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，對身體的擾亂也更小。為滿足可植入醫(yī)療設(shè)備對更小型混合元件的需求，人們不斷改進微控制器(MCU)——或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)——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。相對于商用元件，醫(yī)療元件要求在更小的尺寸內(nèi)實現(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，同時提高可靠性。

電容器選型標準

每種電容器技術(shù)都有自身獨特的屬性，在針對最終應(yīng)用進行產(chǎn)品選型時應(yīng)將這些屬性視為具體參考標準的一部分。

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。

磁性元件選型標準

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)計的。針對可植入設(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、價格和性能的權(quán)衡后，即可將目標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)計工作一經(jīng)完成，即可制定嚴格的制造流程、控制及測試程序，從而確保產(chǎn)品在尺寸和磁性能方面達到最高的質(zhì)量水平并實現(xiàn)最佳的可靠性。小型設(shè)計通常需要進行3D CAD仿真，以實現(xiàn)準確的元件布局和原型設(shè)計。

在定制磁性元件的制造過程中，會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)備具有嚴格受控的關(guān)鍵電氣性能要求。關(guān)鍵尺寸的測量會使用光學(xué)測量儀器等檢驗設(shè)備。定制設(shè)計的測試臺和夾具可以監(jiān)控和測試電氣參數(shù)。利用這些自動測試臺可進行數(shù)據(jù)分析，從而確保設(shè)計的可制造性。

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。

電阻器選型標準

標準的薄膜和厚膜表面貼裝電阻器的外殼尺寸在0402~2512之間。電阻器選型標準包括脈沖處理能力、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)。[!--empirenews.page--]

薄膜電阻器支持密集的電路布置，同時可提供高可靠電阻器膜的優(yōu)點。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。對于醫(yī)療應(yīng)用而言，這些片式電阻器可涵蓋任何標準的電阻值(10Ω~25MΩ)。

高可靠性測試

對醫(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。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)商的工藝控制是實現(xiàn)高可靠性的一項重要因素。通過在額定或更高電壓下抬高溫度，進行規(guī)定時長的壽命測試，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準(MIL)規(guī)范(若適用)進行的。

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

固鉭測試標準基于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試驗。對于關(guān)鍵應(yīng)用，鉭電容器的設(shè)計、制造和試驗是依照可滿足客戶定制要求的限值來進行的。

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對電阻器進行針對關(guān)鍵醫(yī)療應(yīng)用的合格試驗。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)。

可將試驗得到的電阻器性能與MIL-PRF-55342限值進行對比，如下表所示。

定制磁性元件的內(nèi)可靠性試驗基于MIL-PRF-27標準。所進行的試驗包括可焊性、耐溶劑性、端子強度、沖擊和振動、防潮性及熱沖擊等。這些試驗詳載于MIL-STD-202和其他ASTM或JEDEC標準中。

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)標準進行合格試驗和可靠性測試是開發(fā)過程的要求。