小巧可靠的無源元件是醫(yī)療設備選擇的關鍵

近些年來，醫(yī)療設備一直朝著體積越來越小的趨勢發(fā)展；小型可植入設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)療設備對更小型混合元件的需求，人們不斷改進微控制器（MCU）——或專用集成電路（ASIC）——及電源系統的混合布局與封裝技術。本文探討了無源元件的選型過程，目的是縮小醫(yī)療設備中的混合元件和電路板空間。

引言

無源元件在大規(guī)模制造設施內生產，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實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，同時提高可靠性。

電容器選型標準

每種電容器技術都有自身獨特的屬性，在針對最終應用進行產品選型時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），用于為無線電/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(yī)療設備。

醫(yī)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(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

大多數磁性元件都是為適配特定醫(yī)療設備應用的有限空間、由醫(yī)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)形線圈變壓器、模壓電感器以及具有獨特性能和形狀的天線構成。此外，可以采用各種各樣的磁芯材料和形狀優(yōu)化性能，以滿足不同應用的需求。

在討論了尺寸、價格和性能的權衡后，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，從而確保產品在尺寸和磁性能方面達到最高的質量水平并實現最佳的可靠性。小型設計通常需要進行3D CAD仿真，以實現準確的元件布局和原型設計。

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)形線圈繞制設備。這種設備具有嚴格受控的關鍵電氣性能要求。關鍵尺寸的測量會使用光學測量儀器等檢驗設備。定制設計的測試臺和夾具可以監(jiān)控和測試電氣參數。利用這些自動測試臺可進行數據分析，從而確保設計的可制造性。

不同醫(yī)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）。

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（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(yī)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(yī)療設備應用來說，避免無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，產品可靠性預測是建立在供應商測試數據和醫(yī)療設備制造商規(guī)定的、在定義時間范圍內的應用工作溫度的基礎上的。無源元件供應商的工藝控制是實現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)療設備應用。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歷內部合格性和定期維護試驗。對于關鍵應用，鉭電容器的設計、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）測試的失效率預測。

依照MIL-PRF-55342對電阻器進行針對關鍵醫(yī)療應用的合格試驗。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

借助于小型醫(yī)療設備可使手術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，相應地也需要更好的制造和試驗技術來提高元件的質量。新型小尺寸無源元件的供應商可能需要加大設備和自動化投入，從而獲得醫(yī)療設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。