AIMD · MRI-Compat KB

US12017065B2 Electrically conductive coating applied to an oxidizable surface of an AIMD ferrule or housing to provide an oxide-resistant connection to an EMI filter capacitor, an EMI filter circuit or AIMD electronic circuits and components

US12017065B2 Electrically conductive coating applied to an oxidizable surface of an AIMD ferrule or housing to provide an oxide-resistant connection to an EMI filter capacitor, an EMI filter circuit or AIMD electronic circuits and components

摘要

  • 问题:MRI RF 脉冲期馈通电容须把植入导线上感应的 RF 电流(可达安培量级)分流到 AIMD 钛外壳耗散,但钛表面自生、随热过程增厚的 TiOₓ 层在电容接地处串入寄生电阻,在 >10 MHz 抬高等效串联电阻(ESR),使分流失效并在接地处 I²R 自热。
  • 方案:先彻底去除接地区钛氧化层,趁其未复氧化即沉积一层耐氧化导电涂层(金、铂、钯、铑及合金等);滤波器接地经该涂层——必要时加扩散阻挡层与 ECA 胶条——连到系统接地,绕开裸钛。
  • 效果:实测氧化失效件 100 MHz 处 ESR 1.48–3.86 Ω、插入损失(IL)17.3–23.95 dB;耐氧化涂层件 ESR 0.422–0.467 Ω、IL 28.82–29.08 dB;MRI 内外壳温升由 12 °C(达 49 °C)降到 <4.5 °C(达 41.5 °C)。
  • 形态:22 项权利要求、三条独立项(claim 1 无阻挡层 / claim 12 含阻挡层 / claim 21 广义氧化系统接地面),均以 ECA stripe 直接压在耐氧化涂层上为共同要件;涂层薄至亚微米乃至埃级,适配馈通电容、内接地馈通、MLCC、X2Y、扁平穿心电容及滤波电路板等接地面。

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;[推断] = 按 RF/材料工艺常识判断、专利未述;[待确认] = 专利未给、需另行定夺。

失效机理

MRI 的 RF 场把植入导线当作天线,在导线中驱动 RF 感应电流;馈通电容 124 是三端器件,把这股高频电流经容抗旁路到等电位的钛外壳 102(系统接地 144),在外壳中以 “a few milliwatts of heat energy” 循环耗散,不进器件电子学。此路要成立,电容到系统接地的连接必须 “very low equivalent series resistance (ESR)”。

钛的失效正源于它的生物相容性:钛遇氧或水在毫秒内自生一层 “10 nm titanium oxide layer”,一分钟内增厚到 “about 100 nm thick within a minute”,且 “very resistive and can even be semi-conductive”。该膜受损后能 “re-heal itself instantaneously”,并 “insidiously continue to thicken over time”。这层 TiOₓ(R_ox,164)夹在电容接地金属化 132 与钛套圈 122/外壳 102 之间,与滤波电容串联进接地路径。

关键在频率依赖:低频端电容的介质损耗(loss tangent)很大、掩住 R_ox,约 10–20 MHz 以上介质损耗趋零,ESR 由欧姆损耗支配,R_ox 遂显形。专利据此指出氧化致 ESR 升高 “particularly observable at frequencies above 10 MHz”,而在低频被介质损耗 “totally hidden and indistinguishable”——失效因此潜伏、不可预测,并说明为何仅靠低频损耗因子测试无法暴露该缺陷。R_ox 升高有两个后果:滤波器不再把 RF/EMI 干净旁路,EMI 穿入器件侧扰乱敏感电路;同时 MRI 下分流电流很大(可达 “amps of RF current”),R_ox 上的 I²R 自热抬高外壳温度(见「效果与证据」)。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 5 —(馈通电容 124 的电路原理图,接地路径串入 raw 标注的寄生电阻 R_ox 164)

解决机理

物理层只有一条:把接地连接做成耐氧化、低阻、时间/温度稳定,使馈通电容始终能将 MRI RF/EMI 干净旁路到外壳耗散;TiOₓ 增厚会串入 R_ox、在 >10 MHz 抬高 ESR、破坏该旁路并引 I²R 自热。以下均为该原理下的工程实现,不是不同原理。

做法是两步:先把接地区钛面 “cleaned of all surface oxides”,再趁其未复氧化即沉积耐氧化导电涂层 165,滤波器接地只接触该涂层、绝不接触裸钛。反直觉点有二。其一,单纯清洁无效:钛对氧亲和极高,即便真空或惰性气氛中痕量(ppm 级)氧/水也令其复氧化,专利实测在硬真空中固化 ECA 仍 “proved futile”——故涂层必须在清洁后立即施加,理想是同一真空腔内等离子清洁后不破真空直接溅射。其二,薄涂层”盖住”并不够:金层若薄则晶界疏松(“porous gold”),钛可 “diffuse along the grain boundaries” 迁到金的自由表面再氧化;表面氧化本身构成 “chemical potential sink”,持续把钛抽向表面、自加速,故金层 <1 μm 时须另设扩散阻挡层 166(见「工程实现」)。

工程实现

涂层与接地叠层。 涂层 165 可取金、金合金、铑、铂、铂铱、钯、镍钛诺、TiN、钴铬合金及其组合,由 PVD、磁控溅射、CVD、EBPVD、IBAD、电镀、喷涂等工艺沉积,薄至亚微米乃至埃级,“proud”(凸出于钛面、非嵌入)。滤波器接地端(馈通电容 OD 金属化 132、电路板接地边缘金属化、接地过孔等)经导电胶或焊料 143 连到涂层。清洁手段含机械(alumina 喷砂、打磨、钢丝刷)、化学(碱洗、硝/硫/氢氟酸蚀刻、电抛光)与等离子刻蚀;清洁后未即镀者须存于真空或 Ar/N₂/He 惰性气氛。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 25 —(清洁钛套圈 122 上”凸出”的耐氧化涂层 165,其上覆 ECA stripe 223,经连接材料 143 接馈通电容接地金属化)

扩散阻挡层 166。 阻挡层介于清洁钛面与涂层之间,厚 100–4000 Å(10–400 nm),取镍、钯、铂、铑、钌、钼、铬及其合金或导电氮化物(TiN、ZrN 等)。它同时压制三种迁移:晶格扩散(温度驱动、如焊接热)、缺陷路径扩散(沿晶界/位错,低温即活跃,其扩散系数可比晶格扩散 “four to six orders of magnitude larger”)、界面互扩散(生成 TiAu 金属间化合物)。钯阻挡层实测在空气退火后 “no diffusion of titanium is evident”;金层厚 >1 μm 时则可免阻挡层。这一层正是本篇相对”只镀不挡”路线的非显然点:钛到金自由表面的扩散在 200–400 °C(ECA 固化/焊缝温度)即可发生,解释了氧化致电阻为何随时间上升。

ECA 胶条 223 与免焊路线。 薄涂层难以直接焊接——焊料会把薄涂层 “dissolve into the molten solder”;故在涂层上先敷一层热固导电胶条(导电聚酰亚胺、环氧、硅酮等)、单独固化以降低热膨胀失配应力,再经 143 接滤波器。thick proud 涂层配各向异性导电膜(ACF,FIG. 42)则可免 ECA。三条授权独立项(claim 1/12/21)均把 ECA stripe 压在涂层上列为要件,尽管说明书另述可省 ECA 的 robust 厚涂层(FIG. 32)——授权范围窄于说明书主线。

与金 pocket-pad 的对照。 本篇”凸出薄涂层”路线针对的是同族在先方案:金 pocket-pad 把套圈机加出凹槽再填厚金焊料回流,厚金(>1 μm)本身即挡住钛扩散、无需阻挡层,但要机加凹槽且耗金[1]。本篇 “proud of the ferrule surface”、“no need for a recessed pocket”,省机加与金料成本,代价是薄涂层须靠阻挡层或 ECA 补足扩散阻挡与可焊性(上述)。

通用性。 同一耐氧化接地界面适配馈通电容、内接地馈通、MLCC、X2Y attenuator、扁平穿心电容及滤波电路板 147,亦可镀在外壳内壁供有源电路板接地走线、或镀在体液侧套圈供 telemetry 天线接地;并使原本不可焊的低成本可氧化引脚(Ta、Nb、Mo、Ti)得以经涂层或金焊料实现低阻接地。

取舍

  • rf-heating 落点的定界:本篇量化的热学终点是外壳温升(接地 I²R 自热),与 rf-heating filtering 族典型的远端电极-组织界面致热是不同落点;二者的联系经”分流失效 → RF 未泄放到外壳”一步间接建立(远端温度的缺失见「严谨性缺口」)。
  • 薄 vs 厚涂层:薄涂层省贵金属但引入扩散/可焊性问题,须配阻挡层或 ECA;厚金(>1 μm)自足挡扩散但耗料。二者是同一低阻接地目标下的成本-可靠性取舍。
  • 热预算约束:所有沉积/连接工艺须避开钛的 β-transus 相变温度(α 合金 <900 °C、β 合金 <800 °C 等),否则改变薄壁钛结构;这限制了可用的钎焊/回流路线 [推断:该约束落到具体材料选择,专利给了温度窗但未给某一配方的实测接头强度]。

效果与证据

全篇证据集中在 ESR/插入损失(电学)与一组 MRI 外壳温升,均为发明人实测(无有限元或三维热场仿真)。各组测试条件不同,分列如下。

  • ① ESR 与插入损失(100 MHz,同批同条件,可互比):氧化失效件 Sample 1/2/3 的 ESR 为 1.48 / 1.49 / 3.86 Ω,对应 IL 23.95 / 23.91 / 17.3 dB;耐氧化涂层件 Sample 1/2 的 ESR 降到 0.467 / 0.422 Ω,IL 恢复到 28.82 / 29.08 dB(Table 2)。专利提示 IL 是对数标度,“degrade filter performance by half” 只需掉 6 dB;最坏件 3.86 Ω 相对同频 2000 pF 电容 0.796 Ω 的容抗已是数倍,ESR 主导阻抗。良品 ESR-频率曲线呈 U 形并 “overlay like fingerprints”(FIG. 11/12),氧化件则失去 U 形。注:上述数据在 100 MHz,非专利针对的 MRI 频点 64/128 MHz;曲线在 500 MHz 的回升为两端法测量假象(skin effect),非器件本征。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 6K —(最严重氧化失效件的 ESR-频率曲线,100 MHz 处约 3.85 Ω、丧失应有的 U 形,与良品 FIG. 11/12 成对照)

  • ② MRI 外壳温升(1.5 T 扫描仪内实测):高 ESR/氧化连接令外壳温升达 12 °C(至 49 °C);低阻耐氧化连接把温升限在 <4.5 °C(至 41.5 °C),低于 44 °C 组织损伤阈值。该阈值出自 Moritz 与 Henriques 1947 年的实验[2],非本专利数据。
  • ③ 潜伏失效统计:1000 件资格批中 5 件(0.5%)在激光焊接后 “re-oxidized and exhibited much higher resistances”,落在 MRI 频点超标——佐证氧化是潜伏、批内低概率但危险的失效。
  • ④ 半导体行为(定性):把重氧化件充到 100 V DC 再 “shorted the part with a paper clip”,ESR 曲线一度恢复正常,室温放置 3–4 天后 “the high ESR came right back”;专利据此称 TiOₓ 呈 “bizarre semi-conductor behavior”,解释 ESR 的不稳定与不可靠。
  • 设计验证准则:资格测试须扫 ESR(1–500 MHz)与 IL(10–3000 MHz,含 64/128 MHz),并在激光焊(含返修)前后复测;判据为 MRI 频点 ESR “must not increase by more than 10%“、IL 不得 “decrease after laser welding by more than 1 dB”。激光焊被列为电容所受 “worse thermal and mechanical insult”。

严谨性缺口:

  • 无 MRI 频点电性能:定量 ESR/IL 只在 100 MHz 单点给出,专利针对的 64/128 MHz 无对应数值;完整曲线在这些频点的值须看图确认。
  • 热学终点不闭合到 rf-heating 典型落点:温升为外壳实测,远端电极-组织界面致热未测;“防过热”对远端的作用靠”分流恢复”推断,未闭合到远端温度。
  • 扩散/阻挡层无定量:阻挡层给了厚度区间与材料,但扩散系数、寿命预测、某一叠层的长期 ESR 漂移均无定量模型或加速老化数据(0.5% 失效率来自单批 1000 件,非寿命试验)。
  • 数值文本内不一致:最坏件 ESR 在 FIG. 6K 文本作 3.85 Ω、Table 2 作 3.86 Ω;良品第二件在 FIG. 11/12 文本作 0.423 Ω、Table 2 作 0.422 Ω;卡取 Table 2 值,差异待库主定稿以 PDF 核。

关联

  1. US10350421B2_Greatbatch——金 pocket-pad(套圈机加凹槽填厚金)抗钛氧化接地,本篇”凸出薄涂层”路线的直接对照(库内 pool 深读卡)。
  2. Moritz A.R., Henriques F.C. Studies of Thermal Injury: II. The Relative Importance of Time and Surface Temperature in the Causation of Cutaneous Burns. American Journal of Pathology 23(5):695–720, 1947. PMID: 19970955. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19970955/