AIMD · MRI-Compat KB

US9233253B2 EMI filtered co-connected hermetic feedthrough, feedthrough capacitor and leadwire assembly for an active implantable medical device

US9233253B2 EMI filtered co-connected hermetic feedthrough, feedthrough capacitor and leadwire assembly for an active implantable medical device

摘要

  • 问题:植入导线可作为 EMI 天线；MRI 环境在导线中施加 RF 电流，可能造成导线/组织过热，也可能把干扰带入 AIMD 壳内并扰乱敏感电子学。传统连续贵金属馈通引线昂贵且装配困难，高纯氧化铝与纯铂的 CTE 失配又会把气密性置于残余拉应力与裂纹风险之下。
  • 方案:以共烧高纯氧化铝基体 188 和纯铂填充通孔 186 取代贯穿组件的连续贵金属引线；器件侧紧贴该气密馈通安装三端馈通电容 124，通过 active plates 134、ground plates 136 及 AIMD 金属壳形成高频旁路。BGA/焊料接头 202 同时连接铂填充、内孔金属化 130 与器件侧导线。
  • 效果:专利以泄漏率、电阻和工艺窗口给出气密/导电设计指标，并以短接地路径、分布式 ground via 与三端电容拓扑论证宽带 EMI 衰减；MRI RF 电流与温升属于另一层验证终点。
  • 形态:43 claims；授权独立权利要求覆盖外接地与内接地两类 filter feedthrough assembly，并扩展 wire bond pad、crimp post、弹簧触点及高通道密度馈通。

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

植入导线把体外电磁场耦合到 AIMD。专利称治疗导线可“effectively act as antennas”；MRI 中施加于导线的电流可能把导线加热至组织损伤水平，并扰乱或损坏壳内电子学。对本件直接处理的 rf-malfunction 路径，感应 RF 沿 lead conductor、header leadwire 和气密馈通进入金属壳；壳内导线与电路形成再辐射和交叉耦合路径，感知电路可能把 EMI 误判为生理信号。金属壳只有在干扰进入前完成分流时才保持屏蔽边界。

rf-heating 路径的落点不同：导线中的 RF 电流沿导体产生损耗，并可在电极-组织界面形成集中热沉积 [推断]。专利背景确认这一危害；本件的电路描述只覆盖 AIMD 入壳端，导线分布参数、组织负载和电极界面模型属于模型外变量。因此，馈通电容对远端致热的影响还取决于导线电气长度、端接和外壳耦合所决定的电流分布 [推断]；壳内 EMI 衰减不能直接等同于电极温升下降。

馈通结构自身还有独立失效链。氧化铝为脆性介质，锐角、几何不对称和陶瓷/金属 CTE 失配会在冷却后留下拉应力；裂纹一旦贯穿金属-陶瓷界面，体液可进入壳内并引发短路、腐蚀或金属迁移。传统贯穿铂或 Pt-Ir 引线还承担弯曲与装配载荷，成本高，并可能在超声清洗或 Twiddler’s Syndrome 载荷下提前断裂。

解决机理

三端馈通电容 124 把有源导线与 AIMD 壳体之间构成并联电容通路。其容抗

随频率升高而下降：低频感知/治疗信号沿 leadwire 118 通过，电容支路近似开路；高频 EMI 经 ground plates 136、外金属化 132、连接 148 和 ferrule 122 分流到壳体 102。专利将其概括为“diverts high frequency electrical signals”。三端结构把输入端、输出端与壳体地分开，串联寄生电感低于两端 MLCC；专利称其工作范围可从低 kHz 延伸至“beyond 10 GHz”，但未给出该频带内的实测插入损失。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 6 —(三端馈通电容等效电路：体液侧端子 118、器件侧端子 118’ 与壳体地 144 构成高频旁路)

这条物理原理是宽带电容分流；在导线中串入高阻抗谐振器属于另一拓扑。专利仅在背景中把 US6008980 的 bandstop 作为现有技术，说明其可阻止损伤频率沿导线传输；授权独立权利要求 1、24、41 均落在 hermetic feedthrough、feedthrough capacitor、leadwire 与导电接头的组合。多层自谐振 bandstop 在 MRI RF 频点呈高阻、阻断电极侧电流，是另一种工程路线[1]。

纯铂填充通孔 186 在高纯氧化铝 188 中提供低电阻跨壳导通与气密边界；选频来自器件侧 feedthrough capacitor 124 或 castellation 内的 MLCC 194。共烧通孔决定电连接和气密可靠性，电容连接拓扑决定 EMI 的频率分流。

工程实现

共烧步骤先形成至少 96% 氧化铝的 green substrate 188，再整体钻出通孔 186，避免逐层开孔叠压的 registration stair-stepping。纯铂浆料经压力或真空压入孔壁，使其贴合孔内颗粒形成的凹凸；浆料固含量至少 80%，孔内占据率至少 90%。binder bakeout、烧结和受控冷却期间，专利的主要机理叙述是氧化铝收缩对可塑铂填充施加围压，使两者形成“tortuous, intimate knitline”191；该三维峰谷界面增加接触面积并抑制连续泄漏通道。闭孔 190 彼此隔离地分散在铂填充内部。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 16 —(共烧后氧化铝 188 与纯铂填充 186 的峰谷状 mutually conformal interface 191，铂内为非贯通闭孔 190)

器件侧集成以 FIG. 22 为基本形态。feedthrough capacitor 124 经绝缘垫圈 206 贴到气密馈通 189；BGA/焊料 202 连接铂填充 186 与 active plates 134 的内孔金属化 130。FIG. 30–34 再把器件侧导线 118’ 插入电容孔，使同一焊料接头形成铂填充—active plates—导线三方连接。ground plates 136 经外金属化 132 接 gold braze 140、ferrule 122 和壳体 102。接头位于“at the point of EMI ingress”，缩短 RF 分流路径，也允许 pick-and-place 装配，避免把多根长铂引线逐根穿过电容孔。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 22 —(纯铂填充通孔 186 经 BGA 202 接馈通电容 124，ground plates 136 经 ferrule 122 接壳体)

内接地变体在氧化铝基体内设置 ground plate 200 和 ground via 208，再与 internally grounded feedthrough capacitor 124’ 的 ground via 对接(FIG. 23–26)。ground via 均匀靠近 active via 186，可缩短 ground-plane 电流路径并降低其寄生电感；对敏感感知通道还可在 active via 两侧增加 ground via。FIG. 19C/19D 在相同 0.100–0.140 in 直径内由 4 个传统馈通扩展到 25 个填充通孔；专利据此提出百至千通道的神经/视网膜刺激形态。对双侧多电极神经刺激系统，这种高密度馈通能降低 IPG 端口面积 [推断]，但体内长导体和裸露电极仍由 lead 设计决定。

连接形态围绕同一电气节点展开：体液侧可用 co-fired cap、L 形 wire bond pad、crimp post 或可拆弹簧触点；器件侧可用低成本铜导线，因为它处于气密壳内。claims 1–23 以外接地 feedthrough capacitor 为主，claims 24–40 加入 active/ground 双通孔及内接地，claims 41–43 再把 ferrule 的 gold braze 固化为接地与气密连接要件。

代价与工程取舍

  • 气密工艺窗口:纯铂/高纯氧化铝避免用陶瓷粉或玻璃 frit 调整铂浆料，保留低电阻；代价是 CTE 失配须由固含量、填充率、烧结和冷却共同控制。高温流程含 400–700 °C、至少 4 h 的 binder bakeout，1400–1900 °C、最长 6 h 的烧结，以及由保温温度降至约 1000 °C 的受控冷却。
  • 材料与装配成本:细通孔和端部 counter-bore 195 减少纯铂体积，器件侧铜线与 BGA 装配减少连续 Pt-Ir 引线和人工穿孔；系统仍需要高纯氧化铝、纯铂浆料、外周金属化、gold braze 及高温共烧。
  • 滤波与气密的故障域不同:通孔保持低电阻与气密，不代表电容 ground 回路具有低 RF 阻抗；反之，电容能分流 EMI，也不能补救金属-陶瓷界面裂纹。ground via 间距、BGA 接头和 ferrule 连接共同决定安装后的寄生参数。
  • 与后续 Greatbatch 馈通族的关系:本件给出共烧铂通孔和紧邻入壳点的电容拓扑；后续低电感/低电阻馈通专利把接地回路电阻、电感、ESR 与安装后自谐振频率进一步列为设计目标[2]。本件的独有重心仍是纯铂填充通孔的气密界面与共连接装配。

效果与证据

各项数据属于工艺处方、结构限定或设计目标，测试条件不同，不作性能互比。

  • ① 滤波拓扑(电路原理/定性):FIG. 6 给出三端馈通电容；FIG. 20–23、26 展示 MLCC 或 feedthrough capacitor 到 ferrule/ground via 的短接地路径。专利以容抗下降和路径缩短论证高频 EMI 分流。
  • ② 共烧工艺(处方值):铂浆料固含量至少 80%，优选 90% 或 95%；孔内填充率至少 90%，优选 95% 或 99%；binder bakeout 400–700 °C 且至少 4 h，烧结 1400–1900 °C 且最长 6 h，优选以不高于 5 °C/min 冷却至约 1000 °C，更优选 1 °C/min。
  • ③ 气密指标(要求/实施方式陈述):raw 的一处实施方式明确写第一、第二 hermetic seal 的 helium leak rate 不大于 std cc He/sec；其他多处指数 OCR 坍缩。FIG. 16 段称该工艺可实现相应泄漏等级。
  • ④ 通孔电阻(设计上限):body-fluid side 至 device side 的纯铂通孔电阻依次给出不高于约 0.5 Ω、0.3 Ω、100 mΩ、10 mΩ 或 2 mΩ 的实施层级；这些是不等式目标，未附四线法、温度或通孔几何条件。
  • ⑤ 集成密度(几何示例):FIG. 19C/19D 在同一 0.100–0.140 in 直径内对比 4 个传统 leadwire 与 25 个填充通孔；FIG. 25/26 进一步给出 10 个 active via 与多个 ground via 的布局。该证据的终点是几何可扩展性。

严谨性缺口:

  • 无 rf-heating 验证:无导线 RF 电流、远端电极电流、phantom 温升、SAR、场强、扫描序列或 ASTM/ISO 测试；MRI 致热仅在背景中作为问题出现。馈通电容减小壳内 EMI 不能替代远端热学终点。
  • 无本件 RF 衰减数据:三端电容从低 kHz 至 10 GHz 以上的宽带表述没有电容值、ESR/ESL、安装寄生参数、插入损失曲线或测量端口定义。FIG. 6 是理想电容示意，省略导线/组织传输线、BGA 接头、ground-plane 电感及壳体回流路径，只能支撑定性分频。
  • 气密与电阻指标缺测试链:泄漏率与通孔电阻均以要求或实施方式上限出现；无工艺参数矩阵、样本量、良率、检漏压力/保压时间、热循环或机械载荷后复测及长期体液浸泡结果。amorphous interfacial layer 的 Pt/Al/C/O 组成亦未给分析方法或谱图。
  • 共烧收缩文本冲突:多数段落称氧化铝收缩大于铂填充以产生围压；另一段称氧化铝收缩不大于铂填充的 20%，并列 14%/16%，方向及分母均不清 [待确认]。该组比例不宜用于工艺复现。
  • 权利要求与 hazard 标签存在边界:授权独立权利要求均为电容滤波馈通组件；bandstop 仅属背景现有技术。本件对 rf-malfunction 有直接机理，对 rf-heating 只有近端边界条件层面的间接关联。

关联

  1. US9468750B2_Greatbatch——多层同向螺旋自谐振 bandstop，在 MRI RF 频点串联高阻断流；与本件入壳端宽带电容分流的拓扑和作用位置不同。
  2. US10080889B2_Greatbatch——后续 Greatbatch 低电感/低电阻滤波馈通，把接地回路 R/L、ESR 与安装后自谐振频率列为明确设计指标。