Beth yw egwyddorion dylunio thermol deuodau mewn PCBs dyfeisiau meddygol?

1, Dewis deunydd: Cydbwyso ymwrthedd thermol isel a dargludedd thermol uchel
Mae dyfeisiau meddygol yn sensitif iawn i dymheredd, megis dyfeisiau mewnblanadwy sy'n gorfod bodloni cydnawsedd meinwe ddynol (safon ISO 10993) a gweithredu'n sefydlog mewn amgylchedd tymheredd o 37 gradd am amser hir. Dylai'r dewis o ddeunyddiau pecynnu deuod ystyried ymwrthedd thermol a pherfformiad trydanol:

Deunydd gollwng foltedd ymlaen isel: Mae deuodau Schottky (fel BAT62-02V) yn cael eu ffafrio, gyda gostyngiad mewn foltedd ymlaen (Vf) mor isel â 0.25V@10mA O'i gymharu â deuodau silicon traddodiadol (0.6V ~ 0.7V), mae'n lleihau'r defnydd o bŵer gan fwy na 60%. Yn y modiwl trosglwyddo diwifr o ddyfeisiau CGM, gall Vf isel leihau colled dargludiad y gylched pen blaen RF ac ymestyn yr ystod tâl sengl.
Pecynnu dargludedd thermol uchel: Ar gyfer deuodau pŵer uchel (fel deuodau IGBT wedi'u pecynnu yn TO-247), dylid defnyddio swbstradau metel (fel swbstradau alwminiwm) neu dechnoleg bloc copr. Mae dargludedd thermol y swbstrad alwminiwm yn cyrraedd 2W / m · K, sydd 6 gwaith yn uwch na bwrdd FR-4 (0.3W / m · K), a gall ddargludo tymheredd cyffordd y deuod yn gyflym i wyneb y PCB.
Deunyddiau gwrthsefyll tymheredd uchel: Mae angen sterileiddio offer meddygol ar dymheredd uchel (fel sterileiddio stêm 121 gradd), ac mae angen i ddeunyddiau pecynnu deuod fodloni gofynion gwrthsefyll tymheredd. Er enghraifft, gall deuodau Schottky gradd ddiwydiannol (fel SS54) wrthsefyll ystod tymheredd o -55 gradd i 150 gradd, gan osgoi cracio cymalau sodr a achosir gan gyfernodau ehangu thermol anghymharol yn ystod diheintio.
2, Optimeiddio gosodiad: lleihau crynodiad ffynhonnell gwres a rhwystr llif aer
Mae PCBs offer meddygol fel arfer yn gryno yn y gofod, ac mae angen i gynllun y deuod ddilyn yr egwyddor "gwasgaru ffynonellau gwres a optimeiddio dwythellau aer":

Cynllun gwasgaredig y ffynhonnell wres: Dylid dosbarthu deuodau pŵer uchel yn gyfartal ar y PCB er mwyn osgoi lleoliad dwys a allai achosi mannau problemus lleol. Er enghraifft, ym modiwl pŵer dyfais ddiagnostig uwchsain cludadwy, dosberthir deuodau unionydd ar hyd ymyl y PCB, gan ddefnyddio darfudiad naturiol ar gyfer afradu gwres, gan arwain at ostyngiad o 15 gradd yn nhymheredd y gyffordd o'i gymharu â gosodiad canolog.
Ynysu dyfais sy'n sensitif i dymheredd: Dylid cadw cydrannau sy'n sensitif i dymheredd fel cynwysyddion electrolytig i ffwrdd o ffynonellau gwres deuod. O dan amodau wedi'u hoeri gan aer, dylai'r pellter rhwng y ddau fod yn fwy na neu'n hafal i 2.5mm; o dan amodau oeri naturiol, dylai'r pellter fod yn fwy na neu'n hafal i 4.0mm. Os yw'r gofod yn gyfyngedig, gall ymbelydredd thermol gael ei ynysu gan blât tarian gwres (fel plât copr 0.5mm o drwch).
Dyluniad canllaw llif aer: Ar gyfer offer oeri aer gorfodol (fel monitorau a ddefnyddir mewn ystafelloedd gweithredu), dylid gosod deuodau i lawr yr afon o'r fewnfa aer neu i fyny'r afon o'r allfa aer i sicrhau bod y llif aer yn gorchuddio'r ffynhonnell wres yn uniongyrchol. Er enghraifft, gall gosod deuodau unioni yn union y tu ôl i'r gefnogwr oeri gynyddu cyflymder gwynt wyneb 30% a lleihau ymwrthedd thermol 20%.
3, Gwella afradu gwres: adeiladu llwybrau dargludiad gwres aml-lefel
Mae PCBs offer meddygol angen system afradu gwres tair lefel o "Device PCB Heat Sink" i gyflawni rheolaeth thermol effeithlon:

Gwasgariad gwres lefel dyfais:
Dyluniad padiau afradu gwres: Mae angen dylunio padiau afradu gwres (sy'n cysylltu'r pinnau canol) ar flaen y PCB ar gyfer deuodau pecynnu TO-247, ac ardal fwy o ffoil copr afradu gwres (fel 10mm × 10mm) i'w dylunio ar y cefn. Dylid cysylltu'r ffoiliau copr blaen a chefn trwy gyfrwng dargludol thermol trwchus (fel arae 10 × 10 gyda diamedr o 0.3mm). Mae angen llenwi vias dargludol thermol â deunyddiau dargludol (fel past arian) a'u gorchuddio â mwgwd sodr i leihau ymwrthedd thermol cyswllt.
Sinc gwres allanol: Gosodwch sinc gwres finned (fel sinc gwres alwminiwm 60mm × 60mm) ar y pad afradu gwres ar gefn y PCB, a llenwch y bwlch arwyneb cyswllt gyda saim silicon dargludol thermol (dargludedd thermol 5W / m · K) i sicrhau bod tymheredd y gyffordd yn cael ei ostwng gan fwy na 30 gradd o'i gymharu â phan nad oes sinc gwres.
Gwasgariad gwres lefel PCB:
Ffoil copr trwchus a bwrdd amlhaenog: Defnyddiwch PCB gyda thrwch copr Mwy na neu'n hafal i 2 owns (70 μ m), a hyd yn oed ddefnyddio trwch copr 3 owns neu swbstrad metel. Ar gyfer senarios pŵer uchel iawn, gellir mewnosod blociau copr (fel blociau copr 5mm o drwch) y tu mewn i'r PCB i gysylltu'n uniongyrchol â'r padiau afradu gwres deuod, gan gyflawni dargludiad gwres pwynt effeithlon i bwyntio.
Gwasgariad gwres trwy dyllau a thyllau dall: Dyluniwch afradu gwres trwy dyllau (Via in Pad, VIPPO) o amgylch y deuod, llenwch nhw â resin neu ddeunyddiau dargludol, a'u gorchuddio â mwgwd sodr i gynyddu'r ardal afradu gwres. Er enghraifft, gall gosod trwy dyllau ar badiau dyfais LCCC gynyddu dargludedd thermol 50%.
Gwasgariad gwres lefel system:
Optimeiddio darfudiad naturiol: Wrth ddefnyddio darfudiad naturiol ar gyfer trosglwyddo gwres, dylai cyfeiriad hyd yr esgyll afradu gwres fod yn berpendicwlar i'r ddaear, gan ddefnyddio effaith gynyddol aer poeth i wella afradu gwres. Er enghraifft, gall gosod esgyll y sinc gwres deuod yn fertigol leihau ymwrthedd thermol 15% o'i gymharu â gosodiad llorweddol.
Synergedd oeri aer dan orfod: Wrth ddefnyddio aer gorfodol i wasgaru gwres, dylai cyfeiriad esgyll y rheiddiadur fod yn gyson â chyfeiriad y llif aer er mwyn osgoi dargyfeirio llif aer y rheiddiadur i fyny'r afon. Er enghraifft, i gyfeiriad cylchrediad aer, gall defnyddio trefniant graddol o reiddiaduron neu esgyll croesgam gynyddu cyflymder gwynt wyneb rheiddiaduron i lawr yr afon 20%.
4, Gwirio dibynadwyedd: rheolaeth broses lawn o efelychu i brofi gwirioneddol
Mae angen i offer meddygol basio profion amgylcheddol llym (fel safon IEC 60601-1), ac mae angen gwirio dyluniad thermol deuod trwy efelychu a phrofion gwirioneddol:

Dadansoddiad efelychiad thermol: Defnyddiwch feddalwedd fel ANSYS Icepak neu Flotherm i sefydlu model thermol tri dimensiwn o'r PCB, efelychu tymheredd cyffordd deuod, dosbarthiad tymheredd PCB, a maes llif aer. Er enghraifft, trwy efelychu ac optimeiddio gosodiad PCB dyfais wedi'i fewnblannu, gellir gostwng tymheredd cyffordd y deuod o 125 gradd i 105 gradd, gan fodloni'r gofynion diogelwch mewnblaniad hirdymor.
Gwiriad mesur cynnydd tymheredd: Mewn profion beicio tymheredd a lleithder (fel -40 gradd ~ 85 gradd, 1000 o gylchoedd), defnyddiwch ddelweddydd thermol isgoch i fonitro tymheredd wyneb y deuod, gan sicrhau bod y cynnydd tymheredd yn Llai na neu'n hafal i 10 gradd (gwerth nodweddiadol). Er enghraifft, profwyd dyfais CGM mewn amgylchedd tymheredd uchel a lleithder uchel, ac roedd gwyriad tymheredd wyneb y deuod o'r canlyniadau efelychu yn Llai na neu'n hafal i 2 radd, a oedd yn gwirio cywirdeb y dyluniad thermol.
Profi cyflymiad dibynadwyedd hirdymor: Gwerthuswch ddibynadwyedd cymalau sodr deuod trwy heneiddio ar dymheredd uchel (fel 125 gradd , 1000 awr) a phrofion dirgryniad (fel dirgryniad 10-2000Hz, 5g). Er enghraifft, cynhaliwyd profion dirgryniad ar ddeuodau pecynnu BGA wedi'u llenwi â gludiog Underfill, ac ni ddangosodd y cymalau sodr unrhyw gracio, gan fodloni gofyniad bywyd gwasanaeth 10 mlynedd offer meddygol.