Was sind die thermischen Designprinzipien von Dioden in Leiterplatten für medizinische Geräte?

1, Materialauswahl: Ausgleich von geringem Wärmewiderstand und hoher Wärmeleitfähigkeit
Medizinische Geräte sind sehr temperaturempfindlich, beispielsweise implantierbare Geräte, die die Kompatibilität mit menschlichem Gewebe (ISO 10993-Standard) erfüllen und in einer Temperaturumgebung von 37 Grad über einen langen Zeitraum stabil funktionieren müssen. Bei der Auswahl der Verpackungsmaterialien für Dioden sollten sowohl der thermische Widerstand als auch die elektrische Leistung berücksichtigt werden:

Material mit geringem Durchlassspannungsabfall: Schottky-Dioden (z. B. BAT62-02V) werden bevorzugt, da der Durchlassspannungsabfall (Vf) nur 0,25 V bei 10 mA beträgt. Im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumdioden (0,6 V bis 0,7 V) wird der Stromverbrauch um mehr als 60 % reduziert. Im drahtlosen Übertragungsmodul von CGM-Geräten kann eine niedrige Vf den Leitungsverlust des HF-Frontend-Schaltkreises reduzieren und den Einzelladebereich erweitern.
Verpackung mit hoher Wärmeleitfähigkeit: Für Hochleistungsdioden (z. B. IGBT-Dioden im TO-247-Gehäuse) sollten Metallsubstrate (z. B. Aluminiumsubstrate) oder Kupferblocktechnologie verwendet werden. Die Wärmeleitfähigkeit des Aluminiumsubstrats erreicht 2 W/m · K, was sechsmal höher ist als die der FR-4-Platte (0,3 W/m · K) und kann die Sperrschichttemperatur der Diode schnell an die Oberfläche der Leiterplatte weiterleiten.
Hochtemperaturbeständige Materialien: Medizinische Geräte müssen bei hohen Temperaturen sterilisiert werden (z. B. 121-Grad-Dampfsterilisation), und Diodenverpackungsmaterialien müssen die Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit erfüllen. Beispielsweise können Schottky-Dioden in Industriequalität (z. B. SS54) einem Temperaturbereich von -55 bis 150 Grad standhalten und verhindern so Risse in der Lötstelle, die durch nicht übereinstimmende Wärmeausdehnungskoeffizienten während der Desinfektion verursacht werden.
2, Layoutoptimierung: Reduzieren Sie die Konzentration der Wärmequelle und die Behinderung des Luftstroms
Leiterplatten für medizinische Geräte sind in der Regel räumlich kompakt und das Diodenlayout muss dem Prinzip „Wärmequellen verteilen und Luftkanäle optimieren“ folgen:

Verteilte Anordnung der Wärmequelle: Hochleistungsdioden sollten gleichmäßig auf der Leiterplatte verteilt sein, um eine konzentrierte Platzierung zu vermeiden, die zu lokalen Hotspots führen kann. Beispielsweise sind im Leistungsmodul eines tragbaren Ultraschalldiagnosegeräts Gleichrichterdioden entlang der Kante der Leiterplatte verteilt und nutzen die natürliche Konvektion zur Wärmeableitung, was zu einer Reduzierung der Sperrschichttemperatur um 15 Grad im Vergleich zu einem zentralisierten Layout führt.
Isolierung temperaturempfindlicher Geräte: Temperaturempfindliche Komponenten wie Elektrolytkondensatoren sollten von Diodenwärmequellen ferngehalten werden. Unter luftgekühlten Bedingungen sollte der Abstand zwischen den beiden größer oder gleich 2,5 mm sein; Unter natürlichen Kühlbedingungen sollte der Abstand größer oder gleich 4,0 mm sein. Wenn der Platz begrenzt ist, kann die Wärmestrahlung durch eine Hitzeschildplatte (z. B. eine 0,5 mm dicke Kupferplatte) isoliert werden.
Design der Luftstromführung: Bei Zwangsluftkühlungsgeräten (z. B. Monitoren in Operationssälen) sollten Dioden stromabwärts des Lufteinlasses oder stromaufwärts des Luftauslasses platziert werden, um sicherzustellen, dass der Luftstrom die Wärmequelle direkt bedeckt. Beispielsweise kann die Platzierung von Gleichrichterdioden direkt hinter dem Kühlventilator die Windgeschwindigkeit an der Oberfläche um 30 % erhöhen und den Wärmewiderstand um 20 % verringern.
3, Verbesserung der Wärmeableitung: Aufbau von mehrstufigen Wärmeleitungspfaden
Leiterplatten für medizinische Geräte erfordern ein dreistufiges Wärmeableitungssystem „Device PCB Heat Sink“, um ein effizientes Wärmemanagement zu erreichen:

Wärmeableitung auf Geräteebene:
Design von Wärmeableitungspads: Bei TO-247-Dioden muss eine große Fläche von Wärmeableitungspads (die die mittleren Stifte verbinden) auf der Vorderseite der Leiterplatte und eine größere Fläche von Wärmeableitungskupferfolie (z. B. 10 mm × 10 mm) auf der Rückseite entworfen werden. Die Kupferfolien auf der Vorder- und Rückseite sollten durch dichte wärmeleitende Durchkontaktierungen verbunden sein (z. B. ein 10 × 10-Array mit einem Durchmesser von 0,3 mm). Wärmeleitende Durchkontaktierungen müssen mit leitfähigen Materialien (z. B. Silberpaste) gefüllt und mit einer Lötmaske abgedeckt werden, um den thermischen Kontaktwiderstand zu verringern.
Externer Kühlkörper: Installieren Sie einen Kühlkörper mit Lamellen (z. B. einen 60 mm × 60 mm großen Aluminiumkühlkörper) auf dem Wärmeableitungspad auf der Rückseite der Leiterplatte und füllen Sie die Kontaktflächenlücke mit wärmeleitendem Silikonfett (Wärmeleitfähigkeit 5 W/m · K), um sicherzustellen, dass die Verbindungstemperatur im Vergleich zu einem Fall ohne Kühlkörper um mehr als 30 Grad gesenkt wird.
Wärmeableitung auf Leiterplattenebene:
Dicke Kupferfolie und Mehrschichtplatinen: Verwenden Sie Leiterplatten mit einer Kupferdicke von mehr als oder gleich 2 Unzen (70 μm) und sogar 3 Unzen Kupferdicke oder Metallsubstrate. Für Szenarien mit extrem hoher Leistung können Kupferblöcke (z. B. 5 mm dicke Kupferblöcke) in die Leiterplatte eingebettet werden, um die Wärmeableitungspads der Diode direkt zu kontaktieren und so eine effiziente Punkt-zu-Punkt-Wärmeleitung zu erreichen.
Wärmeableitung durch Löcher und Sacklöcher: Entwerfen Sie Wärmeableitungslöcher (Via in Pad, VIPPO) rund um die Diode, füllen Sie diese mit Harz oder leitfähigen Materialien und bedecken Sie sie mit einer Lötmaske, um die Wärmeableitungsfläche zu vergrößern. Beispielsweise kann das Anbringen von Durchgangslöchern auf den Pads von LCCC-Geräten die Wärmeleitfähigkeit um 50 % erhöhen.
Wärmeableitung auf Systemebene:
Optimierung der natürlichen Konvektion: Bei der Nutzung der natürlichen Konvektion zur Wärmeübertragung sollte die Längsrichtung der Wärmeableitungslamellen senkrecht zum Boden verlaufen und den aufsteigenden Effekt heißer Luft zur Verbesserung der Wärmeableitung nutzen. Beispielsweise kann die vertikale Installation der Lamellen des Diodenkühlkörpers den Wärmewiderstand im Vergleich zur horizontalen Installation um 15 % reduzieren.
Synergie der Zwangsluftkühlung: Bei Verwendung von Zwangsluft zur Wärmeableitung sollte die Richtung der Kühlerlamellen mit der Luftstromrichtung übereinstimmen, um eine Umlenkung des Luftstroms vor dem Kühler zu vermeiden. Beispielsweise kann in Richtung der Luftzirkulation eine versetzte Anordnung der Heizkörper oder versetzte Lamellen die Oberflächenwindgeschwindigkeit der nachgeschalteten Heizkörper um 20 % erhöhen.
4, Zuverlässigkeitsüberprüfung: vollständige Prozesskontrolle von der Simulation bis zum tatsächlichen Test
Medizinische Geräte müssen strenge Umwelttests bestehen (z. B. die Norm IEC 60601-1) und das thermische Design der Dioden muss durch Simulation und tatsächliche Tests verifiziert werden:

Thermische Simulationsanalyse: Verwenden Sie Software wie ANSYS Icepak oder Flotherm, um ein dreidimensionales thermisches Modell der Leiterplatte zu erstellen und die Diodenübergangstemperatur, die Leiterplattentemperaturverteilung und das Luftströmungsfeld zu simulieren. Durch die Simulation und Optimierung des PCB-Layouts eines implantierten Geräts kann beispielsweise die Diodenübergangstemperatur von 125 Grad auf 105 Grad gesenkt werden, wodurch die langfristigen Anforderungen an die Implantatsicherheit erfüllt werden.
Überprüfung der Temperaturanstiegsmessung: Verwenden Sie bei Temperatur- und Feuchtigkeitswechseltests (z. B. -40 °C bis 85 °C, 1000 Zyklen) eine Infrarot-Wärmebildkamera, um die Oberflächentemperatur der Diode zu überwachen und sicherzustellen, dass der Temperaturanstieg kleiner oder gleich 10 °C ist (typischer Wert). Beispielsweise wurde ein CGM-Gerät in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit getestet und die Abweichung der Diodenoberflächentemperatur von den Simulationsergebnissen betrug weniger als oder gleich 2 Grad, was die Genauigkeit des thermischen Designs bestätigte.
Langfristige Zuverlässigkeitsbeschleunigungstests: Bewerten Sie die Zuverlässigkeit von Diodenlötverbindungen durch Hochtemperaturalterung (z. B. 125 Grad, 1000 Stunden) und Vibrationstests (z. B. 10–2000 Hz, 5 g Vibration). Beispielsweise wurden Vibrationstests an Dioden im BGA-Gehäuse durchgeführt, die mit Underfill-Kleber gefüllt waren, und die Lötstellen zeigten keine Risse, womit die 10-Jahres-Lebensdaueranforderung für medizinische Geräte erfüllt wurde.