดหลายชั้น: ใช้ PCB ที่มีความหนาทองแดงมากกว่าหรือเท่ากับ 2 ออนซ์ (70 μ m) และใช้แม้กระทั่งความหนาทองแดง 3 ออนซ์หรือซับสเตรตโลหะ สำหรับสถานการณ์พลังงานที่สูงมาก สามารถฝังบล็อกทองแดง (เช่น บล็อกทองแดงหนา 5 มม.) ไว้ภายใน PCB เพื่อสัมผัสกับแผ่นกระจายความร้อนของไดโอดโดยตรง เพื่อให้ได้การนำความร้อนแบบจุด-ถึง-อย่างมีประสิทธิภาพ
การกระจายความร้อนผ่านรูและรูตัน: ออกแบบการกระจายความร้อนผ่านรู (ผ่านแผ่น, VIPPO) รอบ ๆ ไดโอด เติมด้วยเรซินหรือวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า และปิดด้วยหน้ากากประสานเพื่อเพิ่มพื้นที่การกระจายความร้อน ตัวอย่างเช่น การตั้งค่าผ่านรูบนแผ่นอุปกรณ์ LCCC สามารถเพิ่มการนำความร้อนได้ 50%
การกระจายความร้อนระดับระบบ:
การเพิ่มประสิทธิภาพการพาความร้อนตามธรรมชาติ: เมื่อใช้การพาความร้อนตามธรรมชาติเพื่อการถ่ายเทความร้อน ทิศทางความยาวของครีบกระจายความร้อนควรตั้งฉากกับพื้น โดยใช้อิทธิพลที่เพิ่มขึ้นของอากาศร้อนเพื่อเพิ่มการกระจายความร้อน ตัวอย่างเช่น การติดตั้งครีบของแผงระบายความร้อนแบบไดโอดในแนวตั้งสามารถลดความต้านทานความร้อนได้ 15% เมื่อเทียบกับการติดตั้งในแนวนอน
การทำงานร่วมกันของอากาศเย็นแบบบังคับ: เมื่อใช้ลมบังคับเพื่อกระจายความร้อน ทิศทางของครีบหม้อน้ำควรสอดคล้องกับทิศทางการไหลของอากาศเพื่อหลีกเลี่ยงการเบี่ยงเบนการไหลของอากาศจากหม้อน้ำด้านบน ตัวอย่างเช่น ในทิศทางของการไหลเวียนของอากาศ การใช้การจัดเรียงหม้อน้ำแบบเซหรือครีบแบบเซจะสามารถเพิ่มความเร็วลมพื้นผิวของหม้อน้ำดาวน์สตรีมได้ 20%
4, การตรวจสอบความน่าเชื่อถือ: การควบคุมกระบวนการทั้งหมดตั้งแต่การจำลองจนถึงการทดสอบจริง
อุปกรณ์ทางการแพทย์ต้องผ่านการทดสอบด้านสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวด (เช่น มาตรฐาน IEC 60601-1) และการออกแบบการระบายความร้อนของไดโอดต้องได้รับการตรวจสอบผ่านการจำลองและการทดสอบจริง:

การวิเคราะห์การจำลองความร้อน: ใช้ซอฟต์แวร์ เช่น ANSYS Icepak หรือ Flotherm เพื่อสร้างแบบจำลองความร้อนสามมิติ-ของ PCB จำลองอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อไดโอด การกระจายอุณหภูมิ PCB และสนามการไหลของอากาศ ตัวอย่างเช่น โดยการจำลองและเพิ่มประสิทธิภาพเค้าโครง PCB ของอุปกรณ์ที่ปลูกถ่าย อุณหภูมิจุดเชื่อมต่อไดโอดจะลดลงจาก 125 องศาเป็น 105 องศา ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัยของการปลูกถ่ายในระยะยาว-
การยืนยันการวัดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น: ในการทดสอบการหมุนเวียนของอุณหภูมิและความชื้น (เช่น -40 องศา ~85 องศา , 1,000 รอบ) ให้ใช้กล้องถ่ายภาพความร้อนอินฟราเรดเพื่อตรวจสอบอุณหภูมิพื้นผิวของไดโอด เพื่อให้แน่ใจว่าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะน้อยกว่าหรือเท่ากับ 10 องศา (ค่าทั่วไป) ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์ CGM ได้รับการทดสอบในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและมีความชื้นสูง และความเบี่ยงเบนของอุณหภูมิพื้นผิวไดโอดจากผลการจำลองคือน้อยกว่าหรือเท่ากับ 2 องศา ซึ่งตรวจสอบความถูกต้องของการออกแบบการระบายความร้อน
การทดสอบการเร่งความน่าเชื่อถือในระยะยาว: ประเมินความน่าเชื่อถือของข้อต่อไดโอดบัดกรีผ่านการบ่มอุณหภูมิสูง- (เช่น 125 องศา 1,000 ชั่วโมง) และการทดสอบการสั่นสะเทือน (เช่น 10-2000Hz, การสั่นสะเทือน 5g) ตัวอย่างเช่น การทดสอบการสั่นสะเทือนดำเนินการกับไดโอดบรรจุ BGA ที่เติมด้วยกาว Underfill และข้อต่อบัดกรีไม่มีการแตกร้าว ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดอายุการใช้งาน 10 ปีของอุปกรณ์ทางการแพทย์