诺基亚最近宣布召回 1400 万件手机充电器，原因是其电路可能导致用户触电。想象一下如果需要从某个人的体内取出电路进行更换有多困难。在很多方面，植入式电子设备都与手机中使用的电子设备存在相似之处：两者都需要在最小的空间内获取最大的功能；两个行业都要面临各种市场和技术压力。消费者和医疗电子设备市场都在不断创新，不断开发新的功能和应用。不同的是，植入式电子设备除需考虑性能、体积和成本外，还需要具有绝对的可靠性。

在过去的十年中，医疗器械行业的收入达到了两位数增长。起搏器型产品的应用市场和区域市场同时扩大。但近年来，其增长率跌至 10% 以下。过去十年，植入行业的竞争压力加剧并经历了整合。此外，医疗保健领域的成本控制、管理式医疗、大宗采购团、政府签约经营和医院整合都要求进一步压低成本。大量的研发投入是新产品开发所必需的。怎样才能使植入市场恢复两位数的增长呢？

自 1950 年代末期晶体管发明和生产以来，电子设备便开始应用于植入式起搏器中。60 年代和 70 年代，起搏器的功能和应用不断增加。1981 年，植入式心律转复除颤器 (ICD) 第一次被植入人体内。上述两种产品构成了生命攸关的心律调整 (CRM) 市场领域。在整个 CRM 电子设备历史中，电路和组件的变化极慢，这是合理的，在生命垂危的时刻，不能让患者和护理者担心体内电子设备的可靠性。但减小体积、增加功能性和延长电池寿命的压力要求我们对当前的产品封装进行改进。

微型化是植入式医疗器械的关键成长驱动力。1对于患者而言，小型器械带来的恐惧要少于大型器械。切口越小，手术的影响就越小，身体恢复的速度就越快，且越不容易感觉到植入物。此外，电子设备越小，产品整合的选择就越多。起搏器和 ICD 的新增功能包括供无线通讯使用的 RF 收发器、优化起搏和除颤时间的新型传感器以及防止主系统故障的后备系统。处理功率和存储容量也得到了提升，集成电路 (IC) 堆叠密度越来越大。但在大多数情况下，分立元件仍维持原样。在这些创新条件下，分立封装逐渐成为关键因素。

本文讨论了 CRM 制造商面临的市场压力以及他们应对市场挑战的方法。此外，本文还探讨了一些能够改善分立器械性能、体积和成本并维持其可靠性的电子设备封装的创新方案。

新兴市场

世界人口的老龄化将成为影响植入式电子设备需求的关键因素。据世界卫生报告称，至 2050 年，60 岁以上的人口将超过 20亿，100 岁至 60 岁的人口超过 200 万。起搏器植入患者的平均年龄为 70 岁。这些人口统计数据将不断推动植入市场的需求。

全球医疗保健开支不断增加。美国每人每年的医疗保健费用达近 7000 美元。美国预算办公室估计美国的医疗保健开支正在接近国内生产总值 (GDP) 的 16%，预计将继续呈不断上升的趋势，至 2017 年将达 GDP 的19.5%。

偏远新兴市场变得越来越富足，它们将成为植入式器械增长的最大机遇之一。中国医疗保健支出从 1995 年占 GDP 的 3.7% 增加到 2007 年的 5.6%。目前，中国每人的医疗保健支出是 300 美元，但作为经济刺激计划的一部分，中国在未来三年内的医疗保健开支将增加 1240 亿。2005 年，台湾的医疗保健支出增加至 GDP 的 6.3%。2008 年，印度政府提出将医疗保健公共开支从 GDP 的 1% 增加至 3%。这些国家并不自行生产先进的医疗设备，而推崇美国公司的品牌认知度、可靠性和技术优势。2009 年，医疗电子设备市场规模预计达 25.4 亿美元。包括 CRM 电子设备在内的医学诊断治疗市场预计达 5.5亿 美元，其年均复合增长率达 14.7%。相比之下，由于价格压力和缺乏新应用领域，CRM 市场的增长率预计仍低于 10%。

多样化

医疗行业正致力于开辟新的 CRM 器械用户群。大部分植入除颤器的患者都患有末期心脏病。他们通过对早期心脏病患者进行临床试验，希望揭示植入除颤器是否能够获得健康效益。如果对植入这些仪器的早期心脏病患者进行治疗可以达到更好的健康效果，延长寿命，并使患者无需住院，那么保险公司批准此手术的可能性就更大。

全球三大起搏器和 ICD 系统生产商——Medtronic、Boston Scientific 和 St. Jude Medical－2008 年的总收入达 260 亿美元。其中近 35%（或 100 亿美元）来自 CRM 市场。相比之下，12 年前其收入的近 60% 来自 CRM 产品。

这些公司的大部分新增长点是通过扩大治疗群体来实现。通过改变起搏器产品中的电子设备，开发出治疗机体神经系统的新型应用。神经刺激器并不能治愈潜在病因，而是掩蔽或阻断症状。例如，器械会阻断慢性背痛、腿疼和偏头痛。其它改善行为包括抑郁症、焦虑症、强制症和贪食症。

CRM 应用
 
起搏器代替的是正常健康心脏窦房结 (SA) 产生的电脉冲。当心跳过快、过慢或不规则时会发生心律不齐。起搏器装置可发送适当密度的电脉冲至适当的位置来纠正心律不齐。在窦房结产生自身电信号期间，起搏器不做任何事情，只负责监测。一些起搏器还具有频率适应性，即它们可以监测活动强度并据此改变心率。起搏器可能有一根或两根导线。一根导线的起搏器称为单腔起搏器。导线的位置取决于心脏信号出现问题的部位。两根导线的起搏器为双腔起搏器，一根导线位于右心房，另一根位于右心室。需要哪种类型的起搏器取决于心律失常的类型和总体心脏机能。

ICD 不但具有起搏器的所有功能，当肌肉失去其天然节律时还能发送高压电击至心脏并开始颤动。先进的电子设备将较大的直流电流应用于心脏，以停止所有不稳定的电活动并使窦房结控制心脏节律。

CRM 外壳通常包含电池、脉冲发生器和连接器插头块。脉冲发生器中包含 CRM 仪器的全部电路。CRM 仪器的电源管理至关重要。其目标是使电池持续供电 5 至 10 年不更换。

传感和控制组件。传感和控制部件包括用于计算的微处理器、用于存储的记忆卡、提供电击的脉冲发生器和一个监测何时需要电击的读出放大器。这些组件集成于一块或多块集成电路板上，以节约空间和成本。大多数集成电路可在极低的电压下（通常小于 3.3 V）工作，以保存能量。这些低压电路对静电放电 (ESD) 敏感，因此必须采取电绝缘和保护措施。

传感技术已应用于电极或植入式传感器中。电脉冲通过导线传递至心脏，导线则通过连接器插头块连接至脉冲发生器。

高压充电。在充电阶段，锂电池提供能量，电压从 4 V 增加至最终的逾 700 V。高压用来使心脏除颤。当感测到颤动时，从电池中抽取能量，充至一个或多个存储电容器内。随后此能量被释放并通过转换器传递至心脏导线处。利用高压整流器来调整此级的电压。

转换电子设备。转换器用来将高压脉冲从充电级传递至心脏导线。转换级中采用了各种高压器械，包括绝缘栅双极晶体管 (IGBT)、可控硅整流器 (SCR)、金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)、整流器二极管和遥栅闸流管 (RGT)。需要设计者在驱动电路的复杂性、器械性能和器械电路板总体尺寸之间进行权衡，决定选择哪种器械。

能量转换器具有共同的特性。首先，它们体积较大；这些转换器的额定规格高达 1600 V 和 50 A。其中一些被称为硅质岩。ICD 可在极短的时间内（通常仅为几毫秒）传递极高的能量。由于散热时间极短，因此硅必须吸收这些能量。其次，芯片块的两侧都需具有电活性且需要连接，这就带来了装配挑战。这不同于集成电路，集成电路只有一侧有活性且只需在顶端存在电连接。第三，高压脉冲具有自身的特性，且能够通过电弧转移至其它位置。组件、线焊和保护性涂层成为重要的考虑因素。

静电和瞬态电压保护。瞬态电压抑制 (TVS) 二极管可用于保护敏感的电子器械。二极管分流形成杂散电脉冲，被心脏或外壳吸收。这些脉冲的来源包括医疗设备、弧焊设备、汽车引擎或体外除颤器械产生的强磁场。

内部产生的能量脉冲也是需要考虑的问题。当 ICD 释放高压脉冲时，必须保护敏感的 IC 电子设备。通过能量转换器封锁杂散的能量来保护控制级。这些被称为封锁转换器，一般采用 MOSFET 对其进行控制。

不断发展的电子设备封装

2009 年 9 月，在一次医疗电子设备专题讨论会上，Medtronic Microelectronics Center 的 Paul Gerrish 认为 CRM 器械制造商知道如何对 IC 进行紧凑封装。7Gerrish 担心的是在下一代封装产品中还可以缩减哪些部分。对分立元件、转换器、电容器和电池的紧缩工作目前正在进行中。作者想知道功率分立元件制造商是否正在寻求合适的解决方案。

基础配件的改进使医疗器械制造商能够进一步缩小 CRM 器械的体积。8板载芯片配件、集成芯片和现在的先进的二维和三维封装应用于整个行业（参见图 3）。预计这些技术可以缩减总体电路空间的 60–80%。芯片块堆叠可以减少相互连接、改善测试并可在较小的区域内采用各种晶片加工技术。尺寸减小带来的是成本的提高。昂贵的材料和累计产额问题很容易推升成本。

如前所述，功率分立元件（如 IGBT、SCR、MOSFET 和整流器）给电路设计者提出了特殊的布置和封装挑战。其中包括在两侧进行电路连接、控制高压电弧和缩小体积。此外，应记住必需采用较大的芯片块来处理所需的功率（硅质岩）。分立封装需要发展成可集成至堆叠设计的芯片尺寸封装，并同时简化制造过程以缩减成本。OEM 可采用不同的方案进行完成上述封装，各有各的优点和限制。

芯片和导线。芯片和导线是植入式应用的传统封装方法，这需要从供应商处购置经全面测试和检查过的芯片，利用导电性环氧或焊料将其一侧固定于电路板上，然后采用薄导线将另一侧连接至电路。芯片和焊线上涂覆保护性涂层以防通过空气产生高压电弧，并牢固固定焊线。芯片和导线是连接功率器械最经济高效的方法之一。其主要的缺点是导线连接需要额外的空间以及焊线的可靠性。芯片和导线面临的其它常见挑战包括处理、标记、抓放、断裂和保护涂层。

芯片和线夹。芯片和线夹可用于功率封装技术。线夹是连接芯片块顶端与电路板的铜带。铜带扩大了接触区域，可增强载流能力并改善散热性能。由于 CRM 器械的脉冲持续时间较短，因此使用线夹对性能的提升可以忽略不计。由于线夹平铺在芯片块上，限制了终端设备之间的空间，因此仍会引起击穿问题。

常规环氧模塑封装。塑料（环氧化物）表面贴装、球栅阵列 (BGA) 和方块平面无铅封装 (QFN) 可以解决芯片和线夹的一些问题，但同时会产生其它问题。内部焊线使芯片块的前后连接至同一表面。环氧封住芯片块，以防高压电弧。此外，环氧覆盖物可在运输过程中保护芯片块并抵抗标准的抓放设备的摩擦。采取适当的检查、预烧、温度循环和测试即可保证其可靠性。尽管医疗 OEM 应注意产品使用寿命的差异，但商业世界的规模经济效应大同小异。（商业手机机型仅能维持几个月的时间即迅速被新设计所代替。）主要的缺点仍在于体积。增加一个引线框、焊线和环氧化物外部封装会增大器械的总体积，特别是功率器械。

Sidewinder 环氧模塑封装。Sidewinder 是一种非传统的塑料表面贴装元件，它接通芯片块的一端并将其直接连接至引线框。与标准塑料封装相比，它的最大优点在于其 x-y 平面体积缩小达 60%。但由于芯片块被翻转过来，因此相应的封装高度可能增加达 50%。此外，由于它是一种非标准封装技术，因此其成本高于标准塑料。

倒装芯片。如果芯片块的所有接触点位于一侧，则可采用倒装芯片这种芯片尺寸封装方法。工程师涂布焊料后翻转芯片块，使焊料回流实现与电路板的固定。由于 CRM 是背面可用的功率器械，这种连接方法造成了问题，该技术如今应用于 CRM 行业，但迄今为止其主要的应用领域是低压产品（小于 30 V）。

一种方法是将芯片块焊接至金属载体上，将背面的接触点翻转至正面。铜载体弯折成倒 L 形，使背面的接触点与芯片块处于同一平面上。焊料凸点位于芯片块和载体上，便于倒装芯片的粘贴。由于当芯片块焊接至载体时可以移动或倾斜，因此这种方法使 x、y 和 z 平面变得复杂。对于高压应用而言，芯片块与金属载体之间的击穿是需要考虑的问题。

为消除载体造成的平面性的问题，另一种将背面的接触点翻转至正面的方法是形成硅通路。扩大芯片块体积，使无活性硅与活性硅区域相邻。通过在外延层形成排水孔或重掺杂区在无活性硅区域形成槽。这提供了将晶片背面转至正面位置的通路。通过利用背面金属，可使电流从活性区域通过槽到达正面。芯片块体积较大，但当使用载体时可缩小其体积。这种方法适用于低压和数安培的条件下，但不适用于 1000-V，50-A 的脉冲。

市场上并没有倒装芯片高压封装产品，因此必须开发出一些新方法将此技术应用于 CRM。其主要的困难在于形成一个高电流传导通路。一种解决方案是采用镀通孔。9镀通孔的应用是一种成熟的制造工艺。10专用金属化工艺可以防止导电金属移动并损害其它工艺步骤。芯片块的顶端是传导电流，因此必须小心堆叠芯片块。高压倒装芯片的第二种方案是外延二极管。这种方法采用的是标准的加工步骤。其中整合了 12 至 20 毫寸厚的标准芯片块。其问题在于外延二极管的厚度和体积大于标准加工过程，从而造成了成本的增加。此外，处理、标记、抓放、断裂和保护涂层等常见问题依然存在。

如今功率芯片块堆叠已得到应用。它需要先利用两块或多块已知的性能良好的芯片块，然后利用焊料将芯片块焊接至仪器。11最后一块芯片块焊接至底部并线焊至顶端，就像典型的芯片和导线一样，但只需用一半的电路板空间。它可以在较小的区域内使用各种晶片加工技术。这种工艺相比其它方法能极大的减小 x-y 平面体积，但造价更高。堆叠芯片块的制造产量与封装的芯片块的数量相关。累计产额损失自然会推动成本的提高。

功率分立元件的工艺整合。此工艺可解决医疗 OEM 面临的诸多封装挑战，例如，将高压整流器与 IGBT 或 SCR 整合。这些整合可减少组件数量，简化测试过程，提高可靠性并改善成本结构。但为什么这种方法不实用？因为需要基本的晶片加工步骤在特定的器械上形成活性区域。整流器和 SCR 的工艺步骤的差异使得将这两种部件组合变得极为困难。

功率绝缘体硅 (PSOI)。PSOI 是一种密封的芯片尺寸封装产品，它采用了一种不同的方法使电连接处于同一侧。PSOI 利用标准的加工步骤使活性区域位于同一侧，并利用顶部金属化将区域相连接。然后在顶部贴上绝缘体，将顶部密封并加以保护。芯片块随后可以切成各种形式（如单、双和四分割）。此概念是免除了其它后端制造步骤。晶片切割后，只需测试并将产品运输至包装物（网格或凝胶包装）内进行自动抓放即可。

顶部、底部和侧面绝缘体可以使产品免受环境污染和湿度敏感性。此过程无需焊线和保护性涂层，缩减了芯片整体体积并可利用通孔进行堆叠制造。它能提供理想的热学特性（即热阻路径 <40˚C/W）并在保持冲击性能的同时缩小体积。此过程可在芯片块之间形成电绝缘并降低了寄生效应。必须使总产量与标准网格的产量相当以降低成本。此技术可使电路总体积下降 20 至 55%。

结论

新型 CRM 产品具有新特性和优点，但要在如今的市场上维持明显的竞争优势变得越来越困难。有必要对 CRM 器械进行改进并开拓新兴市场。随着世界人口的老龄化和发展中过程医疗开支的增加，CRM 仍为植入式医疗器械占据了较大的市场份额。

微型化、性能和质量仍是如今的设计工程师面临的主要技术挑战。采用新一代光刻技术无法缩减功率器械的体积。它需要先进的三维电路封装并在柔性基材上进行倒装芯片堆叠。由于电子和机械成品率的共同作用，堆叠功率器械是一种成熟－但高成本－的方法。新型芯片尺寸封装可以处理高压并使接触点处于同一表面，满足行业的需求。它必须具有一定的可靠性和制造能力，达到高成品率、空间效率，甚至所需的高压空间和成本效益。

一些方案可以在功率器械上形成平面接触点。最能符合上述标准的是电镀通孔、外延二极管和 PSOI 封装技术。