新一代面向心律管理(CRM)應用的封裝技術(shù)

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(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前的封裝技術(shù)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(fā)器；優(yōu)化定時起搏和心臟除顫電擊的先進傳感器，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一步的改進。

CRM應用

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，只是進行監(jiān)控。一些起搏器還有心跳次數(shù)適應功能，這意味著能夠監(jiān)控心臟活動水平并相應地改變心跳次數(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裝置當前的目標是保證電池能夠持續(xù)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(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(shè)計人員需要在驅(qū)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(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(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。

不斷演進的電子裝置封裝

基片組裝方面的進步，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?，F(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簡巍㈦p、四等分等等。這一概念省去了任何后端制造步驟。在以晶圓形式進行切割后，對產(chǎn)品進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。根據(jù)當前使用的封裝技術(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，并且可以使用標準拾放裝配技術(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。