JP2021052183A - 埋込み可能な医療装置のプリント回路板アセンブリ - Google Patents

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マイヤー ローマン
クアース ダニー
Quahs Dany
クアース ダニー
ロムベルク ヤン
Romberg Jan
ロムベルク ヤン
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Abstract

【課題】簡単な、費用を抑えてセンサ装置とプリント回路板の接合を可能にして医療装置に導入するための、有利な機械的分離及び向上した工程信頼性を有するプリント回路板アセンブリ、埋込み可能な医療装置、及びプリント回路板アセンブリを製造する方法を提供する。【解決手段】埋込み可能な医療装置３のプリント回路板アセンブリ１は、プリント回路板１０と、プリント回路板１０に配置され、接着層１３によってプリント回路板１０に接合されたセンサ装置１２とを備える。工程では、ガラス球１３１が埋設された接着剤コンパウンド１３０から接着層１３が形成されるようになっている。こうして、簡単な、費用を抑えて、センサ装置をプリント回路板に接合できるようにして医療装置に導入するための、有利な機械的分離及び向上した工程信頼性を有するプリント回路板アセンブリが提供される。【選択図】図３

Description

本発明は、埋込み可能な医療装置のプリント回路板アセンブリ、埋込み可能な医療装置、及び埋込み可能な医療装置のプリント回路板アセンブリを製造する方法に関する。
知られているプリント回路板アセンブリは、プリント回路板と、プリント回路板に配置され、接着層によってプリント回路板に接合されたセンサ装置とを備える。
こうしたプリント回路板アセンブリは、たとえば血管内、特にヒトの心臓の領域において、血管内又は心臓内で血圧を監視するために患者に埋め込まれる埋込み可能な圧力センサなどの医療装置の一体部分である。
こうした埋込み可能な圧力センサでは、たとえば流体圧力を測定するための圧膜を備えるセンサ装置がプリント回路板に配置され、プリント回路板により医療装置のハウジング内に封入される。プリント回路板は、ハウジングに取り付けられ、さらなる電気的又は電子的な構成要素を担持し、これらの構成要素は、たとえば、センサ装置を介して記録され電気的又は電子的な構成要素に電気信号として供給されるセンサ信号を事前処理するための実装電子機器のためのものである。
装着されると、その上に配置されたセンサ装置を含むプリント回路板は、通常、周りのハウジングに固定連結される。その結果、ハウジングを介してプリント回路板に導入される機械的応力が、センサ装置における荷重にもつながることがあり、状況によってはセンサ信号を歪ませる恐れがあり、これは回避すべきである。
特にプリント回路板の表面に平行な方向の平面に沿って、プリント回路板からのセンサ装置の機械的分離を実現するために、センサ装置は接着層によってプリント回路板に一体に接合され、ここで機械的分離を効果的にするため、公差の対象となる製造の範囲内でプリント回路板に存在する突出部などに、場合によりセンサ装置が載ることを防ぐように、接着層は充分な厚さを有するべきであり、そうしなければ、望ましくない機械的結合を伴うことがある。
この点に関して、充分に高い工程信頼性で明確に、接着層の層厚さを設定できる手法が望ましい。
半導体センサを基板に接着するための接着剤が、特許文献１から知られている。この接着剤は、シリコーン粒子の形態のいわゆるスペーサを含むシリコーン接着剤によって形成される。
特許文献２は、光学装置と取付け板との接合を記載している。
欧州特許出願公開第３４２８６００号明細書 米国特許出願公開第２００３／００４３４７６号明細書
本発明の目的は、簡単な、費用を抑えてセンサ装置とプリント回路板の接合を可能にして医療装置に導入するための、有利な機械的分離及び向上した工程信頼性を有するプリント回路板アセンブリ、埋込み可能な医療装置、及びプリント回路板アセンブリを製造する方法を提供することである。
請求項１によるプリント回路板アセンブリ、請求項７による埋込み可能な医療装置、及び請求項８による方法が提供される。さらなる実施例は、従属請求項の主題である。
第１の態様によれば、埋込み可能な医療装置のプリント回路板アセンブリが提供される。プリント回路板アセンブリは、プリント回路板と、プリント回路板に配置されたセンサ装置とを備える。センサ装置は、接着層によってプリント回路板に接合される。接着層は、ガラス球が埋設された接着剤コンパウンドから形成される。
特に圧力信号を電気信号に変換するための変換器として設計されたセンサ装置と、プリント回路板との接合は、ガラス球が混合された接着剤コンパウンドから生成された接着層によって実現される。ガラス球は規定サイズ、特に規定範囲の直径を有し、接着剤コンパウンド内でスペーサとして使用されて、接着層が最小厚さを下回り得ないことを確実にし、したがってセンサ装置は、機械的分離を実現するのに充分な厚さの接着層によってプリント回路板に接合される。
ガラス球は、４０，０００Ｎ／ｍｍ２〜９０，０００Ｎ／ｍｍ２の弾性係数を有し、したがって比較的剛性が高く、非弾性であり、それによりセンサ装置がプリント回路板に接合されたときの比較的高い圧力下で、ガラス球はたわまず、ガラス球の変形も生じ得ない。
ガラス球は、円形断面を有する球形を有することができる。しかしガラス球の形状は、たとえばガラス球の断面が円形から逸脱するような、たとえばこれらが楕円形になるように設計されるという点で、理想的な球形から逸脱してもよい。
ガラス球は、たとえば、２０μｍ〜１００μｍ、たとえば２５μｍ〜８０μｍ、及び好ましくは３０μｍ〜５０μｍの直径を有することができる。ガラス球は規定範囲の直径を有し、したがってガラス球同士は、好ましくはその直径がわずかに異なるだけなので、プリント回路板に対するセンサ装置の有利で均一な支持が、接着層のガラス球によって、特にプリント回路板の表面に垂直な法線方向に沿って生成され、その方向に沿って、センサ装置がプリント回路板の表面に置かれる。
接着層におけるガラス球の割合は、５重量％〜４０重量％、たとえば８重量％〜２０重量％、たとえば１０重量％とすることができる。接着層内のガラス球の割合を充分に高くした結果、接着層内でガラス球が均等に分散すること、及び隣接するガラス球同士間の距離が比較的短くなることにより、プリント回路板に対するセンサ装置の支持を分散して生成することができ、それにより、一体（接着）接合及び規定の層厚さを有する規定の中間層が、センサ装置とプリント回路板の間に生成される。
接着剤コンパウンドは、好ましくは、硬化したときでもガラス球よりかなり柔らかい接着剤によって形成される。こうしてセンサ装置がガラス球によって比較的高い剛性で、プリント回路板の表面に対する法線に沿ってプリント回路板に対して支持されている間に、プリント回路板の表面に平行な、他の２つの空間方向に沿って、センサ装置とプリント回路板の間の分離が生成される。したがって、特にプリント回路板に沿って水平方向に作用し、たとえばプリント回路板における変形によって生じる機械的応力は、プリント回路板の平面に沿ってセンサ装置に伝達され得ず、それによりセンサ装置が、プリント回路板から機械的に分離される。こうして、プリント回路板における応力及び変形に起因するセンサ信号の歪み、特にセンサ信号のドリフトが、効果的に防止される。
接着剤コンパウンドが弾性を有することにより、たとえばプリント回路板の曲がりにより生じる法線方向に沿ったさらなる応力も補償することができ、それによりこうした応力は、直接センサ装置に伝達され得ず、少なくとも実質的に減衰される。
接着剤コンパウンドは、たとえばシリコーン接着剤によって形成することができる。こうしたシリコーン接着剤は、シリコーン・ポリマーの高い鎖運動性を有することができ、その結果、硬化した接着剤コンパウンドでも比較的高い弾性を有することになる。こうしたシリコーン接着剤は、耐熱性を有してもよく、さらにＵＶ放射に対する耐性を有してもよい。シリコーン接着剤は、さらに耐湿性を有してもよい。
シリコーン接着剤は、１成分又は２成分の接着剤系として使用されてもよい。１成分系と２成分系の両方とも、ポリオルガノシロキサン系、通常はポリジメチルシロキサン系であり、重縮合により硬化する。
一実施例では、センサ装置は、圧力信号を電気信号に変換するための変換器として設計される。センサ装置は、たとえば圧膜を備えてもよく、この圧膜を流体に接触させることができ、したがってこの圧膜が流体の圧力を吸収することができる。代替形態として、センサ装置は、たとえば圧力信号を相関した電気信号に変換するための圧電設計を有してもよい。
一実施例では、埋込み可能な医療装置は、上述したタイプのプリント回路板アセンブリを備える。こうした埋込み可能な医療装置は、プリント回路板アセンブリが封入されるハウジングを備える。プリント回路板アセンブリは通常、工程では、ハウジングに固定接合され、センサ装置に加えてさらなる電気的又は電子的な構成要素を備え、これらの構成要素によって信号を処理することができ、特にセンサ装置を介して受信したセンサ信号を事前処理することができる。
プリント回路板アセンブリを埋込み可能な医療装置に取り付ける状況は、片側クランプ設計（スプリングボードと同様）を有してもよい。代替形態として、取り付ける状況は両側クランプ設計を有してもよく、設計の観点からはこの方が簡単である。
プリント回路板アセンブリは、１つ又は複数のＦＲ４プリント回路板を備えてもよい。プリント回路板アセンブリは、１つ又は複数の多層セラミックに基づくプリント回路板を備えてもよい（低温同時焼成セラミック、ＬＴＣＣ）。可撓性のプリント回路板は、変形すること、すなわちある種の波状になることによって機械的応力に応答する。剛性を有する変換器の領域では、次いでこれらの波が再び応力になる。その結果、可能な限り剛性の高いプリント回路板が好まれる。
こうした埋込み可能な医療装置は、たとえば埋込み可能な圧力センサとして設計されてもよく、この圧力センサは、たとえばヒトの管、特に血管に埋め込まれて、たとえば長期間にわたり（局所的な）血圧を監視するために、血管内の圧力を検出することができる。埋込み可能な圧力センサの形態のこうした医療装置は、たとえば心臓の領域に、たとえば心臓内に埋め込まれてもよい。
圧力センサは、同じく埋め込まれているが心臓の外側に配置された制御ユニットに、リードによって接続されてもよい。制御ユニットは、たとえばセンサ信号を評価するための制御電子機器を備えてもよい。制御ユニットは、たとえば通信構成要素をさらに備えてもよく、この通信構成要素を介して、患者の外側にある外部ユニットにたとえば遠隔測定法により信号を送信することができる。別の実施例では、圧力センサ自体が通信構成要素を備え、患者の外側にある装置とワイヤレスに通信するように構成されて、たとえばデータをその装置に送信し、且つ／又はその装置からプログラム・コマンドを受信してもよい。この装置は、たとえばスマートフォン又はタブレットとすることができる。
この目的は、埋込み可能な医療装置のプリント回路板アセンブリを製造する方法であって、センサ装置が接着層によってプリント回路板に接合される方法によって達成される。接着層は、ガラス球が混合された接着剤コンパウンドから形成される。
プリント回路板アセンブリ及び医療装置について上述した利点及び有利な実施例は、この方法にも同じように適用され、それによりこの点に関して上に述べたことが参照される。
接着剤コンパウンドは、特にシリコーン接着剤であってもよく、これは１成分の接着剤系又は２成分の接着剤系の形態で存在してもよい。接着剤コンパウンドが２成分系の場合、好ましくは最初に接着剤コンパウンドの構成要素が互いに混合され、その後にのみ、ガラス球が接着剤コンパウンドに混合される。接着剤コンパウンドに空気が含まれるのを防止するために、混合中には泡をなくすようにすべきである。
接着剤コンパウンドに混合されるガラス球は、２０μｍ〜１００μｍ、たとえば２５μｍ〜８０μｍ、及び好ましくは３０μｍ〜５０μｍなど、規定範囲の直径を有することが好ましい。こうしたガラス球は、規定範囲の直径を有する所望の割合のガラス球がふるい分けされ、接着剤コンパウンドとの混合のためだけに使用されるという点で、たとえばふるい分けによって得ることができる。
センサ装置をプリント回路板に接合するために、センサ装置は、ガラス球が混合されている介在する接着剤コンパウンドにより、プリント回路板の法線方向に沿ってプリント回路板に置かれる。センサ装置は、特にガラス球によって事前定義された最小厚さを下回らない規定の厚さを有する接着層が得られるように、接合中にガラス球によってプリント回路板に対して支持される。
センサ装置は、接着層に埋設されたガラス球により、プリント回路板の表面に対する法線に沿って剛性的に支持されるので、特にセンサ装置をその上面のボンド・パッドによってプリント回路板に電気的に接続するためのその後の工程を容易にすることができる。たとえば、１つ又は複数の細いワイヤがセンサ装置及びプリント回路板に接続され、それによりセンサ装置とプリント回路板の電気接触が実現されるという点で、ワイヤ・ボンディングによってセンサ装置をプリント回路板に接続することができる。たとえばワイヤ接続部又は接続ワイヤが、超音波溶接によってセンサ装置及びプリント回路板に接続されるという点で、超音波ワイヤ・ボンディング工程を使用して接続を実行することができる。プリント回路板の表面に対する法線に沿った剛性設計により、工程では、最適な力伝達が確実になる。
本発明の基礎となる概念を、図に示す例示的な実施例に基づき以下により詳細に説明する。
プリント回路板に配置されたセンサ装置を備える、プリント回路板アセンブリを示す概略図である。 センサ装置をプリント回路板に接合している様子を示す概略図である。 センサ装置を接合中であるプリント回路板アセンブリを示す図である。 接着剤コンパウンドとともに使用してセンサ装置を接合するためのガラス球のふるい分けを示す概略図である。 人体内における埋込み可能な医療装置を示す概略図である。
図１に概略的に示すプリント回路板アセンブリ１は、医療装置、たとえば埋込み可能な圧力センサの一体部分であり、埋込み可能な医療装置のハウジング２に封入されている。
図５から明らかなように、こうした埋込み可能な装置は、監視を目的として心臓の領域で血圧を測定するためなど、たとえば患者の心臓Ｈの領域内の血管に、埋込み可能な圧力センサ３の形態で埋め込まれることが可能である。圧力センサ３は、同じく埋込み可能な制御ユニット５にリード４を介して接続され、制御ユニット５は、たとえば圧力センサ３から受信したセンサ信号を評価及び処理し、たとえばこれらを、患者の体外にあるより高いレベルの外部ユニットに、たとえば遠隔測定法を使用して通信する。代替形態として、圧力センサ３は、ワイヤレスであるように設計されてもよく、体外にある装置（スマートフォン又はタブレットなど）にセンサ信号をワイヤレスで送信してもよい（図示せず）。
図１から明らかなように、プリント回路板アセンブリ１は、プリント回路板１０を備え、このプリント回路板１０は、固定支承的に取付け装置２０によって、医療装置のハウジング２に連結される。プリント回路板１０は、電気的及び電子的な構成要素１１、たとえばプロセッサ、バッテリなどの形態のエネルギー貯蔵部、及び／又は受動的な電気構成要素を担持し、これらの電気的及び電子的な構成要素１１は、プリント回路板１０の背中合わせの側面１００、１０１に配置されてもよい。
プリント回路板１０の２つの側面１００、１０１のうち上面１００の上に、さらにセンサ装置１２が配置され、このセンサ装置１２は、接着層１３によってプリント回路板１０に接合される。たとえばワイヤ・ボンディングによって接続されるワイヤ接続部１２０を介して、センサ装置１２はプリント回路板１０に接続され、特にプリント回路板１０に形成された導体に接続され、それによりセンサ装置１２は、電気的にもプリント回路板１０に接続される。
動作中、機械的応力が、取付け装置２０を介してハウジング２からプリント回路板１０に伝達されることがある。こうした機械的応力が、プリント回路板１０からセンサ装置１２にも導入されること、及び場合によってはセンサ装置１２において機械的変形を生じさせることを防止するために（これを防止しなければ、センサ装置１２によって記録されるセンサ信号の歪みが生じる恐れがある）、接着層１３は、センサ装置１２をプリント回路板１０に一体に接合するというその機能以外に、特にプリント回路板１０の平面に平行に作用する機械的応力が直接センサ装置１２に伝達され得ないように、プリント回路板１０からセンサ装置１２を機械的に分離するという機能も有する。
図２に概略的に示すように、センサ装置１２は、プリント回路板１０に接合されることを目的として、プリント回路板１０の平面に垂直に向けられた接合方向Ｆに沿ってプリント回路板１０に置かれ、センサ装置１２とプリント回路板１０の間に形成された接着層１３によってプリント回路板１０に一体に接合される。プリント回路板１０からセンサ装置１２を充分に機械的に分離するために、接着層１３が充分に厚く、それにより応力が接着層１３を介して補償され、プリント回路板１０からセンサ装置１２に直接導入されないようにすることが、工程では、有利である。
この目的のために、図３に示す例示的な実施例では、接着層１３は、規定範囲の直径を有するガラス球１３１が埋設された接着剤コンパウンド１３０によって形成される。接着剤コンパウンド１３０は、たとえばシリコーン接着剤、たとえば２成分の接着剤とすることができ、これらの成分は、プリント回路板１０に塗布される前にガラス球１３１と混合され、それにより接着剤コンパウンド１３０とガラス球１３１を含む組成物が得られ、センサ装置１２を接合する前に接着層１３を形成するようにプリント回路板１０に塗布される。
ガラス球１３１は、２０μｍ〜１００μｍ、たとえば２５μｍ〜８０μｍ、及び好ましくは３０μｍ〜５０μｍの範囲の直径を有することが好ましい。この目的のために、ガラス球１３１は、図４に概略的に示すようにふるいＳ１、Ｓ２を使用してふるい分けされてもよく、それにより所望の規定範囲の直径を有するある割合のガラス球１３１が得られる。たとえば、（ふるい分け方向Ｓに沿って見たとき）第１のふるいＳ１が、所望の直径範囲の上限に対応する網目サイズを有し、ふるい分け方向Ｓにおいて第１のふるいＳ１の下流に配置された第２のふるいＳ２が、直径範囲の下限に対応する網目サイズを有するという点で、これを実行することができる。第１のふるいＳ１を通過するが、第２のふるいＳ２で集められるガラス球１３１が、所望の直径範囲の直径を有する。
こうしたガラス球１３１は、４０，０００Ｎ／ｍｍ２〜９０，０００Ｎ／ｍｍ２の弾性係数を有し、したがって比較的剛性が高い。したがってセンサ装置１２は、法線方向に沿って、すなわちプリント回路板１０に垂直に、比較的剛性が高いようにガラス球１３１によってプリント回路板１０に対して支持される。
対照的に、シリコーン接着剤からなる接着剤コンパウンド１３０は、比較的柔らかく弾性があり、それによりセンサ装置１２は、特にプリント回路板１０の平面に平行な空間方向において、プリント回路板１０から弾性的に分離される。したがって、プリント回路板１０に対して水平方向に向かう機械的応力は、プリント回路板１０からセンサ装置１２に（直接）伝達され得ず、減衰され、したがってセンサ信号を歪ませることはない。
プリント回路板１０の法線方向に沿ってガラス球１３１によりプリント回路板１０に対して支持されるセンサ装置１２は、センサ装置１２がプリント回路板１０に接合された後に実行される工程ステップを、工程信頼性の向上した状態で実施できるというさらなる利点を有する。こうして、ワイヤ・ボンディングにより、たとえば超音波ワイヤ・ボンディングにより、ワイヤ接続部１２０をセンサ装置１２及びプリント回路板１０に接続して、センサ装置１２をプリント回路板１０に電気的に接続することができる。ワイヤ接続部１２０をセンサ装置１２に接着するためにセンサ装置１２に導入される機械的な力は、（剛性を有する）ガラス球１３１によって伝達される。
本発明の基礎となる概念は、上述した例示的な実施例に限定されず、別のやり方で実装されてもよい。
原理上、接着剤コンパウンドとそこに埋設されたガラス球からなる接着層を使用することは、圧力信号を電気信号に変換するためのセンサ装置の取付けに限定されず、こうした接着層によって、他のセンサ装置がプリント回路板に接合されてもよい。
説明した種類のプリント回路板アセンブリは、埋込み可能な多様な医療装置、たとえば埋込み可能な圧力センサ、心臓ペースメーカ、又は除細動器に一体化されてもよい。

Claims (10)

  1. 埋込み可能な医療装置（３）のプリント回路板アセンブリ（１）であって、プリント回路板（１０）と、前記プリント回路板（１０）に配置され、接着層（１３）によって前記プリント回路板（１０）に接合されたセンサ装置（１２）とを備え、前記接着層（１３）は、中にガラス球（１３１）が埋設された接着剤コンパウンド（１３０）から形成されている、プリント回路板アセンブリ（１）。
  2. 前記ガラス球（１３１）は、４００００Ｎ／ｍｍ２〜９００００Ｎ／ｍｍ２の弾性係数を有する、請求項１に記載のプリント回路板アセンブリ（１）。
  3. 前記ガラス球（１３１）は、２０μｍ〜１００μｍ、たとえば２５μｍ〜８０μｍ、及び好ましくは３０μｍ〜５０μｍの直径を有する、請求項１又は２に記載のプリント回路板アセンブリ（１）。
  4. 前記接着層（１３）における前記ガラス球（１３１）の割合は、５重量％〜４０重量％、たとえば８重量％〜２０重量％である、請求項１から３までのいずれか一項に記載のプリント回路板アセンブリ（１）。
  5. 前記接着剤コンパウンド（１３０）は、シリコーン接着剤によって形成されている、請求項１から４までのいずれか一項に記載のプリント回路板アセンブリ（１）。
  6. 前記センサ装置（１２）は、圧力信号を電気信号に変換するための変換器として設計されている、請求項１から５までのいずれか一項に記載のプリント回路板アセンブリ（１）。
  7. 請求項１から６までのいずれか一項に記載のプリント回路板アセンブリ（１）を備える、埋込み可能な医療装置（３）。
  8. 埋込み可能な医療装置（３）のプリント回路板アセンブリ（１）を製造する方法であって、センサ装置（１２）を、接着層（１３）によってプリント回路板（１０）に接合し、前記接着層（１３）を、中にガラス球（１３１）が混合された接着剤コンパウンド（１３０）から形成する、方法。
  9. 前記接着剤コンパウンド（１３０）は、シリコーン接着剤の２つの成分から混合され、前記接着剤コンパウンド（１３０）が混合された後に、前記ガラス球（１３１）は、前記接着剤コンパウンド（１３０）に混合される、請求項８に記載の方法。
  10. 前記センサ装置（１２）が前記プリント回路板（１０）に接合された後に、ワイヤ接続部（１２０）が、ワイヤ・ボンディングによって前記センサ装置（１２）に接続される、請求項８又は９に記載の方法。
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