US10350421B2 Metallurgically bonded gold pocket pad for grounding an EMI filter to a hermetic terminal for an active implantable medical device

摘要

• 问题:钛套筒(ferrule 112)在金钎焊、激光焊等高温工艺及长期植入中表面生成 TiO₂ 氧化层(oxide layer 164,FIG. 16),电阻率远高于金属钛。馈通电容器(132)本是把导线拾取的 EMI 经容性电抗旁路到钛壳这一”equipotential surface”的三端宽带低通器件;其接地端若经连接材料(152)直接搭在氧化钛面上,接地通路串入寄生电阻 $R_{\text{oxide}}$(FIG. 5、FIG. 9、FIG. 17),一面抬高高频旁路阻抗、劣化插入损耗(FIG. 24),一面在接头以 $I^{2}R$ 生热。
• 方案:在套筒设备侧表面(113)机加一个有实底与侧壁的口袋(pocket 248),放入金预成型件(250)于金钎焊炉高温回流;侧壁与底挡住熔金受重力流淌,金层因而留得够厚(≥0.005 in≈127 µm)、冶金结合到钛并穿透(“burning through or penetrating”)氧化层,给电容接地一个 oxide-resistant 低阻焊盘。该金口袋焊盘与密封用第一金钎焊(first gold braze 150)物理隔离(“not physically touching”)。
• 效果:无温升、无接地阻抗、无接触电阻实测。插入损耗仅 FIG. 24 的理想(above 450 MHz >30 dB)对氧化劣化(<30 dB)定性对照;PSpice 仅”indicated”四个连接区足以宽带分流;0.005 in 阻氧为经验断言。
• 形态:25 claims;涵盖口袋形状(矩/圆)、数量与布局(套筒周边、peninsula 139、bridge 141)、预成型件材料(纯金、≥50 wt% 金合金、铂、钯)、电容类型(外接地/内接地 132’/hybrid/MLCC 194/X2Y)、多段异材导联(114/117/111)、共烧复合填充通路(composite fill 185/186)、低 k(~500)悬伸电容(capacitor width 268 > ferrule width 266)及 ACF(212’)配 proud nail-head(260)等变体。

原理与方案

标注:引号内英文 = 专利 raw 原文;[推导] = 由专利参数与电路模型推出、非专利原文的结论;[推断] = 按 RF/工艺常识的判断,专利未述;[待确认] = 专利未给、需另行定夺的输入或判断。

失效机理

三端馈通电容器(132)把沿导线灌入壳内的高频 EMI 经容性电抗旁路到钛壳(terminal 3 = housing 116),是 10 MHz–10 GHz 的”broadband low pass filter”,对起搏脉冲等低频透明;它是”3-terminal coaxial device”、低电感、“do not series resonate”,近乎理想旁路。DC 下 terminal 1↔2 无差(实心通路),分流只发生在 RF——容抗把 EMI 引向 terminal 3。这条旁路把 EMI 拉离导线、倒进钛壳这一”equipotential surface for energy dissipation”,与致热安全同源:能量被引入外壳大表面,就不再沿导线奔向远端。

失效落在接地这一端。钛及钛合金在高温工艺与长期植入中表面自生 TiO₂ 等氧化层(164,FIG. 16),电阻率远高于金属钛;电容接地端经连接材料(152)搭到套筒时,若钛面已氧化,接地通路串入寄生电阻 $R_{\text{oxide}}$(FIG. 5、FIG. 9、FIG. 17 的电路示意)。后果两路:$R_{\text{oxide}}$ 使高频旁路不再是干净短路,插入损耗曲线整体下移(FIG. 24);流经该接头的 RF 电流又在 $R_{\text{oxide}}$ 上以 $I^{2}R$ 沉积焦耳热。分流阻抗越低,拉离导线倒进壳的能量越多、接头自热越小;故在 MRI(raw 记 1.5 T 扫描仪 RF 场 64 MHz)下,馈通电容须把大量 RF 电流分流到壳而”without itself overheating”,接地阻抗是这条链的一个瓶颈。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 5 —(三端馈通电容器接地通路里串入氧化物寄生电阻 $R_{\text{oxide}}$ 的电路示意,与 FIG. 4A 无氧化的理想馈通对照)

解决机理

物理只一条:在接地通路里插入一段 oxide-resistant 的贵金属(金)接触,厚到氧化物穿不透,使馈通电容的接地回到干净低阻短路,RF 能量照常经容性旁路倾入钛壳耗散。金”does not oxidize”、是”very noble”材料;成败在厚度——50 microns 可能被氧化物穿透,0.005 inches(0.127 mm)足以阻挡,金层太薄则”thin layers of gold do not provide a significant barrier against oxides”。让金层可靠留厚的手段是把熔融金约束在套筒设备侧机加的口袋(248)里:底与四壁像”swimming pool”,高温回流时金被围住而”cannot undesirably flow”、不被重力拉薄。金口袋焊盘(250)与密封用第一金钎焊(150)“not physically touching”——一在套筒设备侧口袋内、一在套筒开口的绝缘体密封处,互不干扰,可同炉回流或分炉、分温、分侧成型。

物理层与工程层:物理原理仅”低阻贵金属接地使馈通电容把 RF 分流入能量耗散钛壳”这一条;金 vs 激光焊贵金属、口袋 vs 平焊盘、外接地 vs 内接地 vs hybrid、纯金 vs 铂/钯预成型件、单炉 vs 多级钎焊都是同一分流原理的工程实现,不是不同原理。

工程实现

口袋是相对母案的独有点。 本件是母案 ‘596(US 9,427,596)的 continuation-in-part;‘596 已用金钎焊盘(prior-art bond pad 165)做 oxide-free 接地,但该盘与密封钎焊(150)连续、且无约束,高温回流时熔金受重力”gravitational rundown”(165’,FIG. 20A、FIG. 22A),残留一层过薄的 165T——可能挡不住氧化物,并逼着多用金、把套筒与绝缘体配合公差收得很紧。更早的 Wolf(US 5,867,361)同样金钎焊”will not stay in place because there is nothing to retain them”。口袋把这层熔金变成一个厚度可控、不流淌的”contained structure”:金用得少、不依赖紧公差,且金口袋焊盘与密封钎焊(150)从此物理分开(不再与 150 连续)。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 25 —(套筒设备侧机加的矩形口袋 248 内置金预成型件 250,底与四壁像 swimming pool 约束熔金不流淌;FIG. 26 为圆口袋/柱状预成型件)

口袋与预成型件的可变维度:口袋矩形(FIG. 25)或圆形(FIG. 26),离散或沿周边连续,可落在套筒周边、或伸入套筒开口的 peninsula(139,FIG. 41)与 bridge(141,FIG. 36)上以就近接内接地脚。预成型件除纯金外可取 ≥50 wt% 金合金、铂、钯、纳米金或盘绕细金丝;多级钎焊让密封钎焊(150)与口袋焊盘(250)按不同熔点分步成型(82Au-18In 约 530 °C、88Au-12Ge 约 356 °C,纳米金 <5 nm 可 ≤700 °C),以便二者分处设备侧与体液侧(FIG. 47)时避开同炉重力难题。

金口袋焊盘作为通用接地界面,对多种电容接地形态适用:外接地馈通电容器经接地金属化 142→连接材料 152→焊盘 250(FIG. 27、FIG. 29A);内接地电容器(132’)无外金属化,由 ground conductor 119”直接接焊盘;hybrid 内接地在中心 111gnd 之外再由两端焊盘接地,补掉长电容远端引脚的 parasitic inductance(FIG. 32D)。导线侧可用实心针、多段异材导联(体液侧 114 用钽/铌等廉价重氧化材料,经 145/162 接设备侧短铂/钯段 117,再接低成本铜导线 111)或共烧复合填充通路(185 为 alumina+Pt 的 CRMC、186 为纯 Pt),按应用定通路电阻上限。MLCC/chip capacitor(194,FIG. 42–46)、X2Y 及 ACF(212’)配 proud nail-head(260)的 Z 轴导通也都以焊盘 250 为接地端。

低 ESR 是本件与 MRI 致热直接相关的一条工程线[1]。让电容比套筒宽(268 > 266,FIG. 31、FIG. 37)可在不加高的前提下增大有效电容面积(ECA,电极面积呈”square law”),从而用低 k(~500,传统为 2000–2600)介质把等效串联电阻压低;低 ESR 使电容能”divert a very large amount of this RF current”到壳而自身少发热,把 AIMD 壳体在组织袋处的升温(“keep the pocket heating to 4 degrees or less”,FDA 顾虑 tissue necrosis)压住。此处 raw 的”pocket”指植入组织袋,非套筒的金属口袋 248,须区分。悬伸段还因不接连接材料而”free to float”,激光焊时少受热应力。这条低阻抗接地的目标与同族 US10080889B2[2]一致——后者从回路电阻(<0.5 Ω)与回路电感(<10 nH)一侧、亦以贵金属接地消除氧化电阻,与本卡口袋约束金焊盘为并行实现。

代价与工程取舍

• 贵金属与工序成本:机加口袋、置放预成型件、金/铂/钯回流增制造步骤与贵金属用量;口袋定量控制金量、只在几处(“four attachment areas”)着金,并以少量导电胶接地,反省下银基导电胶成本。
• 同炉重力/夹具:密封钎焊(150)与口袋焊盘(250)分处体液侧与设备侧(FIG. 47)时,同炉回流受重力牵制,须”creative fixturing”或多级分温钎焊。
• 芯片电容的先天短板:MLCC/X2Y 是二端、非同轴,会”self-resonate”,宽带性不如三端馈通,须贴近入壳点才堪用。
• 系统边界:本件是 IPG/近端入壳侧的 divert(把 RF 倒进壳);远端电极-组织界面的致热仍需自带 impede(远端自谐振带阻,如 US9468750B2[3])。divert 与 impede 是同一热安全系统的两半,任一半单独都不闭合。

效果与证据

全篇无实测或仿真的定量性能,为结构/方法专利。各项条件不同、不可互比,分列如下。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 24 —(插入损耗-频率曲线:理想馈通电容 above 450 MHz 有 >30 dB 衰减,接地含 $R_{\text{oxide}}$ 后 <30 dB;纵轴无刻度,450 MHz 界针对蜂窝频段)

• ① 插入损耗(定性,FIG. 24):理想馈通电容在 450 MHz 以上有 >30 dB 衰减,接地含 $R_{\text{oxide}}$ 时降到 <30 dB。无纵轴刻度、无电容值、无测试条件;450 MHz 界针对蜂窝(cell phone)EMI,非 MRI RF。
• ② 金层厚度阈值(经验断言):0.005 in(127 µm)足以阻挡钛氧化物,50 µm 可能被穿透,预成型件初始 1–10 mil 便于取放。无实验验证,非实测最优值。
• ③ PSpice 仿真(定性):“high frequency simulation using PSpice has indicated” 四个连接区足以在很宽频带分流 EMI。无模型参数、频率范围、衰减量。
• ④ 通路电阻设计目标(按应用,非实测):共烧复合填充通路(185/186)的上下端电阻,ICD ≤~2 mΩ、pacemaker 8–10 mΩ、neurostimulator 10–100 mΩ。

严谨性缺口:

• 无热学验证:接头、壳体或组织袋升温零数据;组织袋升温 ≤4 °C 是 FDA 目标而非本件实测。
• 无接地阻抗/接触电阻实测:$R_{\text{oxide}}$ 消除前后的接地阻抗对比未给;本件未出接触电阻数值,该量级细节引母案 ‘596 与 ‘779(US 6,765,779)。
• 金层厚度阈值无实验:0.005 in 为经验断言。
• 插入损耗无刻度:FIG. 24 仅理想/劣化定性两线,无 dB 刻度、无电容值,且 450 MHz 界属蜂窝 EMI、非 MRI RF。
• 仿真无参数:PSpice 仅”indicated”,无模型、频率、衰减量。
• rf-heating 关联偏间接:本件核心是 EMI 接地完整性(蜂窝干扰致 pacemaker inhibit、壳内电子学防护);对 MRI 致热只经”低阻接地→高效把 RF 分流入壳、低 ESR→接头与壳少自热、组织袋升温 ≤4 °C”这条必要条件间接受益,无远端电极-组织致热陈述、无温升数据。作 rf-heating 综述条目宜按边缘/间接关联处理。

关联

• Google Patents:https://patents.google.com/patent/US10350421B2/en
• 危害:rf-heating

1. US8855768B1_Greatbatch——同族 diverter 电容,从 ESR 一侧压低分流阻抗并把电容自热导往外壳,呼应本卡低 k 悬伸低 ESR、组织袋升温 ≤4 °C 的取舍。
2. US10080889B2_Greatbatch——同族低电感/低电阻馈通接地,从回路电阻(<0.5 Ω)与回路电感(<10 nH)一侧压低 diverter 阻抗、亦以贵金属接地消除氧化电阻;与本卡口袋约束金焊盘为并行实现。
3. US9468750B2_Greatbatch——远端多层同向螺旋自谐振带阻(impede 侧),与本卡近端入壳 divert 侧互补,构成热安全系统两半。