JP6223577B2 - 回路基板に埋め込まれた構成部品を有する埋込可能刺激器デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、埋込可能刺激器デバイスに関し、特に、ある一定の構成部品をデバイスの回路基板内に埋め込むことにより埋込可能刺激器内の回路のサイズを最小にすることに関する。
埋込可能刺激デバイスは、心不整脈を治療するペースメーカー、心細動を治療する除細動器、難聴を処置する蝸牛刺激器、盲目を処置する網膜刺激器、協働四肢運動を引き起こす筋肉刺激器、慢性疼痛を処置する脊髄刺激器、運動障害及び精神障害を治療する脳皮質及び脳深部刺激器、及び尿失禁、睡眠時無呼吸、肩亜脱臼などを治療する他の神経刺激器のような様々な生物学的疾患を治療するために電気刺激を神経及び組織に送出する。以下の説明は、一般に、米国特許第6,516,227号明細書に開示されたような「脊髄刺激(SCS)」システム内の本発明の使用に着目することになる。しかし、本発明は、あらゆる埋込可能医療デバイスとの及びあらゆる埋込可能医療デバイスシステムにおける適用性を見出すことができる。
SCSシステムは、典型的に、図1A及び図1Bの平面図及び断面図に示す「埋込可能パルス発生器(IPG)」10を含む。IPG10は、IPGが機能するために必要な回路及びバッテリ36を保持する生体適合デバイスのケース30を含む。IPG10は、電極アレイ12を形成する1又は2以上の電極リード14を通じて電極16に結合される。電極16は、患者の組織に接触するように構成され、かつ各電極16に結合された個々のリードワイヤ20も収納する可撓性本体18上に担持される。リードワイヤ20はまた、IPG10上のヘッダ28に固定されたリードコネクタ24に挿入可能である近接接点22に結合され、このヘッダは、例えばエポキシを含むことができる。挿入された状態で、近接接点22は、ヘッダ接点26に接続し、それは、次に、ケースフィードスルー32を通るフィードスルーピン34によってケース30内の回路に結合される。
図示したIPG10には、2×2アレイのリードコネクタ24を収容するヘッダ28と共に、4本のリード14の間で分けられた32個のリード電極(E1−E32)が存在する。しかし、IPGにおけるリード及び電極の数は、用途特有なので変えることができる。電極リード14は、SCS用途では、一般的に患者の脊髄内で硬膜に近接して埋め込まれ、4リードIPG10を使用する際には、通常、これらのリードは、硬膜の左右の各々に対して2本に分けられる。近位電極22は、IPGケース30が埋め込まれる臀部などの遠位位置まで患者の組織を通り抜け、その点で、それらは、リードコネクタ24に結合される。4リードIPG10は、別の例において「脳深部刺激(DBS)」に対しても使用することができる。刺激が必要な部位に直接埋め込むように設計された他のIPG例では、IPGは、リードなしとすることができ、患者の組織に接触するためにIPG本体上に現れる電極16を代わりに有する。
図1Bの断面図で示すように、IPG10は、プリント回路基板(PCB)40を含む。PCB40に電気的に結合されるのは、この例においては充電可能であるバッテリ36と、PCBの上部及び底面に結合されたその他の回路50a及び50bと、外部コントローラ(図示せず)との無線通信のための通信コイル42と、バッテリ36を再充電するために外部充電器(図示せず)からの磁気充電場を無線で受ける充電コイル44と、フィードスルーピン34(接続は図示せず)とである。バッテリ36が永続的であり、かつ再充電不能であれば、充電コイル44は不要であろう。(コイル42及びコイル44、並びにそれらが通信する外部デバイスの作動に関する更なる詳細は、2014年8月27日出願の米国特許出願出願番号第14/470,854号明細書に見ることができる。)
図2A及び図2Bは、IPG10に存在するその他の回路50a及び50bの一部を示し、特に図2Aは、リード電極16のいずれかに電流を確立するために用いられる電流分配回路を示すが、この電流は、単相又は多相電流パルスを含むことができる。この例では、電流分配回路は、いくつかの電流ソース(PDAC52)及び電流シンク(NDAC54)を含む。PDAC52及びNDAC54は、望ましい振幅Ioutの電流パルスのそれぞれソース及びシンクになることが可能であるデジタル/アナログ変換器(DAC)を含み、この振幅は、デジタル制御信号(図示せず)に従って制御可能である場合がある。(「PDAC」及び「NDAC」は、それらが一般的にそれぞれPチャネルおよびNチャネルトランジスタでできていることからそのように呼ばれる。)1又は2以上のアクティブPDAC52又はNDAC54からのソース又はシンク電流は、同じくデジタル制御(図示せず)されたスイッチマトリクス56P及び56Nを通じて選択された電極16に向けられる。この例の電流分配回路は、電極(Ecase30)としての導電ケース30の選択もサポートし、このケース電極30は、よく知られるように典型的に単極刺激に対して選択されることに注意されたい。DAC52及び54はまた、電圧源を含むこともできる。ソース構成部品(PDAC52、マトリクス56P)及びシンク構成部品(NDAC54、マトリクス56N)は、個々に電流分配回路としても考えることもできる。
DAC52及び54とスイッチングマトリクスとを適正に制御すれば、電極16のいずれかにアノード又はカソードの働きをさせることが可能になり、それにより電流が患者の組織Rに流れ、良好な治療効果を期待できる。ここに示す例では、PDAC522は、スイッチマトリクス56Pを通じてアノード電極E1への振幅Ioutの電流のソースになるよう制御され、NDAC541は、スイッチングマトリクス56Nを通じてカソード電極E2からの振幅Ioutの電流のシンクになるよう制御される。本開示において重要な詳細事項ではないが、特定の周波数及び持続時間の電流パルスを発するようにDAC52及び54をプログラムすることもできる。例えば、米国特許出願公開第2013/0289665号明細書に詳細に記載されているように、電流分配回路のための電力は、電源電圧V+により供給される。1よりも多いアノード電極及び1よりも多いカソード電極を同時に選択することもでき、従って、2又は3以上の電極16間に電流を流すことができる。
その他の電流分配回路もIPG10に使用することができる。例えば、スイッチングマトリクス56を使用しない例では、各電極Eiは、例えば、米国特許第6,181,969号明細書に公開されたように専用のPDAC52i及びNDAC54iを備えることができる。他の例では、米国特許出願公開第2007/0038250号明細書及び第2007/0100399号明細書に記述されたように、PDAC52及びNDAC54は、これらDACの複数のものがスイッチングマトリクス56により選択されて電流の総量を選択された電極に流すことにより、固定された振幅の電流を流すことができる。
DAC52及び54とスイッチマトリクス56とを含む図2Aの電流分配回路の多くは、図2Bに示すように、「特定用途向け集積回路(ASIC)」60に統合することができる。図示した例では、ASIC60は、16個のリード電極16とケース電極30とをサポートする回路を収容する。32電極IPG10の場合に、そのような2つのASIC60a及び60bが使用され、ケース電極30は、ASIC60a又は60bのうちの一方のみにおいてアクティブ化され、実質的に33電極デバイスを生成する。ASIC60a及び60bは、同一に製作することができ、かつ米国特許出願公開第2012/0095529号明細書、第2012/0092031号明細書、及び第2012/0095519号明細書で開示されたように、それらのマスターとして作用するマイクロコントローラ集積回路62(図3)によって制御される。ASIC60a及び60bはまた、バッテリ充電及び保護回路(チップをバッテリ36及び充電コイル44に接続するための)、遠隔測定回路(チップを遠隔測定コイル42に接続するための)、様々な測定用回路などのようなIPG10において有用な他の回路を収容することもできる。
図2A及び図2Bに同じく示すのは、ASIC60a/bに存在する電極ノードEi(a)(つまり、電流分配回路の出力)と電極16(Ei)の間の各電極電流経路64に結合されたDC遮断(阻止)コンデンサ70(C(dc))である。DC遮断コンデンサ70は、電極電流経路64に直列に配置され、患者にDC電流が流入するのを防ぐ安全対策として作用し、かつIPGに一般的に使用されている。
効果的な治療のために電極16に供給される一般的な電流の振幅(Iout)(mAの程度)を仮定し、かつその電流が流れる際にDC遮断コンデンサ70にわたる大きい電圧の蓄積を防ぐ要望を仮定すると、DC遮断コンデンサ70は、典型的に1から10μFの程度の相対的に大きなキャパシタンス値を有する。従って、DC遮断コンデンサ70の物理的サイズは相対的に大きく、IPG10のケース30内、特にIPGのPCB40上で相当のスペースを占める可能性がある。
これは、先に記述した32電極IPG10に関する図3に示されており、それは、充電コイル44が実装されたPCB40の底面を示している。充電コイル44内でPCB40上に同じく実装されているのは、ASIC60a及びASIC60b(それぞれ16電極をサポートし、一方はケース電極30をサポートする)、マスターマイクロコントローラ62、及びDC遮断コンデンサ70である。当業者は認めるように、PCB40は、他の構成部品も同様に収容すると考えられるが、説明を簡潔にするため図示しない。DC遮断コンデンサ70は、典型的な表面実装可能セラミックコンデンサを含み、その各々は、120×60ミル(「1206」コンデンサとして当業技術で公知)、80×50ミル(「0805」コンデンサ)、又はより小さいフットプリント又は面積を有することができる。
まとめると、DC遮断コンデンサ70は、PCB40の底面上の相対的に大きな区域75を占め、これは、その面の全面積の30%(典型的には10cm2の程度)ほども大きい場合がある。これは、DC遮断コンデンサ70が、PCB40のサイズを増大し、これが、埋込手術を容易にして患者快適性を促進するために可能な限り小さく保つことが好ましいケース30及びIPG10のサイズを増大するので不幸なことである。DC遮断コンデンサのサイズの問題は、患者によい細かい分解能とより複合的な刺激療法とを提供するためにIPGにより多数の電極を備えたいという業界の要望により更に深刻化する。少なくともDC遮断コンデンサ70の一部をPCB40の他の(上部)面に設置することは理論上可能であるが、常にオプションであるとは限らず、例えば、IPG10の例では、PCB40の上面は、図1Bに示すように、通信コイル42、バッテリ36、及びその他の表面実装回路50aによって既に完全に占有されている。
従来技術は、多重電極IPG内の相対的に大きなDC遮断コンデンサ70の問題を認識してきた。しかし、この問題に対する公知の解決法は、使用されるDC遮断コンデンサ70の数を最小化することを求めている。例えば、米国特許第7,881,803号明細書では、IPGには単一DC遮断コンデンサのみしかなく、これによりIPGの空間を節約し、従って、IPG小型化を可能にしている。米国特許出願公開第2010/0268309号明細書も同様に、DC遮断コンデンサの数を減らし、つまりIPGがサポートする電極の数よりも少なくしたIPGを提案している。
しかし、従来技術が示唆するように、単純にDC遮断コンデンサ70の数を減らすことは、発明者には、問題に対処する十分な方法とは考えられない。IPGがサポートする電極の数と比較して除去するDC遮断コンデンサ70が多すぎる場合、困難が生じる可能性がある。ある一定の選択可能な電流経路は、安全上必要とされるDC遮断コンデンサ70を含まない場合があるので、アノード又はカソードとして作動可能な電極を自由に選択する機能が制限され、そのために治療が危険にさらされる可能性があり、この問題に対処するには、電流分配回路の追加の設計複雑性を試みなければならない。反対に、IPG電極の数に比べて除去するDC遮断コンデンサ70の数が少なすぎれば、IPGのスペース節約が有意でなくなる場合がある。
IPG内の構成部品サイズの問題は、IPGに追加構成部品を追加しようとする新しい動きの出現で更に深刻化する。例えば、米国特許出願公開第2014/0155970号明細書では、図4A及び図4Bに示すように、電極電流経路64内に追加の電磁干渉(EMI)フィルタリングコンデンサ71(C(f))を使用することが教示されている。これらのフィルタリングコンデンサ71は、電極ノードEiの各々と基準電圧(例えば、バッテリ36の負極のような接地)との間で電極電流経路64に並列に結合される。‘970公開で教示されたように、フィルタリングコンデンサ71は、一般的に磁気共鳴映像(MRI)機械に存在する周波数64MHz又は128MHzのようなリードワイヤ20に結合されたEMIを接地に分路し、かつEMIが導電ケース30に伝わらないよう妨害するのに有用である。これは、加熱を抑え、IPG回路がダメージを受けること及び意図せずに患者を刺激することを防ぐのを助け、従って、MRI手順を必要とする患者が使用するのにIPGをより安全にする。図4A及び図4Bでは図示しないが、‘970公開は、フィルタリングコンデンサ71が、DC遮断コンデンサ70の反対側、つまり、電流分配回路出力Ei(a)と接地の間に並列に結合することもできると教示している。
‘970公開で同じく議論されているのは、図4Aに示すように、DC遮断コンデンサ70と同様にリード電極電流経路64に直列に配置できるEMIフィルタリングインダクタ(Li)の使用であり、このフィルタリングインダクタLiは、0.5から3.0μHの値をとる。代わりに、図4Bのように、ケース30の電極電流経路に50から200nHの値をとる単一フィルタリングインダクタ(Lcase)を配置することもできる。
‘970公開は、一般的に数nFの範囲の値を有するフィルタリングコンデンサ71を開示しており、それは、DC遮断コンデンサ70と比較した時にキャパシタンスとサイズの両方においてより小さいと本発明者は認識している。例えば、フィルタリングコンデンサ71は、0805、0603、又は0402の表面実装可能コンデンサとしてIPG10に実施できると本発明者は認識している。それにもかかわらず、フィルタリングコンデンサ71がIPG10に組み込まれる場合、そうした構成部品のためのスペースをIPG10のPCB40上のどこかに見つけなければならないが、先に触れたように、そうしたスペースはすでに不足している。フィルタリングインダクタ72が、IPG10内に、特にリード電極電流経路(図4AのLi)の各々に追加で組み込まれる場合、IPGにはより広いスペースが必要となるであろう。
米国特許第6,516,227号明細書 米国特許出願出願番号第14/470,854号明細書 米国特許出願公開第2013/0289665号明細書 米国特許第6,181,969号明細書 米国特許出願公開第2007/0038250号明細書 米国特許出願公開第2007/0100399号明細書 米国特許出願公開第2012/0095529号明細書 米国特許出願公開第2012/0092031号明細書 米国特許出願公開第2012/0095519号明細書 米国特許第7,881,803号明細書 米国特許出願公開第2010/0268309号明細書 米国特許出願公開第2014/0155970号明細書
http://www.niccomp.Com/catalog/nfp.pdf "Embedded Device Packaging Ramping Up Next Generation SiP,"JISSO Europian Council Seminar,Nurnberg,DE,pg16(May 2011) H.Haidinger"Cost Driver for PCB with Advanced Technologies"pg.18−19,AT&S Technology Forum(2013) M.Leitgeb"2.5D Technology Platform"4,22−29p,AT&S(Feb.28,2013) M.Leitgeb"Modulare Integrationskonzepte:Miniaturisierung & Funktionale Integration Darstellung der Vorteile & der Umgesetzten Produktideen"16−17p,AT&S Technologieforum(Oct.9,2013) "3M Embedded Capacitance Material(ECM)"3M Company(2013)
従って、これらの様々な電極電流経路構成部品を好ましくは患者治療に対して安全に選択できる電極という観点からIPG柔軟性に影響しない方法で受け入れるのに必要な解決策が必要である。本開示では、このような解決策を提供する。
従来技術による埋込可能医療デバイス、具体的には、いくつかの電極を備えた埋込可能パルス発生器(IPG)を示す図である。 従来技術による埋込可能医療デバイス、具体的には、いくつかの電極を備えた埋込可能パルス発生器(IPG)を示す図である。 従来技術による電極電流経路内のDC遮断コンデンサの使用を含むIPGの電流分配回路を示す図である。 従来技術による電極電流経路内のDC遮断コンデンサの使用を含むIPGの電流分配回路を示す。 従来技術によるDC遮断コンデンサを含むIPGのプリント回路基板を示す図である。 従来技術によるフィルタリングコンデンサ及びフィルタリングインダクタを電極電流経路に含んだ状態を示す図である。 従来技術によるフィルタリングコンデンサ及びフィルタリングインダクタを電極電流経路に含んだ状態を示す図である。 本発明の例によるPCBに電極電流経路内の様々な構成部品を埋込んだIPGのための改良PCBの例を示す図である。 本発明の例によるPCBに電極電流経路内の様々な構成部品を埋込んだIPGのための改良PCBの例を示す図である。 本発明の例によるPCBに電極電流経路内の様々な構成部品を埋込んだIPGのための改良PCBの例を示す図である。 本発明の例によるIPGのための改良PCBに埋め込まれた構成部品の一般化した断面図である。 本発明の例によるIPGのためのPCBに構成部品を埋め込むことのできる製作方法を示す図である。 本発明の例によるIPGのためのPCBに構成部品を埋め込むことのできる製作方法を示す図である。
図5Aは、IPG10のようなIPGに使用する改良されたプリント回路基板(PCB)140を示す。PCB140は、図3で先に示したPCB140と同様のもので、底面には、ASIC60a及び60b、マイクロコントローラ62、及び充電コイル44を含む。しかし、DC遮断コンデンサ70、フィルタコンデンサ71、及び/又はフィルタリングインダクタ72(図4A及び図4B)といった電極電流経路64の中の電流分配回路(例えば、ASIC60a/b)の出力Ei(a)と電極Ei及びEcase(16i,30)との間の1又は2以上の構成部品は、ここではPCB140の内層に埋め込まれており(200)、そのため破線で示されている。
図示したように、埋め込み構成部品200は、先に記述した「XXYY」型パッケージのコンデンサ及びインダクタ構成部品のような従来通りにPCB140に表面実装可能な個別構成部品を含み、構成部品本体201及び半田付け可能な端子202を備える。しかし、これは必ずしも必要ではなく、PCB140に埋め込まれた構成部品200の詳細な構造は異なっていてもよい。
図5Aに示す例では、埋め込み構成部品200は、先に論じたDC遮断コンデンサ(70)を含むが、ここでは、埋め込まれたという性質を反映して、新しい番号170をつける。埋め込まれたDC遮断コンデンサ170は、もはやPCB140(図3のPCB40と比較)の底面の区域75を占めておらず、他の構成部品102が、この区域75内でPCB140に結合することが可能である。こうした他の構成部品102には、IPG10の他の場所から移動してきた回路、例えば、通常PCBの上面又は底面に存在する回路50a又は50b(図1B)、マイクロコントローラ62、ASIC60a及び60bのどちらか片方又は両方等を含むことができる。また、区域75には、追加のDC遮断コンデンサを組み込むこともでき、これによりIPG10がサポート可能な電極の数を2倍(例えば、32から64)にすることが可能である。図示していないが、こうした区域75内の表面実装追加DC遮断コンデンサは、埋め込まれたDC遮断コンデンサ170の上に直接重ねることが可能である。
また、従来のIPGには使用されていないが、区域75に空きができたために追加が望まれる他の回路、例えば、図4A及び図4Bのフィルタリングコンデンサ71又はフィルタリングインダクタ72のようなIPGの機能の追加又は拡張を促進する回路を区域75に組み込むこともできる。図5Aでは、全てのDC遮断コンデンサがPCB140に埋め込まれているが、これは必ずしも必要ではない。例えば、半分(例えば、16)を埋め込み(170)、もう半分を従来通りに表面実装(図3の70)することが可能である。
図5Aに示したように、DC遮断コンデンサ170は、PCB140において、PCB40の底面の先に示した位置(図3)の下に埋め込まれる。しかし、この配置は必ずしも必要ではなく、DC遮断コンデンサ又は後に論じる他の埋め込み構成部品200は、PCBのどこにでも、あるいは隣接していない他の領域にも埋め込むことができる。区域75は、埋め込み構成部品200がどこに配置されていても、元の位置に関係なく、埋め込み構成部品200の上及び/又は下にPCB140の表面を形成する。
区域75が、IPG10への他の回路の追加に使用されない場合、既存のIPGの構成部品を区域75に移動すれば、PCB140をPCB40(図3)と比較して小型にでき、患者をより楽にし、移植の問題を和らげることができる。サイズの縮小にもかかわらず、DC遮断コンデンサ170は、IPG10がサポートする各電極16の電極電流経路64に直列に配置されており、先に触れたようにDC電流が患者に流入するのを防ぎ、患者の安全を守る。DC遮断コンデンサ170が、選択可能な各電極16に配置されるために、電極16は、選択された電極電流経路64からのDC電流の流入と関係なく、また、図2A及び図2Bに図示したような状態を依然として残して、IPG10の電流分配回路を複雑化することなく、アノード又はカソードとして自由に選択することができる。先に触れたように、従来技術の省スペース技術は、IPGがサポートする電極とDC遮断コンデンサとを1対1で対応させることを提案せず、代わりに、IPGの電極の数に対して、DC電流コンデンサの数を減らしている。
図5B及び図5Cは、他の構成部品200をPCB140内の電極電流経路64に埋込んだ代替案を示している。図5Bに示す例では、埋め込み構成部品200は、先に論じた‘970公開のEMIフィルタリングコンデンサ(図4A及び図4Bの71)を含むが、埋め込まれた性質を反映して、このコンデンサには新しい番号171をつける。DC遮断コンデンサ70は、PCB140に表面実装され、又は区域75内の図3で先に示したのと同じ位置を占める。この例では、IPG10には、‘970公開で言及されたような追加MRIフィルタリングコンデンサが配置されているが(図4A及び図4B)、PCB140のサイズが、元の設計40(図3)と比較して大きくなることはなく、PCB上のデバイスのレイアウト及び位置を大きく変更する必要もない。これは、利便性と、従来のPCB40の設計を大きく変更しないことから特に好ましい。
また、図5の例が好ましいのは、発明者が認識するように、フィルタリングコンデンサのキャパシタンス値及びサイズが、DC遮断コンデンサ70よりも小さいためである。例えば、DC遮断コンデンサが、1206又は0805コンデンサを含むことができるのに対して、フィルタリングコンデンサは、より小さく0805、0603、又は0402コンデンサを含むことができ、サイズが小さいことからより簡単に埋め込むことができる。図5Bに示すように、埋め込みフィルタリングコンデンサ171は、一般的にそれぞれの結合するDC遮断コンデンサ70の下に配置され、これによりDC遮断コンデンサ70とフィルタリングコンデンサ171を電極電流経路64に結合するPCB140の経路指定が容易になる。しかし、これは必ずしも必要ではなく、表面実装DC遮断コンデンサ70に関連する埋め込みフィルタリングコンデンサの特定の配置は、変えることができる。フィルタリングコンデンサを全てPCB140に埋め込む必要はなく、一部を従来通りに表面実装することもできる。埋め込み構成部品200を伴うPCB140内の経路指定については、後に論じる。
図5Cは、図5Bを一歩進めたものであり、フィルタリングインダクタが、埋め込みフィルタリングコンデンサ171と共に、埋め込み構成部品200として(新番号172がつけられている)各リード電極電流経路64(図4Aの72)に更に含まれている。図示したように、各埋め込みフィルタリングコンデンサ171i及び埋め込みフィルタリングインダクタ172iは、DC遮断コンデンサ70iを含む電極電流経路回路64を達成するために、PCB140内で内部PCB接点203に結合する。内部PCB接点203は、この後に論じるPCB140の導電層(Cui)に生じる。他の回路ノードへの結合は、PCB140内の経路指定によって達成され、後に説明するようにかつ当業者ならば理解するように、異なる導電層間の導電ビア106、108(図7A、図7B)を含むことができる。
図5Cの例では、埋め込みフィルタリングコンデンサ171及び埋め込みフィルタリングインダクタ172は、DC遮断コンデンサの4分の1の面積(周囲の長さが2分の1)、例えば、「1206」のDC遮断コンデンサと、「0603」の埋め込みフィルタリングコンデンサ171及びフィルタリングインダクタ172とである。EMIフィルタに適切なインダクタンス値の「0603」の表面実装インダクタは、ニューヨーク州メルヴィルのNIC Components Corporationで販売されている。http://www.niccomp.Com/catalog/nfp.pdfを参照されたい。従って、埋め込みフィルタリングコンデンサ171及び埋め込みフィルタリングインダクタ172は、それ自体が結合する表面実装DC遮断コンデンサ70の下に、DC遮断コンデンサ70の位置を従来のPCB40(図3)における区域75内の表面実装位置から変える必要なく配置できる。しかし、こうした従来の配置もまた、必ずしも必要ではない。また、埋め込みフィルタリングコンデンサ171及びフィルタリングインダクタ172のサイズが等しい必要もなく、それらのデバイスが、それらの表面実装DC遮断コンデンサの下に位置する必要もない。埋め込みフィルタリングコンデンサ171及びフィルタリングインダクタ172を従来通りそれらが関連付けられたDC遮断コンデンサ70の下に一般的に配置するか、又はDC遮断コンデンサと無関係に配置するという他のレイアウト案は妥当である。フィルタリングインダクタ172を全てPCB140に埋め込む必要はなく、一部を従来通りに表面実装することが可能である。
図5A及び図5Cで示した具体的な非限定例にもかかわらず、電極電流経路64の構成部品、例えば、DC遮断コンデンサ(Ci(dc))、フィルタリングコンデンサ(Ci(f))、及び/又はフィルタリングインダクタ(Li(f))の他の組み合わせは、PCB140に埋め込むか200、又は表面実装することができる。例えば、DC遮断コンデンサを埋め込み、フィルタリングコンデンサを表面実装することができる。フィルタリングコンデンサが埋め込まれていても、代わりにフィルタリングインダクタを表面実装することができる。これらの構成部品70、71、及び72(図4A及び4B)の一部又は全てを埋め込むことができる。つまり、どのような組み合わせ又は数であっても、これらの構成部品は、PCB140に埋め込むことができ、残り(ある場合)は、PCB140の区域75又は他の場所に表面実装したままに残すことができると考えられる。
PCBに構成部品200を埋め込む方法は知られており、それらの技術の一部を図7A及び7Bを用いて後に論じる。これらの図に移る前に、PCB140の埋め込み構成部品200iの一般的な図を図6の立面図に示す。図6の立面図は、埋め込みDC遮断コンデンサ170i、埋め込みフィルタリングコンデンサ171i、埋め込みフィルタリングインダクタ172i、又は電極電流経路64内であってもなくても、その他のIPGの構成部品を含むことができる。図示した通り、埋め込み構成部品200iは、構成部品(例えば、102)が従来結合されていたPCB140の上面140aと底面140bの下に完全に引っ込んでいる。
図示した通り、構成部品端子202は、PCB140の底面140bに近接するパターン化された銅の導電層Cu2に内部PCB接点203(図5C)で接続する。PCB140の上面140aの他の構成部品(例えば、102)は、上面の半田マスク層SMaに形成された外部PCB接点104で導電層Cu1に接続する。(後の例で図示するように、PCB140は、2よりも多い導電層を収容することができる。)説明を簡潔にするために図示しないが、他の構成部品102も同様に、底面の半田マスク層SMbに形成される外部PCB接点104でPCB140の底面140bの導電層Cu2に接続することができる。従って、このような他の構成部品102は、区域75の中又は外、埋め込み構成部品200の上又は下に配置することができる。構成部品102は、単にPCB140に表面実装可能である必要はなく、代わりにPCB140が、そうした構成部品からのリードを受け取るために貫通孔技術を採用することもできる。導電ビア106は、PCBの経路指定を補助するために導電層Cu1及び導電層Cu2に接続している状態で示されている。
図7A及び図7Bは、PCB140の配置及び構成部品200をPCB140に埋め込む方法に関して詳細を示している。これらの図示された構造の例は、いくつかの点、特に導電層(Cui)が、埋め込み構成部品200で占められたPCB140の厚み180を占めることができるかに関して異なる。それとは関係なく、導電層は、区域75内の埋め込み構成部品200の上又は下のPCB層を占めることができ、従って表面に回路を追加することが可能になる。
図7Aでは、PCB140には、PCBの高さの埋め込み構成部品の厚み180で占められる部分に導電層が存在しない。図7AのPCB140の製作技術は、“Embedded Device Packaging Ramping Up Next Generation SiP,”JISSO Europian Council Seminar,Nurnberg,DE,pg16(May 2011)、及びH.Haidinger“Cost Driver for PCB with Advanced Technologies”pg.18−19,AT&S Technology Forum(2013)で一般的に示されており、そのため短く触れるのみとする。
工程は、銅板(図の例ではCu3)が上に配置された基板(図示せず)を使用することで始まる。接着剤(図示せず)が、Cu3層の構成部品200の位置に印刷され、そこへ構成部品200が接着される。誘電積層体層(L2−Lj)は、接着された構成部品200が通り抜ける箇所に穴があいた状態であらかじめ形成される。更に、穴があいていない最後の積層体層L1が、上面に配置される。積層体層の数及び厚みは、埋め込み構成部品200の厚み及びPCBの他の設計規則によって決まる。
次に、銅板(図の例ではCu2)を上に配置した他の基板(図示せず)を裏返して積層体L1の上に配置する。その結果できたスタックは、積層体層が流動して構成部品200を取り囲むように、また他の点では、スタックの様々な層が互いに強固に接着するように高温で加圧される。この時点で、スタックは、まだパターン化されていない導電層Cu2及びCu3によってその上面及び底面で境界付けられる。
次に、機械でこの構造体を通してビア106の予定位置に穴をあける。更に、構成部品端子202が露出するように、UVレーザーを使用して底面のCu3層及び図示されていない接着剤に穴をあける。結果できた穴をCO2レーザーでデスミアした後、結果できた構造体を更にマスク及びメッキしてビア106を形成し、構成部品端子202と導電層Cu3とを結合(110)して、先に触れた内部PCB接点203(図5C)を形成する。(図示していないが、得られるビア16は中空であってもよい。)結果できた構造体に残った接着剤は、全てPCBの製作工程で溶解させることができ、PCBの性能には影響しない。
その後、残った構造体は、一般的なPCB形成技術により加工でき、これにより、更に導電層を積み重ねてPCB140の製作工程を完了させる。例えば、導電層Cu2及びCu3は、必要に応じてビア108その他を含む追加の誘電体層D1及びD2と共に要望通りにパターン化することができる。従って、PCB140は、必要な限りの又は可能な限りの導電層を厚み180の外側、区域75の埋め込み構成部品200の上及び下に含むことができる。当業者は理解するであろうが、各誘電体層(Li及びDi)の構成は様々であるが、一般的には、FR4、プリプレグ等のようにPCB材料として知られるものからなる。積層体層Liが、構成部品200を封じ込めるために流動するように設計することができるのに対して、他の従来通りの誘電体層Diは、低流動性又は非流動性の材料からなる場合がある。
図7Bは、1又は2以上の空洞100をPCB140にあける技術を採用しているが、この技術については、M.Leitgeb“2.5D Technology Platform”p.4,22−29,AT&S(Feb.28,2013)、及びM.Leitgeb“Modulare Integrationskonzepte:Miniaturisierung & Funktionale Integration Darstellung der Vorteile & der Umgesetzten Produktideen”p.16−17,AT&S Technologieforum(Oct.9,2013)で説明されているために、短く触れるのみとする。図7Bでは、導電層(例えば、Cu2からCu6)は、区域75の内側又は外側だけでなく、PCB140の構成部品の厚み180が占めているPCBの高さにも存在できる。このような場合、図7AのPCB製作工程と比較して、PCBの経路指定は、一般的に容易になり、この図7Bでは、PCB140をより小さくできる。
PCB製作は、従来的には、1つ又は複数の空洞100の底を含む導電層(図の例では、Cu7層)が下層の上に形成及びパターン化されるサブアセンブリから開始することができる。(下層の誘電体層D7及び導電層Cu8が図示されているが、これは単なる一例であり、他の誘電/導電層がこのサブアセンブリに存在してもよい。)剥離層112は、一般に1つ又は複数の空洞100に必要な位置に対応するCu7上にパターン化される。
追加の誘電体及びパターン化された導電層(例えば、D2からD6;Cu2からCu6)は、従来通りに、必要な空洞100の厚さに積み重ねられる。パターン化された導電層は、予定される空洞100に対応する位置にはないことが望ましく、また、埋め込み構成部品200が一般的に配置されることになる区域75の全体になくてもよいということに留意されたい。
必要な1つ又は複数の空洞100の周囲の周りの上面(例えば、Cu2)を貫通して剥離層112に達するまで切る(114)には、レーザーが使用される。例えば、溶剤にさらされることで、剥離層112が溶解し、従って1つ又は複数の空洞100内の層(D2−D6)をキャップ又はプラグとして取り除くことが可能になる。ここで、埋め込み構成部品200が、空洞100に配置され、空洞の底のすでにパターン化された下層の導電層(つまりCu7)に結合(例えば、超音波接合)できるようになり、従って内部PCB接点203(図5C)が確立される。構成部品200は、PCB140のそれぞれの空洞100に別々に埋め込むことができ、また、1又は2以上の空洞に埋め込むこともできるということに留意されたい。その後、空洞100及び埋め込み構成部品200を密閉するために誘電体層(例えば、D1)が上面に接着される。必要ならば、空洞100は、後の層で塞がれる前に、エポキシ樹脂などの誘電体で満たすことができる。残った構造体は、一般的なPCB形成技術により加工でき、これにより、更に導電層を上面及び底面に積み重ねてPCB140の製作工程を完了させる。
PCB140に構成部品を埋め込むには、添付した情報開示陳述書の参照リストに見られるような他の技術も使用される。
本発明者は、PCBの埋込構成部品が、ここで図示される個別コンデンサ又はインダクタのようなパッケージ化された構成部品を含む必要はないと理解している。例えば、埋め込みPCBコンデンサ構成部品は、PCB自体の特定の誘電体層の使用に起因する場合がある。この点から、PCBの構成部品製作者は、この用途に関して、銅箔に挟まれたセラミック充填エポキシ樹脂のような材料を提案している。例えば、“3M Embedded Capacitance Material(ECM)”3M Company(2013)を参照されたい。現在、IPGの用途によっては、そうした材料のキャパシタンス(例えば、3.1nF/cm2)は、埋め込みDC遮断コンデンサ170又はフィルタリングコンデンサ171を形成するには小さすぎるかもしれない。しかし、技術が進歩するにつれ、このようなPCBに埋め込む材料は、より幅広いIPGの用途に適するようになるであろう。埋め込みフィルタリングインダクタ172と同様に有用な埋め込みPCBインダクタ構成部品は、ビア108で結合される層と共に、PCB140の各導電層を製作する工程に起因する場合がある。実際に、遠隔測定コイル42又は充電コイル44のうちの1又は2以上もこの方法でPCB140に埋め込むことができる。
IPGのPCB内の電極電流経路に構成部品を埋め込むことは、構成部品の数が多く、面積が大きい場合にのみ有益だと考えられる一方、本発明者は、電極電流経路の外側であろうと内側であろうと、レジスタ、様々な集積回路(例えば、マイクロコントローラ62、ASIC60a及び60bのいずれか又は両方など)、加速度計、Reed磁場センサ、温度センサ、他の用途のコンデンサ及びインダクタなどのIPGのPCB表面に一般的に実装可能な他の構成部品も埋め込むことができると認識している。このように、埋め込み構成部品200は、単純な2端子、電力源なし、受動型、線形コンデンサ、インダクタ、及びレジスタのようなデバイスを含む必要はなく、多端子、電力源あり、能動型、非線形デバイス又は回路を含むこともできる。
ここで使用されるような回路基板に埋め込まれる「構成部品」は、回路の作動に影響を与えるためにPCBに作為的に含まれる構造体として理解されるべきである。このため、導電層(Cui)に形成される導電トレース、ビア(106,108)等のようなPCBに通常埋め込まれる従来の経路指定構造体は排除される。
ここまで、ケース電極30(Ecase)は、アノード又はカソードとして選択可能であり、同じ構成部品70−72又は170−172を電極電流経路に含むことができる等、多かれ少なかれ他のリード電極16(Ei)と同様に扱われてきた。しかし、ケース電極30には、一部のIPGアーキテクチャによっては他の考えを適用することができる。例えば、それは、電源によって稼働するのとは対照的に単に受動的な基準電圧に結合することもでき、DC遮断コンデンサを備えることも備えないこともでき、フィルタ構成部品を含むことも含まないこともでき、又は値がそれぞれ異なるそのような構成部品を含むこともできる等々である。従って、ケース電極は、以下の特許請求の範囲で列挙するように複数の電極Eiのうちの1つを含むことができる一方、ケース電極は、その組から除外することもできる。
以下に本発明の実施態様を記載する。
(実施態様1)埋込可能刺激器デバイスであって、
患者の組織に接触するように構成された複数の電極と、
回路基板と、
各出力が電極電流経路を通じて前記電極のうちの1つに結合される複数の選択可能な出力のうちの1又は2以上に電流を供給するよう構成された電流分配回路と、
前記電極電流経路のうちの1つに各々が結合された複数の第1の構成部品と、を含み、
前記第1の構成部品は、前記回路基板に埋め込まれている、ことを特徴とするデバイス。
(実施態様2)前記電流分配回路は、前記回路基板の表面に結合されていることを特徴とする実施態様1に記載のデバイス。
(実施態様3)前記第1の構成部品は、前記回路基板の表面上の少なくとも1つの区域の上又は下に埋め込まれ、前記回路基板は、前記少なくとも1つの区域内で前記表面に結合された他の回路を含む、ことを特徴とする実施態様1に記載のデバイス。
(実施態様4)前記他の回路は、コンデンサ、インダクタ、集積回路、又は前記電流分配回路のうちの1又は2以上を含むことを特徴とする実施態様3に記載のデバイス。
(実施態様5)前記第1の構成部品は、前記回路基板内の少なくとも1つの空洞に埋め込まれていることを特徴とする実施態様1に記載のデバイス。
(実施態様6)前記第1の構成部品は、前記回路基板内のある厚みを占め、前記回路基板は、前記厚み内に導電層を含まない、ことを特徴とする実施態様1に記載のデバイス。
(実施態様7)前記第1の構成部品は、前記回路基板内のある厚みを占め、前記回路基板は、前記厚み内に少なくとも1つの導電層を含む、ことを特徴とする実施態様1に記載のデバイス。
(実施態様8)前記第1の構成部品は、前記回路基板の上面及び底面の下に埋め込まれていることを特徴とする実施態様1に記載のデバイス。
(実施態様9)前記第1の構成部品は、パッケージ化された構成部品を含むことを特徴とする実施態様1に記載のデバイス。
(実施態様10)各第1の構成部品が、その電極電流経路の中で直列に結合されていることを特徴とする実施態様1に記載のデバイス。
(実施態様11)前記第1の構成部品は、DC遮断コンデンサを含むことを特徴とする実施態様10に記載のデバイス。
(実施態様12)前記第1の構成部品は、電磁干渉フィルタリングインダクタを含むことを特徴とする実施態様10に記載のデバイス。
(実施態様13)各第1の構成部品が、その電極電流経路と基準電圧の間に並列に結合されていることを特徴とする実施態様1に記載のデバイス。
(実施態様14)前記第1の構成部品は、電磁干渉フィルタリングコンデンサを含むことを特徴とする実施態様13に記載のデバイス。
(実施態様15)前記電極電流経路のうちの1つに各々が結合された複数の第2の構成部品を更に含むことを特徴とする実施態様1に記載のデバイス。
(実施態様16)前記第2の構成部品は、前記回路基板の表面に結合されていることを特徴とする実施態様15に記載のデバイス。
(実施態様17)前記第1の構成部品は、前記回路基板の前記表面上の少なくとも1つの区域の上又は下に埋め込まれ、前記第2の構成部品は、前記少なくとも1つの区域内で前記表面に結合されている、ことを特徴とする実施態様16に記載のデバイス。
(実施態様18)前記第1及び第2の構成部品は、コンデンサを含むことを特徴とする実施態様16に記載のデバイス。
(実施態様19)第1のコンデンサは、前記電極電流経路上の干渉を基準電位に結合し、第2のコンデンサは、前記電極電流経路に沿ったDC電流の注入を遮断する、ことを特徴とする実施態様18に記載のデバイス。
(実施態様20)前記複数の電極のうちの1つを含むケース電極として作動可能なケースを更に含むことを特徴とする実施態様1に記載のデバイス。
(実施態様21)前記複数の電極のうちの1つを含まないケース電極として作動可能なケースを更に含むことを特徴とする実施態様1に記載のデバイス。
(実施態様22)埋込可能刺激器デバイスであって、
患者の組織に接触するように構成された複数の電極と、
回路基板と、
各出力が電極電流経路を通じて前記電極のうちの1つに結合される複数の選択可能な出力のうちの1又は2以上に電流を供給するよう構成された電流分配回路と、
前記電極電流経路のうちの1つの中で各々が並列に結合された複数のDC遮断コンデンサと、
前記電極電流経路のうちの1つと基準電位の間に各々が並列に結合された複数のフィルタリングコンデンサであって、前記DC遮断コンデンサ及びフィルタリングコンデンサが一緒に第1の構成部品を構成する前記フィルタリングコンデンサと、を含み、
前記第1の構成部品のうちの1又は2以上が、前記回路基板に埋め込まれている、ことを特徴とするデバイス。
(実施態様23)前記電流分配回路は、前記回路基板の表面に結合されていることを特徴とする実施態様22に記載のデバイス。
(実施態様24)埋め込まれた1又は2以上の前記第1の構成部品は、前記回路基板の表面上の少なくとも1つの区域の上又は下に埋め込まれ、
前記回路基板は、前記少なくとも1つの区域内の前記表面に結合された他の回路を含む、ことを特徴とする実施態様22に記載のデバイス。
(実施態様25)埋め込まれた1又は2以上の前記第1の構成部品は、前記回路基板内の少なくとも1つの空洞に埋め込まれていることを特徴とする実施態様22に記載のデバイス。
(実施態様26)埋め込まれた1又は2以上の前記第1の構成部品は、前記回路基板内のある厚みを占め、前記回路基板は、前記厚み内に導電層を含まない、ことを特徴とする実施態様22に記載のデバイス。
(実施態様27)埋め込まれた1又は2以上の前記第1の構成部品は、前記回路基板内のある厚みを占め、前記回路基板は、前記厚み内に少なくとも1つの導電層を含む、ことを特徴とする実施態様22に記載のデバイス。
(実施態様28)埋め込まれた1又は2以上の前記第1の構成部品は、前記回路基板の上面及び底面の下に埋め込まれていることを特徴とする実施態様22に記載のデバイス。
(実施態様29)埋め込まれた1又は2以上の前記第1の構成部品は、パッケージ化された構成部品を含むことを特徴とする実施態様22に記載のデバイス。
(実施態様30)導電ケースを更に含み、前記基準電位は、前記導電ケースの電圧を含まない、ことを特徴とする実施態様22に記載のデバイス。
(実施態様31)埋め込まれた1又は2以上の前記第1の構成部品は、前記DC遮断コンデンサのみを含むか、又は、前記フィルタリングコンデンサのみを含むことを特徴とする実施態様22に記載のデバイス。
(実施態様32)前記回路基板に埋め込まれない前記第1の構成部品の他のものが、該回路基板の表面に結合されていることを特徴とする実施態様31に記載のデバイス。
(実施態様33)前記回路基板に埋め込まれない前記第1の構成部品の他のものが、埋め込まれた第1のコンデンサの上で該回路基板の前記表面に結合されていることを特徴とする実施態様32に記載のデバイス。
(実施態様34)埋め込まれた前記第1の構成部品は、前記フィルタリングコンデンサを含み、前記回路基板の前記表面に結合された前記第1の構成部品は、前記DC遮断コンデンサを含む、ことを特徴とする実施態様32に記載のデバイス。
(実施態様35)前記第1の構成部品の全てが、前記回路基板に埋め込まれていることを特徴とする実施態様22に記載のデバイス。
(実施態様36)前記電極電流経路のうちの1つに各々が直列に結合された複数のインダクタを更に含み、前記DC遮断コンデンサ、前記フィルタリングコンデンサ、及び前記インダクタは、一緒に前記第1の構成部品を構成する、ことを特徴とする実施態様22に記載のデバイス。
(実施態様37)前記フィルタリングコンデンサは、前記回路基板に埋め込まれ、前記DC遮断コンデンサは、該回路基板の表面に実装されている、ことを特徴とする実施態様36に記載のデバイス。
(実施態様38)前記フィルタリングコンデンサ及び前記インダクタは、前記回路基板に埋め込まれ、前記DC遮断コンデンサは、該回路基板の表面に実装されている、ことを特徴とする実施態様36に記載のデバイス。
(実施態様39)前記複数の電極のうちの1つを含むケース電極として作動可能なケースを更に含むことを特徴とする実施態様22に記載のデバイス。
(実施態様40)前記複数の電極のうちの1つを含まないケース電極として作動可能なケースを更に含むことを特徴とする実施態様22に記載のデバイス。
44 充電コイル
60 特定用途向け集積回路(ASIC)
62 マイクロコントローラ集積回路
75 DC遮断コンデンサが占める区域
202 構成部品端子

Claims (14)

  1. 埋込可能刺激器デバイスであって、
    患者の組織に接触するように構成された複数の電極と、
    上面及び底面を有する回路基板と、
    集積回路に統合され前記回路基板の前記上面に実装された電流分配回路であって、この電流分配回路が、各出力が電極電流経路を通じて前記電極のうちの1つに結合される複数の選択可能な出力のうちの1又は2以上において電流を生成するよう構成された電流分配回路と、
    記電極電流経路のうちの1つの中で各々が直列に結合された複数のDC遮断コンデンサと、
    を含み、
    前記DC遮断コンデンサは、前記回路基板の前記上面の下であって且つ前記底面の上に埋め込まれている、
    ことを特徴とするデバイス。
  2. 前記DC遮断コンデンサは、前記回路基板の表面上の少なくとも1つの区域の上又は下に埋め込まれ、
    前記回路基板は、前記少なくとも1つの区域内で前記表面に結合された他の回路を含む、
    ことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
  3. 前記DC遮断コンデンサは、前記回路基板内の少なくとも1つの空洞に埋め込まれていることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
  4. 前記DC遮断コンデンサは、前記回路基板内のある厚みを占め、
    前記回路基板は、前記厚み内に導電層を含まない、
    ことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
  5. 前記DC遮断コンデンサは、前記回路基板内のある厚みを占め、
    前記回路基板は、前記厚み内に少なくとも1つの導電層を含む、
    ことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
  6. 前記DC遮断コンデンサは、パッケージ化された構成部品を含むことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
  7. 前記電極電流経路のうちの1つに各々が結合された複数の第の構成部品を更に含むことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
  8. 前記第の構成部品は、前記回路基板の表面に結合されていることを特徴とする請求項に記載のデバイス。
  9. 前記DC遮断コンデンサは、前記回路基板の前記表面上の少なくとも1つの区域の上又は下に埋め込まれ、
    前記第の構成部品は、前記少なくとも1つの区域内で前記表面に結合されている、
    ことを特徴とする請求項に記載のデバイス。
  10. 前記第1の構成部品は、フィルタリングコンデンサを含むことを特徴とする請求項に記載のデバイス。
  11. 前記フィルタリングコンデンサは、前記電極電流経路上の電磁干渉を基準電位に結合する、
    ことを特徴とする請求項10に記載のデバイス。
  12. 前記複数の電極のうちの1つを含むケース電極として作動可能なケースを更に含むことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
  13. 前記複数の電極のうちの1つを含まないケース電極として作動可能なケースを更に含むことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
  14. 複数のフィルタリングコンデンサをさらに含み、各フィルタリングコンデンサは、前記電極電流経路の1つと基準電位との間で並列に結合されていることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
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