创新半导体封装技术扮要角 实现更先进医疗电子设备

因应现今社会的健康意识抬头，因此研发了各种新电子技术，希望改善医疗、健康与健身。 医疗电子涵盖众多应用，从医疗院所最顶尖的造影设备，到消费者可随时上门购买的穿戴式装置，都协助医疗人员更有效地照顾患者，而一般民众也承担更多监督自身健康的责任。 医疗系统IC设计与生产时，运作功能与稳定性非常重要，例如使用X光放射制作的高质量计算机断层扫描不能失真，才得以妥善诊断与治疗；穿戴式装置必须承受运动时的剧烈动作与汗水。对半导体公司而言，供应医疗与健身应用所需的IC则必须满足这些需求，如何开发既能保护芯片又能连接至系统的先进封装技术，即成为一大挑战。 人们讨论电子技术时，常认为顶尖的电路设计重点在于促成新应用，有时会忽略IC封装，但无论是进阶封装技术，或是电路板贴装及配置等相关技术，都攸关创新工业设计成败。创新电子线路与应用仰赖同样创新的芯片封装，医疗电子技术若要成功突破，客户需要在更小封装内容纳更多电路，并兼顾效能与稳定。封装必须包覆与保护内部线路，同时保留对外连接或环境感测的接触点。 IC封装若符合这些需求，并结合其他芯片设计与制造技术，即可打造促进健康的先进医疗诊断与监控设备。现今医疗与健身电子设备持续进步，半导体封装也不断在演进，以符合新应用的需求。 医疗系统需求 依应用本质不同，医疗与健身设备需求各异，例如X光、计算机断层、超音波等先进显影系统均需要高分辨率以提供医师最清晰的体内组织影像。穿戴式手表及锁定重视健身消费者的其他应用，则以压低成本为一大设计目标；设计消费性穿戴式装置与携带式医疗设备时，也希望尽量缩小尺寸与减轻重量，进而降低用电量及延长电池续航力。 无论在医疗院所或消费型领域，携带式均成为医疗电子设备一大趋势，无论是智能手持装置，或是黏贴抛弃式心电图/脉搏血氧贴片装置，均可透过无线传输至网络，免除外接系统的线路，这些无线装置可回报至不在同一空间的中央计算机，也能搜集其他来源的信息辅助诊断。设备的移动能力增加后，看护人员能够更早掌握患者情况，例如救护车上或候诊间里，病患也能更早出院，再运用穿戴式追踪装置持续照护，并以无线途径向医师回报情况。 效能、轻巧、可靠，这些都是IC封装与芯片本身需符合的条件，在医疗与健身设备半导体市场有丰富经验的TI投入了庞大资源，开发出搭配先进芯片电路的创新封装，透过运用TI装置的成功设计案例，可说明创新封装提供哪些解决方案，有助于打造各种新式医疗及健身设备。 藉芯片堆栈及缩小尺寸 创造高分辨率影像 新一代数位影像技术正改变各种医疗领域，协助医师比以往更清楚地观察体内组织。捕捉数字影像的传感器使用大量画素，提供最佳分辨率，而系统必须谨慎处理画素数据，确保计算机生成影像的过程中没有遗失任何数据。负责传输个别画素的通道，必须尽可能地快速及接近传感器来源将模拟讯号转换为数字数据，以减少讯号失真问题。

图1 四个模拟数字转换器对谍在单一封装之中。
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对芯片封装与布线而言，最大挑战在于如何在有限空间中，尽量增加模拟数字转换器(ADC)封装数量，却又不影响效能，TI为计算机断层传感器开发的创新解决方案中，在单一封装内堆栈四个芯片。单一高速ADC芯片均无法处理如此大量的通道需求，而且在有限的设备空间里，通道排列太过紧密，无法让多个ADC并排。 但如图1所示，四个ADC相互堆栈后，在32条通道的空间内纳入128条通道，或是在实际设计中，使用两个四堆栈装置，则是在64条通道的空间内纳入256条通道。以立体空间增加线路密度在半导体业界日益普遍，但这项挑战必须谨慎处理，讯号堆栈愈密集，串音及其他干扰的风险愈大，甚至可能削弱或破坏设计效能。光是在单层高效能装置里，运作及线路散热就已经很棘手，更遑论是四层堆栈，不过在创新技术、封装设计、制造及测试下，在计算机断层显影传感器装置中，多层装置已能满足需求。

图2 软膜覆晶(COF)接合技术与混合式封装。
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数字X光显影应用同样需要先进封装创新，对医疗人员而言，数字X光传感器相当重要，要可以立即得知结果、并能以电子方式传输与储存，亦可透过计算机显影技术提升，例如TI有一位客户的设计就受到封装限制，因为数字传感器必须安装在传统底片盘的空间。 数千条画素信道使用弹性总线线路，从传感器传输出去，若希望尽量拉近ADC芯片与源头的距离，唯有使用在多芯片混合式封装的电路上堆栈ADC芯片。且由于每件封装都有256条通道，连接器必须极为稳固。此外，因为设备堆栈在电路上，对连接点产生与众不同的机器稳定性要求，图2运用软膜覆晶接合技术，让封装成功通过测试，因应弹性基材的压力。

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【分页导航】 {pagination} 为健身装置嵌入芯片 空间限制是设计消费性健身产品的重要考虑因素，显影固然也很重要，但应用目标不同，例如腕表型健康监控装置可能使用光学传感器，负责测量及回报穿戴者的脉搏、血压、血氧浓度、卡路里摄取量及其他重要生命迹象。 由于显示器位于腕表表面，光学传感器位于底部，其余线路都必须设于两者之间，IC封装必须尽可降低厚度，以免腕表体积太大，而芯片功耗必须降至最低，来维持电池的轻巧。若是佩戴在身上其他部位的医疗与健身装置，也必须兼具体积小、扁平、功耗低等特质。

图3 MicroSiP模块与嵌入式PicoStar封装。
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对于重视厚薄的应用，厚度仅0.15mm的TI芯片级PicoStar封装就是一个适合的解决方案(未来厚度预计将进一步缩小至0.1mm以下)；该封装技术可嵌入电路板上，在空间受限的设计中，提供额外芯片层。TI的微系统封装(MicroSiP)模块即是运用PicoStar极薄特质，在非常小的空间内，提供完整系统解决方案(如图 3)，例如健身腕表内的MicroSiP模块在电路板内嵌入PicoStar模拟前端，让上层表面可做光学之用，同时在轻薄外壳内嵌入传感器、应用控制器及显示器，却不会令使用者感觉不适。光学传感器的用途为曝露表面，做为各式光学装置之用，如LED或光电二极管，发挥最大效能。 如同健身腕表，许多领域的电子应用也透过传感器接收外界信息，尤其是医疗领域藉此记录病患重要生命迹象，并侦测各种化学物质、细胞及微生物；有些传感器专为医疗应用研发，其他则用于产业界或其他领域，新式医疗及健身应用也推陈出新。还有些传感器原先是为提升电子设计效能，因为嵌入医疗系统硬设备，也间接产生医疗用途，随着医疗及其他领域的传感器生产需求增加，在线路及封装方面也需要更多新发明。 传感器大多在单一封装内含感测组件及其他支持线路，不过有些感测组件也会与其他线路内建于相同芯片中，线路一般都得受到完整保护，但感测组件必须曝露在环境中。每项感测应用也有独特环境需求，故必须量身订做每种传感器封装，例如部分传感器得多次使用，也有些传感器单次使用后就抛弃，即便是后者，因为医疗传感器常得与组织接触后测量读数，对于稳定度的标准很高。而医疗事关重大，电子感测设备纵然在不利条件下，也必须正常运作。

图4 适合穿戴式应用的超薄型DC-DC转换器，采用嵌入式封装。
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传感器对封装造成诸多挑战，不过TI提出多种解决方案，适合目前及未来的医疗及健身应用，例如当生物物质接触到芯片上的化学感测条时，生物传感器将记录接触时产生的微量电荷，故芯片上的感测组件必须直接接触受测物质，封装得曝露IC部分区块，并且密封其他区域。 另一范例为金属罐保护的红外线温度传感器，原本是为严苛工业环境设计，后来亦内建于接触肌肤的温度计，而感测组件外覆盖专用玻璃，藉由过滤红外线辐射测量温度，也用于动作辨识的传感器外层同样覆盖玻璃(如图5)。 在这个案例中，玻璃层支持传感器电路的互连迹线，距离传感器向对象投射光线，并依据接收反射的时间差计算距离，这种封装同时曝露光源与接收组件；方位传感器内含垂直芯片连接水平芯片，此种三轴装置运用地球磁场，从三方向感测位置。电源管理与计时传感器可提升医疗系统运作系统，后者可取代系统频率内过去使用的晶体。 虽然动作辨识、距离及方位感测本身并非医疗用途，但这突显了传感器可能从某一应用跨入其他领域，针对病患监控、便利、义肢及其他疗程的未来应用，都将需要上述先进传感器，也为医疗及保健开创新功能。TI提供完整的传感器电子设备，也加速研发各种感测组件，随着电子传感器在医疗与保健方面需求续增，TI将备妥所需的组件及封装创新。

图5 红外线温度传感器。
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封装迈向更健康的未来 电子系统进步是医疗与健身技术快速演进的一大助力，创新线路与软件掀起新一波医疗电子风潮，皆与芯片封装发展有关。义肢、接触肌肤的电子设备等未来应用不仅仰赖电路进步，也需要改良封装技术，包括不会产生人体反应或排斥的生物兼容材质。高分辨率显影、大众市场健身产品、适合各种设备的传感器，以及需求电路与封装合作的各种应用及装置，都必须搭配得天衣无缝，才能协助用户达到最健康的目标。 TI明白在模拟与嵌入式处理产品设计程序中，半导体封装为重要元素，故投入庞大资源，在广泛的封装解决方案组合内，都追求在尺寸、质量、稳定、效能等方面进步。随着医疗与健身产业对于更精密的电子系统的需求，为了满足诊断、监控与治疗用途，未来也将推出更有别于市场的半导体解决方案及创新封装，符合今日与未来的消费者需求。

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