【導讀】隨著科技的進步，可植入醫療器件在醫療行業發揮著不可忽視的作用。制作商在開發電子醫療器件時，重視體積、尺寸、可靠性、安全性等因素，所以無源元件在其中發揮了重要的作用。本文就講述硅集成無源元件用于可植入心臟監視器。
工程和設計挑戰
在過去十年中，醫療組織已經認識到需要用心臟監視植入器來檢測心跳異常情況。這種器件被植入在病人胸部皮膚下方，它記錄著心臟的每次跳動，記錄的信息通過無線方式傳輸到醫療中心。這樣就實現了心臟活動的遠程監視，有利于評估無法預料的和異常的心血管事件，最終判斷是否需要植入心臟起搏器。醫療行業強烈建議開發更小和更長使用時間的器件，以便簡化外科手術，這也成為了一些主要的醫療器件制造商面臨的關鍵挑戰。在我們作為例子看待的“可植入”器件中，最終器件制造商明確地定義了目標：將電子器件的尺寸減小10倍，通過優化功耗將電池壽命延長至3年。
基于硅材料的3D集成式無源元件
為了實現這些目標，一些大的分立元件必須被替換掉。以下提供的解決方案采用了硅集成式無源器件(IPD)技術。
圖1：基于硅材料的3D集成式無源元件內部結構圖。
電子醫療器件中最關鍵的無源元件之一，也是最難集成的一種元件，就是電容。特別是當電容容量達到1μF以上時。3D高密度電容技術的開發解決了這些問題。最新代技術使用了創新的3D結構，密度高達250nF/mm2，可以制造出電容容量達幾個μF的微型硅片電容。
這種技術中使用的材料和制造IC所用的材料是相似的。其最大優勢在于高可靠性和電容內部最小的漏電流，這主要得益于在高溫固化期間產生的高純度電介質層。
圖2：最終模塊原理圖。
使用IPD的不同步驟
回到我們這個具體例子，首先推薦的是一些多項目晶圓，它們采用具有多種容量的單個硅電容以及硅電容陣列，目的是認證這種技術，并檢查良率。這第一步通過后就完成了兩大組電容的設計。第一組是大的硅電容陣列，在單個裸片中的總容量超過了3μF。如前所述，硅基IPD技術能用很小的封裝尺寸實現很大的電容容量，厚度可以低至100μm。至此邁向微型化的第一步也就成功了。
第二組由每個容量為100nF的另外一個隔離型硅電容陣列組成。這種設計的主要缺點是由這些并排放置的硅電容造成的干擾，它們會對漏電流有負面影響，進而影響到功耗。這里的挑戰在于進一步調整技術，最終達到從一個節點到另一個節點時的漏電流始終保持在10nA以下。這種電容陣列設計后來使用“高隔離”技術進行了修改，主要是設法控制與陣列耦合的二極管的行為。最終的集成系統總電容超過了7μF，并依靠高隔離設計使最終器件尺寸比前代“心臟監視器”小了10倍。
在3.2V/25℃/120s條件下的漏電流小于0.2nA/μF。為了更快更可靠地從原型轉換為工業化產品，原型的開發是在與工業化步驟要求的相同條件和環境下進行的。
醫療技術的新標桿
“可插入”心臟監視器中使用硅材料實現的集成式無源元件為改善最終產品可靠性、壽命和性能提供了新的機會。在這種大背景下，可直接帶來減少病人可植入器件的更換次數。
我們還可以想像，這種解決方案還能改造為在可靠性、壽命和性能方面具有相同目標的其它可植入器件。我們正處于新機會層出不窮的時代前沿。研發計劃和技術路線圖允許我們充分想像通過集成技術對現有功能帶來的許多新功能和新改進。
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