I passivi preferiscono il chip

COMPONENTI PASSIVI –

Quasi sempre ignorati, praticamente invisibili, spesso tecnologicamente sottovalutati, ma sempre presenti in ogni circuito, i passivi vivono uno sviluppo tecnologico importante, trainato dai progressi dei condensatori multistrato in chip, dalla ricerca di alternative tecnologiche e dalla miniaturizz

Lo sviluppo di componenti passivi (principalmente condensatori e resistori) di tipo chip, può essere attribuita a due fattori concomitanti e complementari: la progressiva miniaturizzazione degli apparati elettronici (e in particolare dell'elettronica di consumo), che ha richiesto anche per i passivi package progettati appositamente per minimizzare gli ingombri, e lo sviluppo delle tecnologia del montaggio superficiale, che tendeva ad escludere l'uso di dispositivi con reofori tipici dei componenti through hole, offrendo al contempo notevoli vantaggi sia dal punto di vista circuitale (minori effetti parassiti) che dal punto di vista economico e produttivo. Ma quando si progettò la prima piastrina rettangolare con pasta resistiva serigrafata su un lato e con le estremità metallizzate in modo da permetterne la saldatura sul circuito stampato (cioè il primo resistore in chip) probabilmente nessuno immaginava il tipo di diffusione che questi componenti e i loro omologhi avrebbero avuto. Oggi i resistori in chip sono in assoluto i componenti più prodotti e più venduti (seguiti da presso dai componenti più simili, i condensatori in chip) e sono utilizzati in praticamente tutti i circuiti elettronici del mondo: nei telefoni cellulari, nelle motherboard dei computer, nei monitor, nelle televisioni e nei decoder, nelle automobili e negli macchine fotografiche e in ogni altro apparato. Si parla di decine o centinaia di dispositivi per ogni apparecchio elettronico: quasi sempre ignorati, praticamente invisibili, spesso tecnologicamente sottovalutati ma sempre presenti: complessivamente un consumo annuo mondiale che nel 2008 aveva superato i tremila miliardi di pezzi e, nonostante il sensibile calo registrato nell'anno appena concluso, sembra comunque caratterizzato da una domanda in ripresa, condizionata semmai dalla disponibilità di capacità produttiva adeguata, dal costo delle materie prime e comunque dalla costante riduzione dei prezzi di vendita dei singoli componenti.
 
Tipologie diversificate

Naturalmente le tipologie dei dispositivi si sono con il tempo ampiamente diversificate: in termini di tecnologie costruttive, i resistori a film sottile hanno affiancato quelli a film spesso, e oggi esistono resistori in chip anche in lega di metallo, a lamina metallica, a film metallico, in tantalio e a filo avvolto (wirewound), soluzioni spesso mirate a risolvere esigenze particolari, ad esempio in termini di componenti con un valore di resistenza molto preciso, specialmente con valori bassi, o di resistori con un basso coefficiente di temperatura; vengono inoltre proposti anche varistori e termistori, sempre in formato chip, nonché reti resistive.
L'altro grande gruppo di componenti passivi in chip è quello dei condensatori del tipo ceramico multistrato, indicato con la sigla Mlcc (Multi-layer ceramic capacitor); si tratta del primo a comparire nel formato chip e ancora del più diffuso, con volumi annui di produzione superiori a 1000 miliardi di pezzi: quasi quanto i resistori in chip ma con un valore complessivo molto inferiore, a causa del prezzo medio unitario inferiore dei condensatori.
 
Progressi tecnologici

I passivi continueranno a essere un elemento critico nei circuiti di gestione dell'alimentazione, in particolare nell'elettronica digitale portatile, che essendo alimentata a batteria necessità un'attenta gestione dei consumi; ciò conduce a un'accelerazione nello sviluppo di componenti in grado di offrire minore resistenza o induttanza equivalente serie (Esr ed Esl), massima resistenza di isolamento, immunità al rumore e ai disturbi Emc in genere, maggiore protezione Esd. Gli investimenti in ricerca e sviluppo nel settore dei componenti passivi si concentrano su tre linee principali di attività: ulteriori progressi dei condensatori multistrato in chip (ceramici, cioè realizzati tipicamente in titanato di piombo-zirconio), in particolare con l'obiettivo di aumentare la capacità massima esplorando anche le nuove soluzioni offerte dalle nanotecnologie, lo sviluppo di alternative tecnologiche, come i condensatori al tantalio in polimeri conduttivi, e infine, ma non meno importante, la ulteriore progressiva miniaturizzazione, giunta ormai, come vedremo, a livelli tali da lasciare presupporre l'esigenza di modifiche sostanziali nell'approccio all'assemblaggio delle schede e degli apparati o, in alternativa, l'integrazione del componente passivo in subassiemi multipli.
 
Sviluppi nei condensatori ceramici
In Giappone, Corea e Cina, gli sforzi dei costruttori si sono concentrati principalmente nello sviluppo di condensatori ceramici basati su dielettrici X5R, X7R e NPO per arrivare alla produzione in volumi di componenti con capacità fino a 270, 330 e 470 μF. Il concetto fondamentale dell'equivalenza (o meglio della proporzionalità) tra il valore di capacità e la superficie disponibile del dielettrico continua a essere il punto di partenza di tutti i lavori di ricerca; l'introduzione del concetto di nanotecnologia è stato fortemente enfatizzato anche in questo settore perché applicabile a ceramiche e metalli nella creazione di particelle sempre più piccole, ma nell'insieme con superficie libera maggiore. Si punta alla produzione di particelle ultra fini, caratterizzate da una granularità e da caratteristiche elettriche che si devono mantenere costanti e regolari anche su grandi lotti. Per i condensatori Mlcc questo tipo di sviluppo tecnologico ha permesso di moltiplicare i valori di capacità (a parità di formato) di oltre 100 volte nel corso degli ultimi 20 anni. Nel caso dei condensatori al tantalio il valore della capacità si è già triplicato. Le maggiori difficoltà permangono nella trasformazione di questi materiali in polvere negli inchiostri o nelle paste che verranno poi serigrafate a strati sovrapposti e nell'individuazione di soluzioni alternative alla serigrafia tradizionale. Tra l'altro, le stesse tecnologie utilizzate per i condensatori permettono anche la realizzazione di induttori in chip (strati sovrapposti di ferrite) e di varistori in chip (basati su ossidi metallici).
 
La ricerca di alternative tecnologiche
I condensatori al tantalio proseguono sulla strada dell'ultra piccolo, fino ai formati EIA A, P e J, mentre i chip di dimensioni maggiori saranno sempre meno utilizzati anche se stanno effettuando anch'essi una transizione tecnologica con la sostituzione del manganese, utilizzato nella realizzazione degli elettrodi, con i polimeri conduttivi; analogamente si prosegue nello sviluppo di condensatori elettroliti in alluminio nei formati V-chip e H chip a basso profilo, per ottenere maggiore affidabilità anche in applicazioni con tensioni più elevate o a maggiore temperatura. Sempre per quanto riguarda i dispositivi che utilizzano materiali polimerici conduttivi, la ricerca si concentra sull'ottimizzazione delle attuali tecnologie (basate su politiofene o polipirrolo) e anche sull'introduzione di polimeri innovativi quali la polianilina nei processi di realizzazione dei catodi; i risultati più evidenti sono una gamma sempre più vasta di condensatori in alluminio a polimeri solidi e la disponibilità di condensatori al tantalio a polimeri conduttivi con valori di Esr sempre migliori. Nel segmento dei resistori a film sottile, utilizzati nelle applicazioni dove si richiedono valori di resistenza più precisi, non ottenibili con resistori a film spesso, si stanno studiando dispositivi basati su film di nitruro di tantalio (TaN) o di nichel-cromo (NiCr) in particolare per la realizzazione di reti resistive. In questo caso l'andamento dei prezzi di alcune materie prime ( ad esempio il rutenio) potrebbe causare un accresciuto interesse nella ricerca di soluzioni alternative per i dispositivi a film spesso, ad esempio utilizzando il nichel o altri metalli , mentre i resistori non lineari, sia varistori che termistori Ntc o Ptc, continueranno ad essere realizzati con tecnologie basate su ossidi metallici. Per quanto riguarda gli induttori, il miglioramento delle prestazioni va di pari passo con la riduzione delle dimensioni ma il problema è che molti produttori di questo tipo di dispositivo sono anche produttori di condensatori Mlcc e spesso privilegiano lo sviluppo di questi ultimi. I componenti a filo avvolto sviluppano geometrie innovative che eliminano gli spazi inutilizzati senza ridurre le dimensioni del filo (per non aumentare la resistenza in continua) mentre nel caso degli induttori a film spesso o sottile la ricerca si concentra su materiali e processi.
 
L’importanza della miniaturizzazione
Discorso più complesso quello che riguarda invece la progressiva miniaturizzazione dei componenti: l'obiettivo che si sono dati i costruttori di resistori e condensatori è la produzione di massa di dispositivi 01005, ovvero che misurano 0,4 x 0,2 mm (si veda la Fig. 1 con la tabella delle equivalenze per le misure a standard Jedec e le misure reali dei componenti) estendendo progressivamente queste riduzioni di formato a tutti i tipi di dispositivi, tra cui termistori, varistori, induttori. La progressiva adozione dei formati ultra-miniaturizzati è oggi una tendenza che si concretizzerà fra alcuni anni, ma è indiscutibile che fin da ora rappresenta una vera e propria sfida per tutta la filiera produttiva dell'elettronica. Tutti i processi, dal layout dei circuito stampato con piazzole di dimensione adeguate alla deposizione della pasta saldante, dal piazzamento dei componenti alla saldatura a rifusione, dal collaudo all'eventuale rilavorazione, richiedono di essere ingegnerizzate in maniera innovativa e più efficiente per adeguarsi ai formati in chip di dimensioni particolarmente ridotte. Particolarmente critica è la deposizione della pasta saldante, visto che il risultato dell'operazione dipende sia dalle caratteristiche della pasta stessa che dall'utilizzo di stencil adeguati (dove l'adeguatezza riguarda soprattutto lo spessore dello stencil); quindi problemi di fabbricazione di questi ultimi, stante la richiesta di massima precisione ma anche di un adeguato compromesso: infatti il processo non può essere tarato solo sui componenti più piccoli da montare, ma deve tenere conto anche delle caratteristiche degli altri, specie dei più grandi. Per quanto riguarda il piazzamento dei componenti, è importante garantire la massima stabilità e planarità del circuito stampato, nonché controllare accuratamente il moto e la forza della testina di posizionamento, con un controllo dell'eventuale vibrazione e della forza perpendicolare esercitata dall'ugello, anche per evitare problemi sia al momento del prelevamento del componente. In fase di saldatura, teoricamente il processo dovrebbe trasferire alla piazzola e alla pasta saldante la quantità di calore necessaria e sufficiente, per un tempo adeguato; più è piccola la quantità di pasta saldante, come nel caso dei passivi in chip 01005 e simili, più è importante garantire un profilo di temperatura di rifusione corretto per evitare difetti di bagnatura o tombstoning. Adeguare i processi produttivi sarà dunque un ostacolo non da poco; d'altra parte però, superare queste difficoltà permetterebbe di sfruttare le ridotte dimensioni delle future generazioni di passivi in chip per realizzare vere e proprie soluzioni di reti passive embedded nel vero senso della parola, cioè incorporate nel prodotto finale. Sono infatti in fase di valutazione realizzazioni che prevedono di montare i componenti in chip all'interno di circuiti stampati, anche flessibili. In pratica il chip viene posizionato e saldatosi uno degli strati interni di un multistrato in FR4 su cui poi viene normalmente sovrapposto un foglio di prepreg, in modo che la resina si assesti sulle tracce a attorno ai componenti, proseguendo poi con la realizzazione della scheda, con ulteriori strati, piste in rame, ecc… La dimensione verticale dei componenti non è un problema (valori inferiori a 0,2 mm) e i passivi dovrebbero essere comunque preventivamente collaudati e garantiti dagli stessi fornitori. Un ulteriore passo in avanti è poi la realizzazione diretta del componente passivo (resistore o condensatore) sopra, sotto o accanto alle tracce in rame (all'interno dei multistrato), tramite deposizione di film sottili o spessi di opportuni dielettrici, con tecnologie additive o sottrattive analoghe a quelle impiegate nella realizzazione delle schede a circuito stampato. In pratica, ancora dei componenti passivi embedded ma… senza più il chip.
 
Mercati e attori
Nel settore telecom la domanda è concentrata sui condensatori Mlcc e sugli induttori in chip nei formati più piccoli, destinati ad esser montati nei telefoni cellulari, dove la progressiva integrazione di ulteriori funzioni abbinate a quelle classiche di trasmissione e ricezione in radiofrequenza, ad esempio le funzioni di riproduzione audio di file Mp3, faranno ulteriormente aumentare il numero di componenti passivi da integrare nell'apparato. Molto diffuso è anche l'utilizzo di resistori in chip a film spesso, mentre negli apparati di centrale e in generali nelle reti infrastrutturali, trovano largo impiego anche i condensatori al tantalio. Murata, Tdk e Panasonic sono i costruttori che vantano le quote di mercato più consistenti. Nell'informatica, ovvero nel mercato che comprende personal computer e server ma anche stampanti, scanner, periferiche di vario tipo, fotocopiatrici, fax e apparati analoghi, la domanda si è sviluppata soprattutto per i condensatori con valori di capacità elevati, a causa dell'introduzione dei processori multicore che hanno maggiori esigenze di disaccoppiamento e che per la stessa ragione richiedono sempre più la presenza di induttori di potenza. Spazio quindi per i condensatori Mlcc, ma anche per i polimerici in alluminio o in tantalio e per gli induttori a filo avvolto. L'elettronica di consumo continua a essere il principale settore di sbocco, in termini di valore, per l'industria dei componenti passivi; poiché tutti questi prodotti (televisori, videogiochi, sistemi audio, videocamere, ecc..) sono alimentati dalla tensione di rete, hanno necessità di componenti adatti a sopportare tensioni maggiori e a fornire capacità adeguate. Tradizionalmente venivano utilizzate i condensatori elettrolitici, ma oggi i condensatori ceramici in chip monostrato per alte tensioni sono comuni nei display flat panel, insieme ai condensatori al tantalio e ai Mlcc. Mentre Panasonic (che può contare sul mercato captive dei marchi Panasonic e Jvc) domina nel segmento dei condensatori tradizionali a film, Tdk è il principale fornitore di Mlcc, seguita da Murata, Taiyo Yuden e Semco. Kyocera è molto attiva nel settore delle console da gioco ma anche nei prodotti al tantalio per display televisivi. Andamenti simili ma più variegati nel settore dell'auto, attualmente in forte espansione: Tdk (fornitore di Denso e quindi di Toyota) è il primo attore in questo segmento grazie ai chip induttivi Emc, alle bobine Smd ai condensatori Mlcc. Seguono Vishay (storico fornitore di Delphi Electronics e di GM e Ford) Murata, Avx sempre con i condensatori al tantalio o ceramici multistrato, Epcos, Kemet. Koa che è il principale fornitore di resistori in chip, Sumida e Toko sono i protagonisti nel segmento degli induttori. Il mercato industriale in senso lato, includendo militare, medicale, illuminazione e le applicazioni di potenza in genere vede tra i protagonisti Vishay e Taiyo, insieme a Avx, specie nel medicale, a Tdk e a Murata.

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