Le ragioni dell’embedded

PCB EMBEDDED –

Le ragioni del passaggio alla tecnologia embedded sono da ricercare nella riduzione di area che tale tecnologia permette di sfruttare (anche superiore al 33%), nell’aumento di affidabilità che può essere pari o superiore rispetto allo stesso prodotto realizzato in tecnologia SMT.

Guardando all’evoluzione della miniaturizzazione dei package dalle strutture piane del tipo SiP (System in Package) o a quelle a sviluppo verticale tipo CoC (Chip-on-Chip) o PoP (Package-on-Package) si vede come nella ricerca dell’integrazione la tecnologia sia passata dal packaging bidimensionale alla tridimensionalità nella ricerca della maggior compressione degli spazi. In questa corsa i pcb tridimensionali, detti anche embedded PCB, rappresentano la nuova frontiera. La tecnologia embedded consente di posizionare i componenti passivi direttamente sotto i componenti LSI (Large Scale Integration) assemblati in superficie, accorciando i percorsi dei segnali ed eliminando i problemi dovuti al controllo dell’impedenza.
Di tale tecnologia ne hanno beneficiato i dispositivi portatili tecnologicamente evoluti come le videocamere e i dispositivi di comunicazione wireless miniaturizzati. L’aspettativa è che ne potrà beneficiare un’ampia gamma di settori come l’automotive, l’elettronica industriale e quella delle infrastrutture, così come i prodotti di consumo.
Per incontrare i risultati desiderati col sistema d’inserzione dei componenti nel substrato devono poter coesistere gli attuali sistemi di processo inclusa la tecnologia di saldatura, garantendo la massima affidabilità sul lungo percorso.
Con la tecnologia embedded si riduce significativamente l’area del pcb, sfruttandone il volume, che diversamente non viene utilizzato appieno. Si arriva così a risparmiare più del 30% e fino al 40% di spazio, riutilizzandolo per altri componenti e/o riducendo peso e le dimensioni del dispositivo. Per dare giusto un esempio, attualmente si può considerare che in un telefono cellulare ci siano, a secondo del modello, da 10 a 50 resistenze a fronte di 60–150 capacità. Ciò invita seriamente a considerare l’opportunità di passare alla tecnologia embedded. La potenzialità di conversione tecnologica esiste anche per il mercato del consumer, a fronte di un incentivante risparmio economico; ad affiancare un incremento delle prestazioni o del mantenere le stesse in un prodotto più piccolo, c’è anche la potenzialità di poter ridurre i costi risparmiando sul materiale, dando inoltre una maggior protezione dell’elettronica nei confronti delle condizioni ambientali.
Un calcolo approssimativo porta a ripartire il costo di un pcb imputandone ai componenti attivi circa il 67%, il 24% alle interconnessioni e solo il 9% ai componenti passivi. A livello quantitativo si invertono le percentuali, assegnando una presenza del 70% ai passivi, del 20% agli attivi e solo del 10% alle interconnessioni. Pur essendo i componenti passivi significativamente più economici rispetto agli attivi, questi arrivano ad occupare la maggior parte dell’area utile del pcb, giustificando l’attento studio della loro inserzione all’interno del volume del substrato. I condensatori realizzati nei package miniaturizzati 0201 e 01005 non sono più un problema, ma sebbene il costo sia contenuto per gli utilizzatori, in particolare nel settore consumer, devono tuttavia essere calibrati attentamente i costi totali, considerando che anche quello di utilizzo della pick & place può lievitare quando se ne considera il tempo di piazzamento, quando si valuta la produttività e l’eventuale operazione di rework.

La scelta dei componenti
Ci sono principalmente due strade per inserire i componenti attivi all’interno dei laminati: con o senza package. Considerando la stabilità del livello qualitativo raggiunto e la produttività, il più utilizzato è spesso il ricorso al W-CSP (Wafer-Level Chip Size Package), di cui l’ispezione (Known Good Die) ne garantisce la qualità. I componenti passivi (C, R, L) possono essere realizzati durante la fabbricazione dei circuiti stampati oppure si possono utilizzare i chip commercialmente disponibili. Garantire la qualità costante realizzando il componente durante la fabbricazione del cs non è facile, in particolare – dovendo sottostare a dei vincoli produttivi ben precisi – spesso non è facile rispettare le proprietà che dovrebbero possedere i componenti.
Ad esempio, il richiesto valore capacitivo è raggiunto espandendo l’area del layer interessato alla sua formazione o aumentando di numero i layer, e questo contrasta con l’obiettivo della miniaturizzazione o del rispetto dello spessore minimo. L’utilizzo di componenti commerciali assicura l’affidabilità e la presenza delle richieste caratteristiche. Le dimensioni dei case che possono essere utilizzati sono 0402 (01005) , 0603 (0201) e 1005 (0402). Se le tre diverse dimensioni dovessero trovarsi all’interno dello stesso layer, naturalmente lo spessore più idoneo sarà quello che può contenere il 1005 (0402). Lo spessore dei componenti costituisce ovviamente un problema quando l’impiego prevede l’inserimento nel circuito stampato. In relazione al crescente impiego in campo embedded, i produttori stanno lavorando per progettare chip con alti valori capacitivi, pur contenendone lo spessore, come ad esempio avere valori superiori a 1 μF in case 1005. Attualmente sono stati realizzati case 1005 (0402) con spessori comparabili con lo 0603 (0201). Per poter montare contemporaneamente W-CSP e i chip passivi si utilizza comunemente il processo di rifusione, ovviamente saldando con lega lead-free. È enorme il beneficio di utilizzare un processo consolidato con componenti standard, dato che ciò non solo permette di montare contemporaneamente componenti attivi (LSI) e passivi, ma permette anche di utilizzare sistemi standard di rifusione e conoscenze condivise.

La sequenza di montaggio
La linea, al pari del montaggio superficiale, utilizza in sequenza la serigrafica, la pick & place e il forno, seguiti del sistema di ispezione ottico, mantenendo le stesse caratteristiche di un sistema tradizionale, inclusa la densità superficiale di montaggio (una linea di questo tipo è operativa presso la giapponese OKI Printed Circuits).
Nel caso di un semplice multilayer a quattro strati, con tecnica fotografica si prepara il rame del substrato che deve ospitare i componenti. Serigraficamente si depositano i richiesti volumi di crema sui pad. Con la P&P si posizionano attivi e passivi, poi si passa nel forno a rifusione. Per assicurare un prodotto che non dia problemi, un ciclo di lavaggio assicura la rimozione dei residui di flussante. Si racchiude infine il laminato coi componenti tra fogli di prepreg su cui sono ancorati a caldo i due copper foil che chiudono il sandwich. Per evitare che lo stress dovuto alla pressione esercitata durante l’assiemaggio del multilayer possa danneggiare i componenti, va attentamente selezionato lo spessore del prepreg. La lavorazione prosegue poi normalmente come per ogni altro circuito stampato, ricavando i layout superficiali delle due facce esterne su cui seguirà il montaggio SMT.

L’affidabilità della tecnologia embedded
Diversi risultati condotti dai tecnici di OKI Printed Circuits dimostrano che i W-CSP godono di una vita più che doppia rispetto ai corrispettivi montati in tecnologia superficiale. Con delle schede appositamente progettate con componenti embedded W-CSP di 6 mm2 con 112 terminali a passo 0,5 mm e resistenze 0603 (0201), sono stati condotti dei cicli termici le cui escursioni andavano da -25 °C/9 min a temperatura ambiente, per poi arrivare a +125 °C/9 min. Come risultato è emerso che con le schede embedded il tempo occorrente per arrivare al 50% dei guasti era più che doppio rispetto a quelle con montaggio superficiale. Sottoponendo a test di flessione (18% della lunghezza totale) i pcb realizzati con ambedue le tecnologie, quelle a montaggio superficiale hanno ceduto alla decima prova, mentre quelle con tecnologia embedded hanno superato la ventesima. Si suppone che la maggior resistenza delle seconde sia dovuta alla capacità della resina che circonda i componenti di distribuire meglio gli stress meccanici.
Sottoposte a test di caduta (altezza 1,5 m, caduta di faccia, caduta sul lato minore e caduta sul lato maggiore) le schede embedded hanno riconfermato la loro resistenza in quanto non si è manifestato nessun problema di connessione della componentistica interna. Per maggior sicurezza le schede sono state sottoposte anche a cicli di temperatura della durata di trenta minuti a -65 °C e altrettanti a +125 °C, con controllo continuo dei valori elettrici. Dopo 3000 cicli non si era ancora manifestato nessun problema e nessuna deriva. Per maggior sicurezza al termine della prova sono stati controllati individualmente i valori di resistenza dei chip, trovandoli correttamente all’interno dell’intervallo garantito dal costruttore. Anche i test di ripetuta rifusione, vibrazione e invecchiamento precoce non hanno evidenziato particolari problemi nelle schede a tecnologia embedded, confermandone un’affidabilità uguale o superiore a quelle con montaggio superficiale. Riassumendo i vantaggi della tecnologia embedded sono:
- utilizzo del volume del pcb a vantaggio di una maggiore area superficiale disponibile;
- aumento dell’affidabilità;
- miglioramento delle prestazioni elettriche;
- miglior resistenza nei confronti degli stress meccanici;
- miglioramento delle prestazioni termiche;
- protezione contro la contraffazione;
- possibili economie di scala.
La sfida nel portarsi verso questa tecnologia richiede di ampliare le competenze progettuali e di rimodulare la catena di fornitura. Questa, naturalmente, vedrà nel futuro un’offerta sempre più diffusa di moduli embedded rendendoli sempre più allineati ai normali componenti che oggi vengono normalmente inseriti nel processo di fabbricazione dei pcb.

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