Embedded Components: un approccio alternativo

EDA –

L’integrazione di componenti all’interno del substrato di un Pcb assicura numerosi vantaggi in termini di riduzione degli ingombri e aumento delle prestazioni. Per implementare questo approccio alternativo è necessario il supporto dell’intera supply-chain, produttori di tool Eda inclusi.

L'esigenza, sempre più pressante, di poter avere dispositivi elettronici compatti e ricchi di funzionalità non è solo l'elemento trainante per lo sviluppo di componenti sempre più piccoli e geometrie di processo via via più ridotte, ma costituisce anche la base di un'evoluzione che prevede l'integrazione di componenti attivi e passivi all'interno dei substrati di una scheda Pcb. Un'evoluzione come quella appena delineata ha un notevole impatto sull'intera catena di fornitura (supply chain) del settore elettronico, una sfida che tutti i fornitori coinvolti devono affrontare. Poiché è compito dei progettisti sfruttare in maniera ottimale questi nuovi sviluppi, essi devono poter disporre di tool per l'automazione della progettazione capaci di garantire una maggiore flessibilità nelle fasi di concezione e realizzazione delle schede Pcb. Le regole di progetto di questo nuovo modello mettono in luce alcune problematiche ed è proprio in questo tale settore che i costruttori di tool Eda stanno focalizzando la loro attenzione, con l'obiettivo di consentire a un numero sempre maggiore di Oem di poter accedere e sfruttare i vantaggi di questa innovativa metodologia.

L'integrazione dei componenti

Sono essenzialmente due le metodologie che è possibile utilizzare per integrare componenti all'interno di un substrato: formazione o inserimento. Il primo metodo utilizza i pattern (disegni delle piste) del rivestimento di rame e film sottili resistivi per formare componenti passivi (di tipo resistivo, capacitivo o induttivo) su un strato interno (o superficiale). Il secondo metodo, senza dubbio di natura più evolutiva, consente il posizionamento di componenti discreti, chip nudi (bare die) o persino moduli al di sotto della superficie del substrato. Un approccio di questo tipo comporta senza dubbio molto vantaggi, il più importante dei quali è la possibilità di ottenere una maggiore densità di integrazione dei componenti. Un aspetto che bisogna tener presente è la crescente richiesta di componenti passivi, in particolar modo condensatori, necessari per gestire in maniera efficace frequenze di segnale e di funzionamento sempre più alte. Per questo motivo si è accentuata la tendenza che privilegia l'impilamento (stack) verticale dei componenti al fine di minimizzare la lunghezza delle piste. Di recente Texas Instruments, sfruttando questa metodologia, ha introdotto un convertitore Dc-Dc di tipo step-down da 500 mA racchiuso in un modulo di dimensioni di soli 2,3 x 2 mm e un'altezza di appena 1 mm. I produttori di componenti devono costantemente soddisfare la richiesta di nuove opzioni di packaging per i prodotti introdotti sul mercato e il diffuso utilizzo della tecnologia Smt - in particolar modo per i componenti passivi - ben si presta all'integrazione dei componenti all'interno dei Pcb. Grazie alla costante riduzione dei profili dei dispositivi SMD è possibile montare questi ultimi all'interno o direttamente accanto a un chip integrato all'interno di un Pcb: un package 01005 (0402), per esempio, misura appena 0,4 x 0,2 mm e può avere un'altezza di soli 0,15 mm. La metodologia utilizzata per assicurare la connessione impone ulteriori requisiti. Anche in questo caso sono possibili due opzioni: utilizzare la tradizionale connessione mediante saldatura oppure ricorrere a vias (fori realizzati allo scopo di collegare lo strato superiore a quello inferiore) di rame. Nel caso si ricorra alla saldatura, è possibile utilizzare condensatori ceramici stagnati di tipo general purpose, anche se ciò può comportare qualche rischio in fase di integrazione: il riscaldamento secondario (ad esempio quando di montano i componenti SMD sulla superficie) può provocare il riflusso della pasta saldante attorno al componente integrato (embedded) e provocare possibili guasti. Per superare questo problema si è iniziato a utilizzare vias di rame per realizzare la connessione al posto della saldatura di componenti embedded: questo approccio, sebbene elimini il problema del riflusso, richiede l'uso di rame per gli elettrodi dei componenti (al posto dello stagno) al fine di garantire una connessione adeguata. Per questo motivo i produttori hanno incominciato a realizzare dispositivi in tecnologia Smt con elettrodi di rame, come ad esempio la serie di condensatori ceramici GRU di Murata, espressamente ideata per l'integrazione all'interno di una scheda Pcb.

La produzione

In un tradizionale flusso di lavoro, le fasi di produzione sono spesso di tipo discreto (ovvero separate tra di loro): il chip nudo è fabbricato prima di essere trasferito alla linea di assemblaggio, dove le apparecchiature per il piazzamento (placement) dei componenti hanno il compito di popolare la scheda Pcb. L'utilizzo di componenti embedded apporta radicali cambiamenti a questo scenario: le fasi di produzione non sono più di tipo discreto in quanto i componenti devono essere posizionati all'interno della scheda Pcb durante la fabbricazione di quest'ultima. Ciò comporta l'insorgere di problematiche sia per i costruttori di Pcb sia per quelli di apparecchiature di produzione. I componenti integrati all'interno del substrato sono posizionati entro una cavità, durante o dopo la completa formazione del substrato della scheda Pcb: nel caso il componente possa essere posizionato dopo il completamento del Pcb la cavità è solitamente aperta sulla superficie. Nel caso il componente sia incapsulato all'interno di una scheda multistrato, esso è completamente nascosto e deve quindi essere posizionato dal produttore del Pcb: in questo modo si viene a creare una nuova opportunità di mercato per i produttori di apparati per il posizionamento di componenti in tecnologia Smt. I produttori di apparecchiature per l'assemblaggio Smt devono ora tenere in considerazione le richieste legate al posizionamento di componenti embedded. Molto spesso la cavità richiede tolleranze molto strette, anche dell'ordine di 20 μm: da qui l'esigenza di una maggiore precisione in fase di piazzamento dei componenti. Ad esempio l'effetto di auto-allineamento della pasta saldante può compensare un certo livello di imprecisione, ma ciò non è applicabile nel caso di componenti embedded. Oltre a ciò, è necessario controllare in maniera molto accurate la forza con la quale i componenti vengono piazzati: il danno provocato ai componenti in tecnologia Smt durante il piazzamento possono essere riscontrati mediante un'ispezione visiva, mentre i componenti integrati solitamente non sono visibili per cui ogni rottura di questi ultimi può danneggiare l'intera scheda. Eventi di natura termica, come la saldatura a riflusso sui componenti a montaggio superficiale, possono compromettere l'integrità dei component integrati all'interno. I costruttori di apparecchiature di produzione devono ora adottare le migliori procedure e adeguarsi agli standard emergenti per garantire lo sfruttamento di tutti i vantaggi derivati dall'uso di componenti integrati a livello sia funzionale sia commerciale.

I tool Eda

L'industria elettronica ha adottato su larga scala il concetto di componenti attivi embedded facendoli diventare una realtà ampiamente diffusa. Sebbene i primi utilizzatori di questi componenti sono stati gli Oem operanti in un settore, quello consumer, caratterizzato da grandi volumi e dove ogni millimetro quadrato a bordo di una scheda è prezioso, l'adozione di tale approccio da parte di gruppi di progettazione di dimensioni più piccole è avvenuto in tempi recenti e ha consentito a tutti gli Oem, indipendentemente dalla loro dimensione, di sfruttare i benefici propri dei componenti integrati. I fornitori di tool Eda hanno avuto un ruolo importante in questo processo: la più recente release (versione 14) di Altium Designer, per esempio, integra funzionalità avanzate per la definizione e l'implementazione di cavità nelle schede Pcb al fine di supportare l'uso di componenti embedded. Oggigiorno sono sempre più numerosi i flussi di fabbricazione di una scheda Pcb capaci di gestire componenti embedded attraverso rimozioni (cutout) e foratura a laser. Al fine di sfruttare questa potenzialità, la release 14 di Altium Designer (AD14) supporta un attributo di una regione (ovvero di un'area della scheda definita dall'utente), denominato definizione della cavità, che associa un'altezza alle regioni e consente il piazzamento di componenti su ogni stato di segnale. Oltre ad essere completamente incorporata, la cavità di un componente può anche arrivare fino al bordo della scheda Pcb e quindi risultare aperta su un lato. Si tratta di una caratteristica molto utile per incorporare Led Smt in una scheda Pcb. Mediante l'editing delle proprietà di un componente, lo strato può essere definito come un qualsiasi strato interno, mentre l'orientamento del componente incorporato sarà definito dall'orientamento previsto per quello strato (sebbene ciò possa essere ignorato abilitando il checkbox Flipper on Layer). Quando un componente è integrato in questo modo, Altium Designer 14 genera automaticamente un Managed Stack, che definisce la struttura della scheda nella direzione dell'asse Z. Esistono parecchi metodi che lo sviluppatore può adottare per incorporare componenti attivi: Imb (Integrated Module Board), Ewlp (Embedded Wafer Level Package), Ecbu (Embedded Chip Build Up) e Cip (Chip in Polymer). Quest'ultimo processo consente l'integrazione diretta di package a livello di wafer sottili negli strati di dielettrico impilati (build-up) invece di utilizzare cavità ottenute mediante foratura o fresatura nel materiale del core (ovvero il nucleo più interno) e può essere usato anche con schede multistrato che utilizzano come materiale il tradizionale FR-4.
Un elemento importante da tenere in considerazione per assicurare un esito positivo di un progetto che prevede componenti embedded è una comunicazione efficace con il costruttore della scheda Pcb.

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