Nguyên tắc thiết kế nhiệt của điốt trong PCB thiết bị y tế là gì?

1, Lựa chọn vật liệu: Cân bằng khả năng chịu nhiệt thấp và độ dẫn nhiệt cao
Các thiết bị y tế rất nhạy cảm với nhiệt độ, chẳng hạn như thiết bị cấy ghép phải đáp ứng khả năng tương thích mô người (tiêu chuẩn ISO 10993) và hoạt động ổn định trong môi trường nhiệt độ 37 độ trong thời gian dài. Việc lựa chọn vật liệu đóng gói đi-ốt cần tính đến cả khả năng chịu nhiệt và hiệu suất điện:

Vật liệu giảm điện áp chuyển tiếp thấp: Điốt Schottky (chẳng hạn như BAT62-02V) được ưu tiên hơn, với mức giảm điện áp chuyển tiếp (Vf) thấp tới 0,25V@10mA. So với điốt silicon truyền thống (0,6V~0,7V), nó giảm mức tiêu thụ điện năng hơn 60%. Trong mô-đun truyền không dây của thiết bị CGM, Vf thấp có thể làm giảm tổn thất dẫn truyền của mạch đầu cuối RF và mở rộng phạm vi sạc đơn.
Bao bì có độ dẫn nhiệt cao: Đối với điốt công suất-cao (chẳng hạn như điốt IGBT được đóng gói trong TO-247), nên sử dụng chất nền kim loại (chẳng hạn như chất nền nhôm) hoặc công nghệ khối đồng. Độ dẫn nhiệt của đế nhôm đạt 2W/m · K, cao gấp 6 lần so với bảng FR-4 (0,3W/m · K) và có thể nhanh chóng dẫn nhiệt độ tiếp giáp của diode với bề mặt PCB.
Vật liệu chịu nhiệt độ cao: Thiết bị y tế cần được khử trùng ở nhiệt độ cao (như khử trùng bằng hơi nước 121 độ) và vật liệu đóng gói bằng diode cần đáp ứng yêu cầu về khả năng chịu nhiệt độ. Ví dụ, điốt Schottky cấp công nghiệp (như SS54) có thể chịu được nhiệt độ từ -55 độ đến 150 độ, tránh nứt mối hàn do hệ số giãn nở nhiệt không khớp trong quá trình khử trùng.
2, Tối ưu hóa bố cục: giảm nồng độ nguồn nhiệt và tắc nghẽn luồng khí
PCB của thiết bị y tế thường nhỏ gọn về không gian và cách bố trí diode cần tuân theo nguyên tắc “phân tán nguồn nhiệt và tối ưu hóa ống dẫn khí”:

Bố trí nguồn nhiệt phân tán: Các điốt công suất cao nên được phân bố đều trên PCB để tránh việc bố trí tập trung có thể gây ra các điểm nóng cục bộ. Ví dụ, trong mô-đun nguồn của thiết bị chẩn đoán siêu âm cầm tay, các điốt chỉnh lưu được phân bổ dọc theo mép PCB, tận dụng sự đối lưu tự nhiên để tản nhiệt, giúp giảm nhiệt độ điểm nối 15 độ so với cách bố trí tập trung.
Cách ly thiết bị nhạy cảm với nhiệt độ: Các thành phần nhạy cảm với nhiệt độ như tụ điện nên được giữ cách xa nguồn nhiệt diode. Trong điều kiện làm mát bằng không khí-, khoảng cách giữa hai điểm phải Lớn hơn hoặc bằng 2,5 mm; trong điều kiện làm mát tự nhiên, khoảng cách phải lớn hơn hoặc bằng 4,0mm. Nếu không gian bị hạn chế, bức xạ nhiệt có thể được cách ly bằng tấm chắn nhiệt (chẳng hạn như tấm đồng dày 0,5mm).
Thiết kế dẫn hướng luồng khí: Đối với thiết bị làm mát không khí cưỡng bức (chẳng hạn như màn hình sử dụng trong phòng mổ), nên đặt điốt ở phía hạ lưu của cửa nạp khí hoặc phía thượng nguồn của cửa thoát khí để đảm bảo luồng khí bao phủ trực tiếp nguồn nhiệt. Ví dụ, đặt điốt chỉnh lưu ngay phía sau quạt làm mát có thể tăng tốc độ gió bề mặt lên 30% và giảm 20% khả năng cản nhiệt.
3, Tăng cường khả năng tản nhiệt: xây dựng đường dẫn nhiệt đa cấp
PCB của thiết bị y tế yêu cầu hệ thống tản nhiệt ba cấp độ "Tản nhiệt PCB của thiết bị" để đạt được khả năng quản lý nhiệt hiệu quả:

Tản nhiệt ở cấp độ thiết bị:
Thiết kế các tấm tản nhiệt: Điốt đóng gói TO-247 yêu cầu thiết kế diện tích lớn các tấm tản nhiệt (nối các chân giữa) ở mặt trước của PCB và thiết kế diện tích lớn hơn của lá đồng tản nhiệt (chẳng hạn như 10 mm × 10 mm) ở mặt sau. Các lá đồng phía trước và phía sau phải được kết nối thông qua các via dẫn nhiệt dày đặc (chẳng hạn như mảng 10 × 10 có đường kính 0,3 mm). Vias dẫn nhiệt cần được lấp đầy bằng vật liệu dẫn điện (chẳng hạn như dán bạc) và phủ mặt nạ hàn để giảm điện trở nhiệt tiếp xúc.
Tản nhiệt bên ngoài: Lắp tản nhiệt có vây (chẳng hạn như tản nhiệt nhôm 60mm × 60mm) trên tấm tản nhiệt ở mặt sau của PCB và lấp đầy khe hở bề mặt tiếp xúc bằng mỡ silicon dẫn nhiệt (độ dẫn nhiệt 5W/m · K) để đảm bảo nhiệt độ tiếp giáp giảm hơn 30 độ so với khi không có tản nhiệt.
Tản nhiệt ở cấp độ PCB:
Lá đồng dày và bảng nhiều lớp: Sử dụng PCB có độ dày đồng lớn hơn hoặc bằng 2oz (70 μ m) và thậm chí sử dụng bề mặt đồng hoặc kim loại có độ dày 3oz. Đối với các trường hợp công suất cực cao, các khối đồng (chẳng hạn như khối đồng dày 5 mm) có thể được nhúng bên trong PCB để tiếp xúc trực tiếp với các miếng tản nhiệt điốt, đạt được khả năng dẫn nhiệt điểm-tới{6}}hiệu quả.
Tản nhiệt qua lỗ và lỗ mù: Thiết kế tản nhiệt qua các lỗ (Via in Pad, VIPPO) xung quanh diode, lấp đầy bằng nhựa hoặc vật liệu dẫn điện và phủ mặt nạ hàn để tăng diện tích tản nhiệt. Ví dụ: thiết lập thông qua các lỗ trên miếng đệm thiết bị LCCC có thể tăng độ dẫn nhiệt lên 50%.
Tản nhiệt cấp hệ thống:
Tối ưu hóa đối lưu tự nhiên: Khi sử dụng đối lưu tự nhiên để truyền nhiệt, chiều dài của cánh tản nhiệt phải vuông góc với mặt đất, tận dụng hiệu ứng dâng cao của không khí nóng để tăng cường khả năng tản nhiệt. Ví dụ, lắp đặt các vây của tản nhiệt diode theo chiều dọc có thể giảm 15% khả năng cản nhiệt so với lắp đặt theo chiều ngang.
Sức mạnh tổng hợp làm mát không khí cưỡng bức: Khi sử dụng không khí cưỡng bức để tản nhiệt, hướng của các cánh tản nhiệt phải phù hợp với hướng luồng khí để tránh luồng khí ngược dòng của bộ tản nhiệt. Ví dụ, theo hướng lưu thông không khí, việc sử dụng cách bố trí so le các bộ tản nhiệt hoặc các cánh tản nhiệt so le có thể làm tăng tốc độ gió bề mặt của các bộ tản nhiệt ở hạ lưu lên 20%.
4, Xác minh độ tin cậy: kiểm soát toàn bộ quá trình từ mô phỏng đến thử nghiệm thực tế
Thiết bị y tế cần phải vượt qua quá trình kiểm tra môi trường nghiêm ngặt (chẳng hạn như tiêu chuẩn IEC 60601-1) và thiết kế nhiệt diode cần phải được xác minh thông qua mô phỏng và thử nghiệm thực tế:

Phân tích mô phỏng nhiệt: Sử dụng phần mềm như ANSYS Icepak hoặc Fotherm để thiết lập mô hình nhiệt ba chiều của PCB, mô phỏng nhiệt độ tiếp giáp điốt, phân bổ nhiệt độ PCB và trường luồng khí. Ví dụ: bằng cách mô phỏng và tối ưu hóa bố cục PCB của thiết bị cấy ghép, nhiệt độ điểm nối đi-ốt có thể giảm từ 125 độ xuống 105 độ, đáp ứng các yêu cầu-an toàn cấy ghép lâu dài.
Xác minh đo mức tăng nhiệt độ: Trong các thử nghiệm chu kỳ nhiệt độ và độ ẩm (chẳng hạn như -40 độ ~ 85 độ, 1000 chu kỳ), hãy sử dụng thiết bị chụp ảnh nhiệt hồng ngoại để theo dõi nhiệt độ bề mặt của diode, đảm bảo rằng mức tăng nhiệt độ Nhỏ hơn hoặc bằng 10 độ (giá trị điển hình). Ví dụ: một thiết bị CGM đã được thử nghiệm trong môi trường nhiệt độ và độ ẩm cao và độ lệch của nhiệt độ bề mặt diode so với kết quả mô phỏng là Nhỏ hơn hoặc bằng 2 độ, điều này đã xác minh tính chính xác của thiết kế nhiệt.
Kiểm tra khả năng tăng tốc độ tin cậy dài hạn: Đánh giá độ tin cậy của các mối hàn đi-ốt thông qua-sự lão hóa ở nhiệt độ cao (chẳng hạn như 125 độ, 1000 giờ) và kiểm tra độ rung (chẳng hạn như độ rung 10-2000Hz, độ rung 5g). Ví dụ, thử nghiệm độ rung được tiến hành trên các điốt đóng gói BGA chứa đầy chất kết dính Underfill và các mối hàn không có vết nứt, đáp ứng yêu cầu về tuổi thọ 10 năm của thiết bị y tế.