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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

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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: AIMD 钛或钛合金外壳/套圈表面在制造及服役过程中形成并增厚绝缘性氧化层（TiOₓ），导致 EMI 滤波器系统接地连接处等效串联电阻（ESR）升高，尤其在 >10 MHz 及 MRI RF 频率（64 MHz/1.5T、128 MHz/3T）下滤波性能退化，I²R 损耗增大，外壳及组织温度上升至危险水平。
  • 方案: 在经机械/化学/等离子体清洗去除自然氧化层的钛表面上，沉积防氧化导电涂层（如金、铂、钯、铑及其合金等），该涂层直接接触滤波器接地极；可选在涂层与钛基体之间增设扩散阻挡层（如镍、钯、铂等）以抑制钛原子扩散至涂层表面再氧化；滤波器接地端通过导电胶条（ECA stripe）或焊料等导电材料与该防氧化涂层形成低阻连接。
  • 效果: 在 100 MHz 下，氧化失效样品的 ESR 为 1.48–3.86 Ω，对应插入损耗（IL）降至 17.3–23.95 dB；经防氧化涂层处理后 ESR 降至 0.422–0.467 Ω，IL 恢复至 28.82–29.08 dB；外壳温升由危险水平（可达 49 °C）降至 <4.5 °C（至 41.5 °C 以下）。
  • 形态: 适用于馈通电容器、内接地馈通电容器、MLCC 芯片电容、X2Y 衰减器、扁平穿心电容、滤波电路板及 AIMD 有源电路板等多种 EMI 滤波器/电路形态，可沉积于套圈（ferrule）或外壳（housing）的氧化可金属表面。

机理与方案

失效机理：钛及钛合金在接触空气或微量氧/水蒸气时，于毫秒级时间内自发形成约 10 nm 氧化层，一分钟内增厚至约 100 nm。该 TiOₓ 层具有高电阻率甚至半导体特性，且随时间/温度持续增厚。在 AIMD 制造中，导电胶（ECA）固化（200–300 °C）、激光焊接（128）密封外壳等热过程加速内部材料（聚合物、胶粘剂、PCB 等）释氧/放气，使钛表面氧化层 164（R_oxide）在 ECA 与钛界面间持续生长，导致滤波器系统接地串联电阻 R_oxide 显著增大。该电阻在 >10 MHz 时不再被介质损耗掩盖，直接抬高滤波电容 ESR，降低插入损耗 IL，使 MRI RF 能量无法有效旁路至外壳，引发 I²R 发热及 EMI 侵入风险。

技术方案：

  1. 表面预处理：对钛套圈 122 或外壳 102 的接地连接区域进行机械（喷砂、打磨、钢丝刷）、化学（碱洗、混酸蚀刻、氢氟酸系清洗）或等离子体刻蚀，彻底去除表面氧化层；处理后立即置于真空或惰性气氛（Ar/N₂/He）中防止再氧化。
  2. 防氧化涂层沉积：在清洁钛表面通过 PVD、磁控溅射、CVD、EBPVD、IBAD、电镀、喷涂等工艺沉积防氧化导电涂层 165（金、铂、钯、铑、钌、氮化钛、钴铬合金等及其组合）。涂层可薄至亚微米甚至埃级（<1 μm），呈“凸出”（proud）形态附着于钛表面，无需套圈开槽或金焊料池结构。
  3. 可选阻挡层 166：在钛基体与防氧化涂层之间增设镍、钯、铂、氮化钛等阻挡层（厚度约 100–4000 Å，即 10–400 nm），抑制钛原子通过晶格扩散、缺陷路径扩散（晶界/位错）及界面互扩散至涂层自由表面再氧化形成 TiO₂（金红石/锐钛矿），从而保证长期低阻稳定。
  4. 可选 ECA 胶条 223：在薄涂层 165 上敷设热固性导电胶条（导电聚酰亚胺、环氧、硅酮等），再于后续工序通过导电连接材料 143（焊料、ECA 等）将滤波器接地端（套圈电容器外径金属化 132、MLCC 接地端、电路板接地边缘金属化 149/接地过孔 163/接地屏蔽板 156 等）与胶条/涂层连接，避免薄涂层在直接焊接时溶入焊料。
  5. 接地拓扑：滤波器接地电极板 136/接地屏蔽板 156/接地走线 127 经上述低阻路径连接至系统接地 144（外壳 102 或套圈 122），确保在 MRI RF 频率下呈现极低 ESR 与电感，使 EMI 电流有效旁路并在外壳中以毫瓦级热量耗散。

效果与证据

定量数据与实测证据：

  • ESR 对比（100 MHz）：氧化失效样品（图 6I–6K）ESR 分别为 1.49 Ω、1.48 Ω、3.86 Ω；经防氧化涂层处理后（图 11–12）ESR 降至 0.467 Ω、0.422 Ω（专利正文表 2 及图 11、12 描述）。
  • 插入损耗 IL（100 MHz）：对应氧化样品 IL 为 23.95 dB、23.91 dB、17.3 dB；防氧化涂层样品 IL 恢复至 28.82 dB（ESR 0.467 Ω）和 29.08 dB（ESR 0.422 Ω）（专利正文表 2）。
  • 温升数据：发明人 MRI 扫描实验表明，高 ESR/氧化连接导致外壳温升可达 12 °C（至 49 °C）；理想低阻连接可将温升限制在 <4.5 °C（至 41.5 °C），低于 44 °C 组织损伤阈值（专利正文 Background 及 Summary 部分）。
  • 失效统计：1000 件原型认证批次中，5 件（0.5%）在激光焊接后出现再氧化导致 ESR 超标，证实氧化风险具有潜伏性及危险性（专利正文图 6F–6K 及对应描述）。
  • 设计验证准则：激光焊接前后 ESR 在 MRI 频率下增幅不得 >10%，IL 降幅不得 >1 dB（专利正文 Background 部分）。

无定量/仿真说明：专利未提供有限元仿真模型或三维热场分布图，亦未给出阻挡层厚度与扩散系数的定量解析公式；上述数据均为实际样品测试所得。

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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