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

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

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

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.

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.

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.

Algunos NMOS, aislado de alto voltaje.

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

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’.

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

Costo de ASICs

- Licencias de Software 2 – Producción en serie 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

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

Producción en serie - Máscaras – Puede ser de 10.000 a varios millones de U$S. Tecnología HV es barata por que en gral feature minimo grande, pero son muchas máscaras. - Juego de máscaras típico en tecnología 0.6, 0.35 HV: 40.000 – 100.000.= U$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!!

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 100.000 mm2

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’’ = 18000 mm2 1 Waffer 8’’ = 32000 mm2 Podremos aprovechar en forma efectiva 85% de esa area.

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.

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)

Cootización APTASIC – Suiza, partner de CARSEM. Packaging. Cootización APTASIC – Suiza, partner de CARSEM. TSSOP 16, 0.6 U$ / 10.000 batch 0.5 U$ / 30.000 batch No testing

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

Pequeña empresa a fabricar un ASIC para su producto médico Ejemplo de cálculo - Tecnología HV Pequeña empresa a fabricar un ASIC para su producto médico Diseño + MPW: ??? 10.000 unidades, de 10mm2, 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??

Empresa aborda fabricar un ASIC, tecnologia 0.35uHV. Diseño + MPW: ??? Ejemplo de cálculo #2 – Tecnología HV para consumer application Empresa aborda fabricar un ASIC, tecnologia 0.35uHV. Diseño + MPW: ??? 3.000.000 unidades, de 5mm2, 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???

Algunas conclusiones parciales: 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.

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

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

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. Exportación de servicios de alto valor agregado. Desarrollo ASIC, para empresa biomédica en Canadá.

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

¿Se puede hacer algo en LA? Industria mundial de semiconductores: 200.000 millones de dólares en 2004. Centro de Diseño Industria Electrónica Fábrica o Foundry DEMANDA VENDE PRODUCTOS VENDE SERVICIOS FABRICA CHIPS Fabless chip provider 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”

En la región se puede: Las herramientas de diseño son accesibles, fabricación es accesible. 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. Escencialmente el trabajo entra en un archivo.

NORMAS

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.

Conclusiones

CONCLUSIONES: 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. Es una oportunidad para el desarrollo de ASICs.

CONCLUSIONES: Algunas características comunes a ASICs para implantables: 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.

CONCLUSIONES: 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. Las señales a medir pueden tener muy baja amplitud, e inmersas en señales de modo común muy grande.

CONCLUSIONES: 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. No se requiere utilizar tecnología avanzada. En general se utiliza tecnología HV si existe la función de estímulo. Por ejemplo 0.35HV o 0.5HV

CONCLUSIONES 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. Ejemplo, chips de U$S 3 para 30.000 unidades (incluso ingenieria) es posible, o de 0.35 U$S para 3 millones.

Dr.Alfredo Arnaud aarnaud@ucu.edu.uy Thanks! Our Webpage: http://die.ucu.edu.uy/microdie Dr.Alfredo Arnaud aarnaud@ucu.edu.uy Tel: +598 24872717 ext.407 Thanks!