AIMD · MRI-Compat KB

US11198014B2 Hermetically sealed filtered feedthrough assembly having a capacitor with an oxide resistant electrical connection to an active implantable medical device housing

US11198014B2 Hermetically sealed filtered feedthrough assembly having a capacitor with an oxide resistant electrical connection to an active implantable medical device housing

摘要

  • 问题:植入导线在 MRI RF 场中承载感应电流,可在导线与电极-组织界面发热,也可把高频干扰带入 AIMD 壳内。馈通电容的接地连接若受钛氧化物电阻与回路寄生参数限制,RF 分流能力和电容自身热负荷随之恶化。
  • 方案:在导线入壳处设置器件侧电容,有源端接共烧 Pt 填充通孔 186,接地端经连接材料 148 直接接触绝缘体-ferrule 间的金钎料 140,再经 Ti ferrule 122 接 AIMD 导电外壳 102。可选低介电常数电容、内部接地或混合内部接地结构,以低 ESR、多点短接地路径分流 RF。
  • 效果:专利报告 Pt 填充通孔电阻可由 ≤0.5 Ω 降至 ≤2 mΩ,Al₂O₃/Pt 界面 He 泄漏率可达 ≤1×10⁻⁷ std. cc He/sec 并列出至 1×10⁻¹² 的优选等级;滤波效果以低阻抗分流和低 k 电容降低 ESR 的定性论证给出。
  • 形态:24 claims;覆盖三端 feedthrough capacitor、MLCC、monolithic ceramic capacitor、flat-thru 与 X2Y attenuator,以及普通外周接地、内部接地和混合内部接地封装。

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

MRI RF 场沿植入导线激发交流电流。专利把后果分成两类:电流可使导线升温至组织损伤水平,也可进入 AIMD 壳内干扰或损坏敏感电子学。后一条路径经 header leadwire 118、气密馈通和器件侧导线进入壳内;高频能量一旦越过导电壳体屏障,便会在内部电路间交叉耦合与再辐射,即专利所称的 “genie in the bottle”。

入壳滤波的电气基线是三端 feedthrough capacitor(FIG. 6):生物信号和治疗脉冲沿有源导体通过,高频电流经电容接地极板旁路到 AIMD 外壳。该旁路的实际阻抗还含电容 ESR、器件和互连的串联电感、接地接触电阻。钛表面氧化物在高频下呈电阻性,若电容 ground metallization 132 经 Ti ferrule 表面接地,旁路阻抗上升;两端 MLCC 还可能在目标频段前自谐振并转呈感性。旁路电流在 ESR 与接触电阻上的损耗为 [推导],既削弱分流,也构成电容及连接处的自热。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 6 —(三端 feedthrough capacitor 的电路基线:高频电流由有源导体经电容旁路至 AIMD 外壳)

解决机理

电容 124/194 布置在 insulator 188 的器件侧、紧邻导线入壳点。有源极板 134 经 active metallization 130 和连接 202/204 接 Pt 填充通孔 186;接地极板 136 经 ground metallization 132 与连接 148 接金钎料 140,再经 ferrule 122 接导电外壳 102(FIG. 22、FIG. 84)。连接 148 至少部分直接接触不易氧化的金钎料,避开钛氧化物界面;短接地路径同时降低串联电阻与电感。高频下电容呈低阻抗,把导线携带的 RF 电流分流到外壳;低频治疗与感知信号继续沿有源通路进入电子学。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 22 —(共烧 Pt 填充通孔 186、feedthrough capacitor 124 与金钎料 140 接地连接 148 组成的入壳滤波结构)

该物理原理是既有 feedthrough capacitor 的电容分流,本专利的贡献落在低氧化接地、低寄生封装与气密馈通的共同实现。它位于 IPG 侧并把 RF 导向外壳,与导线远端串联高阻 bandstop、阻止电流流向电极的实现[1]作用位置和边界不同。

低 k 电容是对高 RF 功率的另一项处理。专利报告介电常数小于 1000 时 ESR 降低,因而能在 MRI 场中分流强 RF 而不使电容过热(“will not overheat”);该论证把滤波器自身发热归入分流支路的电阻损耗,未改变电容旁路这一物理原理。

工程实现

主结构由高纯 Al₂O₃ 绝缘体 188、共烧 Pt 填充通孔 186、Ti ferrule 122、金钎料 140 和器件侧电容组成。Pt paste 在通孔内烧结后形成带非连通闭孔 190 的导电体,其表面与 Al₂O₃ 通孔壁形成 tortuous、mutually conformal knitline 191(FIG. 15–16);通孔承担体液侧至器件侧的低阻导电与气密隔离。工艺以 Pt 固含量、通孔填充率、binder bakeout、烧结和冷却速率控制界面贴合;正文给出 Pt solids loading ≥80%、通孔占据率 ≥90%、400–700 °C bakeout、1400–1900 °C sintering 与最高 5 °C/min 冷却等范围。

电容有三类接地形态。普通 feedthrough capacitor 124 的外周 ground metallization 132 由连接 148 接金钎料 140(FIG. 22);MLCC 194 的端部 ground metallization 132 采用同一路径(FIG. 84);内部接地电容 124’ 以独立 ground passageway 接地。后者由 ferrule peninsula 303 和绝缘体匹配 cutout 把一段金钎料 140 对准 ground passageway,连接材料可直接填入孔内形成短接地路径(FIG. 85–89)。混合内部接地电容 124” 再增加外周接地点,构成 multipoint grounding,降低 ground plate 上的电阻和电感差异(FIG. 90–91)。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 91 —(混合内部接地电容 124″ 以中央 ground passageway 和外周 metallization 132′ 多点接触金钎料 140)

低 k 牺牲体积电容效率;混合内部接地结构减少部分外周接地连接后,电容可加宽至覆盖或超出 ferrule 122,以增大 active/ground electrode overlap 的 ECA 补偿电容量。纯 Pt paste 不加陶瓷粉,可减少 via-fill 添加物造成的电阻上升与不利玻璃通道;Al₂O₃/Pt 的 CTE 失配则转由共烧窗口与界面形貌承担。counterbore 195 可缩小通孔中段以节省 Pt,同时在端部保留 BGA 202 的连接面积(FIG. 17B、FIG. 22)。

[推断] 对双侧皮层导线系统,该方案的直接关联在 IPG 入壳端:多电极通道可各用 active via 并共享低阻接地结构;电极侧若需阻断 RF,须配置位置不同的元件。专利以相同约 0.100–0.140 in 直径比较传统四通道与 25 个填充通孔(FIG. 19C–19D),并称该工艺可扩展到数百至数千 vias;通道密度可行性有几何示例,整机 RF 热安全仍取决于导线路径、远端界面和外壳回流。

代价与工程取舍

  • 低 k 与尺寸:低 k 降低 ESR,同时降低单位体积电容量;增大 ECA 可补偿,代价是电容平面占用增加。
  • MLCC 与 feedthrough capacitor:两端 MLCC 可贴装于 castellation 或 circuit board,但内部串联电感使其较早自谐振;三端 feedthrough capacitor 具有更宽的高频旁路范围。两者能否覆盖 MRI RF 频段取决于安装后的完整回路,不能只看名义电容量。
  • 低阻导电与长期气密:高纯 Pt 降低通孔电阻并减少 via-fill 无机添加物带来的玻璃相风险;界面若形成 glass,专利要求约 ≥60% silica 以抵抗体液侵蚀。Al₂O₃/Pt 的 CTE 失配则要求受控的共烧与冷却工艺窗口。
  • 位置边界:该组件把能量旁路到 IPG 外壳,不在电极侧直接形成高阻断点;远端 bandstop 与近端 shunt 是不同的工程位置选择,不可把本件的壳内 EMI 保护直接等同于电极-组织界面降温。

效果与证据

各组数据来自不同对象或属于设计范围,不可并置为同一项滤波验证。

  • ① 电气原理与结构(定性):FIG. 6 给出三端电容旁路;FIG. 22、FIG. 84、FIG. 89、FIG. 91 给出 Pt via—capacitor—gold braze—ferrule/housing 的电流路径。专利以连接直接接触金钎料、缩短 ground path 和 multipoint grounding 论证低阻低感,未给等效电路参数。
  • ② Pt 填充通孔电阻(实施例范围):体液侧至器件侧电阻依次列为 ≤0.5 Ω、≤0.3 Ω、≤100 mΩ、≤10 mΩ、≤2 mΩ。正文未标明样品几何、测试电流、频率或统计量,这些数值不能视为 MRI RF 下的通孔阻抗实测。
  • ③ 气密性(专利报告):FIG. 16 段称该工艺可达到 He leak rate ≤1×10⁻⁷ std. cc He/sec,并列出 ≤1×10⁻⁸ 至 ≤1×10⁻¹² 的优选等级。未给样本数、老化条件或测试装置。
  • ④ 集成密度(几何比较):FIG. 19C 的传统结构在约 0.100–0.140 in 直径内布置 4 个通道;FIG. 19D 在相同直径内示出 25 个 Pt 填充通孔。该比较支持多通道封装可行性,不构成 RF 性能证据。
  • ⑤ MRI 相关效果(定性主张):FIG. 90 段称 k<1000 的电容因 ESR 较低而具有更好的 MRI EMI 滤波表现,并可避免分流强场时的电容过热;未给 ESR、RF 电流、频率、duty cycle 或温升。

严谨性缺口:

  • 无本件 MRI 热学验证:未给 phantom、动物或体内温升,也未测远端电极-组织界面、feedthrough capacitor 或金钎料连接处温度。
  • 无滤波传递数据:未给 insertion loss、S 参数、频率响应、安装后自谐振或 ground-path impedance;电容种类、k 与 ECA 未绑定到一组可复算的 L/C/R 参数。
  • 低 k—低 ESR 关系未定量:专利只报告方向性关系,未给介质配方、ESR 测试频率与样本,不能据此确定 MRI 频点的分流电流或自热。
  • 气密与通孔电阻证据条件不足:泄漏率和电阻均缺测试方法、样本数与寿命条件;最高等级 1×10⁻¹² std. cc He/sec 是优选表述,并非带条件的验证结果。
  • 共烧收缩表述矛盾:一处写 Al₂O₃ 收缩不大于 Pt fill 收缩的 20%,随后又以 Al₂O₃ 收缩大于 Pt fill 解释压缩成形;preferred 14% 与 more preferred 16% 的分母亦未定义。[待确认] 具体收缩窗口需核原 PDF 与工艺数据。
  • rf-heating 关联为间接机制证据:本专利的直接验证对象是气密馈通与壳内 EMI 分流;MRI 导线发热只在背景和低 ESR 定性主张中出现,未闭合到远端温升或 ISO/ASTM MR 测试。

关联

  1. US9468750B2_Greatbatch——远端多层螺旋自谐振 bandstop,以串联高阻抑制电极侧 RF 电流;与本卡 IPG 入壳端低阻电容分流的位置和功能相对照。