US9889306B2 Hermetically sealed feedthrough with co-fired filled via and conductive insert for an active implantable medical device

摘要

• 问题：AIMD 的 hermetic feedthrough 要把导线从 body fluid side 引至 device side，同时阻隔体液。陶瓷与金属的热膨胀失配可在界面产生张应力并裂纹失封；MRI 中导线感应电流可致组织损伤，也可经馈通扰动器件电子。
• 方案：在高纯 alumina 绝缘体 188 的通孔 186 内填入铂浆，并插入导电嵌件 402，三者共烧；铂填充与两侧材料形成互锁界面。器件侧可接 feedthrough capacitor 124 或 MLCC 194，将高频干扰分流到 ferrule/壳体。
• 效果：专利把贯通电阻设想为不高于 2–10 mΩ，把安装后的 helium leak rate 定义为不高于 $1\times 10^{-7}$ cm³/s；均非本发明实测结果。无远端温升、滤波衰减或气密测试数据。
• 形态：36 claims；主结构为 alumina 188、导电填充 186、导电嵌件 402 与 ferrule 122。嵌件可为贯穿式插针、端帽、crimp post 或中空 tubelet，并可在器件侧配电容滤波件。

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] = 按常识判断、专利未述；[待确认] = 专利未给、需另行定夺。

失效机理

馈通的金属-陶瓷界面承担气密与绝缘。体液越过该界面进入壳内，会使连接、电源与电子元件短路、腐蚀或金属迁移。陶瓷在张应力场中以裂纹扩展失效；几何尖角、通孔数目与间距、材料 CTE 及 binder burnout、烧结、冷却历程都会改变残余应力。

传统实心铂引线 180 插入陶瓷通孔后烧结，专利在 FIG. 4 中以引线与绝缘体之间的 gaps 182 表示潜在泄漏通路。铂的 CTE 高于 alumina，冷却时界面差动收缩还会拉开或破坏该通路的密封。

MRI 危害在本篇只作为背景：植入治疗导线可在 MRI 中发展电流，热到组织损伤；同一导线也会把 EMI 带入密封壳。后者在壳内交叉耦合或再辐射，馈通因而是器件侧 RF 分流元件的安装位置，而非远端电极致热的直接抑制件。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 4 —(传统实心铂引线 180 烧结后，绝缘体 120 与引线之间出现 gaps 182。)

缓解机理

本篇的气密机理是：green alumina 通孔内的铂颗粒浆在共烧致密化时受周围陶瓷约束而变形，填满通孔内壁的不规则峰谷，形成 alumina 188—铂填充 186 的 “mutually conformal interface” 191。专利将这一界面与 alumina 对铂填充的压缩联系起来；闭孔 190 可以存在，连续开孔才会构成贯穿泄漏路径。

导电嵌件 402 插入铂填充后形成第二个填充—嵌件界面。嵌件表面 191’ 经粗化，铂填充在烧结时嵌入其峰谷；贯穿式嵌件把原本较高电阻的烧结浆通路部分替换为实心金属通路。该低电阻设计服务于起搏脉冲与 ICD 高压脉冲，也降低高频分流支路的串联电阻。[推导] 它并不单独给出导线—电极系统的 RF 终端阻抗，不能由此推出远端温升下降。

器件侧的 feedthrough capacitor 124 或 MLCC 194 把 active conductor 接到电容 active plate，把 ground plate 接到 ferrule 122；高频干扰由此旁路至导电壳体，低频生物信号沿导体通过。与 US9468750B2_Greatbatch 的串联并联 L-C bandstop 在导线上制造高阻不同，本篇的电容是近端 shunt/diverter，服务重点是阻止 EMI 进入 AIMD 电子学。[1]

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 38 —(alumina 188 中的填充通孔 186 与贯穿式导电嵌件 402；外围经 metallization 150/152 与 gold braze 140 接至 titanium ferrule 122。)

工程实现

工艺从 green alumina 成形开始：钻通孔后以压力或真空填铂浆，再与导电嵌件共烧。专利给出铂浆 solids loading 至少 80%，实施例列 90% 与 95%；通孔装填率至少 90%，实施例列 95% 与 99%。binder bakeout、烧结和受控冷却共同决定界面致密化；温度范围为 bakeout 500–650 °C、烧结 1,400–1,900 °C，优选冷却至约 1,000 °C 的速率不高于 5 °C/min。

嵌件 402 可贯穿两侧，也可只从一侧进入。nail head 403 增大导线、wire bond 或 solder 的连接面积；中空 crimp post 404 以腔 406 收纳 leadwire，slot 408 供压接。体液侧需采用生物相容材料；器件侧可用铜等非生物相容导线。silver core/MP35N cladding 的 drawn-filled tube 是一项可选结构，借内芯降电阻、外层隔离银与体液。

FIG. 71 把 feedthrough capacitor 124 的中心孔接各 crimp post 404，外周 ground metallization 419 接 ferrule；FIG. 72 改为 circuit substrate 422 上的五个 MLCC 194。两种形态都只给连接关系，未给电容值、ESR、寄生电感或 MRI RF 频点。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 71 —(device-side feedthrough capacitor 124 的中心孔接 crimp post 404，外周 ground metallization 419 接 ferrule 122。)

取舍

高纯 alumina 强度与生物相容性较好，但介电常数约 6，低于 barium titanate 等高介电电容材料；若用 alumina 兼作滤波电容介质，单位体积电容效率受限。高介电材料则面临与钛壳的 CTE 失配、脆裂与体液生物相容性约束。

贯穿实心嵌件缩短烧结浆的高电阻段，却引入嵌件—填充的第二气密界面及共烧装配公差。体液侧的铂或相近材料满足生物相容性和共烧要求，成本高；器件侧可换用铜导线以减成本，但该选择以壳体气密完整为前提。

效果与证据

本篇的数值多为设计范围、定义或实施例目标，未给试样数、测量方法或统计结果；不同对象分列如下。

• 工艺规定：铂浆 solids loading 80% 以上、通孔装填率 90% 以上；bakeout 500–650 °C、烧结 1,400–1,900 °C、冷却至约 1,000 °C 时不高于 5 °C/min。这些是共烧条件，不是气密或电阻验证数据。
• 电导目标：FIG. 38 所述 body fluid side 至 device side 的电阻为 “no more than 2 to 10 milliohms”；后文又列小于 10 mΩ 和小于 2 mΩ 的实施方式。专利未给对应嵌件几何、材料、测量电流或样本结果。
• 气密判据：专利把已安装的 hermetic seal 定义为 helium leak rate 不高于 $1\times 10^{-7}$ cm³/s；这是判定阈值，非该结构的测得泄漏率。
• 滤波结构：FIG. 71 与 FIG. 72 只说明 feedthrough capacitor/MLCC 的连接拓扑。无 insertion loss、阻抗—频率、ESR、温升或 EMI immunity 测试；无 phantom、动物或临床 MRI 数据。

严谨性缺口

• 无 RF 温升、远端电极电流、phantom、ASTM/ISO 测试或 MRI 扫描条件；本篇无法验证对 rf-heating 的实际缓解效果。
• 无 feedthrough capacitor/MLCC 的电容、ESR、寄生参数、衰减频谱或接地阻抗，不能判断其在 1.5 T、3 T 或其他 MRI RF 频率的分流能力。
• 2–10 mΩ 与 helium leak rate 仅为实施方式目标或定义；无测试装置、样本量、离散度、老化、热循环、拉拔或疲劳数据。
• 专利将 alumina 相对铂填充的收缩差作为压缩密封机理，但同段的 20%、14%、16% 收缩表述未说明比较基准，且与前后关于收缩方向的叙述不能直接统一。[待确认] 定稿时应核原图文，不应把该组百分比作为可用工艺窗口。
• 跨专利层面，本篇只在背景援引 bandstop 与既有 feedthrough capacitor；与远端高阻 bandstop 的功能边界在 US9468750B2_Greatbatch 中可见，其互补或替代关系仍须以系统级 RF/温升试验判定。[1]

关联

• Google Patents:https://patents.google.com/patent/US9889306B2/en
• 危害:rf-heating

1. US9468750B2_Greatbatch——导线串联并联 L-C bandstop 以高阻抑制远端 RF 电流；用于界定本篇器件侧 capacitive diverter 的功能边界。