為可植入醫(yī)療設(shè)備選擇小巧可靠的無源元件

近些年來，醫(yī)療設(shè)備一直朝著體積越來越小的趨勢發(fā)展；小型可植入設(shè)備在植入過程中能夠讓患者感覺更舒適，對(duì)身體的擾亂也更小。為滿足可植入醫(yī)療設(shè)備對(duì)更小型混合元件的需求，人們不斷改進(jìn)微控制器（MCU）——或?qū)Ｓ眉呻娐罚ˋSIC）——及電源系統(tǒng)的混合布局與封裝技術(shù)。本文探討了無源元件的選型過程，目的是縮小醫(yī)療設(shè)備中的混合元件和電路板空間。

引言

無源元件在大規(guī)模制造設(shè)施內(nèi)生產(chǎn)，并通過優(yōu)異的工藝控制來減小不同批次間的差異。相對(duì)于商用元件，醫(yī)療元件要求在更小的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的可靠性和性能水平。在元器件制造方法上，可以采取多種方案縮小混合元件和電路板占用的空間，同時(shí)提高可靠性。

電容器選型標(biāo)準(zhǔn)

每種電容器技術(shù)都有自身獨(dú)特的屬性，在針對(duì)最終應(yīng)用進(jìn)行產(chǎn)品選型時(shí)應(yīng)將這些屬性視為具體參考標(biāo)準(zhǔn)的一部分。
 
用于可植入設(shè)備、外殼尺寸為0201（0.024in×0.012in）的多層陶瓷電容器（MLCC），用于為無線電/遙測系統(tǒng)提供去耦或調(diào)諧功能。最大的MLCC尺寸為2225（0.22in×0.25in），通常作為諧振電容器用于體外醫(yī)療設(shè)備。

醫(yī)療設(shè)備用固體鉭電容器的外殼尺寸為0402（0.045in×0.026in×0.024in），其低高度有助于節(jié)省空間。此外，還有1210 T外殼尺寸（0.138in×0.11in×0.063in）的可靠、大容量固鉭電容器。

硅基電容器已有尺寸為20mil×20mil、最大電容值為1000pF的產(chǎn)品推出。硅電容器可以通過環(huán)氧樹脂或低共熔芯片黏著，并且是打線式的。另外還有0402外殼尺寸、最大電容值27pF的表面貼裝“倒裝貼片”硅基電容器。硅基電容器技術(shù)支持可靠的寬帶操作（20GHz），具有高Q值、低直流電阻（DCR）和高自諧振頻率（SRF）等特點(diǎn)。

磁性元件選型標(biāo)準(zhǔn)

大多數(shù)磁性元件都是為適配特定醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用的有限空間、由醫(yī)療設(shè)備制造商和磁性元件公司的工程師合作而定制設(shè)計(jì)的。針對(duì)可植入設(shè)備定制的磁性元件一般由骨架式變壓器、環(huán)形線圈變壓器、模壓電感器以及具有獨(dú)特性能和形狀的天線構(gòu)成。此外，可以采用各種各樣的磁芯材料和形狀優(yōu)化性能，以滿足不同應(yīng)用的需求。

在討論了尺寸、價(jià)格和性能的權(quán)衡后，即可將目標(biāo)鎖定在與空間要求相匹配的最具成本效益和性能最佳的元件上。設(shè)計(jì)工作一經(jīng)完成，即可制定嚴(yán)格的制造流程、控制及測試程序，從而確保產(chǎn)品在尺寸和磁性能方面達(dá)到最高的質(zhì)量水平并實(shí)現(xiàn)最佳的可靠性。小型設(shè)計(jì)通常需要進(jìn)行3D CAD仿真，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的元件布局和原型設(shè)計(jì)。

在定制磁性元件的制造過程中，會(huì)用到各種各樣專用空心線圈、骨架及環(huán)形線圈繞制設(shè)備。這種設(shè)備具有嚴(yán)格受控的關(guān)鍵電氣性能要求。關(guān)鍵尺寸的測量會(huì)使用光學(xué)測量儀器等檢驗(yàn)設(shè)備。定制設(shè)計(jì)的測試臺(tái)和夾具可以監(jiān)控和測試電氣參數(shù)。利用這些自動(dòng)測試臺(tái)可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而確保設(shè)計(jì)的可制造性。

不同醫(yī)療設(shè)備所使用的磁性元件尺寸和形狀大不相同，依據(jù)具體的應(yīng)用場景而定。0402小尺寸電感器（0.040in×0.020in）用于遙測/通信應(yīng)用。這些電感器可以是打線式的，采用陶瓷芯制成，最大電感值可達(dá)150nH.

高頻打線式RF螺旋電感器有兩種尺寸可選：（0.030in×0.030in×0.020in）和（0.050in×0.050in×0.020in）。這些電感器在RF頻帶中性能優(yōu)異，適合偏置、調(diào)諧及集總元件濾波器應(yīng)用。

電阻器選型標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)的薄膜和厚膜表面貼裝電阻器的外殼尺寸在0402~2512之間。電阻器選型標(biāo)準(zhǔn)包括脈沖處理能力、工作電壓、工作溫度及長期穩(wěn)定性。打線式電阻器的尺寸范圍為0.015in×0.015in×0.010in（額定功率為125mW）至0.055in×0.055in×0.010in（最大電阻值為30MΩ；工作電壓為100V）。

薄膜電阻器支持密集的電路布置，同時(shí)可提供高可靠電阻器膜的優(yōu)點(diǎn)。電阻器容限低至0.01%，電阻溫度系數(shù)（TCR）低至5ppm，有利于放大器、收發(fā)電路及配電的精確調(diào)整。對(duì)于醫(yī)療應(yīng)用而言，這些片式電阻器可涵蓋任何標(biāo)準(zhǔn)的電阻值（10Ω~25MΩ）。

高可靠性測試

對(duì)醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用來說，避免無源元件的災(zāi)難性失效和漂移失效是頭等注意事項(xiàng)。歸根結(jié)底，產(chǎn)品可靠性預(yù)測是建立在供應(yīng)商測試數(shù)據(jù)和醫(yī)療設(shè)備制造商規(guī)定的、在定義時(shí)間范圍內(nèi)的應(yīng)用工作溫度的基礎(chǔ)上的。無源元件供應(yīng)商的工藝控制是實(shí)現(xiàn)高可靠性的一項(xiàng)重要因素。通過在額定或更高電壓下抬高溫度，進(jìn)行規(guī)定時(shí)長的壽命測試，可以確定無源元件的可靠性，并保證元器件可以用于重要醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用。無源元件測試是基于客戶要求和美國軍用標(biāo)準(zhǔn)（MIL）規(guī)范（若適用）進(jìn)行的。

無源元件的可靠性預(yù)測可使用基于MIL-217手冊(cè)或IEC863的在線建模程序來進(jìn)行。以下是供應(yīng)商可靠性模擬示例。

固鉭測試標(biāo)準(zhǔn)基于MIL-PRF-55365.固鉭電容器在抬高的溫度和電壓下經(jīng)歷內(nèi)部合格性和定期維護(hù)試驗(yàn)。對(duì)于關(guān)鍵應(yīng)用，鉭電容器的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)是依照可滿足客戶定制要求的限值來進(jìn)行的。

下表顯示了基于固鉭電容器韋伯（Weibull）測試的失效率預(yù)測。

依照MIL-PRF-55342對(duì)電阻器進(jìn)行針對(duì)關(guān)鍵醫(yī)療應(yīng)用的合格試驗(yàn)。
電阻器失效分為兩類：致命失效（例如，電阻器開路或短路）和漂移失效（導(dǎo)致電路工作狀況不佳）。

可將試驗(yàn)得到的電阻器性能與MIL-PRF-55342限值進(jìn)行對(duì)比，如下表所示。

定制磁性元件的內(nèi)可靠性試驗(yàn)基于MIL-PRF-27標(biāo)準(zhǔn)。所進(jìn)行的試驗(yàn)包括可焊性、耐溶劑性、端子強(qiáng)度、沖擊和振動(dòng)、防潮性及熱沖擊等。這些試驗(yàn)詳載于MIL-STD-202和其他ASTM或JEDEC標(biāo)準(zhǔn)中。

總結(jié)

借助于小型醫(yī)療設(shè)備可使手術(shù)更簡單并降低其侵入性，從而方便醫(yī)生操作并減輕患者痛苦。隨著更小更新的無源元件的推出，相應(yīng)地也需要更好的制造和試驗(yàn)技術(shù)來提高元件的質(zhì)量。新型小尺寸無源元件的供應(yīng)商可能需要加大設(shè)備和自動(dòng)化投入，從而獲得醫(yī)療設(shè)備制造商要求的工藝能力。依照客戶要求和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合格試驗(yàn)和可靠性測試是開發(fā)過程的要求。