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为可植入医疗设备选择小巧可靠的无源元件

 近些年来,医疗设备一直朝着体积越来越小的趋势发展;小型可植入设备在植入过程中能够让患者感觉更舒适,对身体的扰乱也更小。为满足可植入医疗设备对更小型混合元件的需求,人们不断改进微控制器(MCU)——或专用集成电路(ASIC)——及电源系统的混合布局与封装技术。本文探讨了无源元件的选型过程,目的是缩小医疗设备中的混合元件和电路板空间。

 引言

  无源元件在大规模制造设施内生产,并通过优异的工艺控制来减小不同批次间的差异。相对于商用元件,医疗元件要求在更小的尺寸内实现更高的可靠性和性能水平。在元器件制造方法上,可以采取多种方案缩小混合元件和电路板占用的空间,同时提高可靠性。

  电容器选型标准

  每种电容器技术都有自身独特的属性,在针对最终应用进行产品选型时应将这些属性视为具体参考标准的一部分。

  用于可植入设备、外壳尺寸为0201(0.024in×0.012in)的多层陶瓷电容器(MLCC),用于为无线电/遥测系统提供去耦或调谐功能。最大的MLCC尺寸为2225(0.22in×0.25in),通常作为谐振电容器用于体外医疗设备。

  医疗设备用固体钽电容器的外壳尺寸为0402(0.045in×0.026in×0.024in),其低高度有助于节省空间。此外,还有1210 T外壳尺寸(0.138in×0.11in×0.063in)的可靠、大容量固钽电容器。

  医疗设备用固体钽电容器

  硅基电容器已有尺寸为20mil×20mil、最大电容值为1000pF的产品推出。硅电容器可以通过环氧树脂或低共熔芯片黏着,并且是打线式的。另外还有0402外壳尺寸、最大电容值27pF的表面贴装“倒装贴片”硅基电容器。硅基电容器技术支持可靠的宽带操作(20GHz),具有高Q值、低直流电阻(DCR)和高自谐振频率(SRF)等特点。

  磁性元件选型标准

  大多数磁性元件都是为适配特定医疗设备应用的有限空间、由医疗设备制造商和磁性元件公司的工程师合作而定制设计的。针对可植入设备定制的磁性元件一般由骨架式变压器、环形线圈变压器、模压电感器以及具有独特性能和形状的天线构成。此外,可以采用各种各样的磁芯材料和形状优化性能,以满足不同应用的需求。

  在讨论了尺寸、价格和性能的权衡后,即可将目标锁定在与空间要求相匹配的最具成本效益和性能最佳的元件上。设计工作一经完成,即可制定严格的制造流程、控制及测试程序,从而确保产品在尺寸和磁性能方面达到最高的质量水平并实现最佳的可靠性。小型设计通常需要进行3D CAD仿真,以实现准确的元件布局和原型设计。

  在定制磁性元件的制造过程中,会用到各种各样专用空心线圈、骨架及环形线圈绕制设备。这种设备具有严格受控的关键电气性能要求。关键尺寸的测量会使用光学测量仪器等检验设备。定制设计的测试台和夹具可以监控和测试电气参数。利用这些自动测试台可进行数据分析,从而确保设计的可制造性。

  不同医疗设备所使用的磁性元件尺寸和形状大不相同,依据具体的应用场景而定。0402小尺寸电感器(0.040in×0.020in)用于遥测/通信应用。这些电感器可以是打线式的,采用陶瓷芯制成,最大电感值可达150nH.

  高频打线式RF螺旋电感器有两种尺寸可选:(0.030in×0.030in×0.020in)和(0.050in×0.050in×0.020in)。这些电感器在RF频带中性能优异,适合偏置、调谐及集总元件滤波器应用。

  电阻器选型标准

  标准的薄膜和厚膜表面贴装电阻器的外壳尺寸在0402~2512之间。电阻器选型标准包括脉冲处理能力、工作电压、工作温度及长期稳定性。打线式电阻器的尺寸范围为0.015in×0.015in×0.010in(额定功率为125mW)至0.055in×0.055in×0.010in(最大电阻值为 30MΩ;工作电压为100V)。

  电阻器选型标准

  薄膜电阻器支持密集的电路布置,同时可提供高可靠电阻器膜的优点。电阻器容限低至0.01%,电阻温度系数(TCR)低至5ppm,有利于放大器、收发电路及配电的精确调整。对于医疗应用而言,这些片式电阻器可涵盖任何标准的电阻值(10Ω~25MΩ)。

  高可靠性测试

  对医疗设备应用来说,避免无源元件的灾难性失效和漂移失效是头等注意事项。归根结底,产品可靠性预测是建立在供应商测试数据和医疗设备制造商规定的、在定义时间范围内的应用工作温度的基础上的。无源元件供应商的工艺控制是实现高可靠性的一项重要因素。通过在额定或更高电压下抬高温度,进行规定时长的寿命测试,可以确定无源元件的可靠性,并保证元器件可以用于重要医疗设备应用。无源元件测试是基于客户要求和美国军用标准(MIL)规范(若适用)进行的。

  无源元件的可靠性预测可使用基于MIL-217手册或IEC863的在线建模程序来进行。以下是供应商可靠性模拟示例

  无源元件的可靠性预测

  固钽测试标准基于MIL-PRF-55365.固钽电容器在抬高的温度和电压下经历内部合格性和定期维护试验。对于关键应用,钽电容器的设计、制造和试验是依照可满足客户定制要求的限值来进行的。

  下表显示了基于固钽电容器韦伯(Weibull)测试的失效率预测。

  基于固钽电容器韦伯(Weibull)测试的失效率预测

  依照MIL-PRF-55342对电阻器进行针对关键医疗应用的合格试验。电阻器失效分为两类:致命失效(例如,电阻器开路或短路)和漂移失效(导致电路工作状况不佳)。

  可将试验得到的电阻器性能与MIL-PRF-55342限值进行对比,如下表所示。

  可将试验得到的电阻器性能与MIL-PRF-55342限值进行对比

  定制磁性元件的内可靠性试验基于MIL-PRF-27标准。所进行的试验包括可焊性、耐溶剂性、端子强度、冲击和振动、防潮性及热冲击等。这些试验详载于MIL-STD-202和其他ASTM或JEDEC标准中。

  总结

  借助于小型医疗设备可使手术更简单并降低其侵入性,从而方便医生操作并减轻患者痛苦。随着更小更新的无源元件的推出,相应地也需要更好的制造和试验技术来提高元件的质量。新型小尺寸无源元件的供应商可能需要加大设备和自动化投入,从而获得医疗设备制造商要求的工艺能力。依照客户要求和行业标准进行合格试验和可靠性测试是开发过程的要求。

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