醫(yī)療專業(yè)是較為保守且變化緩慢的行業(yè),，這是理所當(dāng)然的,。因為涉及到病患的生命安全，保守傾向與公認(rèn)的安全性和有效性常常是相伴相生的,。但是,，鑒于當(dāng)前的醫(yī)療保健環(huán)境，以及管理式醫(yī)療護理,、大型采購和政府合約等發(fā)展趨勢,，植入性醫(yī)療裝置和其它消費醫(yī)療產(chǎn)品的設(shè)計人員正面臨降低成本的壓力。此外,，設(shè)計人員還必須減小產(chǎn)品的外形尺寸,，提高性能并維持高可靠性水平。

    關(guān)系到生命安全的心律管理(cardiac rhythm management, CRM)產(chǎn)品(如植入性起搏器和植入性心臟復(fù)律除顫器(implantable cardioverter-defibrillators, ICD))不可避免地也受到這些壓力的影響,。因為這些裝置是植入人體之內(nèi),，所以可靠性是極為重要的。只要出現(xiàn)一次強制性產(chǎn)品回收就可能造成嚴(yán)重后果,，這不僅是對所涉及的各家企業(yè)的財務(wù)底線造成影響,，而且會影響病患的生命安全。所有的植入性醫(yī)療裝置都存在著減小尺寸,、增加功能性和延長電池壽命的壓力,。

    所有這些壓力均要求對當(dāng)前的封裝技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。對于病患而言,，小的裝置比大的裝置帶來的不安感更小,，也不容易引起注意,，而且只需要更小的治療切口，治療過程中的不適感也更少,，而且身體復(fù)原得更快,。

    采用更小的電子工藝，更多選件可適配封裝,，例如用于無線通信的射頻收發(fā)器,；優(yōu)化定時起搏和心臟除顫電擊的先進(jìn)傳感器，以及在主系統(tǒng)發(fā)生故障時使用的備份系統(tǒng)等,。集成電路利用了如晶圓堆迭等密集封裝方面的先進(jìn)技術(shù),。在大多數(shù)情況下，分立元件都不會有重大的改變,。然而,，市場壓力正開始要求現(xiàn)有的分立元件作出進(jìn)一步的改進(jìn)。

CRM應(yīng)用

    起搏器是用來代替健康心臟竇房結(jié)產(chǎn)生的電脈沖,。當(dāng)心跳太快,、太慢或者不規(guī)則時，便會發(fā)生心律不齊,。把起搏器放在合適的位置,，以合適的強度發(fā)出電脈沖，就可以糾正心律不齊現(xiàn)象,。在竇房結(jié)產(chǎn)生自己的電信號期間,，起搏器不會做出任何事情，只是進(jìn)行監(jiān)控,。一些起搏器還有心跳次數(shù)適應(yīng)功能,，這意味著能夠監(jiān)控心臟活動水平并相應(yīng)地改變心跳次數(shù)。起搏器可以有一個或兩個引線,。有一根引線的起搏器稱作單室起搏器,。引線放置的位置取決于心臟信號問題發(fā)生的位置。有兩根引線的起搏器稱作雙室起搏器：一根引線放在右心房,，另一根放在右心室,。所需起搏器的類型取決于心律失調(diào)的種類以及心臟的整體功能。

    ICD具備起搏器的全部功能,，而且在心肌失去其正常節(jié)律并開始纖維化時,，還可以對心臟發(fā)出高壓電擊。先進(jìn)的電子裝置向心臟發(fā)送一個大的DC電流,，停止所有不規(guī)律的心臟活動,，為竇房結(jié)提供一個控制心律的機會。

    在典型的ICD中(見圖1)，外殼中包含一塊電池,、一個脈沖發(fā)生器以及一個連接器模塊,。脈沖發(fā)生器包含了CRM裝置的全部電氣線路。

圖1 植入性心臟復(fù)律除顫器(ICD)結(jié)構(gòu)圖

功率管理

    CRM裝置的功率管理是至關(guān)重要的,。電池更換困難且代價高昂,，加之病患的壽命不斷延長，因而電池壽命十分重要,。CRM裝置當(dāng)前的目標(biāo)是保證電池能夠持續(xù)使用七到十年,，才需要進(jìn)行更換。

傳感和控制組件

    CRM裝置的傳感和控制部分包含一個用于計算的微處理器,、用于代碼/參數(shù)保存的存儲器,、一個在需要時提供電擊的脈沖發(fā)生器和用于監(jiān)測的傳感放大器。為了減小尺寸和節(jié)省成本,，這些功能被集成在一個或多個集成電路中,。大多數(shù)IC采用低電壓工作,，以節(jié)省電能,，一般低于3.3V。這些低壓電路對靜電放電(ESD)敏感,，必須采用電氣隔離加以保護,。電極或植入性傳感器中已集成有感測技術(shù)。電脈沖通過引線傳遞給心臟,，引線通過連接器模塊與脈沖發(fā)生器相連接,。

高壓充電

    在充電階段，CRM裝置從鋰離子電池取得能量,，并從大約4V增壓到700V以上,。高電壓用于去除心臟纖顫。當(dāng)檢測到一段心室纖維顫動時,，便從電池獲取電能,，為一個或多個儲能電容充電。高壓整流器則用于控制該級的電壓,。

開關(guān)器件

    開關(guān)用于將充電級的高壓脈沖引導(dǎo)至心臟引線,，開關(guān)級中使用了各種高壓裝置，包括：絕緣柵雙極晶體管(IGBT),、硅控整流器(SCR),、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、整流二極管和遙控選通晶閘管(RGT),。選擇這些器件時,，設(shè)計人員需要在驅(qū)動電路復(fù)雜性、器件性能及裝置整體線路板占位面積之間作出選擇。

    功率開關(guān)具有共同的特性,。首先,，它們的體積大，這些開關(guān)具有高達(dá)1600 V和50 A的額定值,。ICD在非常短的時間內(nèi)提供巨大的高能脈沖,，一般僅有幾毫秒。散熱時間非常短,，所以硅片必須吸收能量,。其次，芯片的兩面均處于帶電狀態(tài),，需要進(jìn)行連接,，這給裝配帶來困難(和集成電路形成對比，集成電路只有一面帶電,，僅在頂部需要電氣連接),。第三，高壓脈沖具有自身的特點,，會在不需要的位置產(chǎn)生電弧,。組件間距、焊線間和保護性涂層成為重要的考慮因素,。

靜電和瞬態(tài)電壓保護

    瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管用于保護敏感的電子器件,。二極管將心臟引線或外殼感應(yīng)出的任何雜散電脈沖分流至接地。這些脈沖可能來自醫(yī)療設(shè)備,、電弧焊設(shè)備,、汽車引擎或外部去心臟纖顫裝置等強磁場源。外殼內(nèi)部產(chǎn)生的能量脈沖也是需要關(guān)注的地方,。當(dāng)ICD釋放其高壓脈沖時,，必須隔離敏感的集成電路電子裝置?？刂萍売晒β书_關(guān)來保護,，阻斷任何雜散能量，這些阻斷開關(guān)一般由MOSFET控制,。

不斷演進(jìn)的電子裝置封裝

    基片組裝方面的進(jìn)步,，使得醫(yī)療裝置制造商得以持續(xù)削減CRM裝置的體積。板上芯片組裝(Chip-on-board assembly),、芯片上芯片(chip-on-chip)及現(xiàn)今先進(jìn)的2D和3D封裝在業(yè)界廣泛流行,。這些技術(shù)將整體線路面積減小了60-80%。芯片堆迭減少了內(nèi)部互連,，改善了測試結(jié)果,，并且能夠在小面積區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)晶圓工藝技術(shù)的混合使用。但是，減小電路占位面積是以更昂貴的材料和累計良品率問題為代價的,。在減小分立組件,、變壓器、電容器以及電池封裝體積方面取得進(jìn)步的同時功率分立組件的封裝技術(shù)顯得滯后,。

    植入性醫(yī)療裝置使用的大功率組件(如IGBT,、SCR、MOSFET和整流器等)都給線路設(shè)計人員帶來了獨特的布局挑戰(zhàn),。首先,，處理較大的功率需要使用大尺寸的芯片。其次,，在器件的頂部和底部均需要電氣觸點,。第三，必須控制高壓電弧,。設(shè)計人員正在尋找在使線路板最小化的同時能夠消除電弧,、涂層和焊線的封裝解決方案。因而需要一種能夠?qū)⒌撞坑|點帶到與頂部觸點同一平面的芯片級,、倒裝芯片功率封裝,。

陶瓷載體

    創(chuàng)建平面倒裝芯片功率封裝的一種方法是將芯片與陶瓷載體連接(見圖2)。這時陶瓷載體的形狀就像一個倒置的L,，陶瓷上嵌有金屬跡條,，將底面的觸點導(dǎo)引到頂部。芯片采用釬焊或環(huán)氧方式固定在陶瓷載體上,，形成一種平面器件。芯片和陶瓷載體均帶有焊料凸起,，能夠完成平面型倒裝芯片的連接,，相比傳統(tǒng)的芯片加引線封裝方式，能夠節(jié)省整體空間,。此外,，陶瓷載體還具有絕緣性能良好的優(yōu)點，可以防止高壓電弧,。

圖2 陶瓷載體

    盡管具有這些優(yōu)點,，還是存在需要克服的制造問題。例如：X,、Y和Z平面就是一個問題,，因為芯片在與載體連接時會移動或傾斜。

硅片貫孔

    借助金屬充填硅片沖孔(TSV)技術(shù),，可以擴大芯片尺寸,，使到非帶電硅區(qū)域鄰近于帶電硅區(qū)域。首先讓孔穿過硅片，然后使用金屬對孔進(jìn)行充填,，創(chuàng)建一個穿過不帶電硅區(qū)域的信道(見圖3),，使底部的觸點轉(zhuǎn)移到頂部。現(xiàn)在電流可以從帶電區(qū)域穿過背后的金屬和TSV,。雖然該技術(shù)使芯片尺寸增加,，但是芯片尺寸的增加少于使用陶瓷載體的方式。

    圖3所示配置只是一種潛在的變化型款,。這一基本結(jié)構(gòu)還可以生成其它的變化型款,，例如是通過創(chuàng)建可實現(xiàn)內(nèi)插連接或芯片堆迭的底部觸點。

圖3 金屬充填的硅片貫孔

     TSV是一種新出現(xiàn)的制造工藝,，在功率器件涉及的大電流處理方面,，該工藝是一種有前途的解決方案。但是在最近舉辦的國際互連技術(shù)研討會上,，基于VLSI研究機構(gòu)的觀察,，“TSV技術(shù)的大批量使用仍需數(shù)年時間”。在大批量使用之前,，每個晶圓的處理成本仍然很高,。功率器件制造商一直在研究成本較低的TSV解決方案。

絕緣體硅功率芯片

    絕緣體硅功率硅片(Power-silicon on insulator, PSOI?)是一種密封式芯片級封裝,，使用一種不同的方式將電氣連接帶到同一面(見圖4),。PSOI使用平面處理步驟在同側(cè)開發(fā)帶電區(qū)域，并使用金屬化的方式連接各區(qū)域,。通過在頂部連接絕緣體的方式將頂部密封并保護起來,。在器件的底部開發(fā)出外部金屬化觸點，很像倒裝芯片封裝,。但是PSOI的底部和四周都是絕緣的,，形成一種獨特的晶圓級封裝?？梢砸匀魏畏绞角懈钚酒簡?、雙、四等分等等,。這一概念省去了任何后端制造步驟,。在以晶圓形式進(jìn)行切割后，對產(chǎn)品進(jìn)行測試并使用合適的容器發(fā)貨,，例如能夠自動拾放的迭片或膠體(waffle or gel)包裝,。

圖4 絕緣體硅功率硅片

    頂部、底部和側(cè)面絕緣體將結(jié)面與環(huán)境污染和潮濕相隔離,。該工藝省去了焊線和保護涂層,，減小了總體芯片尺寸,。還可以采用便于堆迭的頂部接觸方式制造PSOI，具有出色的散熱特性和小尺寸,，同時維持出色的性能,。此外，該工藝提供了芯片對芯片的電氣隔離,，并且減小了寄生效應(yīng),。根據(jù)當(dāng)前使用的封裝技術(shù)，整體線路占位面積可以減小20%到55%,。

功率芯片堆迭

引線粘合

    目前使用的功率芯片堆迭包括兩個或多個裸片(known-good die)的堆迭,，并將它們豎直地焊接在一起。這些設(shè)計使用成熟的技術(shù),，包括：內(nèi)插器,、焊接和引線粘合，以垂直方式集成各種芯片功能,。該方法的主要優(yōu)點在于僅僅需要一半(或更少)的線路板空間,，并且允許混合晶圓工藝技術(shù)。主要缺點是仍然需要引線粘合(所以仍然存在電弧問題),，累計良品率損失會將生產(chǎn)成本推高,。

折迭引線

    折迭引線線路是另一種可以使用的芯片堆迭方法。使用類似折紙的折迭方法,，功率芯片能夠互相折迭起來,。訣竅是在沒有引線粘合的情況下，如何在功率芯片的頂部和底部做出觸點,，同時保持低側(cè)高,。累計良品率損失好于焊接堆迭芯片方式。

BGA中的堆迭芯片

    雖然使用引線粘合的芯片堆迭是一種有效的解決方案,，但存在的主要缺陷是要為引線額外留出空間,，以及粘合的可靠性問題。美高森美公司正在開發(fā)一種替代解決方案,，在BGA中使用一種創(chuàng)新的堆迭芯片互連方式，無需使用引線粘合,。通過使用創(chuàng)新的芯片布局和互連方式,，該方案具有低寄生電感和安全傳遞高壓特性。低側(cè)高BGA(高度約1mm)可將占位面積縮小一半,，并且可以使用標(biāo)準(zhǔn)拾放裝配技術(shù),，從而提升了良品率和降低了成本。

結(jié)論

    新型CRM裝置集成了新的功能和優(yōu)點,，但是在現(xiàn)今市場上保持突出的競爭優(yōu)勢變得更加困難,。隨著世界人口老齡化以及發(fā)展中國家醫(yī)療開支的增長,，CRM仍然是植入性醫(yī)療裝置的重要市場。小型化,、高性能和高質(zhì)量仍然是CRM設(shè)計的主要技術(shù)挑戰(zhàn),。要減小功率器件的尺寸，不能使用下一代平版印刷節(jié)點技術(shù),，而是要求使用3D線路封裝,。堆迭功率器件是一種成熟但成本高的方法，因為存在電氣和機械良品率的累積損失,。需要一種能夠處理高壓,，并且將所有觸點帶到同一面的新型芯片級封裝技術(shù)。美高森美公司目前正在開發(fā)的新型陶瓷芯片載體,、PSOI和無引線BGA技術(shù)具有低成本,、高可靠性和小占位面積的特點，能夠滿足未來CRM設(shè)計的需求,。