““Diseño de Circuitos Integrados para Diseño de Circuitos Integrados para Aplicaciones Médicas Implantables”Aplicaciones Médicas Implantables”

Montevideo – 2012Montevideo – 2012

Alfredo Arnaud.Alfredo Arnaud.

Depto.de Ingeniería Eléctrica.Depto.de Ingeniería Eléctrica.Universidad Católica del UruguayUniversidad Católica del Uruguay

ASICs para implantables. ASICs para implantables. Características comunes,Características comunes,

y otros aspectos a cosiderary 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

Aprox. 6U$S !!

Microprocesadores de alta gama y bajo costo

Costo de ASICs Costo de ASICs

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 + WaffersProducciones elevadas, pero no tanto.Mácaras caras, Waffer barato (minimos)

• Máscaras MLM + Engineering runPara 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 Waffers1 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)

Packaging.

• Cootización APTASIC – Suiza, partner de CARSEM.

• TSSOP 16,0.6 U$ / 10.000 batch0.5 U$ / 30.000 batch

• No testing

Producción en serie

Tener en cuenta descarte (5%) ok.

Chip pequeño, simple => poco descarte.

Ejemplo de cálculo - Tecnología HV

Pequeña empresa a fabricar un ASICpara 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/chipCon design tal vez el doble. ¿¿Costo tiempo??

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???

- 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:

Industria de losIndustria de lossemiconductoressemiconductores

EAMTA10 – A.Arnaud “Introducción-II”

Mercado Mundial de Semiconductores:Mercado Mundial de Semiconductores:

EAMTA10 – A.Arnaud “Introducción-II”

Experiencia anterior desde Uruguay Experiencia anterior desde Uruguay

Consultoría y diseño de circuitos integrados para la Consultoría y diseño de circuitos integrados para la industria electrónica. Principales ejemplos (GME-IIE):industria electrónica. Principales ejemplos (GME-IIE):

•Aplicación nacional.Aplicación nacional. Centro Centro de Construcción de de Construcción de Cardioestimuladores del Uruguay Cardioestimuladores del Uruguay (CCC) - Circuito específico para (CCC) - Circuito específico para marcapasos implantable. marcapasos implantable.

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

Experiencia anterior desde Uruguay Experiencia anterior desde Uruguay

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

Industria mundial de semiconductores: 200.000 millones de dólares en 2004.

IndustriaElectrónica

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 ¿Se puede hacer algo en LA?algo en LA?

EAMTA10 – A.Arnaud “Introducción-II”

En la región se puedeEn la región se puede::

• Las herramientas de diseño son Las herramientas de diseño son accesibles, fabricación es accesible.accesibles, fabricación es accesible.

• Se precisa además: know-how Se precisa además: know-how específico, ingenieros entrenados específico, ingenieros entrenados empleos de calidad. empleos de calidad.

• Existen grupos de trabajo a nivel Existen grupos de trabajo a nivel académico y ejemplos puntuales de académico y ejemplos puntuales de empresas y trabajo profesional. empresas y trabajo profesional.

• Escencialmente el trabajo entra en Escencialmente el trabajo entra en un archivo.un archivo.

NORMAS 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.

ConclusionesConclusiones

CONCLUSIONES:CONCLUSIONES:

• La microelectrónica en una herramienta La microelectrónica en una herramienta fundamental para electrónica médica fundamental para electrónica médica implantable, y contribuye al desarrollo implantable, y contribuye al desarrollo de nuevos dispositivos.de nuevos dispositivos.

• En el futuro cercano existirán más y más En el futuro cercano existirán más y más aplicaciones implantables, aumentando aplicaciones implantables, aumentando las terapias y mejorando la calidad de las terapias y mejorando la calidad de vida de los pacientes.vida de los pacientes.

• Es una oportunidad para el desarrollo de Es una oportunidad para el desarrollo de ASICs.ASICs.

CONCLUSIONES:CONCLUSIONES:

• Algunas características comunes a Algunas características comunes a ASICs para implantables:ASICs para implantables:

• Se trata de sistemas con sensores, Se trata de sistemas con sensores, alguna inteligencia (digital), y alguna inteligencia (digital), y estimuladores de tejido.estimuladores de tejido.

• El consumo de energía es en extremo El consumo de energía es en extremo reducido, pocos reducido, pocos A de corriente. Pero el A de corriente. Pero el voltaje de alimentación no es voltaje de alimentación no es excesivamente bajo.excesivamente bajo.

CONCLUSIONES:CONCLUSIONES:

• Las señales involucradas son en Las señales involucradas son en general de baja frecuencia ( a escala general de baja frecuencia ( a escala biológica), provienen de sensores o biológica), provienen de sensores o electrodos.electrodos.

• Salvo para comunicación, donde se Salvo para comunicación, donde se utilizan enlaces de pocos kHz (tipo utilizan enlaces de pocos kHz (tipo inductivo) o varios MHz en nuevos inductivo) o varios MHz en nuevos desarrollos.desarrollos.

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

CONCLUSIONES:CONCLUSIONES:

• Se debe prestar mucha atención a las Se debe prestar mucha atención a las NORMAS al desarrollar un producto.NORMAS al desarrollar un producto.

• En especial las normas de seguridad: En especial las normas de seguridad: ante una falla simple no se debe ante una falla simple no se debe provocar un daño al paciente.provocar un daño al paciente.

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

CONCLUSIONESCONCLUSIONES

• Proyecto en microelectrónica no es solo Proyecto en microelectrónica no es solo para multinacionales. Puede ser hecho en para multinacionales. Puede ser hecho en Argentina, Uruguay, Brasil. Pero debe Argentina, Uruguay, Brasil. Pero debe abordarlo un abordarlo un empresaempresa

• El costo mas importante es la ingeniería El costo mas importante es la ingeniería (salarios). Es importante mantener el (salarios). Es importante mantener el equipo en el tiempo.equipo en el tiempo.

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

Thanks!

Dr.Alfredo Arnaudaarnaud@ucu.edu.

uyTel: +598 24872717

ext.407

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