میڈیکل ڈیوائس پی سی بی میں ڈائیوڈز کے تھرمل ڈیزائن کے اصول کیا ہیں؟

1، مواد کا انتخاب: کم تھرمل مزاحمت اور اعلی تھرمل چالکتا کا توازن
طبی آلات درجہ حرارت کے لیے انتہائی حساس ہوتے ہیں، جیسے لگانے کے قابل آلات جو انسانی بافتوں کی مطابقت (ISO 10993 معیار) پر پورا اترتے ہیں اور لمبے عرصے تک 37 ڈگری درجہ حرارت کے ماحول میں مستحکم طریقے سے کام کرتے ہیں۔ ڈائیوڈ پیکیجنگ مواد کے انتخاب میں تھرمل مزاحمت اور برقی کارکردگی دونوں کو مدنظر رکھنا چاہیے:

کم فارورڈ وولٹیج ڈراپ مواد: Schottky diodes (جیسے BAT62-02V) کو ترجیح دی جاتی ہے، جس میں فارورڈ وولٹیج ڈراپ (Vf) 0.25V@10mA تک کم ہوتا ہے روایتی سلکان ڈائیوڈس (0.6V~0.7V) کے مقابلے، یہ بجلی کی کھپت کو 0%6 سے زیادہ کم کرتا ہے۔ CGM ڈیوائسز کے وائرلیس ٹرانسمیشن ماڈیول میں، کم Vf RF فرنٹ اینڈ سرکٹ کے کنڈکشن نقصان کو کم کر سکتا ہے اور سنگل چارج رینج کو بڑھا سکتا ہے۔
ہائی تھرمل چالکتا کی پیکیجنگ: ہائی-پاور ڈائیوڈس کے لیے (جیسے کہ TO-247 میں پیک کیے گئے IGBT diodes)، میٹل سبسٹریٹس (جیسے ایلومینیم سبسٹریٹس) یا کاپر بلاک ٹیکنالوجی استعمال کی جانی چاہیے۔ ایلومینیم سبسٹریٹ کی تھرمل چالکتا 2W/m · K تک پہنچ جاتی ہے، جو کہ FR-4 بورڈ (0.3W/m · K) سے 6 گنا زیادہ ہے، اور ڈایڈڈ کے جنکشن درجہ حرارت کو پی سی بی کی سطح پر تیزی سے لے جا سکتا ہے۔
اعلی درجہ حرارت مزاحم مواد: طبی آلات کو اعلی درجہ حرارت پر جراثیم سے پاک کرنے کی ضرورت ہے (جیسے 121 ڈگری بھاپ کی جراثیم کشی)، اور ڈائیوڈ پیکیجنگ مواد کو درجہ حرارت کے خلاف مزاحمت کی ضروریات کو پورا کرنے کی ضرورت ہے۔ مثال کے طور پر، صنعتی گریڈ Schottky diodes (جیسے SS54) -55 ڈگری سے 150 ڈگری کے درجہ حرارت کی حد کو برداشت کر سکتے ہیں، جراثیم کشی کے دوران غیر مماثل تھرمل ایکسپینشن گتانک کی وجہ سے سولڈر جوائنٹ کریکنگ سے بچتے ہیں۔
2، لے آؤٹ کی اصلاح: گرمی کے منبع کی حراستی اور ہوا کے بہاؤ میں رکاوٹ کو کم کریں۔
طبی سازوسامان PCBs عام طور پر خلا میں کمپیکٹ ہوتے ہیں، اور ڈائیوڈ لے آؤٹ کو "گرمی کے ذرائع کو منتشر کرنے اور ہوا کی نالیوں کو بہتر بنانے" کے اصول پر عمل کرنے کی ضرورت ہے:

گرمی کے منبع کی تقسیم شدہ ترتیب: ہائی پاور ڈائیوڈس کو پی سی بی پر یکساں طور پر تقسیم کیا جانا چاہیے تاکہ مقامی ہاٹ اسپاٹ کا سبب بننے والے مرتکز جگہ سے بچ سکیں۔ مثال کے طور پر، پورٹیبل الٹراساؤنڈ تشخیصی ڈیوائس کے پاور ماڈیول میں، ریکٹیفائر ڈائیوڈس کو پی سی بی کے کنارے پر تقسیم کیا جاتا ہے، جس میں گرمی کی کھپت کے لیے قدرتی کنویکشن کا استعمال کیا جاتا ہے، جس کے نتیجے میں مرکزی ترتیب کے مقابلے جنکشن کے درجہ حرارت میں 15 ڈگری کی کمی واقع ہوتی ہے۔
درجہ حرارت کے حساس آلات کی تنہائی: درجہ حرارت کے حساس اجزاء جیسے الیکٹرولائٹک کیپسیٹرز کو ڈائیوڈ حرارت کے ذرائع سے دور رکھنا چاہئے۔ ہوا کے ٹھنڈے حالات میں، دونوں کے درمیان فاصلہ 2.5 ملی میٹر سے زیادہ یا اس کے برابر ہونا چاہیے۔ قدرتی ٹھنڈک کے حالات میں، فاصلہ 4.0mm سے زیادہ یا اس کے برابر ہونا چاہیے۔ اگر جگہ محدود ہو تو حرارتی تابکاری کو ہیٹ شیلڈ پلیٹ (جیسے 0.5 ملی میٹر موٹی تانبے کی پلیٹ) سے الگ کیا جا سکتا ہے۔
ہوا کے بہاؤ کی رہنمائی کا ڈیزائن: جبری ہوا کو ٹھنڈا کرنے والے آلات (جیسے آپریٹنگ کمروں میں استعمال ہونے والے مانیٹر) کے لیے، ڈائیوڈز کو ایئر انلیٹ کے نیچے یا ایئر آؤٹ لیٹ کے اوپر کی طرف رکھنا چاہیے تاکہ یہ یقینی بنایا جا سکے کہ ہوا کا بہاؤ براہ راست گرمی کے منبع کو ڈھانپے۔ مثال کے طور پر، کولنگ پنکھے کے پیچھے براہ راست ریکٹیفائر ڈائیوڈس لگانے سے ہوا کی رفتار میں 30% اضافہ ہو سکتا ہے اور تھرمل مزاحمت کو 20% تک کم کیا جا سکتا ہے۔
3، حرارت کی کھپت میں اضافہ: کثیر- سطح کی حرارت کی ترسیل کے راستوں کی تعمیر
طبی سازوسامان PCBs کو موثر تھرمل مینجمنٹ حاصل کرنے کے لیے "ڈیوائس پی سی بی ہیٹ سنک" کے تھری- سطح کے حرارت کی کھپت کے نظام کی ضرورت ہوتی ہے:

ڈیوائس کی سطح گرمی کی کھپت:
ہیٹ ڈسیپیشن پیڈز کا ڈیزائن: TO-247 پیکڈ ڈائیوڈز کے لیے پی سی بی کے سامنے والے حصے پر ہیٹ ڈسپیپشن پیڈز (درمیانی پنوں کو جوڑنے) کے ایک بڑے حصے کی ضرورت ہوتی ہے، اور گرمی کی کھپت کے تانبے کے ورق کا ایک بڑا رقبہ (جیسے 10mm × 10mm) کو پچھلے حصے پر ڈیزائن کرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔ سامنے اور پیچھے تانبے کے ورقوں کو گھنے تھرمل کنڈکٹیو ویاس (جیسے 0.3 ملی میٹر کے قطر کے ساتھ 10 × 10 کی صف) کے ذریعے منسلک ہونا چاہیے۔ تھرمل کنڈکٹیو ویاس کو کنڈکٹیو مواد (جیسے سلور پیسٹ) سے بھرنے کی ضرورت ہے اور رابطے کی تھرمل مزاحمت کو کم کرنے کے لیے سولڈر ماسک سے ڈھانپنا ضروری ہے۔
بیرونی ہیٹ سنک: پی سی بی کے پچھلے حصے پر ہیٹ ڈسپیپشن پیڈ پر ایک فنڈ ہیٹ سنک (جیسے 60 ملی میٹر × 60 ملی میٹر ایلومینیم ہیٹ سنک) لگائیں اور رابطے کی سطح کے خلا کو تھرمل کنڈکٹیو سلیکون گریس (تھرمل چالکتا 5W/m · K) سے پُر کریں تاکہ یہ یقینی بنایا جا سکے کہ جب درجہ حرارت 30 ڈگری سے زیادہ کم نہ ہو۔ گرمی سنک.
پی سی بی کی سطح گرمی کی کھپت:
موٹے تانبے کے ورق اور ملٹی لیئر بورڈ: 2oz (70 μm) تانبے کی موٹائی سے زیادہ یا اس کے برابر پی سی بی استعمال کریں، اور یہاں تک کہ 3oz تانبے کی موٹائی یا دھاتی سبسٹریٹ کا استعمال کریں۔ انتہائی اعلی طاقت والے منظرناموں کے لیے، تانبے کے بلاکس (جیسے 5 ملی میٹر موٹے تانبے کے بلاکس) کو پی سی بی کے اندر سرایت کیا جا سکتا ہے تاکہ ڈائیوڈ ہیٹ ڈسپیشن پیڈز سے براہ راست رابطہ کیا جا سکے، تاکہ موثر پوائنٹ-سے-پوائنٹ ہیٹ کنڈکشن حاصل کیا جا سکے۔
سوراخوں اور اندھے سوراخوں کے ذریعے حرارت کی کھپت: ڈائیوڈ کے ارد گرد سوراخوں (Via in Pad, VIPPO) کے ذریعے گرمی کی کھپت کو ڈیزائن کریں، انہیں رال یا ترسیلی مواد سے بھریں، اور گرمی کی کھپت کے علاقے کو بڑھانے کے لیے انہیں سولڈر ماسک سے ڈھانپیں۔ مثال کے طور پر، LCCC ڈیوائس پیڈز پر سوراخ کے ذریعے سیٹ کرنے سے تھرمل چالکتا 50% بڑھ سکتی ہے۔
نظام کی سطح گرمی کی کھپت:
قدرتی نقل و حمل کی اصلاح: حرارت کی منتقلی کے لیے قدرتی نقل و حمل کا استعمال کرتے وقت، گرمی کی کھپت کو بڑھانے کے لیے گرم ہوا کے بڑھتے ہوئے اثر کو استعمال کرتے ہوئے، گرمی کی کھپت کے پنکھوں کی لمبائی کی سمت زمین پر کھڑی ہونی چاہیے۔ مثال کے طور پر، ڈایڈڈ ہیٹ سنک کے پنکھوں کو عمودی طور پر نصب کرنے سے افقی تنصیب کے مقابلے تھرمل مزاحمت کو 15 فیصد کم کیا جا سکتا ہے۔
زبردستی ہوا کولنگ ہم آہنگی: جب زبردستی ہوا کو گرمی کو ختم کرنے کے لیے استعمال کیا جائے تو، ریڈی ایٹر کے پنکھوں کی سمت ہوا کے بہاؤ کی سمت کے مطابق ہونی چاہیے تاکہ ہوا کے بہاؤ کے اوپر والے ریڈی ایٹر کے موڑ سے بچا جا سکے۔ مثال کے طور پر، ہوا کی گردش کی سمت میں، ریڈی ایٹرز یا لڑکھڑاتے پنکھوں کے سٹگرڈ انتظامات کا استعمال نیچے کی طرف ریڈی ایٹرز کی ہوا کی رفتار کو 20% تک بڑھا سکتا ہے۔
4، وشوسنییتا کی توثیق: نقلی سے اصل جانچ تک مکمل عمل کا کنٹرول
طبی آلات کو سخت ماحولیاتی ٹیسٹنگ پاس کرنے کی ضرورت ہے (جیسے IEC 60601-1 معیار)، اور ڈائیوڈ تھرمل ڈیزائن کو نقلی اور حقیقی جانچ کے ذریعے تصدیق کرنے کی ضرورت ہے:

تھرمل سمولیشن تجزیہ: PCB کا تھرمل ماڈل بنانے کے لیے ANSYS Icepak یا Flotherm جیسے سافٹ ویئر کا استعمال کریں، ڈایڈڈ جنکشن درجہ حرارت، PCB درجہ حرارت کی تقسیم، اور ہوا کے بہاؤ کی فیلڈ کی تقلید کریں۔ مثال کے طور پر، ایک امپلانٹ ڈیوائس کے پی سی بی لے آؤٹ کو سمولیٹ کر کے، ڈائیوڈ جنکشن کے درجہ حرارت کو 125 ڈگری سے 105 ڈگری تک کم کیا جا سکتا ہے، جو امپلانٹ کی حفاظت کے طویل مدتی تقاضوں کو پورا کرتا ہے۔
درجہ حرارت میں اضافے کی پیمائش کی تصدیق: درجہ حرارت اور نمی کے سائیکلنگ ٹیسٹوں میں (جیسے -40 ڈگری ~ 85 ڈگری، 1000 سائیکل)، ڈائیوڈ کی سطح کے درجہ حرارت کی نگرانی کے لیے ایک اورکت تھرمل امیجر کا استعمال کریں، اس بات کو یقینی بناتے ہوئے کہ درجہ حرارت میں اضافہ 10 ڈگری سے کم یا اس کے برابر ہے (عام قدر)۔ مثال کے طور پر، ایک CGM ڈیوائس کا تجربہ ایک اعلی درجہ حرارت اور زیادہ نمی والے ماحول میں کیا گیا تھا، اور نقلی نتائج سے ڈائیوڈ سطح کے درجہ حرارت کا انحراف 2 ڈگری سے کم یا اس کے برابر تھا، جس نے تھرمل ڈیزائن کی درستگی کی تصدیق کی۔
طویل مدتی وشوسنییتا ایکسلریشن ٹیسٹنگ: ہائی-درجہ حرارت کی عمر (جیسے 125 ڈگری، 1000 گھنٹے) اور وائبریشن ٹیسٹنگ (جیسے 10-2000Hz، 5g وائبریشن) کے ذریعے ڈائیوڈ سولڈر جوائنٹس کی وشوسنییتا کا اندازہ کریں۔ مثال کے طور پر، انڈر فل چپکنے والی BGA پیکڈ ڈائیوڈس پر کمپن ٹیسٹنگ کی گئی، اور سولڈر جوائنٹس میں کوئی شگاف نہیں دکھایا گیا، جو طبی آلات کی 10 سالہ سروس لائف کی ضروریات کو پورا کرتا ہے۔