用于植入式醫(yī)療設備的下一代多功能電源組

說到植入式醫(yī)療設備，節(jié)省空間是最關鍵的設計問題之一。本文對縮減電子電源器件所需空間可使用的封裝概念進行了綜述，這樣整體植入設備可以收縮——在不擴大使用空間的情況下增加更多的功能。

圖 1 ：鍍金屬的硅穿孔

植入式醫(yī)療設備的市場仍然很大。無論是人口驅動因素和使用次數(shù)都在明顯擴張。市場的大部分增長來自于努力擴大電子器件能參與的手術治療方法。改良型起搏器類產(chǎn)品可被用于阻止慢性腰腿疼痛和偏頭痛。此外，還有其它醫(yī)療電子產(chǎn)品可用于調節(jié)與抑郁癥、焦慮癥、強迫癥和貪食癥等相關的癥狀。這本是一個緩慢改變的行業(yè)，對于醫(yī)療設備供應商來說成本，性能和質量所帶來的越來越大壓力，從而帶動產(chǎn)品和服務的創(chuàng)新。但小型化仍然是植入式醫(yī)療設備的關鍵增長推動力。對于病人來說，一款更小的器件能讓手術切口更小，讓傷口不那么嚇人，手術過程沒那么緊迫，身體愈合快，而且植入物沒有那么明顯。

用于植入式醫(yī)療設備的高功率組件，如 IGBT 、 SCR 、 MOSFET 和整流器，給電路設計者獨特的電路布局帶來了挑戰(zhàn)。首先，需要較大的裸片尺寸來處理能量問題。例如，在植入式心臟除顫器中，電壓可高達 700 伏，浪涌電流可高達 60 安培。其次，植入設備的頂部和底部都需要電氣接點。功率器件采用“垂直”制造結構，從而允許更高的阻斷電壓和更高的電流。再有，必須對高壓電弧加以控制。在植入式醫(yī)療設備中，芯片和電線仍然很常用。除了有一層保護性涂層之外，小心裸片和導線的間距對于防止產(chǎn)生電弧至關重要。設計人員正在尋找一個能免除電弧、涂層，電線粘接的封裝方案，并且能同時最大限度地節(jié)省電路板空間。需要一個芯片級的、能將背面連接到同一塊面板正面的倒裝芯片電源封裝方式。

陶瓷載體

一種創(chuàng)建一個平面倒裝芯片功率封裝的方法是將裸片附加在陶瓷載體上。在這種情況下，陶瓷載體的形狀像一個倒寫的“ L ”。裸片焊接或用環(huán)氧樹脂固定到陶瓷上。金屬走線被嵌到陶瓷里面，將背面連接路由至與正面，形成一款平面器件。裸片和陶瓷載體都放有焊球，以便能貼上平面倒裝芯片，相比芯片和電線和節(jié)省空間。此外，陶瓷是一種耐高壓電弧的良好絕緣體。制造中有待克服的問題包括 X, Y 和 Z 平面性，因為裸片在附著到陶瓷載體時會產(chǎn)生移動或傾斜。

TSV 技術

另一種解決方案是通過使用金屬填充硅片通孔（ TSV ）技術。若使用此方法，芯片的尺寸擴大到包括鄰近活性硅（ active silicon ）附近的非活性硅區(qū)域。先在非活性硅里打通一個通孔，然后用金屬填充（圖 1 ）這個通孔，從而建立一個電路信道。電流從活性硅區(qū)域，通過背面的金屬再到 TSV 。這就可以將背面的接觸點轉移到前面。芯片的尺寸有所增加，但沒有第一種采用陶瓷載體方案的芯片增加的多。圖 1 只是使用 TSV 時的一個結構圖。從這個基本結構可以引申出很多變化。例如，建立允許中介層連接或者裸片堆疊的背部連接。

TSV 是一項新興的制造工藝，似乎在用于處理功率器件的大電流方面也是一款很有前景的解決方案。但據(jù) VLSI Research 在近期國際互連技術會議的說法，“大規(guī)模生產(chǎn) TSV 仍然還要等幾年”。在實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)之前，每片晶圓的加工成本仍將過高。成本較低的 TSV 解決方案仍然在電源設備生產(chǎn)中受到檢驗。

圖 2 絕緣體上的功率芯片

功率裸片堆疊

電源芯片堆疊在今天得以實用。這種技術首先要求有兩個或多個預知良好的裸片，并將其垂直焊接在一起。這些設計采用完善的技術，包括中介層、焊接和引線粘接，以垂直整合芯片功能。這種方法的主要優(yōu)點是，它只需要一半的電路板空間，并且允許使用多種晶圓加工技術。主要缺點是仍然需要引線連接，高壓電弧仍然是一個問題，累計的成品率損失往往會使成本增高。折疊式柔性電路是另一種可使用的裸片堆疊方法。利用折紙般的折疊方法，功率裸片可以彼此堆疊在一起。訣竅在于如何在保持較小尺寸，且不需要引線的同時實現(xiàn)同一塊功率裸片的頂部和底部的連接。

絕緣體上的功率芯片

絕緣層上的功率芯片（ PSOI ）是一類密封芯片級封裝，采用不同的方法將電氣連接放到同一側（圖 2 ）。 PSOI 使用標準的加工工藝在同一側開發(fā)有源區(qū)域，但采用頂部金屬化融入此區(qū)域。然后將頂層通過附著一層頂層絕緣體進行密封和保護。外部金屬化接觸點被放在器件的底部，非常類似倒裝芯片封裝，但是有了 PSOI ，底部和兩側被隔離開，形成了獨特的“晶圓級封裝”。芯片可以以任何形式切開，如單鋸，對偶、四邊形等。這樣消除了任何后期制造步驟。經(jīng)過以晶圓的形式切割后，產(chǎn)品經(jīng)測試，并采用合適的容器如松餅式或凝膠進行封裝，可以隨意拾取和放置。

頂部、底部和側面的絕緣體將接合處與環(huán)境污染物和濕氣隔離開。這一工藝無需引線連接和保護性涂層，從而縮小了整個芯片的尺寸。 PSOI 也可以采用頂部接觸堆疊的方式制造，提供卓越的熱特性和小尺寸，同時保持浪涌性能。這一過程提供了芯片 - 芯片的電氣隔離并降低了寄生效應。總產(chǎn)出量必須與標準晶圓方式的產(chǎn)量不相上下，以匹配成本。與目前所用的封裝技術相比，可將整體電路所占用的空間減少 20 ％至 55 ％。

結論

在縮小的面積中加入更多的功能，同時還要保持絕對的品質，這是目前植入式醫(yī)療設計工程師們面對的首要技術挑戰(zhàn)。與平面器件不同，功率器件縮小不能通過使用光刻節(jié)點減少來解決。因此，需要采用芯片級芯片倒裝類電源封裝的先進 3D 電路封裝制造是一類適用的解決方案。

要打造一款平面覆晶式電源器件有很多種可選方案。最有前途的是陶瓷芯片載體、 TSV 和 PSOI 封裝技術。

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