Quels sont les principes de conception thermique des diodes dans les PCB des dispositifs médicaux ?

1, sélection des matériaux : équilibrer une faible résistance thermique et une conductivité thermique élevée
Les dispositifs médicaux sont très sensibles à la température, comme les dispositifs implantables qui doivent être compatibles avec les tissus humains (norme ISO 10993) et fonctionner de manière stable dans un environnement à température de 37 degrés pendant une longue période. La sélection des matériaux d'emballage des diodes doit prendre en compte à la fois la résistance thermique et les performances électriques :

Matériau à faible chute de tension directe : les diodes Schottky (telles que BAT62-02 V) sont préférées, avec une chute de tension directe (Vf) aussi faible que 0,25 V à 10 mA. Par rapport aux diodes au silicium traditionnelles (0,6 V ~ 0,7 V), elles réduisent la consommation d'énergie de plus de 60 %. Dans le module de transmission sans fil des appareils CGM, un faible Vf peut réduire la perte de conduction du circuit frontal RF et étendre la plage de charge unique.
Emballage à haute conductivité thermique : pour les diodes à haute-puissance (telles que les diodes IGBT conditionnées en TO-247), des substrats métalliques (tels que des substrats en aluminium) ou une technologie de blocs de cuivre doivent être utilisés. La conductivité thermique du substrat en aluminium atteint 2 W/m · K, soit 6 fois supérieure à celle de la carte FR-4 (0,3 W/m · K), et peut rapidement conduire la température de jonction de la diode à la surface du PCB.
Matériaux résistants aux températures élevées : les équipements médicaux doivent être stérilisés à des températures élevées (telles que la stérilisation à la vapeur à 121 degrés) et les matériaux d'emballage des diodes doivent répondre aux exigences de résistance à la température. Par exemple, les diodes Schottky de qualité industrielle (telles que SS54) peuvent résister à une plage de températures de -55 degrés à 150 degrés, évitant ainsi la fissuration des joints de soudure causée par des coefficients de dilatation thermique incompatibles lors de la désinfection.
2, optimisation de la disposition : réduire la concentration de la source de chaleur et l'obstruction du flux d'air
Les PCB des équipements médicaux sont généralement compacts dans l'espace et la disposition des diodes doit suivre le principe de « dispersion des sources de chaleur et optimisation des conduits d'air » :

Disposition distribuée de la source de chaleur : les diodes haute puissance doivent être réparties uniformément sur le PCB pour éviter un placement concentré susceptible de provoquer des points chauds locaux. Par exemple, dans le module d'alimentation d'un appareil de diagnostic à ultrasons portable, des diodes de redressement sont réparties le long du bord du PCB, utilisant la convection naturelle pour la dissipation thermique, ce qui entraîne une réduction de 15 degrés de la température de jonction par rapport à une disposition centralisée.
Isolation des appareils sensibles à la température : les composants sensibles à la température tels que les condensateurs électrolytiques doivent être tenus à l'écart des sources de chaleur des diodes. Dans des conditions de refroidissement par air-, la distance entre les deux doit être supérieure ou égale à 2,5 mm ; dans des conditions de refroidissement naturel, la distance doit être supérieure ou égale à 4,0 mm. Si l'espace est limité, le rayonnement thermique peut être isolé par une plaque de protection thermique (telle qu'une plaque de cuivre de 0,5 mm d'épaisseur).
Conception de guidage du flux d'air : pour les équipements de refroidissement à air pulsé (tels que les moniteurs utilisés dans les salles d'opération), les diodes doivent être placées en aval de l'entrée d'air ou en amont de la sortie d'air pour garantir que le flux d'air couvre directement la source de chaleur. Par exemple, placer des diodes de redressement directement derrière le ventilateur de refroidissement peut augmenter la vitesse du vent en surface de 30 % et réduire la résistance thermique de 20 %.
3, Amélioration de la dissipation thermique : construction de chemins de conduction thermique à plusieurs-niveaux
Les PCB des équipements médicaux nécessitent un système de dissipation thermique à trois -niveaux de « dissipateur thermique pour PCB de périphérique » pour obtenir une gestion thermique efficace :

Dissipation thermique au niveau de l'appareil :
Conception des tampons de dissipation thermique : les diodes emballées dans un boîtier TO-247 nécessitent qu'une grande surface de tampons de dissipation thermique (reliant les broches centrales) soit conçue à l'avant du PCB, et qu'une plus grande surface de feuille de cuivre de dissipation thermique (telle que 10 mm × 10 mm) soit conçue à l'arrière. Les feuilles de cuivre avant et arrière doivent être connectées via des vias conducteurs thermiques denses (tels qu'un réseau 10 × 10 d'un diamètre de 0,3 mm). Les vias conducteurs thermiques doivent être remplis de matériaux conducteurs (tels que de la pâte d'argent) et recouverts d'un masque de soudure pour réduire la résistance thermique de contact.
Dissipateur thermique externe : installez un dissipateur thermique à ailettes (tel qu'un dissipateur thermique en aluminium de 60 mm × 60 mm) sur le tampon de dissipation thermique à l'arrière du PCB et remplissez l'espace de la surface de contact avec de la graisse silicone thermoconductrice (conductivité thermique 5 W/m · K) pour garantir que la température de jonction est réduite de plus de 30 degrés par rapport à l'absence de dissipateur thermique.
Dissipation thermique au niveau du PCB :
Feuille de cuivre épaisse et panneau multicouche : utilisez un PCB avec une épaisseur de cuivre supérieure ou égale à 2 oz (70 μm), et utilisez même une épaisseur de cuivre de 3 oz ou un substrat métallique. Pour les scénarios de puissance extrêmement élevée, des blocs de cuivre (tels que des blocs de cuivre de 5 mm d'épaisseur) peuvent être intégrés à l'intérieur du PCB pour entrer directement en contact avec les plots de dissipation thermique des diodes, permettant ainsi d'obtenir une conduction thermique efficace d'un point à l'autre.
Dissipation thermique à travers des trous et des trous borgnes : Concevez une dissipation thermique à travers des trous (Via in Pad, VIPPO) autour de la diode, remplissez-les de résine ou de matériaux conducteurs et recouvrez-les d'un masque de soudure pour augmenter la zone de dissipation thermique. Par exemple, la mise en place de vias sur les plots des dispositifs LCCC peut augmenter la conductivité thermique de 50 %.
Dissipation thermique au niveau du système :
Optimisation de la convection naturelle : lors de l'utilisation de la convection naturelle pour le transfert de chaleur, la direction de la longueur des ailettes de dissipation thermique doit être perpendiculaire au sol, en utilisant l'effet ascendant de l'air chaud pour améliorer la dissipation thermique. Par exemple, l'installation verticale des ailettes du dissipateur thermique à diode peut réduire la résistance thermique de 15 % par rapport à une installation horizontale.
Synergie de refroidissement par air pulsé : lorsque vous utilisez de l'air pulsé pour dissiper la chaleur, la direction des ailettes du radiateur doit être cohérente avec la direction du flux d'air pour éviter le détournement du flux d'air par le radiateur en amont. Par exemple, dans le sens de la circulation de l'air, l'utilisation d'une disposition décalée des radiateurs ou d'ailettes décalées peut augmenter de 20 % la vitesse du vent à la surface des radiateurs en aval.
4, vérification de la fiabilité : contrôle complet du processus, de la simulation aux tests réels
Les équipements médicaux doivent passer des tests environnementaux stricts (tels que la norme CEI 60601-1) et la conception thermique des diodes doit être vérifiée par simulation et tests réels :

Analyse de simulation thermique : utilisez un logiciel tel qu'ANSYS Icepak ou Flotherm pour établir un modèle thermique tridimensionnel du PCB, simuler la température de jonction de la diode, la distribution de la température du PCB et le champ de flux d'air. Par exemple, en simulant et en optimisant la disposition du PCB d'un dispositif implanté, la température de jonction des diodes peut être réduite de 125 degrés à 105 degrés, répondant ainsi aux exigences de sécurité des implants à long terme.
Vérification de la mesure de l'augmentation de la température : lors des tests de cycles de température et d'humidité (tels que -40 degrés ~ 85 degrés, 1 000 cycles), utilisez un imageur thermique infrarouge pour surveiller la température de surface de la diode, en vous assurant que l'augmentation de la température est inférieure ou égale à 10 degrés (valeur typique). Par exemple, un dispositif CGM a été testé dans un environnement à haute température et humidité élevée, et l'écart de la température de surface de la diode par rapport aux résultats de simulation était inférieur ou égal à 2 degrés, ce qui a vérifié la précision de la conception thermique.
Tests d'accélération de fiabilité à long terme : évaluez la fiabilité des joints de soudure de diodes grâce à un vieillissement à haute -température (par exemple 125 degrés, 1 000 heures) et à des tests de vibration (par exemple, 10 à 2 000 Hz, vibration de 5 g). Par exemple, des tests de vibration ont été effectués sur des diodes en boîtier BGA remplies d'adhésif Underfill, et les joints de soudure n'ont montré aucune fissure, répondant ainsi à l'exigence de durée de vie de 10 ans des équipements médicaux.