缩小用于可植入心脏监视器的硅集成无源元件

作者: Laёtitia Omnès

除了在过去20年中已经取得的进步外，可插入/可植入医疗器件制造商必须进一步挑战自己的极限，以便延长人们的生命，提高生活质量，甚至恢复失去的机能。在开发电子医疗器件时，尺寸、重量、可靠性和寿命都是非常重要的因素。这里面也包括了无源元件。为了描述无源元件对电子医疗器件的最终结构和性能的影响程度，我们将在这篇文章中详细介绍微型化“可植入”心脏监视器这个具体例子。

工程和设计挑战

在过去十年中，医疗组织已经认识到需要用心脏监视植入器来检测心跳异常情况。这种器件被植入在病人胸部皮肤下方，它记录着心脏的每次跳动，记录的信息通过无线方式传输到医疗中心。这样就实现了心脏活动的远程监视，有利于评估无法预料的和异常的心血管事件，最终判断是否需要植入心脏起搏器。医疗行业强烈建议开发更小和更长使用时间的器件，以便简化外科手术，这也成为了一些主要的医疗器件制造商面临的关键挑战。在我们作为例子看待的“可植入”器件中，最终器件制造商明确地定义了目标：将电子器件的尺寸减小10倍，通过优化功耗将电池寿命延长至3年。


图1：包含IPD技术的植入式设备。

基于硅材料的3D集成式无源元件

为了实现这些目标，一些大的分立元件必须被替换掉。以下提供的解决方案采用了硅集成式无源器件(IPD)技术。


图2：基于硅材料的3D集成式无源元件内部结构图。

电子医疗器件中最关键的无源元件之一，也是最难集成的一种元件，就是电容。特别是当电容容量达到1μF以上时。3D高密度电容技术的开发解决了这些问题。最新代技术使用了创新的3D结构，密度高达250nF/mm2，可以制造出电容容量达几个μF的微型硅片电容。

这种技术中使用的材料和制造IC所用的材料是相似的。其最大优势在于高可靠性和电容内部最小的漏电流，这主要得益于在高温固化期间产生的高纯度电介质层。


图3：最终模块原理图。

使用IPD的不同步骤

回到我们这个具体例子，首先推荐的是一些多项目晶圆，它们采用具有多种容量的单个硅电容以及硅电容阵列，目的是认证这种技术，并检查良率。这第一步通过后就完成了两大组电容的设计。第一组是大的硅电容阵列，在单个裸片中的总容量超过了3μF。如前所述，硅基IPD技术能用很小的封装尺寸实现很大的电容容量，厚度可以低至100μm。至此迈向微型化的第一步也就成功了。

第二组由每个容量为100nF的另外一个隔离型硅电容阵列组成。这种设计的主要缺点是由这些并排放置的硅电容造成的干扰，它们会对漏电流有负面影响，进而影响到功耗。这里的挑战在于进一步调整技术，最终达到从一个节点到另一个节点时的漏电流始终保持在10nA以下。这种电容阵列设计后来使用“高隔离”技术进行了修改，主要是设法控制与阵列耦合的二极管的行为。最终的集成系统总电容超过了7μF，并依靠高隔离设计使最终器件尺寸比前代“心脏监视器”小了10倍。

在3.2V/25℃/120s条件下的漏电流小于0.2nA/μF。为了更快更可靠地从原型转换为工业化产品，原型的开发是在与工业化步骤要求的相同条件和环境下进行的。

医疗技术的新标杆

“可插入”心脏监视器中使用硅材料实现的集成式无源元件为改善最终产品可靠性、寿命和性能提供了新的机会。在这种大背景下，可直接带来减少病人可植入器件的更换次数。我们还可以想像，这种解决方案还能改造为在可靠性、寿命和性能方面具有相同目标的其它可植入器件。我们正处于新机会层出不穷的时代前沿。研发计划和技术路线图允许我们充分想像通过集成技术对现有功能带来的许多新功能和新改进。