Dimensioni minime per i condensatori al tantalio

COMPONENTI PASSIVI –

Grazie alla resistenza meccanica del tantalio è possibile fabbricare condensatori piatti e sottili adatti per le applicazioni più difficili.

Grazie ai
progressi compiuti dalla tecnologia dei circuiti integrati, nei loro progetti
gli sviluppatori hanno mirato a diminuire la dipendenza dei clienti dai
componenti passivi; ne è risultata una riduzione della richiesta di componenti
passivi in determinate aree. Tuttavia, mentre l'impiego dei dispositivi
elettronici cresceva enormemente, i componenti passivi rimangono un elemento
essenziale di moltissimi progetti, così che l'effetto netto è stata una
crescita complessiva del loro uso. Forse la discontinuità più drastica nel modo
in cui i componenti passivi vengono fabbricati e utilizzati è coincisa con
l'emergenza della tecnologia del montaggio superficiale. Trenta anni fa, la
transizione al montaggio superficiale aveva sempre più impulso e infine è stata
veramente accettata con la crescita del mercato dei dispositivi elettronici
portatili. L'adozione dei processi di montaggio superficiale ha costretto i
produttori di condensatori a sviluppare nuovi materiali e metodi di
fabbricazione dei dispositivi. La diffusione degli apparecchi portatili ha
modificato i requisiti base di affidabilità per tutte le tipologie di
componenti, creando la necessità di componenti con livelli di robustezza
meccanica sufficienti contro gli urti, le lunghe durate e le temperature
estreme in precedenza familiari solo agli sviluppatori di dispositivi per
impieghi militari o con affidabilità elevatissima. Al tempo stesso, questi
componenti hanno dovuto essere adattati agli obiettivi degli sviluppatori di
sistemi compatti, leggeri ed economici. La miniaturizzazione è un passo in
avanti necessario per aumentare la funzionalità dei sistemi portatili per i
consumatori, mentre questo processo deve essere anche economicamente
conveniente per poter essere trasferito da applicazioni di nicchia alla
produzione di massa. Un esame di progetti recenti di schede di circuiti
stampati mostra che, nonostante la diffusione dell'integrazione su chip di
molti componenti e della configurazione avanzata dei circuiti, i componenti
discreti passivi continuano a occupare la maggior parte dello spazio sulla
scheda. Una delle tecnologie più studiate è quella dell'integrazione di
componenti discreti nella scheda di circuiti. Lo spessore tipico di una tale
scheda è di 0,8 mm mentre, lasciando un certo spazio per l'incapsulamento, lo
spessore massimo di un componente discreto integrato va da 0,5 a 0,6 mm a
seconda del tipo di tecnologia di integrazione; questa è l'altezza massima
consentita dei componenti su tutti gli strati della scheda, mentre se si
considera un solo strato della scheda l'altezza ideale del componente
diminuisce a 0,15 mm. Sono stati già sviluppati condensatori Mlcc e utilizzati
con profili miniaturizzati 0201 e anche 01005, mentre i condensatori al
tantalio più piccoli oggi disponibili sul mercato presentano profilo 0402 con
altezza massima di 0,6-0,7 mm. Questo potrebbe essere un motivo sufficiente per
considerare l'impiego della tecnologia di integrazione, ciò nonostante non si
sfrutta ancora al massimo il potenziale vantaggio dei condensatori al tantalio:
affidabili dal punto di vista della fabbricazione, robusti meccanicamente,
sottili e piatti. Mlcc può essere considerata una tecnologia all'avanguardia
per la miniaturizzazione di condensatori, ma se lo scopo del progetto è
ottenere la massima capacità con un profilo sottile come 0,6 mm
indipendentemente dall'ingombro, la tecnologia del tantalio ha la possibilità
di offrire la massima capacità per ingombri grandi rispetto ai dispositivi Mlcc
e quindi è ideale per i processi di integrazione.

Necessità di prodotti a profilo basso

Una tendenza
essenziale a cui dà impulso esclusivamente la tecnologia dei circuiti integrati
è l'altezza massima accettabile per i componenti passivi. Prodotti finali più
compatti e sottili con funzionalità superiori, grande attenzione al tempo di immissione
sul mercato e le pressioni sui costi fanno da sfondo alla tendenza allo
sviluppo dei circuiti integrati e alla fine sono alla base dei requisiti sui
componenti passivi. Sebbene in ultima analisi l'integrazione delle funzioni
ridurrà la necessità di componenti passivi, il tempo necessario per sviluppare
queste complesse soluzioni per specifiche applicazioni è ancora così lungo da
far rimanere valida una soluzione che utilizzi numerosi componenti passivi
discreti. La proliferazione dei contenitori continua a ritmo serrato ma con un
vincolo comune: l'altezza. Le prime serie a profilo basso dei condensatori al
tantalio erano definite da altezza inferiore a 1,2 mm per i dispositivi Cabga,
che stanno cedendo il passo a requisiti di altezza inferiore a 1 mm per i
contenitori Vfbga e adesso meno di 0,8 mm per i Wfbga, mentre iniziano a
trovare accettazione gli Ufbga a meno di 0,65 mm. Questo ha dato impulso allo
sviluppo di una nuova serie di condensatori al tantalio stampati convenzionali,
stimolando l'introduzione di nuove tipologie e la “riformattazione” di quelle
vecchie.

Progressi nello sviluppo dei materiali

I progressi
fatti nello sviluppo dei materiali si sono tradotti in miglioramenti in
relazione a molti aspetti delle prestazioni dei condensatori. Per quanto
riguarda i dispositivi portatili, una delle priorità chiave è l'efficienza
volumetrica, che spesso viene ottenuta nel modo più efficace con componenti al
tantalio. Questa proprietà spesso è quantificata in termini dei valori 'CV'
(dove C e V indicano la capacità e la tensione). Dalla metà degli anni ottanta,
il tantalio ridotto in polvere ha condotto a un miglioramento di dieci volte
nei valori di CV/g (da circa 15.000 a 200.000) e ciò ha permesso di aumentare
in modo corrispondente il livello di capacità disponibile con un contenitore
standard. La possibilità per i produttori di condensatori al tantalio di
utilizzare polveri di tantalio con i valori più alti di CV/g è stata rafforzata
dalla riduzione generale, nel corso degli anni, delle tensioni di
alimentazione; mentre queste diminuivano da 5 a 3,3 V e anche a valori
inferiori a 1,5 V, è risultato possibile sfruttare polveri di tantalio con
valori Cv/g maggiori di 200.000. I clienti si sono anche avvantaggiati della
migliore affidabilità dei condensatori al tantalio per ridurre la necessità di
una riduzione della tensione nominale di almeno il 50% (ad esempio, un
condensatore da 10 V su una linea di alimentazione da 5 V) e adesso è frequente
per circuiti ad alta impedenza impiegare condensatori al tantalio fino all'80% della
loro tensione nominale. Queste polveri di tantalio a CV altissimo potrebbero
anche essere utilizzate meglio in circuiti elettronici di dispositivi mobili
commerciali per applicazioni in cui non siano previste temperature di funzionamento
elevate, per lo sviluppo e la produzione di serie a elevatissima efficienza
volumetrica. Inoltre, per sostenere alcuni dei progetti di condensatori più
avanzati, sarebbe necessario fare ricorso sempre di più a processi di
fabbricazione dei dispositivi a semiconduttore. Per esempio, nella gamma di
condensatori al tantalio più piccoli, i TACmicrochip di AVX, i componenti vengono
lavorati su un wafer o substrato di tantalio mediante mole diamantate per
'singolarizzare' i dispositivi agli alti livelli di tolleranza meccanica
necessari per dispositivi ancora più piccoli. Ha dato impulso a questo sviluppo
l'analisi dell'efficienza volumetrica del regolare corpo in tantalio stampato,
che ha mostrato un altissimo grado di inefficienza per quanto riguarda l'incapsulamento. Nel convenzionale contenitore con conduttori a 'J' stampato, il
posizionamento dell'anodo e del leadframe nel contenitore è cruciale al fine di
prevenire la visibilità (nel punto in cui il corpo anodo è esposto attraverso
il contenitore) per motivi estetici. Le tolleranze di fabbricazione sono più
rigorose; ciò può comportare difficoltà di produzione e limita sia le
dimensioni dell'anodo che può essere ospitato sia la creazione di un prodotto
economico e di alta resa. Questi problemi peggiorano a mano a mano che
diminuiscono le dimensioni del contenitore. Nel caso del TACmicrochip, anziché
utilizzare il convenzionale conduttore di tantalio per il corpo anodo di
ciascun condensatore, si preme una matrice di anodi su un wafer di tantalio che
serve da supporto comune nelle varie fasi del processo e successivamente
diventa parte del sistema di terminazioni esterne dei condensatori, per cui
sono mantenute le esatte tolleranze necessarie. La costruzione interna che ne
risulta è semplice, presenta perdite elettriche parassite molto basse e inoltre
elimina molti degli elementi che 'rubano spazio', come il filo dell'anodo, il
leadframe e i necessari spessori di superfici interne più larghe. Questo
approccio alla fabbricazione basata sul wafer ha anche consentito, grazie
all'elevato livello di flessibilità della fabbricazione, di realizzare
commercialmente dispositivi ancora più piccoli, con altezze personalizzabili.
Ne è un buon esempio un condensatore di 10 F da 6,3 V nel formato 0805 con
un'altezza di appena 0402, pari a 0,6 mm.

Considerazioni sui formati dei condensatori

Eseguito il
montaggio, occorre anche considerare la possibile flessione della scheda di
circuiti stampati. Diventando sempre più sottili, un altro requisito per i
dispositivi elettronici portatili, le schede di circuiti presentano un rischio
sempre maggiore di flessione. La necessità che tali dispositivi resistano a più
cadute su pavimenti da altezze di 1 - 2 metri è ben stabilita ed è
rappresentativa delle effettive condizioni d'uso. La tipologia più vecchia, dei
convenzionali condensatori al tantalio stampati, rispondeva molto bene a questo
requisito grazie a terminazioni dei conduttori a 'J' flessibili. I formati dei
condensatori di tipologia più nuova adesso presentano collegamenti meccanici
più diretti e devono essere dotati di un sistema di terminazioni flessibili per
prevenire che tali flessioni o curvature della scheda causino danni meccanici
ed elettrici. Si è fatto fronte a questo problema nel TACmicrochip
impiegando una colla di argento flessibile che permette curvature notevoli
senza che le sollecitazioni siano trasferite al corpo anodo del condensatore.
Un analogo strato di contatto polimerico conduttivo nel sistema di terminazioni
del condensatore è stato anche adottato nel prodotto Mlcc Flexiterm, che è
ideale per punti di collocazione e applicazioni in cui possono generarsi
curvature notevoli, come negli autoveicoli e nei dispositivi elettronici per i
consumatori.
Uno dei fattori negativi del dielettrico BaTiO
utilizzato nella tecnologia Mlcc al fine di ottenere valori CV molto alti
(spessore del dielettrico ridotto) è stato la generazione di rumore
'piezoelettrico' o 'microfonico': il condensatore passivo funziona come un
dispositivo attivo e può generare segnali elettrici a causa della curvatura
della scheda oppure il componente fa sì che la scheda vibri a causa
dell'eccitazione elettrica. È stato anche osservato che componenti Mlcc diversi
sulle schede possono effettivamente trasmettere vibrazioni fra di loro. Si
tratta ovviamente di un effetto indesiderabile, che non si verifica con i
condensatori al tantalio e all'ossido di niobio. Una chiara tendenza di
sviluppo che continua è la necessità di formati dei contenitori standard ancora
più piccoli. Trenta anni fa, il più piccolo condensatore al tantalio
disponibile in commercio veniva offerto con il contenitore A (1206). Negli anni
precedenti, AVX è stata la prima a sviluppare e commercializzare i contenitori
R (TAJR 0805), L (TACL 0603) e 0402 K (TACK 0402), nel 2005. Con lo sviluppo
dei processi di fabbricazione e della tecnologia qui illustrati, AVX ha
dimostrato di essere in grado di fare il passo successivo nella
miniaturizzazione fabbricando il condensatore più piccolo al mondo, lo 0201.

Il condensatore al tantalio più piccolo al mondo

AVX ha
sviluppato i condensatori al tantalio più piccoli al mondo iniziando con uno
0805, seguito da uno 0603 e infine da uno 0402 nel 2005, e i progressi della
tecnologia hanno portato a tecniche di fabbricazione comprovate che hanno
permesso di raggiungere il livello successivo di miniaturizzazione: il
condensatore al tantalio 0201 (contenitore TACmicrochip formato “E”). La
struttura dei componenti interni dello 0201 segue la convenzionale costruzione
TAC. L'attenzione è posta soprattutto all'utilizzo della massima efficienza
volumetrica insieme all'ottenimento del massimo valore possibile CV/g per
l'anodo. Il convenzionale spessore del substrato di tantalio ampiamente
adoperato per la serie TAC è pari a 0,010” (0,254 mm). Un tale spessore del
wafer è inaccettabile per le dimensioni 0201 e presenta un problema cruciale
per l'ulteriore miniaturizzazione. I materiali del leadframe e del wafer, più
sottili, consentiranno di incrementare la lunghezza dell'anodo per cui si può
conseguire pure una maggiore efficienza volumetrica dell'anodo stesso. Un'altra
area importante è l'aumento del valore CV/g della polvere di tantalio e la
riduzione al minimo delle perdite capacitive durante la costruzione del catodo
basata sul diossido di manganese. Tecniche di compressione dei granuli
dell'anodo, sinterizzazione e trattamento del diossido di manganese sviluppate
recentemente consentono di impiegare polveri di tantalio con valori CV/g molto
alti (>200 kCV/g) e di utilizzare la massima superficie dielettrica del
pentossido di tantalio. Tutte queste procedure assicurano un rapporto
capacità/perdite migliore. Le prime prove hanno confermato le aspettative:
ottenere oltre il 20% di volume attivo con le dimensioni del contenitore 0201,
che corrisponde a un condensatore al tantalio di circa 0,47 µF da 6,3 V. Il
problema successivo nello sviluppo dello 0201 è correlato alla movimentazione
meccanica durante l'assemblaggio: è necessario introdurre tecniche, processi e
maschere / attrezzature di fabbricazione completamente nuovi. I principi
fondamentali sono già noti dalle prassi di fabbricazione Mlcc, ma devono essere
modificati per le specifiche serie TAC al tantalio. La Fig. 5 mette a confronto
le dimensioni dei contenitori 0201, 0402 e 0805, mentre la Fig. 6 mostra una
sezione trasversale di un condensatore TACmicrochip 0201. Il formato esterno
del contenitore 0201 corrisponde ad appena 0,6 ± 0,12 mm di lunghezza e 0,3 ±
0,06 mm di larghezza e altezza. I valori di Esr e di capacità stabile
elettricamente di un TAC E di 0,33 µF da 6,3 V sono stati misurati su dieci
unità come illustrato nelle Fig. 7 che segue. La tolleranza della capacità è
entro ± 20% e l'ESR a 100 kHz è pari a circa 35 ohm, un valore previsto per un
condensatore così piccolo.

Molte potenziali applicazioni

La relativa
insensibilità alle variazioni di capacità in un ampio intervallo di
temperature, tempo e tensioni applicate rende questi condensatori candidati
ideali per dispositivi elettronici portatili; quando vengono combinati con
questi nuovi formati che offrono capacità elevata in dispositivi molto piccoli,
offrono una soluzione ideale in numerose applicazioni; una di queste è il
modulo amplificatore di potenza dei telefoni cellulari. Un altro vantaggio
rispetto ai condensatori Mlcc con alto valore di CV è l'eliminazione del
'rumore piezoelettrico' poiché la tecnologia del tantalio e dell'ossido di
niobio non soffre di questo fenomeno. La possibilità di ridurre il formato sino
a 0201, insieme al filtraggio che elimina il rumore piezoelettrico e alla
stabilità dei parametri, rende questi condensatori compattissimi la scelta
ideale per dispositivi quali le protesi acustiche. Il condensatore al tantalio
con contenitore di formato 0201 illustrato nel presente articolo costituisce
effettivamente una soluzione adatta per l'integrazione nelle schede di circuiti
stampati e quindi apre il percorso a un'ulteriore miniaturizzazione ed
espansione della tecnologia di integrazione per sfociare in tecniche di
fabbricazione in grandi volumi. L'esclusiva robustezza meccanica che
caratterizza la tecnologia del tantalio crea un potenziale ancora più ampio per
lo sviluppo di un grande condensatore di altezza inferiore a 0,6 mm, con valori
di capacità dell'ordine dei decimi di microfarad e integrabile in una scheda di
circuiti stampati per l'uso in dispositivi come schede Sim elettroniche o carte
bancarie, che può abilitare per la memorizzazione di informazioni o per
comunicazioni wireless.

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