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医療機器のためにコンパクトで信頼性の高い受動部品を選択する
2022-07-27
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Author:ipcb      Share

ここ数年来、医療設備は体積がますます小さくなる傾向に向かって発展してきました。小型移植可能装置は移植中に患者をより快適にすることができ、体への乱れもより小さいです。より小型のハイブリッド素子に対する移植可能な医療機器の需要を満たすために、人々はマイクロコントローラ(MCU)、または専用集積回路(ASIC)、および電源システムのハイブリッド配置とパッケージ技術を絶えず改善しています。本文は受動素子の選択過程を検討し、目的は医療設備中のハイブリッド素子とプリント基板空間を縮小することです。

 

はじめに

 

受動部品は大規模な製造施設で製造され、優れたプロセス制御により異なるロット間の差を低減します。医療用部品は、商用部品に比べて、より小さなサイズでより高い信頼性と性能レベルを実現することが求められています。部品の製造方法では、混合素子と回路基板が占有する空間を縮小するとともに、信頼性を高めるために様々な方法を講じることができます。

 

コンデンサ選択基準

 

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各コンデンサ技術には独自の属性があり、最終的なアプリケーションに対して製品の選択を行う際には、これらの属性を具体的な基準の一部と見なす必要があります。

 

インプラント可能デバイス用、ハウジングサイズ02010.024 in×0.012 in)の多層セラミックコンデンサ(MLCC)は、無線/遠隔測定システムのためのデカップリングまたは同調機能を提供するために使用されます。MLCCサイズは22250.22 in×0.25 in)で、通常体外医療機器のための共振コンデンサとして使用されます。

 

医療機器用固体タンタルコンデンサの外殻寸法は04020.045 in×0.026in×0.024 in)と、低高度で省スペースに役立ちます。また、1210 Tケースサイズ(0.138 in×0.11in×0.063 in)の信頼性の高い大容量タンタル固体コンデンサがあります。

 

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シリコンベースコンデンサの既存のサイズは20 mil×20 mil、容量値1000 pFの製品が発売されました。シリコーン電気容器は、エポキシ樹脂または低共融チップを介して接着することができ、ワイヤ方式です。また、0402筐体サイズ、容量値27 pFの表面実装「フリップチップ」シリコンベースコンデンサもあります。シリコンベースキャパシタ技術は信頼性の高い広帯域動作(20 GHz)をサポートし、高Q値、低直流抵抗(DCR)、高自己共振周波数(SRF)などの特徴を有します。

 

磁気素子の型式選択基準

 

ほとんどの磁気素子は、特定の医療機器用途に適した限られた空間のために、医療機器メーカーと磁気素子会社のエンジニアが協力してカスタマイズされて設計されています。インプラント可能な装置に対してカスタマイズされた磁性素子は、一般に、スケルトン変圧器、環状コイル変圧器、モールドインダクタ、および独特の性能と形状を有するアンテナから構成されます。さらに、さまざまな用途のニーズに対応するために、さまざまなコア材料と形状最適化性能を採用することができます。

 

寸法、価格、パフォーマンスのトレードオフを検討した後、スペース要件に一致するコスト効率とパフォーマンスのコンポーネントにターゲットをロックできます。設計作業が完了すると、厳格な製造プロセス、制御、テストプログラムを作成することができ、それによって製品のサイズと磁気エネルギーの面で達成された品質レベルを確保し、実現された信頼性を確保することができます。小型設計では、正確な素子レイアウトと原型設計を実現するために3 DCADシミュレーションを行う必要があります。

 

カスタム磁性素子の製造過程では、さまざまな専用中空コイル、骨格、環状コイル巻線装置が使用されます。この設備は厳格に制御された重要な電気性能要求を持っています。重要な寸法の測定には、光学計測器などの検査設備が使用されます。カスタム設計の試験台と治具は、電気パラメータを監視し、試験することができます。これらの自動試験台を利用してデータ分析を行うことができ、設計の製造性を確保することができます。

 

医療機器によって使用される磁性素子のサイズと形状は大きく異なり、具体的な応用シーンに応じて異なります。0402小サイズインダクタ(0.040 in×0.020 in)遠隔測定/通信アプリケーションに使用されます。これらのインダクタは、150 nHのインダクタンス値を有するセラミックコアを用いてワイヤ方式であってもよいです。

 

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高周波打線式RFヘリカルインダクタンスには2種類のサイズがあります。それぞれは(0.030 in×0.030in×0.020 in)と(0.050 in×0.050in×0.020in)です。これらのインダクタンスはRF周波数帯域において性能が優れており、バイアス、同調、および集合素子フィルタの応用に適しています。

 

抵抗器選択基準

 

標準的なフィルムと厚膜表面貼付抵抗器のハウジングサイズは0402 ~ 2512の間です。抵抗器の選択基準には、パルス処理能力、動作電圧、動作温度及び長期安定性が含まれます。配線抵抗器の寸法範囲は0.015 inである×0.015in×0.010 in(定格電力125 mW)〜0.055 in×0.055in×0.010 in(抵抗値30 MΩ、動作電圧100 V)です。

 

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薄膜抵抗器は密集した回路配置を支持し、同時に高信頼抵抗膜の利点を提供することができます。抵抗器の許容範囲は0.01%まで低く、抵抗温度係数(TCR)は5 ppmまで低く、増幅器、送受信回路及び配電の調整に有利です。医療用途にとって、これらのシート抵抗器は、任意の標準的な抵抗値(10Ω25 MΩ)をカバーすることができます。

 

高信頼性テスト

 

医療機器の応用にとって、受動素子の壊滅的な故障とドリフトの故障を避けることは第一の注意事項です。結局のところ、製品の信頼性予測は、ベンダーのテストデータと医療機器メーカーが規定した、定義された時間範囲内のアプリケーション動作温度に基づいて構築されています。受動部品サプライヤーのプロセス制御は高信頼性を実現する重要な要素です。定格またはそれ以上の電圧で温度を上昇させ、所定の時間長の寿命試験を行うことにより、受動素子の信頼性を確定することができ、そして部品が重要な医療設備の応用に使用できることを保証することができます。受動部品テストは、お客様の要件と米国軍用規格(MIL)仕様(該当する場合)に基づいて行われます。

 

受動素子の信頼性予測は、MIL−217マニュアルまたはIEC 863に基づくオンラインモデリングプログラムを用いて行うことができます。次に、ベンダー信頼性シミュレーションの例を示します。

 

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固体タンタル試験基準はMIL-PRF-55365に基づきます。固体タンタルコンデンサは、上昇した温度と電圧の下で内部合格性と定期メンテナンス試験を経験しました。重要な応用のために、タンタル電気容器の設計、製造、試験は顧客のカスタマイズ要求を満たすことができる限界値に基づいて行われます。

 

次の表に、固体タンタルコンデンサウェバー(Weibull)試験に基づく失効率予測を示します。

 

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抵抗器は、MIL−PRF−55342に従って重要な医療用途に対する適格試験を行いました。抵抗の故障には、致命的な故障(例えば、抵抗の開回路や短絡)とドリフトの故障(回路の動作状態が悪い)の2種類があります。

 

試験で得られた抵抗器の性能とMIL-PRF-55342限界値を下表に示すように比較することができます。

 

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カスタム磁性素子の内部信頼性試験はMIL-PRF-27規格に基づいています。行われた試験には、溶接可能性、耐溶剤性、端子強度、衝撃と振動、防湿性及び熱衝撃などが含まれます。これらの試験は、MIL−STD−202および他のASTMまたはJEDEC規格に詳細に記載されています。

 

まとめ

 

小型医療機器を利用することで、手術をより簡単にし、侵入性を低下させることができ、医師の操作を容易にし、患者の苦痛を軽減することができます。より小さな更新された受動部品が発売されるにつれて、それに応じて、部品の品質を向上させるためにより良い製造技術と試験技術が必要となります。新型の小型受動部品のサプライヤーは、医療機器メーカーが要求するプロセス能力を獲得するために、設備の増大と自動投入を必要とする可能性があります。お客様の要件と業界標準に基づいた適格試験と信頼性試験を行うことは、開発プロセスの要件です。

 

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