CBT 贴片被开发为一种灵活的可穿戴热传感设备，可准确估计人类 CBT(图 1a)。图 1b 突出显示了热装置的主要组件。该器件由四个温度传感器 (MAX30208) 组成，这些传感器由不同热导率的材料分隔开，以准确量化 CBT。温度传感器的精度为 0.1°C，电源电压为 1.8V，支持低功耗运行。一个温度传感器位于 PCB 的中心，两个温度传感器位于 PCB 的中部和边缘，第四个传感器位于柔性手指的尖端，该手指在颈部区域向后弯曲，朝向 PCB 的方向。刚挠性 PCB 的中心(图 1c)。
图 1.CBT 设备设计。(a) 将可穿戴热装置应用于前额以估算人类 CBT 的概念;(b) CBT 贴片的 3D 分解图;(c) 柔性 CBT 贴片的人体组织侧;(d) 柔性 CBT 贴片的侧视图。
CBT 贴片旨在在术前、术中和术后环境中监测人类患者。此类环境的典型环境温度范围为 20°C 至 24°C，最大空气对流率为 5 W/m 2 K。正常前额核心体温范围为 36°C 至 38°C。低于 36°C 的情况称为体温过低，高于 38°C 的情况称为体温过高。这两种情况都被认为是严重的，因此需要在手术的所有阶段进行监测。
热流的布局设计注意事项
CBT 贴片设备设计用于使用两个 MAX30208 温度传感设备测量人体组织表面的垂直热流。如图 2 所示。MAX30208 温度传感器带有 TS 标签。另外两个温度传感器(如图 1 所示)有助于计算横向热损失。来自温度传感器的数据与导电插头和绝缘体的热模型相结合，用于准确估计人体前额的 CBT。
为了完成这项任务，带有温度传感电路的刚挠结合板需要：
内置高精度温度传感器。
功耗足够低(温度传感器)，不会对感兴趣的热系统产生不利影响。
具有足够尺寸用于电信号传输的信号走线。
信号走线的尺寸应最大限度地减少来自(或流向)MAX30208 温度传感器的热流，从而不会对热系统造成不利影响。
信号走线的尺寸应尽量减少 PCB 走线向导电插头区域的热辐射(即 I 2 R 损耗)。
图 2. 主要温度传感路径(未按比例)。
通过采用精选的导热/绝缘材料，物理结构建立了一种设计，可以准确估计前额的 CBT。将此机械设计与精确的低功耗温度传感器(例如 MAX30208 器件)相结合，就产生了成功的设计。然而，电子设备所需的电气连接也会导热——这是我们不希望出现的现象!
图 3 突出显示了感兴趣的主要热流路径。人们希望将 PCB 走线的热阻设计得比导电插头大，以保持这些热损失(或增益)误差可以忽略不计。
图 3. 简化的热原理图，突出显示主要热流路径。
由于热和电都是通过电子运动传输的，因此它们彼此密切相关。根据维德曼-弗朗茨定律3，相同温度下不同金属的导热率与导电率之比近似恒定。换句话说，对热阻有利的因素对导电不利，反之亦然。幸运的是，对于该用例，由于温度范围相当有限，因此不需要使用市售的替代金属。
在采用商用金属作为信号和电源走线时，刚性-柔性互连仍然需要进行热电设计权衡。电阻和热阻的设计公式如图4所示。刚柔结合PCB走线越细、越长，热阻就越大。这提供了一种将热阻设置为大于主导电塞的方法，从而最大限度地减少 CBT 热系统的热泄漏(即误差)。不幸的是，电阻也会增加。这可能会导致多种不利影响，例如电源线压降、PCB 走线温度升高以及 I 2 C 通信线路的 RC 时间常数增加。
图 4. PCB 走线的导电和导热。
在考虑 PCB 走线之前，应首先评估导电插头的热行为以建立设计基线。热路径具有圆柱形形状，如图 5 所示。
图 5. 导电塞中的热传递。
已知材料电导率和尺寸后，可以计算 CBT 贴片导电塞的热阻，如下所示：
将我们的注意力转向PCB走线的热阻，我们需要考虑几个问题：
PCB 走线热阻应明显大于 CBT 贴片导电塞(例如，R TH (PCB 走线)≥ 100• R TH (导电塞))。
需要了解温度传感器件(例如 MAX30208)的功率要求，并设计 PCB 走线尺寸，以尽量减少从走线到 BCT 贴片导电插头的相关热损失。通过采用低功耗温度传感器器件(例如 MAX30208)可以大大缓解这一问题。
需要检查与导电芯接触的 PCB 走线是否存在潜在的热辐射。出于热考虑，走线越小，I 2 R 传热误差可能会越大。
对于给定的横截面积，PCB 走线的总长度应足以确保较大的热阻(与 CBT 导热塞相比)。
图 6 显示了所使用的各种 PCB 金属的热/电特性。由于 PCB 制造中常用的金属(例如金、铜、银和铝)具有相同数量级的导热性和导电性，因此具体材料的选择并不主导我们的选择。选择铜是因为成本、可用性和机械灵活性(将在下一节中讨论)。
图 6. 常见 PCB 导体特性。
虽然铜的热导率比 CBT 贴片导电塞大 1000 倍以上，但选择细铜迹线的尺寸可实现比 49.8 K/W 大得多的热阻(即 CBT 贴片导电塞热阻) 。
PCB 走线由 1/2 盎司铜(17.3 µm 厚)芯、1.5 µm 镍层和 0.1 µm 金外层组成。鉴于这些的相对尺寸，所有即将进行的计算仅假设铜芯 PCB 走线。
图 7. MAX30208 温度传感器电源和信号线 PCB 走线。
每条 PCB 走线的宽度为 76.2 µm (3 mil)，得出：
注意：虽然需要较小的走线宽度来增加热阻，但 PCB 工厂对其最小走线宽度有限制。例如，我们最初想要 250 万迹线宽度，但最终采用了晶圆厂建议的 300 万迹线宽度来构建我们的原型。
此外，每个MAX30208温度器件都有一组四(4)条等效尺寸设计的走线。请参见图 7。因此，总体热阻降低了四倍(即，四个热路径并联)，得出：
图 8 突出显示了每组四条温度传感器 I/O 线到输出连接器 CN1 的近似热阻。
图 8. PCB 走线热阻估算。
图 9. CBT 贴片与接口板的连接。
热阻最低的四根I/O信号线组(例如TS1-CN1)比CBT导电插塞大约380倍。这满足了我们大于或等于100倍的设计目标!此外，从连接器 CN1 到MAX30208EVSYS接口板的总线延伸进一步改善了这一点 。我们的原型系统使用 200 毫米(7.9 英寸)长的 28 AWG 电线，该电线缠绕在耳朵顶部直至接口板。
注意：虽然热阻足以隔离导电芯内部的热传导，但需要考虑接口板中产生的热量。如果足够大，热能可能会传导回 CBT 贴片，从而导致错误。这对我们的评估系统来说不是问题。
电气系统的热误差缓解
将注意力转向电气系统，我们将关注两个主要关注领域：(1) MAX30208 器件产生的热量(例如自加热)，以及 (2) PCB 走线产生的热量)(例如热辐射)。这两种来源都会通过将热能引入(或吸收)CBT 贴片来对热系统的性能产生不利影响。图 10 显示了 MAX30208 电路设计的代表性原理图。
图 10. MAX30208 功能图。
选择MAX30208(精度为±0.1°C，I 2 C)数字温度传感器是因为其精度和低功耗要求。CBT 贴片电气系统由 位于 MCU 接口板上的1.8 V 稳压直流电源供电。I 2 C 上拉电阻是重要的热能来源，位于 MCU 板上。 CBT 贴片刚柔结合 PCB 上未实现 I 2 C 上拉电阻。
表 1 列出了在 37°C 条件下运行时每个 I/O 引脚上的电流和电压水平。这些值是根据 MAX30208 数据表电气表和相关 TOC 数据推断出来的。
大部分功耗来自 I 2 C 信号线和电源线，如果连续工作，会产生大约 810 µW 的功率。由于温度信号变化不太快，因此可以采用周期性采样。这不仅有助于数据管理，而且使我们能够降低总体功耗要求。这反过来又有助于减轻 MAX30208 器件以及相关信号和电源走线的散热。
MAX30208 实现典型的 15 ms 积分周期。采样率为 1 Hz 时，平均功耗约为：
虽然封装热阻通常在数据表中报告，但设计人员在使用它们进行热流估计时需要谨慎。θjA(热阻，结到环境)和 θjC(热阻，结到外壳)都是根据 JEDEC 环境进行评估的，这可能与实际应用有很大不同。它们通常用作品质因数值，用于相互比较竞争设备。
因此，不 建议 使用环境温度来预测结温。5 特别是因为该应用中的温度传感器夹在绝缘材料和非绝缘材料之间。
由于MAX30208温度测量电路位于集成电路上，因此我们最感兴趣的是芯片的相关自加热。该器件设计用于测量封装顶部(或底部)的外部温度。假设外壳温度与芯片温度相同，我们可以估计由于自热引起的温度误差如下6：
鉴于我们的精度比 MAX30208 的精度小 100 多倍(例如，± 0.1°C)，因此外壳和芯片处于相同温度的假设是可以接受的。
注意：在需要表征芯片温度的情况下，情况可能并不总是如此。一种有用的技术是使用通常在 IC I/O 线路上实现的 ESD 二极管作为温度传感器来表征 IC 芯片的温升。
接下来，我们将注意力转向导电核心区域中 PCB 走线的I 2 R 热辐射。参见图8，TS1或TS4到导电芯外边缘的距离为7.5mm。使用单个 PCB 走线的电阻公式(参见图 4)和铜的电阻率，我们计算出以下结果：
使用 SCL 和 SDA 信号线的最大电流 383 µApk，我们计算单个 PCB 走线的热辐射值如下：
这对于感兴趣的热系统来说可以忽略不计。此外，如果不实施定期采样，这绝对是最坏情况的水平。总之，MAX30208 自发热和导电芯中 PCB 走线热辐射产生的热误差影响不大。
线路电压降也在可接受的水平之内。最长电线长度为 88 mm(TS4 至 CN1)加上 200 mm 28 AWG(直径 0.32 mm)电线，用于连接到 MAX3020x 接口板。使用最长线路的相同电阻公式，我们计算如下：
使用 VDD 的最大电流 67 µA，我们计算线路压降如下：
该值足够小，不会出现电源抑制方面的问题。
虽然我们强调了 CBT 贴片中使用的刚柔结合 PCB 的主要热和电气设计注意事项，但强烈建议进行有限元分析 (FEA)。在制作第一个补丁原型之前，进行了 FEA(热)瞬态分析验证。本文未讨论热电容和电容。虽然两者都对此应用程序的性能没有任何重大影响，但建议在设计阶段也对它们进行分析。
图 11 显示了 CBT 器件的示意图，其中突出显示了用于减轻热流以及在 2 层聚酰亚胺刚挠结合板上实现电气互连的 PCB 走线分支。
图 11. CBT 补丁示意图。
机械结构和可靠性的布局设计注意事项
刚柔结合电路是传统刚性 PCB 和柔性电路的混合结构。虽然该电路被设计为具有机械顺应性，可以保形附着在人体前额上，但有几个关键位置需要刚性。这些都是：
九个 SMT 元件附着位点。
电路指从圆形电路区域延伸至温度传感器 (TS4)。
从圆形电路区域延伸至连接器 (CN1) 的电路指。
刚性到柔性电路的边界
SMT 元件通常使用回流焊进行连接。因此，组装好的组件可能需要放置在刚性 PCB 材料上以保持焊点完整性。由于应力释放减少，焊接到柔性 PCB 材料上的 SMT 元件必须小心处理。即使用例相对不受物理干扰，也需要考虑处理和下一级组装以获得长期可靠性。
典型的 PCB 加强筋是使用 FR4、聚酰胺、聚酰亚胺和/或金属来实现的。在我们的 CBT 贴片中，我们在柔性区域使用 4 密耳厚的聚酰亚胺，在硬化区域使用 12 密耳厚的聚酰亚胺。为了加固目的，柔性指状电路用金属段加固。
CBT 贴片原型被制造为扁平刚性-柔性组件，随后需要两次静态弯曲。如图 10 所示，从圆形电路区域延伸到 TS4 温度传感器的电路指需要两次 90° 弯曲才能进行最终组装。
图 12. TS4 弯曲手指的静态弯曲。
砖形金属段用于构建 TS4 柔性手指设计，从而减轻一次性静态弯曲带来的疲劳。图 13 显示了交错的砖形加劲肋以及颈部区域加固，以减轻刚柔边界的机械应力。此外，砖块图案中的断裂消除了沿着这些金属路径的导热性。从圆形电路区域延伸到连接器 (CN1) 的电路指也模仿了这种设计技术。
图 13. 交错砖形柔性指状加劲肋
其他需要考虑的领域包括避免 90° 角(例如，应力集中点)和预成型件制造的潜在实施。
制造注意事项和指南
为了实现稳健可靠的设计，建议设计人员与 PCB 工厂和装配厂密切合作。在首件制造之前，应审查所有电气、热学和机械方面的设计细节。在许多情况下，晶圆厂/装配厂具有可用于增强设计的替代材料和/或技术。
在 CBT 贴片刚柔结合 PCB 组装工艺的开发过程中，必须克服几个重大障碍：所使用的回流焊材料以及回流焊曲线。最初，使用标准回流焊料导致分层(见图 14)。考虑到气穴作为绝缘体，会影响通过刚挠性 PCB 的热流，这一点尤其不利。最终通过使用替代的低温共晶焊料缓解了这一问题。必须对几个批次的回流焊曲线进行微调，才能达到可接受的良率。
图 14. CBT 贴片刚挠性 PCB 分层。
结论
本文到此结束，其中讨论了设计注意事项，以帮助减轻高精度热流应用的技术障碍。具体来说，如何实现精确、低功耗器件(例如 MAX30208 温度传感器)来满足核心体温贴片的性能要求。通过选择合适的元件并应用良好的设计技术来适当平衡热-电-机械权衡，就可以实现成功的设计。
