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Diseño de Circuitos Integrados para Aplicaciones Médicas Implantables Montevideo – 2012 Alfredo Arnaud. Depto.de Ingeniería Eléctrica. Universidad Católica.

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1 Diseño de Circuitos Integrados para Aplicaciones Médicas Implantables Montevideo – 2012 Alfredo Arnaud. Depto.de Ingeniería Eléctrica. Universidad Católica del Uruguay

2 ASICs para implantables. Características comunes, y otros aspectos a cosiderar

3 Palabras claves en el diseño de ASICS para implantables: Bajo consumo y micro o nano consumo. Seguridad, confiabilidad. Minimos componentes externos. Baja frecuencia (salvo telemetría) Manejo de algunos de: tecnología HV, packaging especial, acople inductivo, etc

4 Algunas características comunes que analizaremos en detalle o no: Fuente de alimentación y consumo de energía. Tecnología y costos, En general puedo gastar área de ASIC pero no usar componentes externos. Temperatura de operación relativamente uniforme, 37º. Cumplimento estricto de normas.

5 Tecnología HV 1 No es el mainstream que corresponde a procesos digitales. Utilización en interfaz hacia afuera. Nicho de aplicación específico, poca literatura técnica. Procesos no accesibles sin costo para investigación. Muy utilizado en aplicaciones médicas, fuentes de alimentación, displays, entre otros.

6 Tecnología HV 2 Proceso de fabricación más complejo (más nro de pasos) y tradicionalmente más caro. Pero también es una tecnología antigua. Los costos han bajado mucho, hoy accesible incluso a pequeñas empresas.

7 Algunos NMOS, aislado de alto voltaje.

8 Tenemos muchos dispositivos para elegir. Diodos, en directa o inversa, zener. Varios tipos de bipolar. Alguna decena de tipos de MOSFET, hasta 60V V DS y 20V V GS Resistencias de alto valor, diferentes tipos de capacitores Opciones especiales: EEPROM, mejor ESD, etc.

9 Probablemente un proyecto en microelctónica para implantables comienza con un ASIC analógico en tecnología HV. Circuitos digitales, existen excelentes soluciones off-the-shelf (micros, FPGAs de muy bajo consumo) o se debe abordar un problema de complejidad excesiva. Circuitos analógicos o RF, también off-the-shelf pero con menor probabilidad. Igualmente RF para implantables es una buena oportunidad. Lo mas probable es empezar con un front-end analógico de un dispositivo médico, utilizar un microcontrolador estándar (eventualmente en formato DIE) y solo si el producto está maduro se aborda la solución en single chip SOC.

10 80MHz 83 I/O – 16x10bits AD 512kB Flash 32kB RAM USB OTG Aprox. 6U$S !! Microprocesadores de alta gama y bajo costo

11 Costo de ASICs

12 Costos de un ASIC para aplicación industrial 1 – Diseño - Ingenieros - MPW - Licencias de Software 2 – Producción en serie - Máscaras - Área de silicio - Test y descarte - Packaging Los costos son tremendamente variables según la tecnología y complejidad del circuito. TIEMPO

13 Fabricación: desde la oblea o waffer al DIE (circuito integado).

14 Producción en serie - Máscaras – Puede ser de a varios millones de U$S. Tecnología HV es barata por que en gral feature minimo grande, pero son muchas máscaras. - Juego de máscaras típico en tecnología 0.6, 0.35 HV: – = U$S - Existe a veces alternativas como MLM mask (Xfab) o algo parecido a un MPW pero para producción (AMI). Válido solo para producciones pequeñas. PERO ASICs MEDICOS SIEMPRE SON PRODUCCIONES PEQUEÑAS!!

15 Fabricación con Xfab. Dos vías para fabricar: Mascaras completas + Waffers Producciones elevadas, pero no tanto. Mácaras caras, Waffer barato (minimos) Máscaras MLM + Engineering run Para producciones pequeñas. Máscaras baratas, Waffer caro Ejemplo 1 Engineering run = 6 waffers de 6 o 3 de 8. Son aproximadamente mm2

16 Producción en serie - Area de silicio – Seutilizará en general para ASICs implantables, un run dedicado por ejemplo de 6 a 20 Waffers 1 Waffer 6 = mm 2 1 Waffer 8 = mm 2 Podremos aprovechar en forma efectiva 85% de esa area.

17 Producción en serie - Packaging – Se hace en gral antes del testing en producción de poca cantidad. Corte de los chips - lo hace el proveedor de packaging en gral. Packaging – soldar los terminales del encapsulado al silicio y sellar. En aplicaciones médicas PUEDO REQUERIR TECNOLOGIAS ESPECIALES de packaging. Testing – Medir chip a chip que funciona correctamente. Para tandas pequeñas se puede hacer in house. Chip simple => Test simple.

18 Validación En un ASIC para implantables puede ser necesario VALIDAR el circuito. Esto es algunas nuestras en su encapsulado final, someterlas a pruebas extensivas de funcinamiento, de resistencia a la temperatura, humedad, corrosión. Pruebas de confiabilidad (fallas aceleradas en alta temperatura)

19 Packaging. Cootización APTASIC – Suiza, partner de CARSEM. TSSOP 16, 0.6 U$ / batch 0.5 U$ / batch No testing

20 Producción en serie Tener en cuenta descarte (5%) ok. Chip pequeño, simple => poco descarte.

21 Ejemplo de cálculo - Tecnología HV Pequeña empresa a fabricar un ASIC para su producto médico Diseño + MPW: ??? unidades, de 10mm 2, con MLM + Engineering run. Packaging – no testing, descarte del 5% in-house. Sin design aprox.U$ 5/chip Con design tal vez el doble. ¿¿Costo tiempo??

22 Ejemplo de cálculo #2 – Tecnología HV para consumer application Empresa aborda fabricar un ASIC, tecnologia 0.35uHV. Diseño + MPW: ??? unidades, de 5mm 2, con máscaras, 500 waffers/año. Packaging + testing, descarte del 5%. 16 pines. Sin design aprox. U$0.35/chip. Con design tal vez un poco más. Mercado global! Tiempos???

23 -Tecnología HV probablemente la mas apta para su próximo diseño de un ASIC para implantables. -Costo de producción e incluso diseño NO ES UNA LIMITANTE en ASICs para un dispositivos implantable, dado el costo del producto terminado. La limitante es el exito comercial del dispositivo, no el ASIC. -Por lo tanto no existe la presión por reducir el área => puedo usar técnicas de circuito complejas, o transistores de gran tamaño. Algunas conclusiones parciales:

24 Industria de los semiconductores Industria de los semiconductores EAMTA10 – A.Arnaud Introducción-II

25 Mercado Mundial de Semiconductores: EAMTA10 – A.Arnaud Introducción-II

26 Experiencia anterior desde Uruguay Consultoría y diseño de circuitos integrados para la industria electrónica. Principales ejemplos (GME-IIE): Aplicación nacional. Centro de Construcción de Cardioestimuladores del Uruguay (CCC) - Circuito específico para marcapasos implantable.Aplicación nacional. Centro de Construcción de Cardioestimuladores del Uruguay (CCC) - Circuito específico para marcapasos implantable. Exportación de servicios de alto valor agregado. Desarrollo ASIC, para empresa biomédica en Canadá.Exportación de servicios de alto valor agregado. Desarrollo ASIC, para empresa biomédica en Canadá.

27 Experiencia anterior desde Uruguay Consultoría y diseño de circuitos integrados para la industria electrónica. Desarrollo ASICs, para empresas en Brasil (2006) India (2010).

28 Industria mundial de semiconductores: millones de dólares en Industria Electrónica Fábrica o Foundry Centro de Diseño Fabless chip provider DEMANDA VENDE PRODUCTOS VENDE SERVICIOS FABRICA CHIPS En general el diseño es la mayor parte del valor agregado de un IC. ¿Se puede hacer algo en LA? EAMTA10 – A.Arnaud Introducción-II

29 En la región se puede: Las herramientas de diseño son accesibles, fabricación es accesible. Las herramientas de diseño son accesibles, fabricación es accesible. Se precisa además: know-how específico, ingenieros entrenados empleos de calidad. Se precisa además: know-how específico, ingenieros entrenados empleos de calidad. Existen grupos de trabajo a nivel académico y ejemplos puntuales de empresas y trabajo profesional. Existen grupos de trabajo a nivel académico y ejemplos puntuales de empresas y trabajo profesional. Escencialmente el trabajo entra en un archivo. Escencialmente el trabajo entra en un archivo.

30 NORMAS

31 Muy importante: Un equipo médico debe aprobar normas. Los ASICs no estan sujetos directamente a las mismas pero la aplicación si. Como diseñador debo conocer las normas, y mi cliente más aun. Algunas importantes: EN40552 para cardioestimuladores, Directives 90/385/EEC, 93/42/EEC and 98/8/EC etc P.Ej, un dispositivo implantable no podrá subir más de 2ºC su temperatura (problema p.ej al recargar la batería!), etc etc.

32 Conclusiones

33 CONCLUSIONES: La microelectrónica en una herramienta fundamental para electrónica médica implantable, y contribuye al desarrollo de nuevos dispositivos.La microelectrónica en una herramienta fundamental para electrónica médica implantable, y contribuye al desarrollo de nuevos dispositivos. En el futuro cercano existirán más y más aplicaciones implantables, aumentando las terapias y mejorando la calidad de vida de los pacientes.En el futuro cercano existirán más y más aplicaciones implantables, aumentando las terapias y mejorando la calidad de vida de los pacientes. Es una oportunidad para el desarrollo de ASICs.Es una oportunidad para el desarrollo de ASICs.

34 CONCLUSIONES: Algunas características comunes a ASICs para implantables:Algunas características comunes a ASICs para implantables: Se trata de sistemas con sensores, alguna inteligencia (digital), y estimuladores de tejido.Se trata de sistemas con sensores, alguna inteligencia (digital), y estimuladores de tejido. El consumo de energía es en extremo reducido, pocos A de corriente. Pero el voltaje de alimentación no es excesivamente bajo.El consumo de energía es en extremo reducido, pocos A de corriente. Pero el voltaje de alimentación no es excesivamente bajo.

35 CONCLUSIONES: Las señales involucradas son en general de baja frecuencia ( a escala biológica), provienen de sensores o electrodos.Las señales involucradas son en general de baja frecuencia ( a escala biológica), provienen de sensores o electrodos. Salvo para comunicación, donde se utilizan enlaces de pocos kHz (tipo inductivo) o varios MHz en nuevos desarrollos.Salvo para comunicación, donde se utilizan enlaces de pocos kHz (tipo inductivo) o varios MHz en nuevos desarrollos. Las señales a medir pueden tener muy baja amplitud, e inmersas en señales de modo común muy grande.Las señales a medir pueden tener muy baja amplitud, e inmersas en señales de modo común muy grande.

36 CONCLUSIONES: Se debe prestar mucha atención a las NORMAS al desarrollar un producto.Se debe prestar mucha atención a las NORMAS al desarrollar un producto. En especial las normas de seguridad: ante una falla simple no se debe provocar un daño al paciente.En especial las normas de seguridad: ante una falla simple no se debe provocar un daño al paciente. No se requiere utilizar tecnología avanzada. En general se utiliza tecnología HV si existe la función de estímulo. Por ejemplo 0.35HV o 0.5HVNo se requiere utilizar tecnología avanzada. En general se utiliza tecnología HV si existe la función de estímulo. Por ejemplo 0.35HV o 0.5HV

37 CONCLUSIONES Proyecto en microelectrónica no es solo para multinacionales. Puede ser hecho en Argentina, Uruguay, Brasil. Pero debe abordarlo un empresa Proyecto en microelectrónica no es solo para multinacionales. Puede ser hecho en Argentina, Uruguay, Brasil. Pero debe abordarlo un empresa El costo mas importante es la ingeniería (salarios). Es importante mantener el equipo en el tiempo. El costo mas importante es la ingeniería (salarios). Es importante mantener el equipo en el tiempo. Ejemplo, chips de U$S 3 para unidades (incluso ingenieria) es posible, o de 0.35 U$S para 3 millones. Ejemplo, chips de U$S 3 para unidades (incluso ingenieria) es posible, o de 0.35 U$S para 3 millones.

38 Thanks! Dr.Alfredo Arnaud Tel: ext.407 Our Webpage:


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