¿Cuáles son los principios de diseño térmico de los diodos en los PCB de dispositivos médicos?

1, selección de materiales: equilibrio de baja resistencia térmica y alta conductividad térmica
Los dispositivos médicos son muy sensibles a la temperatura, como los dispositivos implantables que deben cumplir con la compatibilidad con el tejido humano (norma ISO 10993) y funcionar de manera estable en un ambiente de temperatura de 37 grados durante mucho tiempo. La selección de materiales de embalaje de diodos debe tener en cuenta tanto la resistencia térmica como el rendimiento eléctrico:

Material de baja caída de tensión directa: se prefieren los diodos Schottky (como BAT62-02V), con una caída de tensión directa (Vf) tan baja como 0,25 V a 10 mA. En comparación con los diodos de silicio tradicionales (0,6 V ~ 0,7 V), reduce el consumo de energía en más de un 60 %. En el módulo de transmisión inalámbrica de los dispositivos CGM, un Vf bajo puede reducir la pérdida de conducción del circuito frontal de RF y ampliar el rango de carga única.
Embalaje de alta conductividad térmica: para diodos de alta-potencia (como los diodos IGBT empaquetados en TO-247), se deben utilizar sustratos metálicos (como sustratos de aluminio) o tecnología de bloques de cobre. La conductividad térmica del sustrato de aluminio alcanza 2 W/m · K, que es 6 veces mayor que la de la placa FR-4 (0,3 W/m · K), y puede conducir rápidamente la temperatura de unión del diodo a la superficie de la PCB.
Materiales resistentes a altas temperaturas: los equipos médicos deben esterilizarse a altas temperaturas (como la esterilización con vapor a 121 grados) y los materiales de embalaje de diodos deben cumplir con los requisitos de resistencia a la temperatura. Por ejemplo, los diodos Schottky de grado industrial (como SS54) pueden soportar un rango de temperatura de -55 grados a 150 grados, evitando el agrietamiento de las juntas de soldadura causado por coeficientes de expansión térmica no coincidentes durante la desinfección.
2. Optimización del diseño: reduzca la concentración de la fuente de calor y la obstrucción del flujo de aire.
Los PCB para equipos médicos suelen tener un espacio compacto y la disposición de los diodos debe seguir el principio de "dispersar fuentes de calor y optimizar los conductos de aire":

Diseño distribuido de la fuente de calor: los diodos de alta potencia deben distribuirse uniformemente en la PCB para evitar una ubicación concentrada que pueda causar puntos calientes locales. Por ejemplo, en el módulo de alimentación de un dispositivo portátil de diagnóstico por ultrasonido, los diodos rectificadores se distribuyen a lo largo del borde de la PCB, utilizando convección natural para la disipación del calor, lo que da como resultado una reducción de 15 grados en la temperatura de la unión en comparación con un diseño centralizado.
Aislamiento de dispositivos sensibles a la temperatura: los componentes sensibles a la temperatura, como los condensadores electrolíticos, deben mantenerse alejados de fuentes de calor de diodos. En condiciones de refrigeración por aire-, la distancia entre los dos debe ser mayor o igual a 2,5 mm; En condiciones de enfriamiento natural, la distancia debe ser mayor o igual a 4,0 mm. Si el espacio es limitado, la radiación térmica se puede aislar mediante una placa de protección térmica (como una placa de cobre de 0,5 mm de espesor).
Diseño de guía de flujo de aire: para equipos de enfriamiento de aire forzado (como monitores utilizados en quirófanos), los diodos deben colocarse aguas abajo de la entrada de aire o aguas arriba de la salida de aire para garantizar que el flujo de aire cubra directamente la fuente de calor. Por ejemplo, colocar diodos rectificadores directamente detrás del ventilador de refrigeración puede aumentar la velocidad del viento en la superficie en un 30% y reducir la resistencia térmica en un 20%.
3. Mejora de la disipación de calor: construcción de rutas de conducción de calor de múltiples-niveles
Los PCB de equipos médicos requieren un sistema de disipación de calor de tres-niveles de "Disipador de calor de PCB del dispositivo" para lograr una gestión térmica eficiente:

Disipación de calor a nivel del dispositivo:
Diseño de almohadillas de disipación de calor: los diodos empaquetados TO-247 requieren que se diseñe un área grande de almohadillas de disipación de calor (que conectan los pines centrales) en la parte frontal de la PCB y que se diseñe un área más grande de lámina de cobre de disipación de calor (como 10 mm × 10 mm) en la parte posterior. Las láminas de cobre delantera y trasera deben conectarse a través de vías conductoras térmicas densas (como una matriz de 10 × 10 con un diámetro de 0,3 mm). Las vías conductoras térmicas deben llenarse con materiales conductores (como pasta de plata) y cubrirse con una máscara de soldadura para reducir la resistencia térmica del contacto.
Disipador de calor externo: instale un disipador de calor con aletas (como un disipador de calor de aluminio de 60 mm × 60 mm) en la almohadilla de disipación de calor en la parte posterior de la PCB y llene el espacio de la superficie de contacto con grasa de silicona termoconductora (conductividad térmica 5 W/m · K) para garantizar que la temperatura de la unión se reduzca en más de 30 grados en comparación con cuando no hay disipador de calor.
Disipación de calor a nivel de PCB:
Lámina de cobre gruesa y placa multicapa: use PCB con un espesor de cobre mayor o igual a 2 oz (70 μ m), e incluso use un espesor de cobre de 3 oz o un sustrato metálico. Para escenarios de energía extremadamente alta, se pueden incrustar bloques de cobre (como bloques de cobre de 5 mm de espesor) dentro de la PCB para contactar directamente con las almohadillas de disipación de calor del diodo, logrando una conducción de calor eficiente de punto-a-.
Disipación de calor a través de orificios y orificios ciegos: Diseñe la disipación de calor a través de orificios (Via in Pad, VIPPO) alrededor del diodo, llénelos con resina o materiales conductores y cúbralos con una máscara de soldadura para aumentar el área de disipación de calor. Por ejemplo, la instalación mediante orificios en las almohadillas del dispositivo LCCC puede aumentar la conductividad térmica en un 50 %.
Disipación de calor a nivel del sistema:
Optimización de la convección natural: cuando se utiliza la convección natural para la transferencia de calor, la dirección longitudinal de las aletas de disipación de calor debe ser perpendicular al suelo, utilizando el efecto ascendente del aire caliente para mejorar la disipación de calor. Por ejemplo, instalar las aletas del disipador de calor de diodo verticalmente puede reducir la resistencia térmica en un 15 % en comparación con la instalación horizontal.
Sinergia de refrigeración por aire forzado: cuando se utiliza aire forzado para disipar el calor, la dirección de las aletas del radiador debe ser coherente con la dirección del flujo de aire para evitar la desviación del flujo de aire del radiador aguas arriba. Por ejemplo, en la dirección de la circulación del aire, el uso de una disposición escalonada de radiadores o de aletas escalonadas puede aumentar la velocidad del viento en la superficie de los radiadores aguas abajo en un 20%.
4, verificación de confiabilidad: control total del proceso desde la simulación hasta las pruebas reales
Los equipos médicos deben pasar pruebas ambientales estrictas (como la norma IEC 60601-1) y el diseño térmico del diodo debe verificarse mediante simulación y pruebas reales:

Análisis de simulación térmica: utilice software como ANSYS Icepak o Flotherm para establecer un modelo térmico tridimensional de la PCB, simular la temperatura de la unión del diodo, la distribución de temperatura de la PCB y el campo de flujo de aire. Por ejemplo, al simular y optimizar el diseño de PCB de un dispositivo implantado, la temperatura de la unión del diodo se puede reducir de 125 grados a 105 grados, cumpliendo así los-requisitos de seguridad de implantes a largo plazo.
Verificación de la medición del aumento de temperatura: en las pruebas de ciclos de temperatura y humedad (como -40 grados ~ 85 grados, 1000 ciclos), use una cámara termográfica infrarroja para monitorear la temperatura de la superficie del diodo, asegurándose de que el aumento de temperatura sea menor o igual a 10 grados (valor típico). Por ejemplo, se probó un dispositivo CGM en un ambiente de alta temperatura y humedad, y la desviación de la temperatura de la superficie del diodo de los resultados de la simulación fue menor o igual a 2 grados, lo que verificó la precisión del diseño térmico.
Pruebas de aceleración de confiabilidad a largo plazo: evalúe la confiabilidad de las uniones de soldadura de diodos mediante envejecimiento a alta-temperatura (como 125 grados, 1000 horas) y pruebas de vibración (como 10-2000 Hz, vibración de 5 g). Por ejemplo, se realizaron pruebas de vibración en diodos empaquetados BGA rellenos con adhesivo Underfill y las uniones de soldadura no mostraron grietas, cumpliendo con el requisito de vida útil de 10 años de los equipos médicos.