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近些年來(lái)，醫療設備一直朝著(zhù)體積越來(lái)越小的趨勢發(fā)展；小型可植入設備在植入過(guò)程中能夠讓患者感覺(jué)更舒適，對身體的擾亂也更小。為滿(mǎn)足可植入醫療設備對更小型混合元件的需求，人們不斷改進(jìn)微控制器（MCU）——或專(zhuān)用集成電路（ASIC）——及電源系統的混合布局與封裝技術(shù)。本文探討了無(wú)源元件的選型過(guò)程，目的是縮小醫療設備中的混合元件和電路板空間。 引言 無(wú)源元件在大規模制造設施內生產(chǎn)，并通過(guò)優(yōu)異的工藝控制來(lái)減小不同批次間的差異。相對于商用元件，醫療元件要求在更小的尺寸內實(shí)現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。 電容器選型標準 每種電容器技術(shù)都有自身獨特的屬性，在針對最終應用進(jìn)行產(chǎn)品選型時(shí)應將這些屬性視為具體參考標準的一部分。 用于可植入設備、外殼尺寸為0201（0.024in×0.012in）的多層陶瓷電容器（MLCC），用于為無(wú)線(xiàn)電/遙測系統提供去耦或調諧功能。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療設備。 醫療設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(guò)環(huán)氧樹(shù)脂或低共熔芯片黏著(zhù)，并且是打線(xiàn)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)。 磁性元件選型標準 大多數磁性元件都是為適配特定醫療設備應用的有限空間、由醫療設備制造商和磁性元件公司的工程師合作而定制設計的。針對可植入設備定制的磁性元件一般由骨架式變壓器、環(huán)形線(xiàn)圈變壓器、模壓電感器以及具有獨特性能和形狀的天線(xiàn)構成。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(mǎn)足不同應用的需求。 在討論了尺寸、價(jià)格和性能的權衡后，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(shí)現最佳的可靠性。小型設計通常需要進(jìn)行3D CAD仿真，以實(shí)現準確的元件布局和原型設計。 在定制磁性元件的制造過(guò)程中，會(huì )用到各種各樣專(zhuān)用空心線(xiàn)圈、骨架及環(huán)形線(xiàn)圈繞制設備。這種設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(huì )使用光學(xué)測量?jì)x器等檢驗設備。定制設計的測試臺和夾具可以監控和測試電氣參數。利用這些自動(dòng)測試臺可進(jìn)行數據分析，從而確保設計的可制造性。 不同醫療設備所使用的磁性元件尺寸和形狀大不相同，依據具體的應用場(chǎng)景而定。0402小尺寸電感器（0.040in×0.020in）用于遙測/通信應用。這些電感器可以是打線(xiàn)式的，采用陶瓷芯制成，最大電感值可達150nH. 高頻打線(xiàn)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、調諧及集總元件濾波器應用。 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(cháng)期穩定性。打線(xiàn)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（TCR）低至5ppm，有利于放大器、收發(fā)電路及配電的精確調整。對于醫療應用而言，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 對醫療設備應用來(lái)說(shuō)，避免無(wú)源元件的災難性失效和漂移失效是頭等注意事項。歸根結底，產(chǎn)品可靠性預測是建立在供應商測試數據和醫療設備制造商規定的、在定義時(shí)間范圍內的應用工作溫度的基礎上的。無(wú)源元件供應商的工藝控制是實(shí)現高可靠性的一項重要因素。通過(guò)在額定或更高電壓下抬高溫度，進(jìn)行規定時(shí)長(cháng)的壽命測試，可以確定無(wú)源元件的可靠性，并保證元器件可以用于重要醫療設備應用。無(wú)源元件測試是基于客戶(hù)要求和美國軍用標準（MIL）規范（若適用）進(jìn)行的。 無(wú)源元件的可靠性預測可使用基于MIL-217手冊或IEC863的在線(xiàn)建模程序來(lái)進(jìn)行。以下是供應商可靠性模擬示例。 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)歷內部合格性和定期維護試驗。對于關(guān)鍵應用，鉭電容器的設計、制造和試驗是依照可滿(mǎn)足客戶(hù)定制要求的限值來(lái)進(jìn)行的。 下表顯示了基于固鉭電容器韋伯（Weibull）測試的失效率預測。 依照MIL-PRF-55342對電阻器進(jìn)行針對關(guān)鍵醫療應用的合格試驗。 電阻器失效分為兩類(lèi)：致命失效（例如，電阻器開(kāi)路或短路）和漂移失效（導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(jìn)行對比，如下表所示。 定制磁性元件的內可靠性試驗基于MIL-PRF-27標準。所進(jìn)行的試驗包括可焊性、耐溶劑性、端子強度、沖擊和振動(dòng)、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 借助于小型醫療設備可使手術(shù)更簡(jiǎn)單并降低其侵入性，從而方便醫生操作并減輕患者痛苦。隨著(zhù)更小更新的無(wú)源元件的推出，相應地也需要更好的制造和試驗技術(shù)來(lái)提高元件的質(zhì)量。新型小尺寸無(wú)源元件的供應商可能需要加大設備和自動(dòng)化投入，從而獲得醫療設備制造商要求的工藝能力。依照客戶(hù)要求和行業(yè)標準進(jìn)行合格試驗和可靠性測試是開(kāi)發(fā)過(guò)程的要求。 |
