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US11406817B2 Low equivalent series resistance RF filter circuit board for an active implantable medical device

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US11406817B2 Low equivalent series resistance RF filter circuit board for an active implantable medical device

摘要

  • 问题: MRI RF脉冲场在植入导线中感应电磁能量，导致远端电极-组织界面处RF电流过高，引起局部组织过热、消融甚至穿孔。现有馈通滤波电容器采用高介电常数介质(k>1,200)，电极板数量少，高频等效串联电阻(ESR)高，在MRI环境下自身过热严重，无法有效将RF能量分流至AIMD外壳。
  • 方案: 采用介电常数0<k<1,000的低k电容器作为首要滤波/分流元件，通过增加电极板数量(一般>10对，可达20-100对以上)降低高频ESR；电容器形式包括MLCC芯片电容(210，图32、51-52)、扁平穿通电容(210″，图63-65)或X2Y衰减器(210‴，图66-70)，安装于馈通装置(ferrule 134/insulator 156)的器件侧(device side)，形成从导线经电容器到外壳的低阻抗分流路径。关键结构包括：氧化物抗性接地连接(gold pocket-pad 158、gold braze 154a、oxide-resistant area 248/250等)以降低接触电阻；tombstone安装方式使电极板垂直于馈通表面；电路板接地层(ground plate 161)与RF接地带(grounding strap 264)扩展散热面积；可拆分功能主电容为低k首要电容(如210′)与常规板载电容(如210)并联。
  • 效果: 未公开 / 无定量。专利文本提及背景技术中bandstop滤波器实验观测到带滤波器导线在1.5T MRI中温升3°C（对照30°C），以及低ESR电容器(<0.5 Ω)功率耗散0.66W，但未明确这些实验数据是否直接对应本专利所要求保护的k<1,000电容器结构。
  • 形态: 21项权利要求，涵盖低k滤波电容器(0<k<1,000)、扁平穿通/X2Y/MLCC结构、电极板数量与ESR<2 Ω要求、tombstone安装、氧化物抗性接地连接、电路板集成、共烧结铂/CRMC导电通路等。

机理与方案

MRI RF脉冲场(21.28 MHz–128 MHz及以上)通过天线效应耦合至植入导线，在导线-组织回路中感应EMF与电流。该电流若流向远端电极(如tip electrode 118a/118b、ring electrode 120a/120b)，将在电极-组织界面产生欧姆热(I²R tissue)，导致局部温升、组织消融、坏死及瘢痕形成，引发起搏阈值升高、失夺获或神经损伤。同时，RF能量若进入AIMD内部，可干扰敏感电子电路。

传统馈通滤波电容器采用高k介质(如X7R，k≈2,500)，仅需2–4层电极板即可实现所需电容值，但导致高频ESR极高：以400 pF X7R电容为例，仅4层电极板时在64 MHz的ESR达4.8 Ω，阻抗Z≈5.41 Ω，假设10 V感应电压则分流电流1.85 A，电容器自身I²R损耗达16.43 W，温升超过20°C，电容器自身过热并传导至外壳，形成植入袋热损伤。

技术方案

核心设计为低k介质(0<k<1,000)+高电极板数→低ESR高频分流电容器，具体包括：

1. 介质与电极板设计 电容器介质采用EIA Class I型(如NPO/COG，k<100)或中k介质(mid k，k≈400–700)。由电容公式 其中：C为电容值；k为介电常数；ε₀为真空介电常数；A为电极板有效重叠面积(ECA)；n为电极板总数；d为介质层厚度。对于固定C与耐压d，降低k需同比增加n。例如k从2,500降至<100时，n需从2–4增至20–40以上。电极板并联使总电阻按并联板公式下降： 图33所示公式表明，电极板数n增加直接降低总欧姆损耗Rₑ。图32(210)、图34(210″)展示MLCC与馈通电容结构中活性电极板212与接地电极板214的密集交错堆叠。

2. ESR控制与高频损耗机制 电容器高频ESR由介质损耗角正切电阻(R_DL)与电极板电阻(R_e)构成： 对于低k Class I介质，R_DL在MRI RF频率(10–100 MHz以上)趋近于零(图27–28)，ESR≈R_e,total。专利要求ESR<2 Ω，优选<0.5 Ω，进一步<0.1 Ω。图31显示低k馈通电容在100 MHz时ESR仅约200 mΩ。

3. 电容器结构形式

  • MLCC芯片电容(210，图32、51–52)：两端子器件，活性电极板212连接活性端接164，接地电极板214连接接地端接166，通过导电胶/焊料152直接贴装于馈通或电路板。
  • 扁平穿通电容(flat-through capacitor，210″，图63–65)：三端子器件，电流i_a直接流经活性电极板144(terminal 1→terminal 2)，EMI电流被解耦至接地电极板146(terminal 3)。图65A–65R展示tombstone安装：电极板垂直于ferrule 134/insulator 156表面，接地端接166通过导电材料152连接至氧化物抗性区域(oxideresistant area 248/250)或接地引脚142gnd。
  • X2Y衰减器(210‴，图66–70)：双极性器件，同时滤波两路引线，活性电极板144a/144b分别连接引线142a/142b，共享接地电极板146。图70C–70D展示tombstone安装，接地端接166直接连接gold braze 154a。

4. 低阻抗接地与散热路径 接地连接必须氧化物抗性以抑制钛ferrule 134表面氧化导致的阻抗升高：

  • Gold pocket-pad 158/250(图8、71A–73)：金钎焊或金垫片与钛ferrule形成冶金结合，导电材料152(导电胶/焊料)连接电容器接地端接166。
  • Gold braze 154a直接连接(图65Jd、70C)：导电材料152至少部分接触密封insulator 156与ferrule 134的金钎焊层。
  • 氧化物抗性引脚142gnd(图65B、65F、76)：铂/金等耐氧化材料钎焊或焊接至ferrule peninsula 139或bridge 141。
  • 电路板接地层161(图64C、70B、79)：多层板内嵌接地层，通过过孔/铆钉213连接至ferrule，形成多点接地系统，降低接地电感，扩展散热面积至AIMD外壳124。

5. 热管理策略 电容器设计为将RF能量与热量导向大表面积的AIMD外壳(energy dissipating surface, EDS)：

  • 接地电极板214/146直接连接ferrule 134，热量经ferrule传导至外壳124(图36)。
  • 功能主电容可拆分：低k首要电容210′(如800 pF)靠近馈通承担主要RF分流，常规板载电容210(如1,000 pF)辅助滤波并分散热量(图39、49A)。
  • 扁平穿通电容的双接地电极板(图35)或仅增接地电极板(图36)增强导热；宽接地电路走线182与RF接地带264(图56)降低接地电感，提升高频分流效率。

效果与证据

定量数据:无,仅为概念/分析。

专利全文未提供针对所要求保护的k<1,000低k电容器结构的直接实测或仿真定量数据。文本中引用的实验现象包括：

  • 背景技术部分提及”带bandstop滤波器导线温升3°C（无滤波器30°C）“及”断开起搏器后带滤波器导线温升11°C”，但该实验针对的是bandstop滤波器与既有馈通电容器的组合，非本专利低k电容器本身；
  • 以400 pF X7R(4层板，ESR 4.8 Ω)与NPO(>20层板，ESR 0.3 Ω)的对比计算为理论推演，非实测；
  • 图31的ESR-频率曲线标注为Agilent E4991A材料分析仪扫描结果，但未明确对应电容器是否为k<1,000结构；
  • 提及”发明人实验测得4 W/kg MRI扫描中馈通电容器上方外壳温升4°C至10°C”，但未说明电容器介质类型与k值；
  • 权利要求及实施例中所有ESR数值(<2 Ω、<0.5 Ω、<0.1 Ω)均为设计目标或范围声明，无具体样品测试数据支撑。

综上，本专利的效果证据停留在理论分析、设计原理说明及非对应结构的背景实验引用层面，未提供k<1,000低k电容器在MRI RF环境下的实测温升、分流电流或ESR频谱的定量结果。

对我方产品的意义

编目级（Tier2），§对我方产品的意义 见同簇代表件深卡。

关联

关系图谱

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