热量带来的棘手问题

2008-07-13 18:52:07来源: 设计创新
  在大多数情况下保持心脏环境的紧凑和温暖是有益的,但是对于电子心脏扫描仪却是另一回事了。当GE医疗在设计一种据称是目前最快成像速度的扫描仪时, 高速运行的芯片需要大功率能量供给, 结果导致温度升高而影响系统运行的稳定性。
  工程师们几乎没有想到用硅酮胶帮助散热,能成为这个设计方案获得成功的关键因素。当他们开始寻找散热方法时,GE SilCool LTR silicone提供了一种散热解决方案。

扫描仪通过硅酮胶帮助散热
扫描仪通过硅酮胶帮助散热

  LightSpeed VCT(层容积电脑扫描仪)扫描仪是GE医疗(一家资产150亿美元的研发公司)开发的几种尖端产品之一。它在0.35秒内转动一次,扫描40毫米的区域。这种速度足以在极短的时间内(5次心跳)对心脏实现立体扫描。
  对患胸部疼痛的病人采用这种高速扫描也可以确定他们是否患有其他病症,如心脏病、肺栓塞或动脉剥离症。这三种病症是造成胸部病痛的致命元凶,使用常规透视技术有时很难检查出来。使用快速扫描仪对病人和医院都有好处,病人在狭窄的空间进行检查所费时间更少, 而医院在一天的时间内也可做更多次数的扫描。但是扫描仪高速处理器带来一个问题,它们会产生更多的热
量。热量产生是一个普便存在的问题,然而对扫描仪来说却尤为严重。
  因为过多热量对完成迅速精确成像的电子二极管有负效应。工程师们将控制板与二极管近距离设计安装, 目的是缩短它们之间的传输线来以减少干扰。“将电子器件与二极管近距离安置有利于降低干扰噪声。”GE医疗的高级研发工程师Ashutosh Joshi说。


GE的LightSpeed CT机对心脏快速精确的成像

  近距离和发热对心脏扫描仪不是什么好事情。“产生的热负荷是以前的两倍,由于电子器件之间距离太近。”Joshi说。以前控制器离二极管有一英尺远,现在它们间的距离仅几英寸,如果不采取散热措施,扫描仪的电路部分的温度可能会超过电子二极管的适宜工作温度范围通常是在稍高于40℃。
  关于粘连的课题
  GE 的工程师们为了控制温度,使用的关键材料之一是粘性硅,它附着于散热片和芯片之间。“散热片和芯片间的接触非常重要。”Joshi说。SilCool也在电路板上安置上温度感应器, 用于精准读取电路板表面温度。
  GE高新材料集团生产的Sicool高级材料广泛用于在高温条件下的电子器件。“这种材料也用于功率半导体器件或其他产生热量的电路板产品。” GE Silicones的市场部经理Gail Riley说。
  这些电子器件,包括封闭在BAG(球状矩阵排列)包里的八个ASIC(特定用途集成电路),安装在普通FR-4 电路板上。这种基质板成本低廉,但是不具备陶瓷基质板所有的散热性能,或其他成本较高的基质板所有的散热性能。
  使用粘连物带来的好处不仅是改善散热性能,同时它也帮助简化了生产工艺并提高了可靠性。在早期的扫描仪上GE使用基于硅树脂的填充垫,但是它质地较硬,难于粘连。“我们在生产过程中需施加较大压力,结果导致电路板翘曲。” Joshi说。

电路板上有八个高速ASIC通道和其他很多功能模块
电路板上有八个高速ASIC通道和其他很多功能模块

  翘曲对任何焊接触点都不利,特别对某些无源元件可能造成严重问题,因为它们是通过极少量的焊点连接到电路板导电线路中。SilCool材料的力学性质在设备安装完后也能起积极作用。“它柔韧性好,不对芯片产生压力。”Joshi说。
  使用SilCool材料也有利于缩短生产时间。GE 最初使用一种材料在室温下需要六到八个小时进行加工处理,而SilCool在100℃ 温度下加工需要两小时,在150℃下要一小时。
  不是阵阵微风
  尽管Silcool能帮助热量转移到散热片,但是问题并没有完全解决。工程师们还必须将热量从整个系统中移走。这部分的设计是一个困难的工作。
  工程师们探索了许多制冷方案,包括安装导热管和冷却器,但是发现空间的限制却成了问题。“这是一个旋转系统,所以每寸空间的利用都需要仔细考虑。”Joshi说,散热片和风扇如果与SiCool结合使用,证明是最有效和紧凑的热力解决方案。
  但是这个旋转扫描系统的特性意味着风扇不能一直运转而不停止。当Light Speed开始扫描时,它高速旋转产生的的空气流冲击着电器部分,大量外界空气内流事实上形成过度散热,使得系统难于保持正常工作所充许的温度范围内。Joshi说,“当这个桶架开始旋转时,我们就让风扇的运转缓慢下来。”
  尽管扫描时电器部分会发热,旋转时会有气流变化,但是由于应用了完备的势力控制方案,这种高灵敏度的系统扫描时结果不会有偏差。

  硅树酯适合用于医疗领域
  硅树酯应用于医疗领域已成为主流,这种原料以结构组合形式多样,耐用性好和生物学性质友好等重要属性为这个需求市场提供了许多便利。
  用这种通用原料可以生产出许多不同类型不同性质的产品,从刚性的到有韧性的,从坚硬的到柔软的应有尽有。在所有的用途中,应用方便和耐用性是硅树酯的重要属性。
  “它们可以用于高温环境中蒸汽杀菌。”GE Silicones的全球卫生保健市场部经理Eric Luftig说。他同时指出,硅树酯外观透明,适于做管道材料。
  硅氧易结合是硅树酯被应用到许多医疗中的主要特性之一。硅树酯的主要成份是硅氧化合物,其化学性质很稳定。如果是用于粘连散热片这个特性就不是那么重要,但是在很多其他医疗应用中它就非常重要。
  当医生将硅树酯植入人体时,人体不会排斥或遭受任何有害反应。硅树酯性质稳定也表现在其不产生任何气味,这点对于医生需要使用该材料在病人面部或咽喉做手术时非常重要。
  这种化合物的稳定性是其相对于其他材料所具有的优势。其他聚合物例如聚氯乙烯(PVC),需要使用增韧剂,这种增韧剂不是化工结合的产物,而是一种沥滤剂。" Luftig说。
  随着婴儿潮时期的出现以及电子工业能制造出
体积小,价格便宜的产品,推进医疗产品进入家庭的努力也在加大。性质稳定的硅树酯可以在这种环境下得到广泛应用,甚至可以帮助将产品做得更小,Luftig说。
  他也指出,硅树酯行业前景在不断变化的全球环境调整下总是很光明。“我们现在需要达到更多的国际标准,而且纵观西方和欧洲国家在制定精益求精的标准时,我们也在继续留意中国政府的举动。” Luftig说。
  满足各类不同市场和全球管理机构的需求就需要定制产品。GE Silicones最近扩充了它在Garrett, IN的设施,集中研发卫生保健方面的应用产品。
  位于Chino CA的一处兄弟研发机构也在开发定制材料。

关键字:散热  功率  成像  扫描仪  温度  透视  高速

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/0713/article_171.html
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