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

    關系到生命安全的心律管理(cardiac rhythm management, CRM)產品(如植入性起搏器和植入性心臟復律除顫器(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，所以可靠性是極為重要的。只要出現一次強制性產品回收就可能造成嚴重后果，這不僅是對所涉及的各家企業的財務底線造成影響，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前的封裝技術進行改進。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器；優化定時起搏和心臟除顫電擊的先進傳感器，以及在主系統發生故障時使用的備份系統等。集成電路利用了如晶圓堆迭等密集封裝方面的先進技術。在大多數情況下，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有的分立元件作出進一步的改進。

CRM應用

    起搏器是用來代替健康心臟竇房結產生的電脈沖。當心跳太快、太慢或者不規則時，便會發生心律不齊。把起搏器放在合適的位置，以合適的強度發出電脈沖，就可以糾正心律不齊現象。在竇房結產生自己的電信號期間，起搏器不會做出任何事情，只是進行監控。一些起搏器還有心跳次數適應功能，這意味著能夠監控心臟活動水平并相應地改變心跳次數。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律并開始纖維化時，還可以對心臟發出高壓電擊。先進的電子裝置向心臟發送一個大的DC電流，停止所有不規律的心臟活動，為竇房結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、一個脈沖發生器以及一個連接器模塊。脈沖發生器包含了CRM裝置的全部電氣線路。

圖1 植入性心臟復律除顫器(ICD)結構圖

功率管理

CRM裝置的功率管理是至關重要的。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裝置當前的目標是保證電池能夠持續使用七到十年，才需要進行更換。

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/參數保存的存儲器、一個在需要時提供電擊的脈沖發生器和用于監測的傳感放大器。為了減小尺寸和節省成本，這些功能被集成在一個或多個集成電路中。大多數IC采用低電壓工作，以節省電能，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。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。

開關器件

    開關用于將充電級的高壓脈沖引導至心臟引線，開關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)、金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、整流二極管和遙控選通晶閘管(RGT)。選擇這些器件時，設計人員需要在驅動電路復雜性、器件性能及裝置整體線路板占位面積之間作出選擇。

    功率開關具有共同的特性。首先，它們的體積大，這些開關具有高達1600 V和50 A的額定值。ICD在非常短的時間內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，需要進行連接，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。

靜電和瞬態電壓保護

    瞬態電壓抑制(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出的任何雜散電脈沖分流至接地。這些脈沖可能來自醫療設備、電弧焊設備、汽車引擎或外部去心臟纖顫裝置等強磁場源。外殼內部產生的能量脈沖也是需要關注的地方。當ICD釋放其高壓脈沖時，必須隔離敏感的集成電路電子裝置。控制級由功率開關來保護，阻斷任何雜散能量，這些阻斷開關一般由MOSFET控制。

不斷演進的電子裝置封裝

    基片組裝方面的進步，使得醫療裝置制造商得以持續削減CRM裝置的體積。板上芯片組裝(Chip-on-board assembly)、芯片上芯片(chip-on-chip)及現今先進的2D和3D封裝在業界廣泛流行。這些技術將整體線路面積減小了60-80%。芯片堆迭減少了內部互連，改善了測試結果，并且能夠在小面積區域內實現晶圓工藝技術的混合使用。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步的同時功率分立組件的封裝技術顯得滯后。

    植入性醫療裝置使用的大功率組件(如IGBT、SCR、MOSFET和整流器等)都給線路設計人員帶來了獨特的布局挑戰。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。設計人員正在尋找在使線路板較小化的同時能夠消除電弧、涂層和焊線的封裝解決方案。因而需要一種能夠將底部觸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，將底面的觸點導引到頂部。芯片采用釬焊或環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，相比傳統的芯片加引線封裝方式，能夠節省整體空間。此外，陶瓷載體還具有絕緣性能良好的優點，可以防止高壓電弧。

圖2 陶瓷載體

    盡管具有這些優點，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，可以擴大芯片尺寸，使到非帶電硅區域鄰近于帶電硅區域。首先讓孔穿過硅片，然后使用金屬對孔進行充填，創建一個穿過不帶電硅區域的信道(見圖3)，使底部的觸點轉移到頂部。現在電流可以從帶電區域穿過背后的金屬和TSV。雖然該技術使芯片尺寸增加，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。這一基本結構還可以生成其它的變化型款，例如是通過創建可實現內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。但是在較近舉辦的國際互連技術研討會上，基于VLSI研究機構的觀察，“TSV技術的大批量使用仍需數年時間”。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開發帶電區域，并使用金屬化的方式連接各區域。通過在頂部連接絕緣體的方式將頂部密封并保護起來。在器件的底部開發出外部金屬化觸點，很像倒

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