“Diseño de Circuitos Integrados para Aplicaciones Médicas Implantables” Montevideo – 2012

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. 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. Tenemos muchos dispositivos para elegir.

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

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 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!!

15. 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

16. 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 mm21 Waffer 8’’ = 32000 mm2Podremos 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$ / 10.000 batch0.5 U$ / 30.000 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: ??? • 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??

22. 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???

23. 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.

24. Industria de lossemiconductores EAMTA10 – A.Arnaud “Introducción-II”

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

26. 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. Principales ejemplos (GME-IIE):

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. VENDE SERVICIOS DEMANDA FABRICA CHIPS VENDE PRODUCTOS Industria mundial de semiconductores: 200.000 millones de dólares en 2004. • Centro de Diseño • Industria • Electrónica • Fábrica o Foundry • 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”

29. 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.

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. • 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.

34. 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.

35. 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.

36. 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

37. 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.

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