新一代面向心律管理(CRM)應(yīng)用的封裝技術(shù)

醫(yī)療專(zhuān)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?yàn)樯婕暗讲』嫉纳踩?，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(hù)理、大型采購(gòu)和政府合約等發(fā)展趨勢(shì)，植入性醫(yī)療裝置和其它消費(fèi)醫(yī)療產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員正面臨降低成本的壓力。此外，設(shè)計(jì)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?yàn)檫@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(qiáng)制性產(chǎn)品回收就可能造成嚴(yán)重后果，這不僅是對(duì)所涉及的各家企業(yè)的財(cái)務(wù)底線造成影響，而且會(huì)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(zhǎng)電池壽命的壓力。

所有這些壓力均要求對(duì)當(dāng)前的封裝技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)于病患而言，小的裝置比大的裝置帶來(lái)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(guò)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(wú)線通信的射頻收發(fā)器；優(yōu)化定時(shí)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(shí)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(huì)有重大的改變。然而，市場(chǎng)壓力正開(kāi)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(lái)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(shí)，便會(huì)發(fā)生心律不齊。把起搏器放在合適的位置，以合適的強(qiáng)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(hào)期間，起搏器不會(huì)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(dòng)水平并相應(yīng)地改變心跳次數(shù)。起搏器可以有一個(gè)或兩個(gè)引線。有一根引線的起搏器稱(chēng)作單室起搏器。引線放置的位置取決于心臟信號(hào)問(wèn)題發(fā)生的位置。有兩根引線的起搏器稱(chēng)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(lèi)型取決于心律失調(diào)的種類(lèi)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(kāi)始纖維化時(shí)，還可以對(duì)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(gè)大的DC電流，停止所有不規(guī)律的心臟活動(dòng)，為竇房結(jié)提供一個(gè)控制心律的機(jī)會(huì)。

在典型的ICD中(見(jiàn)圖1)，外殼中包含一塊電池、一個(gè)脈沖發(fā)生器以及一個(gè)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(jià)高昂，加之病患的壽命不斷延長(zhǎng)，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(gè)用于計(jì)算的微處理器、用于代碼/參數(shù)保存的存儲(chǔ)器、一個(gè)在需要時(shí)提供電擊的脈沖發(fā)生器和用于監(jiān)測(cè)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(gè)或多個(gè)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(duì)靜電放電(ESD)敏感，必須采用電氣隔離加以保護(hù)。電極或植入性傳感器中已集成有感測(cè)技術(shù)。電脈沖通過(guò)引線傳遞給心臟，引線通過(guò)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(cè)到一段心室纖維顫動(dòng)時(shí)，便從電池獲取電能，為一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)能電容充電。高壓整流器則用于控制該級(jí)的電壓。

開(kāi)關(guān)器件

開(kāi)關(guān)用于將充電級(jí)的高壓脈沖引導(dǎo)至心臟引線，開(kāi)關(guān)級(jí)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(chǎng)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(shí)，設(shè)計(jì)人員需要在驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)具有共同的特性。首先，它們的體積大，這些開(kāi)關(guān)具有高達(dá)1600 V和50 A的額定值。ICD在非常短的時(shí)間內(nèi)提供巨大的高能脈沖，一般僅有幾毫秒。散熱時(shí)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(lái)困難(和集成電路形成對(duì)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(diǎn)，會(huì)在不需要的位置產(chǎn)生電弧。組件間距、焊線間和保護(hù)性涂層成為重要的考慮因素。

靜電和瞬態(tài)電壓保護(hù)

瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管用于保護(hù)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(lái)自醫(yī)療設(shè)備、電弧焊設(shè)備、汽車(chē)引擎或外部去心臟纖顫裝置等強(qiáng)磁場(chǎng)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(shí)，必須隔離敏感的集成電路電子裝置?？刂萍?jí)由功率開(kāi)關(guān)來(lái)保護(hù)，阻斷任何雜散能量，這些阻斷開(kāi)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(cè)試結(jié)果，并且能夠在小面積區(qū)域內(nèi)實(shí)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(jì)良品率問(wèn)題為代價(jià)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(shí)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(jì)人員帶來(lái)了獨(dú)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(diǎn)。第三，必須控制高壓電弧。設(shè)計(jì)人員正在尋找在使線路板最小化的同時(shí)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(diǎn)帶到與頂部觸點(diǎn)同一平面的芯片級(jí)、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(jiàn)圖2)。這時(shí)陶瓷載體的形狀就像一個(gè)倒置的L，陶瓷上嵌有金屬跡條，將底面的觸點(diǎn)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(diǎn)，可以防止高壓電弧。

圖2 陶瓷載體

盡管具有這些優(yōu)點(diǎn)，還是存在需要克服的制造問(wèn)題。例如：X、Y和Z平面就是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樾酒谂c載體連接時(shí)會(huì)移動(dòng)或傾斜。

硅片貫孔

借助金屬充填硅片沖孔(TSV)技術(shù)，可以擴(kuò)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(guò)硅片，然后使用金屬對(duì)孔進(jìn)行充填，創(chuàng)建一個(gè)穿過(guò)不帶電硅區(qū)域的信道(見(jiàn)圖3)，使底部的觸點(diǎn)轉(zhuǎn)移到頂部?，F(xiàn)在電流可以從帶電區(qū)域穿過(guò)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(guò)創(chuàng)建可實(shí)現(xiàn)內(nèi)插連接或芯片堆迭的底部觸點(diǎn)。

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(guó)際互連技術(shù)研討會(huì)上，基于VLSI研究機(jī)構(gòu)的觀察，“TSV技術(shù)的大批量使用仍需數(shù)年時(shí)間”。在大批量使用之前，每個(gè)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(jí)封裝，使用一種不同的方式將電氣連接帶到同一面(見(jiàn)圖4)。PSOI使用平面處理步驟在同側(cè)開(kāi)發(fā)帶電區(qū)域，并使用金屬化的方式連接各區(qū)域。通過(guò)在頂部連接絕緣體的方式將頂部密封并保護(hù)起來(lái)。在器件的底部開(kāi)發(fā)出外部金屬化觸點(diǎn)，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(dú)特的晶圓級(jí)封裝?？梢砸匀魏畏绞角懈钚酒?jiǎn)?、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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試并使用合適的容器發(fā)貨，例如能夠自動(dòng)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(hù)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(shí)維持出色的性能。此外，該工藝提供了芯片對(duì)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(gè)或多個(gè)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(jì)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(diǎn)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(diǎn)是仍然需要引線粘合(所以仍然存在電弧問(wèn)題)，累計(jì)良品率損失會(huì)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(lèi)似折紙的折迭方法，功率芯片能夠互相折迭起來(lái)。訣竅是在沒(méi)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(diǎn)，同時(shí)保持低側(cè)高。累計(jì)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(wèn)題。美高森美公司正在開(kāi)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(wú)需使用引線粘合。通過(guò)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(diǎn)，但是在現(xiàn)今市場(chǎng)上保持突出的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)變得更加困難。隨著世界人口老齡化以及發(fā)展中國(guó)家醫(yī)療開(kāi)支的增長(zhǎng)，CRM仍然是植入性醫(yī)療裝置的重要市場(chǎng)。小型化、高性能和高質(zhì)量仍然是CRM設(shè)計(jì)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(diǎn)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?yàn)榇嬖陔姎夂蜋C(jī)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(diǎn)帶到同一面的新型芯片級(jí)封裝技術(shù)。美高森美公司目前正在開(kāi)發(fā)的新型陶瓷芯片載體、PSOI和無(wú)引線BGA技術(shù)具有低成本、高可靠性和小占位面積的特點(diǎn)，能夠滿足未來(lái)CRM設(shè)計(jì)的需求。