医疗行业的异构集成，将更多创新技术融入更小的设备中！

大约五年前，电子行业开始使用异构集成（HI）一词来描述一种构建半导体器件的新方法，该方法将允许更高的密度和功能。由于光刻的局限性，使晶体管、线和空间更小的传统方法变得越来越困难。因此，一个新想法应运而生：在传统的互补金属氧化物半导体（CMOS）晶圆上添加材料和/或部件，以增加超出硅CMOS固有的功能。

加州大学圣塔芭芭拉分校（University of California Santa Barbara）的约翰·鲍尔斯（John Bowers）率先提出了一个早期的HI示例，将一小块磷化铟放在硅晶圆上制造的波导上。这样做使得在CMOS晶圆上构建激光器成为可能，这是仅使用硅无法实现的，因为硅没有带隙。其结果是一种芯片，可以在芯片上产生光，可用于各种目的。

近年来，在传统的CMOS晶圆上添加材料和零件的想法已经发展到现在在晶圆上组合各种零件的地步，以大大增加芯片级别的功能。如今的CMOS晶圆通常作为一个平台，将零件和材料与CMOS电子器件相结合以增加功能。HI 一词现在通常用于描述包含非电子部件的电子设备。

医疗行业的异构集成

将非电子部件与半导体相结合的设备示例包括起搏器（早期应用）、植入式除颤器、血氧仪和神经刺激器。HI 本身并不提供新功能，但可以在更小、更低功耗且通常成本更低的设备中增加功能。集成使设备能够在大型设备不可行的空间中运行。

HI 设备的医疗应用包括通过与患者互动来诊断和治疗疾病。电子产品不能直接测量或提供医疗功能。取而代之的是，电子功率传感器和/或执行器作用于生物以收集、处理和报告信息。HI 启用此组合。

此外，当需要功能强大、微创的工具和设备时，在质量、功能和更小的尺寸上具有溢价（特别是对于进入体内的设备，即使是暂时的），HI 可以满足这些要求。

还可以使用 HI 将通信功能添加到医疗设备中，从而实现设备/患者与外界之间的连接。这些信息可以发送到云端，在那里可以进行分析（通常使用人工智能）以提供诊断或治疗。添加集成通信可能是 HI 可以添加到设备中的最重要的功能。

植入式设备

HI 可以减小设备的物理尺寸，使其可植入。特别是当它必须运行多年时，植入式设备具有非常苛刻的要求，需要仔细的工程设计、材料选择和彻底的测试。

现代CMOS器件每立方毫米可以有数十亿个晶体管，并且消耗很少的功率，这些属性对于植入式设备至关重要。这种增强的计算还能够在狭小的空间内对信息进行大量分析和存储。

与植入式设备通信的技术方法包括电感耦合、红外光、射频 （RF） 甚至超声波。其中一些技术可以为植入设备（如起搏器）或佩戴在身体上（如神经调控设备）的电池充电。

一次性侵入性器械

此类设备包括手术工具，如腹腔镜摄像头和用于诊断或治疗的导管。这些装置可以多次插入体内，但不会长时间留在体内。它们必须在两次使用之间进行消毒，并且对重复使用具有高度的可靠性。一次性设备通常受益于包含异构集成电子设备，以从传感器收集信息、过程信息和报告结果。

诊断设备

从历史上看，医生有各种工具来收集信息来诊断疾病。这些设备中有许多是独立的、特殊用途的“盒子”，它们不与用户以外的任何东西通信，使用起来很复杂，而且价格昂贵。HI 通过添加合适的传感器、用于数据分析和与从业者、患者或云的通信的机载计算来获取日益丰富的数据（温度、血压、血糖水平、压力、酸度、蛋白质类型等），从而增强了设备的可用性。HI 使设备更小，并支持更高保真度的传感器，在许多情况下，使新颖的实时测量成为可能。

HI 启用的其他诊断设备采用带有机载化学成分的一次性墨盒来检测血液、尿液或类似样本中是否存在目标。从患者身上收集。通常，工程化学成分沉积在CMOS晶圆表面的选定点。化学设计用于检测的目标的存在会以某种方式激活CMOS的电子器件，例如电导率和/或电荷密度的变化，光的发射或颜色或磁性的变化。电子设备不仅可以检测现象，还可以分析有关目标的信息并将其传达给设备用户或云端，以便与图书馆“指纹”数据集进行比较。

过去，通过使用螺母和螺栓、压接和胶水组装适当的零件来为医疗设备添加功能。结果是设备体积大，零件和组装成本高，需要大量电力才能运行。HI 使设备在物理上更小，能够以微电子的成本和规模制造，在执行类似或增强功能的同时消耗更少的功率。

HI 是一种现代制造方法，由扎根于 HI 诞生的半导体行业的组装商掌握。虽然这是一种高度专业化的实践，需要对制造方法进行修改和定制，但最终结果使医疗和生物技术界、从业者、创新者和患者受益。

HI 一词现在也通常用于描述包含非电子部件的电子设备。下面的信息图说明了一些常见的组合。

如今，可以在CMOS晶圆上将各种各样的零件和材料添加到电子元件中。

通过 HI 将非电子零件与电子零件组装起来需要特殊的技能和经验。如果使用标准电子组装方法集成，例如在 260°C 下进行回流焊、水洗和暴露在紫外线固化条件下，则可能会损坏零件。了解正确的装配材料、连接方法和制造工艺/工作流程至关重要。

以下是构建包含特定添加项的 HI 设备的一些注意事项，以及适应电子设备添加项所需的工艺更改。

非电子部分增加：InP、SiGe、GaN、SiN

新增功能：持久、高效的 O-E 转换、功率处理

适应特性：在半导体晶圆厂中添加

住宿和装配工艺解决方案：需要开发新的晶圆厂工艺

非电子部件新增：光学器件

新增功能：使用光子、相机、激光雷达传输信息，检测特定物种的波长/秒，利用荧光

需要适应的特性：在制造过程中和使用寿命内保持透明度和机械稳定性

调整和装配工艺解决方案：在洁净室中建造，以最大限度地减少散射光、劣化图像的颗粒;高精度的零件放置;确保有机物不会随着时间的推移而重新沉积在光学器件上;胶粘剂和材料不得随着时间的推移而“变黄”;使用低 CTE 的高模量胶粘剂;确保有机物不会渗入粘合剂、焊料或引线键合表面

新增非电子部件：MEMS器件

新增功能：提供微机械运动

适应的特性：易碎，易划伤;易受颗粒和污染的影响;易受 ESD 影响

住宿和装配工艺解决方案：定制的处理方法和工具;内置 5 至 7 级洁净室，尽量减少包装中的有机物;内置 ESD 控制环境

新增非电子部件：流体通道

新增功能：能够利用气体或液体样品

适应特性：不得泄漏;需要层流

住宿和装配工艺解决方案：密封剂的仔细沉积;平滑的井控形状到通道

非电子部件新增：机械部件

新增功能：安装点、机械结构

适应特性：不得干扰晶圆功能

调整和装配工艺解决方案：仔细的自动点胶和零件的放置

非电子部件添加：表面化学成分

新增功能：检测特定化合物的能力

适应特性：必须保持干燥;如果温度超过 40°C，可能会恶化;容易被抓伤;紫外线敏感

调整和装配工艺解决方案：用真空、甲酸或成型气体与需要清洗的助焊剂进行焊接，并用胶带等暂时保护零件免受水洗涤;在低于40°C的温度下处理;用于运输物品的专用固定装置和搬运工具;使用时保护敏感表面免受紫外线照射