用于植入式醫(yī)療設(shè)備的下一代多功能電源組

說(shuō)到植入式醫(yī)療設(shè)備，節(jié)省空間是最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)問(wèn)題之一。本文對(duì)縮減電子電源器件所需空間可使用的封裝概念進(jìn)行了綜述，這樣整體植入設(shè)備可以收縮——在不擴(kuò)大使用空間的情況下增加更多的功能。

圖 1 ：鍍金屬的硅穿孔

植入式醫(yī)療設(shè)備的市場(chǎng)仍然很大。無(wú)論是人口驅(qū)動(dòng)因素和使用次數(shù)都在明顯擴(kuò)張。市場(chǎng)的大部分增長(zhǎng)來(lái)自于努力擴(kuò)大電子器件能參與的手術(shù)治療方法。改良型起搏器類(lèi)產(chǎn)品可被用于阻止慢性腰腿疼痛和偏頭痛。此外，還有其它醫(yī)療電子產(chǎn)品可用于調(diào)節(jié)與抑郁癥、焦慮癥、強(qiáng)迫癥和貪食癥等相關(guān)的癥狀。這本是一個(gè)緩慢改變的行業(yè)，對(duì)于醫(yī)療設(shè)備供應(yīng)商來(lái)說(shuō)成本，性能和質(zhì)量所帶來(lái)的越來(lái)越大壓力，從而帶動(dòng)產(chǎn)品和服務(wù)的創(chuàng)新。但小型化仍然是植入式醫(yī)療設(shè)備的關(guān)鍵增長(zhǎng)推動(dòng)力。對(duì)于病人來(lái)說(shuō)，一款更小的器件能讓手術(shù)切口更小，讓傷口不那么嚇人，手術(shù)過(guò)程沒(méi)那么緊迫，身體愈合快，而且植入物沒(méi)有那么明顯。

用于植入式醫(yī)療設(shè)備的高功率組件，如 IGBT 、 SCR 、 MOSFET 和整流器，給電路設(shè)計(jì)者獨(dú)特的電路布局帶來(lái)了挑戰(zhàn)。首先，需要較大的裸片尺寸來(lái)處理能量問(wèn)題。例如，在植入式心臟除顫器中，電壓可高達(dá) 700 伏，浪涌電流可高達(dá) 60 安培。其次，植入設(shè)備的頂部和底部都需要電氣接點(diǎn)。功率器件采用“垂直”制造結(jié)構(gòu)，從而允許更高的阻斷電壓和更高的電流。再有，必須對(duì)高壓電弧加以控制。在植入式醫(yī)療設(shè)備中，芯片和電線仍然很常用。除了有一層保護(hù)性涂層之外，小心裸片和導(dǎo)線的間距對(duì)于防止產(chǎn)生電弧至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員正在尋找一個(gè)能免除電弧、涂層，電線粘接的封裝方案，并且能同時(shí)最大限度地節(jié)省電路板空間。需要一個(gè)芯片級(jí)的、能將背面連接到同一塊面板正面的倒裝芯片電源封裝方式。

陶瓷載體

一種創(chuàng)建一個(gè)平面倒裝芯片功率封裝的方法是將裸片附加在陶瓷載體上。在這種情況下，陶瓷載體的形狀像一個(gè)倒寫(xiě)的“ L ”。裸片焊接或用環(huán)氧樹(shù)脂固定到陶瓷上。金屬走線被嵌到陶瓷里面，將背面連接路由至與正面，形成一款平面器件。裸片和陶瓷載體都放有焊球，以便能貼上平面倒裝芯片，相比芯片和電線和節(jié)省空間。此外，陶瓷是一種耐高壓電弧的良好絕緣體。制造中有待克服的問(wèn)題包括 X, Y 和 Z 平面性，因?yàn)槁闫诟街教沾奢d體時(shí)會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)或傾斜。

TSV 技術(shù)

另一種解決方案是通過(guò)使用金屬填充硅片通孔（ TSV ）技術(shù)。若使用此方法，芯片的尺寸擴(kuò)大到包括鄰近活性硅（ active silicon ）附近的非活性硅區(qū)域。先在非活性硅里打通一個(gè)通孔，然后用金屬填充（圖 1 ）這個(gè)通孔，從而建立一個(gè)電路信道。電流從活性硅區(qū)域，通過(guò)背面的金屬再到 TSV 。這就可以將背面的接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)移到前面。芯片的尺寸有所增加，但沒(méi)有第一種采用陶瓷載體方案的芯片增加的多。圖 1 只是使用 TSV 時(shí)的一個(gè)結(jié)構(gòu)圖。從這個(gè)基本結(jié)構(gòu)可以引申出很多變化。例如，建立允許中介層連接或者裸片堆疊的背部連接。

TSV 是一項(xiàng)新興的制造工藝，似乎在用于處理功率器件的大電流方面也是一款很有前景的解決方案。但據(jù) VLSI Research 在近期國(guó)際互連技術(shù)會(huì)議的說(shuō)法，“大規(guī)模生產(chǎn) TSV 仍然還要等幾年”。在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)之前，每片晶圓的加工成本仍將過(guò)高。成本較低的 TSV 解決方案仍然在電源設(shè)備生產(chǎn)中受到檢驗(yàn)。

圖 2 絕緣體上的功率芯片

功率裸片堆疊

電源芯片堆疊在今天得以實(shí)用。這種技術(shù)首先要求有兩個(gè)或多個(gè)預(yù)知良好的裸片，并將其垂直焊接在一起。這些設(shè)計(jì)采用完善的技術(shù)，包括中介層、焊接和引線粘接，以垂直整合芯片功能。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是，它只需要一半的電路板空間，并且允許使用多種晶圓加工技術(shù)。主要缺點(diǎn)是仍然需要引線連接，高壓電弧仍然是一個(gè)問(wèn)題，累計(jì)的成品率損失往往會(huì)使成本增高。折疊式柔性電路是另一種可使用的裸片堆疊方法。利用折紙般的折疊方法，功率裸片可以彼此堆疊在一起。訣竅在于如何在保持較小尺寸，且不需要引線的同時(shí)實(shí)現(xiàn)同一塊功率裸片的頂部和底部的連接。

絕緣體上的功率芯片

絕緣層上的功率芯片（ PSOI ）是一類(lèi)密封芯片級(jí)封裝，采用不同的方法將電氣連接放到同一側(cè)（圖 2 ）。 PSOI 使用標(biāo)準(zhǔn)的加工工藝在同一側(cè)開(kāi)發(fā)有源區(qū)域，但采用頂部金屬化融入此區(qū)域。然后將頂層通過(guò)附著一層頂層絕緣體進(jìn)行密封和保護(hù)。外部金屬化接觸點(diǎn)被放在器件的底部，非常類(lèi)似倒裝芯片封裝，但是有了 PSOI ，底部和兩側(cè)被隔離開(kāi)，形成了獨(dú)特的“晶圓級(jí)封裝”。芯片可以以任何形式切開(kāi)，如單鋸，對(duì)偶、四邊形等。這樣消除了任何后期制造步驟。經(jīng)過(guò)以晶圓的形式切割后，產(chǎn)品經(jīng)測(cè)試，并采用合適的容器如松餅式或凝膠進(jìn)行封裝，可以隨意拾取和放置。

頂部、底部和側(cè)面的絕緣體將接合處與環(huán)境污染物和濕氣隔離開(kāi)。這一工藝無(wú)需引線連接和保護(hù)性涂層，從而縮小了整個(gè)芯片的尺寸。 PSOI 也可以采用頂部接觸堆疊的方式制造，提供卓越的熱特性和小尺寸，同時(shí)保持浪涌性能。這一過(guò)程提供了芯片 - 芯片的電氣隔離并降低了寄生效應(yīng)?？偖a(chǎn)出量必須與標(biāo)準(zhǔn)晶圓方式的產(chǎn)量不相上下，以匹配成本。與目前所用的封裝技術(shù)相比，可將整體電路所占用的空間減少 20 ％至 55 ％。

結(jié)論

在縮小的面積中加入更多的功能，同時(shí)還要保持絕對(duì)的品質(zhì)，這是目前植入式醫(yī)療設(shè)計(jì)工程師們面對(duì)的首要技術(shù)挑戰(zhàn)。與平面器件不同，功率器件縮小不能通過(guò)使用光刻節(jié)點(diǎn)減少來(lái)解決。因此，需要采用芯片級(jí)芯片倒裝類(lèi)電源封裝的先進(jìn) 3D 電路封裝制造是一類(lèi)適用的解決方案。

要打造一款平面覆晶式電源器件有很多種可選方案。最有前途的是陶瓷芯片載體、 TSV 和 PSOI 封裝技術(shù)。

更多醫(yī)療電子信息請(qǐng)關(guān)注：21ic醫(yī)療電子頻道