Медицинские исследования - золото

автор Автор: Тара Данн (Tara Dunn) | 08.11.2017

Недавно я участвовала в групповом обсуждении касаемо гибких плат и роли этих продуктов в развитии медицинского оборудования и медицинских исследований. У нас была беззаботная дискуссия за обедом, когда меня спросили, какое самое интересное гибкое устройство из тех, с которыми мне приходилось сталкиваться. Первое, что пришло мне в голову, - это устройство, которое было создано несколько лет назад. В этом устройстве гибкая плата использовалась в чисто эстетических целях.

Портативный элемент хирургического оборудования включал в себя провода, которые были видны пациенту. Провода функционировали отлично, но негативное восприятие пациентов, которые видели эти провода во время медицинской процедуры, подтолкнуло разработчика оборудования к тому, чтобы заменить провода гладкой высокотехнологичной гибкой схемой. В плане технологии это было одна из простейших гибких разработок для производства: стандартные материалы, односторонняя плата, две большие дорожки и допуски, которые были не особенно критичны. Разумеется, группа была удивлена. Из всех возможных медицинских устройств, с которыми мне приходилось сталкиваться, именно ЭТО оказалось первым, которое я вспомнила? Честно говоря, я всегда очень ценила это необычное устройство!

Но после более серьезного обдумывания этого вопроса, я поняла, что на самом деле произошло значительное увеличение числа разработок с гибкими печатными платами в медицинских продуктах за прошедшие несколько лет. Гибкая схема – это идеальное решение для экономии места, веса и проблем с корпусами. Простой визит к доктору или в больницу сразу обнаруживает, насколько медицинское оборудование стало меньше, легче и более портативным, при этом увеличив свою функциональность. Гибкие и жестко-гибкие разработки становятся нормой в этой сфере. Как мы видим рост числа устройств с гибкими платами в этой сфере, также мы видим и увеличение потребности в более тонких линиях и меньшем пространстве, технологии микроотверстий и штабелирования смешанных материалов. Это не похоже на технологические достижения в технологии жестких печатных плат.

Технология нейронных зондов

Если бы мне нужно было выбрать одно из наиболее интересных гибких устройств, с которыми я работала недавно, я бы выбрала устройство с технологией нейронных зондов. Девелоперы, работающие над исследованиями, разработали датчик, который требует дорожки и пространство между ними в один мил, что не так просто произвести. Дополнительная сложность этого необычного требования заключалась в том, что дорожки должны были быть не медными, а золотыми. Я должна пояснить, что это была необходимость именно золотых дорожек, а не медных с ENIG или золотым покрытием! Желая узнать больше про технологию, необходимую для реализации этой задачи, я связалась с Майком Винсоном из корпорации Averatek Corp., чьи производители используют патентованный инновационный и аддитивный процесс работы с металлом «печать и покрытие». Эта технология наращивания дает возможность создавать ширину дорожек и расстояния между ними меньше 10 микрон и напрямую наносить медь и другие металлы на разные подложки.

Рис. 1: Поперечное сечение маломощного высокопроизводительного зондового решения.

Одним из первых моих вопросов был: Что обуславливает необходимость именно золотых дорожек, а не обычных медных? Ответ заключался в том, что нейронные зонды использовались в множестве клинических установок для диагностики заболеваний мозга, таких как судороги, эпилепсия, мигрень, болезнь Альцгеймера и слабоумие. Микроэлектронные технологии открывают новые восхитительные направления в нейронных науках и интерфейсах машин для мозга. В этой сфере науки и исследований, биосовместимость нейронных зондов для минимизации иммунного ответа жизненно важна. Медь, никель и хром могут отрицательно повлиять на клетки в зоне электродов. Гибкие материалы, такие как полиимид, широко используются в имплантируемых устройствах, чтобы удовлетворить требования к имплантам по геометрии и гибкости. Металлизация золотом обеспечивает дальнейшую совместимость в отличии от менее благородных проводников из меди или никеля.

Лучше понимая причины запроса на золотые дорожки, главным вопросом стал: Как процесс аддитивной печати и нанесения обеспечивает и тонкость линий, и металлизацию золотом?

Тонкие линии и металлизация золотом

Традиционный процесс производства печатный плат завершается процессом субтрактивного травления. Производитель печатных плат начнет с панели из материала, покрытого медью. Другими словами, вся панель чаще всего это 18” x 24” покрывается медью. Дорожки и промежутки между ними создаются в процессе проработки полосы, который удаляет нежелательную медь с панели, оставляя необходимое для дорожек. Зачастую недооцененный, этот процесс на самом деле достаточно сложен. После сверления отверстий наносится электролитическая медь, а резист покрывается перед процессом фотолитографии. После процесса прорисовки панели обрабатываются, чтобы удалить резист, который не был обнаружен, медь гальванизируется, а затем олово покрывается как временный резист для травления. Остатки резиста удаляются, процесс травления удаляет излишки меди, и затем временное оловянное покрытие также удаляется.

Аддитивная технология идет в обратном порядке по сравнению с этим процессом. Производитель начинает с чистого субстрата. В случае с нейронным зондом, это скорее всего полиимидный материал. Желаемая электрическая схема затем создается за счет добавления слоя металла на подложку. Averatek разработал запатентованные нанокаталические чернила, которые позволяют упростить этот пятиэтапный процесс.

Подготавливается субстрат. Сверлятся отверстия. Наносятся и обрабатываются чернила. Чернила затем обрабатываются фотолитографией. И наконец, на полученный результат наносится металл покрытия. В данном устройстве нейронного зонда это золото, но металлизация может быть и медью, и другими металлами. Ключ этой технологии в каталитических чернилах. Катализаторы предшественники, которые наносились на тонкие атомные слои, обладают уникальными свойствами, как многие другие нано материалы. Кроме того, катализатор, который наносится в виде жидкости или «чернил» может заполнить много зон, уголков и трещин, до которых невозможно добраться, используя прямые методы нанесения, например, распыление. Это обеспечивает основу для электролитического покрытия, которое заполняет все типы отверстий с более тщательным покрытием, чем обычные методы.

Их полу-аддитивный процесс работает за счет применения очень тонкого электролитического металла на базовый слой, затем следует фото резист и рисунок, что позволяет наносить более толстый электролитический металл, чем требуется. Как и в традиционном полу-аддитивном процессе резист затем удаляется и ненужный металл вытравливается, создавая дорожки. В примере с нейронным зондом, при работе с золотом применяется очень тонкий слой проводимого палладия, за которым следует покрытие золотом. Золото – трудный металл для травления; палладий легко удаляется без повреждения золотого покрытия. Ключевая разница этих технологий – способность работать с более тонкой металлизацией, чем традиционный полу-аддитивный процесс.

Без технологических барьеров, связанных с традиционным субтрактивным травлением, аддитивный процесс дает возможность создавать и тонкие линии, и промежутки между ними (менее 1 мил), и очень тонкую металлизацию (менее 5 микрон).

Рис. 2: Тонкие линии на полиимидном гибком материале.

Медицинские устройства, в которых используется данная технология, чаще всего представляют собой одно- и двусторонние конфигурации, которые были разработаны с тонкими линиями и промежутками. Возможность закладывать характеристики меньше 0,001” добавляют гибкости для максимизации выхода и устранения или минимизации многослойных конструкций со слепыми отверстиями. Когда к этому добавляется возможность покрытия чистым золотом без никеля, хрома или экспонированных медных слоев, возникает уникальное предложение для устройств, где схемы могут потребовать экспонирования в конечном потреблении.

Подобная технология используется также и в других медицинских устройствах. Проводящие слои часто используются для экранирования. В некоторых случаях требуется минимальная толщина для гибкости. Использование этой технологии для полу аддитивного базового слоя, как отмечено выше, дает возможность делать очень тонкую, но при этом очень хорошо проводящую металлизацию на гибких подложках, также как и изоляция на проводах и кабелях для экранирования коаксиального типа. Этот тонкий слой металлизации может быть обрезан до конкретного размера и установлен вокруг критических компонентов при окончательной сборке. Многие экранирующие устройства требуют меди, но и золото, и палладий могут использоваться, если в устройстве это необходимо.

Рис. 3: Металлизированные волокна (Velcro).

Металлизация волокон – также является растущей потребностью рынка. Используя данную аддитивную технологию, электроды и другие проводящие пути могут формироваться за счет покрытия индивидуальных волокон в волокне до двух микрон диаметром тонкими металлическими слоями. Это было продемонстрировано с медью, золотом и палладием. Металлизированная поверхность может обеспечивать электрические, механические и химические преимущества.

Выбор наиболее интересного устройства на гибкой плате в сфере медицинского оборудования – совсем не простая задача. Ведь есть так много интересных приложений и разработок, из которых нужно выбрать. Эта сфера развивается с огромной скоростью. По меньшей мере сегодня мой голос получает технология нейронного зонда, требующая золотого покрытия дорожек вместо медного и делая возможной толщину этих дорожек меньше 0,001”. Ведь она выходит за рамки стандартных технологий не по одному, а сразу по двум параметрам одновременно.

Тара Данн (Tara Dunn) – президент Omni PCB.

Источник: журнал The PCB Magazine Январь 2016