Passivi: la prossima generazione

componenti passivi sono quella classe di componenti elettronici che non sono in grado di controllare il flusso dell’elettricità e che quindi sono attraversati passivamente dall’elettricità applicando i principi della fisica elettronica che li governano: resistenza, capacità, induttanza, ecc. i componenti passivi nel tempo, e molto rapidamente negli ultimi anni, hanno subito un processo di miniaturizzazione estremo che li ha portati  dalle ingombranti dimensioni dei ben noti dispositivi coassiali dell’elettronica discreta (montaggio a buchi passanti), ai ridottissimi ingombri del montaggio superficiale a forma  di piccoli rettangoli di pochi millimetri con i contatti a saldare agli estremi. Questi componenti discreti passivi di ultima generazione vengono descritti con un numero, composto dall’unione di due numeri, per esempio 0603, che sta ad indicare le dimensioni del componente 60 x 30 mils, dove un mils è uguale a 0,001 pollici, quindi 0603 è un rettangolo di 1,5 x 0,75 mm. I componenti passivi, malgrado la loro specificità funzionale non attiva, hanno un ruolo chiave nel funzionamento dei dispositivi elettronici, in particolare quelli attivi, ma soprattutto hanno un ruolo determinante nel processo di miglioramento della tecnologia elettronica, per esempio nel consentire ai sistemi elettronici di diventare sempre più piccoli e consumare meno corrente elettrica. Anche il più avanzato componente microelettronico attivo perderebbe le sue peculiarità in assenza di componenti passivi avanzati che ne affiancano ed enfatizzano le peculiarità funzionali. Basta osservare un circuito stampato che monta un microcontrollore di ultima generazione e si può osservare come il chip Mcu montato sulla scheda sia contornato da una miriade di puntini (resistenze, condensatori, diodi, ecc.) che gli consentono di funzionare in maniera ottimale. Una scheda madre di uno smartphone è l’esempio emblematico di come i componenti passivi  di ultima generazione sono alla base del successo implementativo di tale elettronica con requisiti estremi in termini di dimensioni, prestazioni, consumo energetico, ecc.

Verso l’estrema miniaturizzazione

Anche se il trend di integrazione on-chip porta alla inclusione nel chip attivo anche dei componenti passivi, la miniaturizzazione dei passivi è un processo inarrestabile che va nella stessa direzione dei requisiti dimensionali che prodotti come smartphone, notebook computer, tablet, personal digital assistant, digital camera, e display sottili, impongono come conseguenza della loro natura funzionale e applicativa. Nel caso dei condensatori ceramici, in particolare quelli multistrato, c’è stato un processo di miniaturizzazione estremo, tanto da passare in pochi anni dal già piccolo formato 0603 all’incredibile formato 01005 e poi al  008004 annunciato nel 2014 da Murata per la produzione in volumi di condensatori monolitici ceramici ultraminiaturizzati. I condensatori in formato  008004 richiedono circa metà della superficie di montaggio dei precedenti 01005 (0,4 x 0,2 mm). È grazie a questo risultato che è stato possibile per i produttori di smartphone e sistemi wearable ottenere quei profili ultrasottili dei dispositivi di ultima generazione che rappresentano, più delle prestazioni, la maggiore attrattività del dispositivo elettronico verso l’utilizzatore finale.

Passivi, verso l’integrazione

La strada dell’evoluzione dei passivi, considerando il trend di sviluppo dei sistemi embedded e l’elevata granularità dell’ormai improrogabile paradigma applicativo noto come Internet of Things, è obbligata. I componenti passivi devono svolgere la loro funzione ma senza occupare spazio e consumando meno corrente possibile. La strada quindi è quella dell’integrazione. Nei dispositivi portatili i componenti passivi si contano in quantità di migliaia, e considerando i requisiti dimensionali, è ovvio che l’unica soluzione è quella dell’integrazione su moduli o nei chip dei componenti attivi che a loro volta stanno sperimentando tutte le soluzioni possibili per ridurre le dimensioni. Vishay EFI ha sviluppato la tecnologia Pimic (Passive-Integrated Microelectronic Interconnect Circuitry) per risolvere i problemi del superamento del gap  di integrazione tra  silicio/GaAs e metodologie di progettazione  ibrida. Grazie ad un insieme di caratteristiche e funzionalità del Pimic  a livello di progettazione è possibile ottenere una considerevole riduzione di spazio e di quntità finale di componenti. Quattro sono i livelli di inegrazione della tecnologia Pimic: simple interconnect (Pimic-SI), advanced interconnect (Pimic-AI), high density digital interconnect (Pimic-Hddi) e mixed-signal interconnect (Pimic- Msi). La tecnologia Pimic-Si incorpora conduttori, resistori, tracce selettive ad alta conducibilità per applicazioni come i dispositivi a basso costo Dc ed Rf (amplificatori standard a microonde, Tv a circuito chiuso, convertitori A/D e regolatori ad elevata potenza). La tecnologia Pimic-AI incorpora tutti i componenti passivi allo stato solido, integrati come singolo substrato. Le applicazioni di riferimento sono gli amplificatori ad alte prestazioni e basso rumore e quelli di potenza dei dispositivi wireless commerciali, i moduli T/R e i sistemi di avionica. La tecnologia Pimic-Hddi è intesa a soddisfare i requisiti tipici dei circuiti digitali, quindi per applicazioni di controllo degli Asic, dei moduli di memoria ad elevata densità e delle reti a commutazione digitale. La tecnologia Pimic-Msi è una combinazione delle tecnologie Pimic-AI e Pimic-Hddi finalizzata a soddisfare la crescente integrazione tra analogica e digitale in dispositivi ad elevata miniaturizzazione in campo militare e civile.

I passivi possono essere anche attivi

I componenti passivi oltre a essere importanti complementi dei componenti attivi, implementano importanti funzionalità nei sistemi elettronici, come gli interruttori, i pulsanti, e in particolare i fusibili. Questi componenti, stanno evolvendo in una direzione che potremmo definire “intelligente”, cioè capace di gestire l’informazione cui sono associati e renderla disponibile e manipolabile in maniera pratica ed efficace. Il settore applicativo che maggiormente ha questi requisiti è quello automobilistico, ove il livello di interazione tra elettronica ed utilizzatore evidenzia requisiti  a basso livello ed elevata efficacia. Hansor Polimer Technology ha realizzato un fusibile capace di segnalare tramite un Led il suo stato rendendo in tal modo più immediata ed efficace la sua manutenzione. La miniaturizzazione è un altro elemento di innovazione per i fusibili, questi, come i condensatori, vengono realizzati in formati ottimali per minimizzare la superficie e lo spessore dei circuiti stampati, per esempio i Cmsd 0402 di Hansor Polimer (0,95x 0,48 mm).

I resistori Mems

Il memristore è il caso emblematico di  componente elettronico passivo che può essere attivo. Questo componente, scoperto nel 1971 da Leon Chua e ingegnerizzato recentemente (il primo memristore è stato realizzato da Hewlett-Packard nel 2008), è un componente elettronico passivo con comportamento attivo, come per esempio il transistor. I memristori a differenza dei transistor si caratterizzano per un funzionamento misto, elettronico e ionico conferendo a tale componente la capacità di svolgere la sua funzione anche in assenza di corrente, per esempio di ricordare lo stato in cui era quando è stata rimossa l’alimentazione (come per una memoria non volatile) quindi di comportarsi come un componente intelligente. Il memristore è una memoria analogica e in quanto tale consente di realizzare in pochissimo spazio e con pochissimo consumo di corrente (a differenza della memoria digitale) una funzionalità particolarmente utile nei sistemi embedded, la memoria non volatile a bassissimo costo e complessità. I memristori rappresentano la punta più avanzata della tecnologia dei componenti elettronici passivi che offriranno opportunità applicative rivoluzionarie in ambititi come i sistemi indossabili e l’elettronica integrabile negli esseri viventi.

Passivi ultra low-power

La riduzione del consumo di potenza elettrica è l’elemento di innovazione parallelo alla riduzione delle dimensioni, nodi sensoriali, punti di misura, e dispositivi di difficile autonomia energetica che utilizzano massicciamente componenti passivi sono particolarmente sensibili a questa problematica e l’innovazione dell’elettronica passiva sta tentando di innovarsi in termini di riduzione dei consumi energetici. I sensori fanno parte dei componenti passivi di un sistema di misura e su tali componenti si è accesa l’attenzione dei produttori di componenti elettronici ultra-low power, per esempio il sensore di temperatura analogico STLM20 di STMicroelectronics che ottimizza i consumi energetici oltre a offrire elevata precisione. Il sensore esegue in forma lineare la misura analogica della temperatura in forma da -55 a 130 °C. Questo sensore è una soluzione ottimale in applicazioni di regolazione del guadagno dell’amplificatore di potenza dei dispositivi Rf, per esempio quelli 3G nella telefonia mobile. Questo sensore, oltre ad ottimizzare i consumi energetici ottimizza anche le dimensioni.

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