（本文編譯自Semiconductor Engineering）

對(duì)用于人體內(nèi)部和外部的醫(yī)療IC的需求正在迅速增長，但其獨(dú)特的制造和功能要求，再加上產(chǎn)量較低，使得這一領(lǐng)域成為了一個(gè)復(fù)雜且極具挑戰(zhàn)性的市場(chǎng)。

很少有半導(dǎo)體應(yīng)用會(huì)對(duì)精度、可靠性和長期穩(wěn)定性有如此高的要求。與消費(fèi)電子產(chǎn)品不同，消費(fèi)電子產(chǎn)品出現(xiàn)故障可能只需重啟或更換芯片，而心臟起搏器、胰島素泵或神經(jīng)刺激器等醫(yī)療設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，可能會(huì)危及生命。這些設(shè)備的復(fù)雜性遠(yuǎn)不止于設(shè)計(jì)高效的電路。它們需要具有生物相容性，能夠承受滅菌處理，并且要在人體內(nèi)完美運(yùn)行超過十年的時(shí)間。

與此同時(shí)，醫(yī)療IC還面臨著根本性的經(jīng)濟(jì)障礙。這些芯片的銷量通常不足以像智能手機(jī)芯片那樣實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。醫(yī)療植入物通常需要定制、高度專業(yè)化的ASIC，而且數(shù)量相對(duì)較少。這意味著要在先進(jìn)功能和成本限制之間取得平衡，以確保在沒有大規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)的情況下，也能使用尖端半導(dǎo)體技術(shù)。

Promex首席運(yùn)營官兼工程副總裁David Fromm表示：“五年前，大多數(shù)醫(yī)療設(shè)備都是現(xiàn)成商品的集成，并且僅作為設(shè)備與患者/用戶之間的獨(dú)立交互工具運(yùn)行。現(xiàn)在，醫(yī)療設(shè)備利用了互聯(lián)的概念，構(gòu)建了患者/用戶、設(shè)備、傳輸?shù)皆贫说陌踩珨?shù)據(jù)和離線分析的網(wǎng)絡(luò)，以改善患者的治療效果。”

要滿足這些醫(yī)療設(shè)備的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，在開發(fā)的每個(gè)階段需要采用專門的工藝。在設(shè)計(jì)方面，醫(yī)療IC必須集成容錯(cuò)架構(gòu)、超低功耗運(yùn)行功能和安全的無線通信，同時(shí)還要確保符合嚴(yán)格的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。在制造方面，需要專門的潔凈室環(huán)境、工藝監(jiān)控和延長的資格測(cè)試，以生產(chǎn)能夠承受生物相容性限制、滅菌方法，并且在長期植入人體的情況下不會(huì)出現(xiàn)性能下降的芯片。IC制造、組裝和封裝的每個(gè)階段都必須進(jìn)行優(yōu)化，以滿足醫(yī)療應(yīng)用特有的嚴(yán)格安全性、可靠性和長壽命要求。

IC設(shè)計(jì)和制造

醫(yī)療IC的設(shè)計(jì)和制造，需要一種與標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體生產(chǎn)截然不同的方法。這些芯片不僅是計(jì)算設(shè)備，它們還是攸關(guān)生命的部件，而人體內(nèi)部往往是一個(gè)嚴(yán)苛的生物環(huán)境，且芯片無法進(jìn)行修復(fù)或更換。

可植入式醫(yī)療IC設(shè)計(jì)中最大的限制因素之一是電源效率。與消費(fèi)電子產(chǎn)品不同，消費(fèi)電子產(chǎn)品的電池可以進(jìn)行充電或更換，而可植入式設(shè)備必須依靠單一電源持續(xù)運(yùn)行10到20年。這就需要在接近閾值電壓的條件下運(yùn)行，即晶體管在略高于其開關(guān)閾值的電壓下工作。雖然這可以降低功耗并延長電池壽命，但這些設(shè)備的制造商還必須應(yīng)對(duì)日益增加的延遲變化和信號(hào)完整性挑戰(zhàn)。

動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)和自適應(yīng)時(shí)鐘技術(shù)被用于在保持處理能力的同時(shí)，最大限度地降低有源功耗。但與智能手機(jī)不同，智能手機(jī)可以使用10nm以下工藝節(jié)點(diǎn)來優(yōu)化每瓦性能，而醫(yī)療IC由于其較低的漏電流和經(jīng)證實(shí)的長期穩(wěn)定性，通常依賴于成熟的工藝節(jié)點(diǎn)（22納米至180納米）。

新思科技產(chǎn)品營銷總監(jiān)Amit Gupta表示：“出于成本原因，大多數(shù)醫(yī)療ASIC都采用成熟節(jié)點(diǎn)，即22納米、40納米、55納米至180納米。”

醫(yī)療IC的材料和互連方式的選擇也與標(biāo)準(zhǔn)IC有很大不同。在傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造中廣泛使用的銅互連，由于存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)和在生物環(huán)境中可能產(chǎn)生毒性，因此不適合醫(yī)療植入物。相反，醫(yī)療IC使用金(Au)、鉑(Pt)和鉑銥(Pt-Ir)合金進(jìn)行布線和互連。

金材料是引線鍵合的首選材料，而鉑銥合金則因其出色的抗生物降解性，被用于神經(jīng)植入物和心臟起搏器中的高耐久性電極。鉭(Ta)和氮化鈦(TiN)擴(kuò)散屏障可防止金屬離子滲出，確保人體內(nèi)互連結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。在新興的柔性生物電子領(lǐng)域，人們正在探索導(dǎo)電聚合物和碳納米管互連技術(shù)，以制造出可拉伸的超薄電路，這些電路能夠與軟組織無縫集成。

確保容錯(cuò)性和長期可靠性是醫(yī)療IC制造的另一大挑戰(zhàn)。這包括內(nèi)置自檢(BiST)機(jī)制、關(guān)鍵邏輯路徑中的三模冗余系統(tǒng)(TMR)，以及內(nèi)存子系統(tǒng)中的糾錯(cuò)(ECC)，以確保設(shè)備能夠檢測(cè)故障并從故障中恢復(fù)。在某些應(yīng)用中，會(huì)采用抗輻射加固技術(shù)來防止由宇宙射線或電離輻射引起的軟錯(cuò)誤，特別是在深部腦刺激(DBS)植入物和長期神經(jīng)調(diào)節(jié)設(shè)備中。

新思科技的Gupta表示：“醫(yī)療ASIC對(duì)安全性和可靠性有特定的要求，以確保其能夠無故障運(yùn)行超過10年。這些要求包括低功耗和低電壓，以便減少充電頻率；工作溫度范圍通常為0°C至50°C，具備EMI（電磁干擾）屏蔽功能；采用專用封裝材料以實(shí)現(xiàn)小尺寸外形；具備安全性；支持BLE/NFC通信功能，以啟用智能手機(jī)上的應(yīng)用程序；擁有模擬前端和熱保護(hù)功能。”

醫(yī)療IC的制造工藝也與傳統(tǒng)半導(dǎo)體生產(chǎn)有很大不同。這些芯片是在專門的醫(yī)療半導(dǎo)體代工廠制造的，這些代工廠可以處理這些設(shè)備所需的小批量、高可靠性的生產(chǎn)。晶圓級(jí)工藝控制要嚴(yán)格得多，在制造的每個(gè)階段都有嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)和在線計(jì)量監(jiān)控。與使用統(tǒng)計(jì)抽樣進(jìn)行批量測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)IC不同，醫(yī)療IC在封裝前要經(jīng)過100%的晶圓級(jí)和芯片級(jí)測(cè)試，以確保實(shí)現(xiàn)零缺陷制造。

法規(guī)合規(guī)性為醫(yī)療IC制造增加了另一層復(fù)雜性。消費(fèi)級(jí)芯片可以進(jìn)行快速設(shè)計(jì)、制造和迭代，但醫(yī)療IC在植入患者體內(nèi)之前，必須通過嚴(yán)格的法規(guī)審批流程。ISO 13485（醫(yī)療器械質(zhì)量管理體系）、FDA 21 CFR第820部分（醫(yī)療器械制造）和IEC 60601（醫(yī)療電氣設(shè)備安全）等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)計(jì)控制、驗(yàn)證測(cè)試和制造工藝文件記錄都做出了規(guī)定。設(shè)計(jì)或制造工藝中的任何變化，即使是微小的材料替換，都可能需要重新認(rèn)證，從而大大延長開發(fā)時(shí)間。

即使醫(yī)療IC已經(jīng)完成了完整的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試，仍然存在各種挑戰(zhàn)。與大批量的消費(fèi)類半導(dǎo)體制造不同，在消費(fèi)類半導(dǎo)體制造中，良率的提升來自于統(tǒng)計(jì)過程控制和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的缺陷檢測(cè)，而醫(yī)IC的生產(chǎn)則需要在每個(gè)階段都進(jìn)行細(xì)致的跟蹤和文件記錄。

封裝挑戰(zhàn)

醫(yī)療IC的封裝又增加了一層復(fù)雜性。標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝旨在保護(hù)器件免受機(jī)械應(yīng)力和環(huán)境條件（如濕度或溫度波動(dòng)等）的影響。然而，醫(yī)療IC封裝還必須起到阻擋生物體液的作用，能夠抵抗滅菌方法帶來的性能退化，并在其預(yù)期使用壽命內(nèi)，在人體內(nèi)保持完全的惰性。

材料的選擇至關(guān)重要，封裝解決方案通常會(huì)采用密封、生物惰性涂層和特殊聚合物，如聚對(duì)二甲苯或醫(yī)用級(jí)硅膠等。即使在材料穩(wěn)定性方面出現(xiàn)微小的計(jì)算失誤，也可能導(dǎo)致水分滲入、分層或發(fā)生生化反應(yīng)，從而降低設(shè)備性能。

封裝最終決定了設(shè)備在人體內(nèi)的存活時(shí)間。與消費(fèi)電子產(chǎn)品不同，消費(fèi)電子產(chǎn)品的封裝可以保護(hù)芯片免受環(huán)境壓力，而醫(yī)療IC封裝必須能經(jīng)受持續(xù)接觸生物體液、極端滅菌方法和植入機(jī)械應(yīng)力。在智能手機(jī)或數(shù)據(jù)中心中運(yùn)行良好的材料，在人體內(nèi)很快會(huì)失效，因?yàn)樵谌梭w內(nèi)，腐蝕、水分和生物相容性問題會(huì)大幅縮短芯片的使用壽命。

外部封裝必須形成一道密封屏障，以阻擋體液，因?yàn)轶w液會(huì)滲透?jìng)鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體封裝，并導(dǎo)致器件逐漸失效。在心臟起搏器、深部腦刺激器和人工耳蝸中，鈦外殼是一種行之有效的解決方案，可在IC周圍形成惰性、耐腐蝕的外殼。鈦的天然氧化層使其具有生物相容性，可防止免疫系統(tǒng)的排斥反應(yīng)，并確保長期的機(jī)械耐用性。在某些情況下，會(huì)使用玻璃與金屬的密封技術(shù)形成一個(gè)完全不透水的外殼，以防止因水分滲入可能導(dǎo)致的電氣短路或材料退化。

即使采用了這些成熟的材料，微型化也給封裝帶來了新的挑戰(zhàn)。許多下一代醫(yī)療設(shè)備的尺寸在不斷縮小，這就需要更緊湊、更靈活、更輕便的外殼。標(biāo)準(zhǔn)的密封封裝技術(shù)雖然可靠性極高，但體積龐大，限制了設(shè)計(jì)的靈活性。因此，制造商們開始使用聚對(duì)二甲苯等薄膜涂層，該聚合物可提供超薄的生物惰性屏障，同時(shí)不會(huì)增加太多重量或體積。聚對(duì)二甲苯采用化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝進(jìn)行沉積，使其能夠在整個(gè)IC周圍形成一個(gè)貼合的、無針孔的涂層。這對(duì)于柔性生物傳感器和可植入監(jiān)測(cè)設(shè)備來說尤其重要，因?yàn)樵谶@些設(shè)備中，使用剛性金屬外殼并不現(xiàn)實(shí)。

耐滅菌性是醫(yī)療IC封裝特有的另一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。與消費(fèi)類和工業(yè)類半導(dǎo)體不同，它們?cè)谇鍧嵀h(huán)境中進(jìn)行組裝，然后直接發(fā)貨投入使用。醫(yī)療IC必須在植入前進(jìn)行滅菌處理。這要求封裝要經(jīng)受極端條件的考驗(yàn)，可能會(huì)導(dǎo)致材料性能退化、引起熱膨脹失配或?qū)е麻L期可靠性問題。

例如，高溫高壓滅菌會(huì)將設(shè)備置于121°C或更高的加壓蒸汽環(huán)境中，這會(huì)導(dǎo)致粘合劑分層，或在焊點(diǎn)上產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。環(huán)氧乙烷(EtO)氣體滅菌是一種較為溫和的方法，但它可以滲透某些聚合物涂層，從而改變其長期穩(wěn)定性。輻射滅菌（例如伽馬射線）帶來了一系列不同的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗梢云茐木酆衔锿繉又械姆肿渔I，或在半導(dǎo)體電介質(zhì)中引入俘獲電荷，這反過來又會(huì)隨著時(shí)間的推移導(dǎo)致電氣特性發(fā)生漂移。

每種滅菌方法都要求特定的材料選擇和工藝調(diào)整。采用高壓滅菌的設(shè)備需要完全無機(jī)的密封封裝，且聚合物含量盡可能少，而使用EtO氣體滅菌的設(shè)備必須使用能夠耐化學(xué)擴(kuò)散的粘合劑和涂層。常用于一次性生物傳感器中的經(jīng)過伽馬射線滅菌的IC，必須采用抗輻射材料以防止性能退化。由于滅菌是醫(yī)療設(shè)備制造中的一個(gè)強(qiáng)制性步驟，封裝工程師必須在實(shí)際滅菌條件下對(duì)每種材料和工藝步驟進(jìn)行認(rèn)證，這又增加了一層復(fù)雜性，而這在典型的半導(dǎo)體封裝中是不會(huì)遇到的。

水分滲入是醫(yī)療IC的另一個(gè)關(guān)鍵失效原因，尤其是對(duì)于那些設(shè)計(jì)成能在體內(nèi)使用數(shù)十年的植入物而言。在消費(fèi)電子產(chǎn)品中，與水分相關(guān)的故障可通過保形涂層和封裝材料來解決，但這些材料在長期暴露于生物環(huán)境中會(huì)發(fā)生性能退化。通常是通過激光焊接的鈦外殼、氧化鋁陶瓷或多層擴(kuò)散屏障來實(shí)現(xiàn)防水密封。

在芯片層面，制造商使用原子層沉積(ALD)技術(shù)來制造超薄且無針孔的涂層，以阻止水分?jǐn)U散，同時(shí)保持電氣連接。在新興的柔性電子應(yīng)用中，例如神經(jīng)接口和軟生物電子設(shè)備，研究人員正在開發(fā)多層聚合物封裝策略，以防止水蒸氣滲透，同時(shí)保持機(jī)械柔韌性。

Gupta表示：“醫(yī)療ASIC不需要像數(shù)據(jù)中心、汽車或客戶端設(shè)備中的芯片那樣具有非常高的性能。它主要是要在低功耗的情況下具備足夠好的性能來完成工作。降低有源功率和漏電功率對(duì)于延長電池壽命都很重要，尤其是對(duì)于需要24小時(shí)活動(dòng)監(jiān)控的SoC而言。醫(yī)療芯片的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其工作溫度范圍大多在0°至50°C之間，不像消費(fèi)類設(shè)備的工作溫度范圍為-40°C至125°C。”

醫(yī)療設(shè)備越來越小、越來越智能、連接性越來越強(qiáng)，這也推動(dòng)了集成系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)解決方案的發(fā)展。傳統(tǒng)的醫(yī)療植入物通常由封裝在獨(dú)立金屬外殼中的分立芯片組成，但新的設(shè)計(jì)將處理、傳感和無線通信功能集成到一個(gè)緊湊的單一封裝中。

這種轉(zhuǎn)變帶來了更多的封裝限制，因?yàn)楸仨毝询B和互連多個(gè)芯片，同時(shí)還要保持生物相容性和長期可靠性。制造商正在采用扇出型晶圓級(jí)封裝(FOWLP)和嵌入式芯片技術(shù)，這些技術(shù)已在消費(fèi)電子產(chǎn)品中被廣泛采用，但現(xiàn)在必須針對(duì)可植入系統(tǒng)對(duì)極端耐用性的要求進(jìn)行優(yōu)化。

除了傳統(tǒng)的植入物之外，下一代醫(yī)療IC封裝正在探索可生物吸收材料，即在功能完成后能在體內(nèi)無害溶解的組件。這些仍處于實(shí)驗(yàn)階段的設(shè)備使用基于鎂的電路、二氧化硅封裝以及會(huì)隨時(shí)間降解的生物相容性聚合物基板。這消除了二次手術(shù)移除臨時(shí)植入物（如術(shù)后監(jiān)測(cè)設(shè)備或藥物輸送植入物）的需要。這里的挑戰(zhàn)在于平衡可控降解過程與功能穩(wěn)定性，確保IC在失效之前在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)可靠運(yùn)行。

結(jié)語

隨著半導(dǎo)體封裝技術(shù)的進(jìn)步，醫(yī)療應(yīng)用正日益模糊電子學(xué)和生物學(xué)之間的界限。對(duì)微型化、生物相容性、密封性和長期穩(wěn)定性的需求，正在推動(dòng)材料科學(xué)、封裝技術(shù)和微加工方法等方面的創(chuàng)新。

與消費(fèi)電子產(chǎn)品不同，消費(fèi)電子產(chǎn)品的決策受成本和上市時(shí)間壓力的影響，而醫(yī)療IC封裝則有一個(gè)不容妥協(xié)的目標(biāo)所決定，即在人體內(nèi)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)可靠性。每種材料、每個(gè)互連結(jié)構(gòu)和每個(gè)封裝層的設(shè)計(jì)，不僅要考慮性能，還要考慮使用壽命。在這種情況下，這意味著要在一個(gè)本質(zhì)上對(duì)電子設(shè)備不利的環(huán)境中完美運(yùn)行數(shù)十年。