I
componenti passivi spesso vengono considerati delle semplici commodity, senza
tenere presente che in molti casi esprimono il grosso della distinta materiali
di un progetto. Infatti, benché rappresentino mediamente solo il 2% del valore
totale di un sistema elettronico, in termini numerici essi costituiscono il 70%
dei componenti utilizzati. Oltre ad essere preponderanti, le delicate funzioni
che sono chiamati a ricoprire li rendono un fattore abilitante ai fini delle caratteristiche
di un progetto, non solo dal punto di vista elettrico ma anche da quello dei
costi, degli ingombri e del design. Dopo
la profonda recessione iniziata nel 2009, il mercato globale dei componenti
passivi e di interconnessione ha visto un veloce recupero, che ha portato nel
2012 le vendite mondiali oltre i 135 miliardi di dollari.
Evoluzione all'insegna della miniaturizzazione
La
crescente concorrenza costringe i costruttori a concentrarsi su tecnologie
sempre più avanzate. L'obiettivo è di ricercare la convenienza economica ricorrendo
dove possibile a materiali e soluzioni sempre più efficienti. In generale, anche
per il settore passivi, l'elemento trainante è la miniaturizzazione. Questo
trend non comporta solo la riduzione degli ingombri ma rappresenta un punto di
arrivo e riassume una serie di aspetti che riguardano collegati alle
prestazioni, al rendimento energetico, alla facilità di assemblaggio e alla
razionalizzazione dei materiali.Negli
ultimi anni il processo di riduzione delle dimensioni dei passivi è stato molto
più veloce rispetto a quello dei semiconduttori. Diminuire gli ingombri però non
è una soluzione per tutte le stagioni, anzi, talvolta può rappresentare un
ostacolo tecnologico. Molto del costo di un sistema elettronico è rappresentato
dal processo di posizionamento dei componenti. Se in passato la
miniaturizzazione ha permesso di ridurre i volumi, oggi, le dimensioni estreme,
tendono a fare salire gli oneri di placement. A tale proposito, la
miniaturizzazione dovrà esprimersi non solo in termini di pura riduzione delle
dimensioni ma anche sotto nuove forme di integrazione, per esempio con
l'innesto di nuovi componenti e funzioni all'interno di circuiti e moduli con caratteristiche
passive. Se in passato la frontiera dell'integrazione puntava direttamente allo
sviluppo di prodotti passivi basati su silicio, oggi questa tendenza è passata
in parte in secondo piano. Uno dei motivi è l'avvento di applicazioni -
soprattutto legate al settore automotive e telecom - che richiedono l'introduzione
di nuove funzioni con un tasso di velocità superiore rispetto alla capacità di
integrare quelle già consolidate. Oltre all'elevato costo dei processi a
livello di silicio e ai tempi di sviluppo relativamente lunghi, questo aspetto viene
spesso percepito come un fattore limitante: un'integrazione troppo spinta riduce
la flessibilità, vincolo difficile da accettare soprattutto nei mercati in
rapidissima evoluzione. Vediamo di seguito come la miniaturizzazione ha caratterizzato
l'evoluzione di due categorie di passivi - condensatori e resistenze - e come i
fornitori hanno saputo declinare il trend in chiave commerciale.
La ricerca della miniaturizzazione nei condensatori
Comunque
si consideri la questione, la miniaturizzazione rappresenta la chiave di volta
dell'evoluzione. Questa tendenza ha avuto un impatto soprattutto per quanto riguarda
i chip capacitor ceramici multistrato, oggi prodotti in massa anche con
dimensioni 0201 e 01005. Murata è andata oltre e ha sviluppato una delle linee
di condensatori ceramici monolitici più piccoli al mondo. Si tratta di prodotti
che misurano 0,25 x 0,125 x 0,125 mm. Il volume di questi condensatori ceramici
ultra compatti è pari circa al 25% della taglia 0402 (0,4 x 0,2 mm), la misura
predominante dei condensatori ceramici monolitici attualmente utilizzati in
alcuni smartphone. In tema di miniaturizzazione, è da segnalare anche la serie
di Mlcc CC0100 (0402 o 01005 in pollici) di Yageo con dielettrico NPO
stabilizzato in temperature o X5R ad alta capacità. Le misure di 0,4 x 0,2 mm
rappresentano un'area e un volume inferiori del 56% e del 70% rispetto al case
EIA 0201 (0,6 x 0,3 mm), altra misura standard utilizzata nei prodotti di
ultima generazione. La ricerca della miniaturizzazione riguarda anche i
prodotti ceramici ad alta tensione e alta capacità. I multistrato X7R StackiCap
di Syfer aumentano i valori raggiungibili in alloggiamenti di grandi
dimensioni, con una riduzione anche di un fattore 10 degli ingombri su scheda.
Questa tecnologia brevettata permette di costruire un chip multistrato unico
che garantisce una riduzione delle sollecitazioni elettromeccaniche del
componente e prestazioni omogenee e affidabili anche nei dispositivi di maggior
spessore e dimensione. Prima in commercio, la versione StackiCap 2220 da 500 V
offre 1µF mentre versione da 2kV traguarda i 100nF, valori riscontrabili in
precedenza solo in formati superiori. La famiglia CeraLink di Epcos offre
invece una nuova soluzione per la stabilizzazione e il filtraggio dei link Dc
nei convertitori di frequenza o potenza con elevata velocità di commutazione e
tempi di salita rapidi, come i converter per elettronica industriale e
automotive basati su Mosfet o Igbt di ultima generazione. Realizzati in Plzt
(titanato-zirconato di piombo e lantanio), i prodotti offrono valori da 1 a 100
μF, tensioni nominali di 400 Vdc (o 5 μF a 800 Vdc), dimensioni compatte e
varie configurazioni terminali, ad esempio Smd a basso profilo, pin a saldare e
busbar press-fit. Progettati per temperature da -40 a +125 °C (+150 °C brevi
periodi), possono essere usati nei moduli di potenza SiC. Per quanto riguarda i
dielettrici in polveri ceramiche e al tantalio, le possibilità di
miniaturizzazione derivano dall'abilità dei produttori di ottenere materie
prime con valori di capacità elevati, prodotte grazie a processi di lavorazione
basati su nanotecnologie che consentono di ottenere particelle piccole e
omogenee. Anche nei condensatori al tantalio gli sviluppi si sono concentrati nella
miniaturizzazione, con uno sforzo particolare orientato a portare le dimensioni
al pari di quelle degli Mlcc, all'aumentare i valori di capacità e al migliorare
l'affidabilità nel tempo. I nuovi condensatori polimerici al tantalio per
montaggio superficiale T541 di Kemet offrono, per esempio, livelli record di
funzionamento di 50 V, assicurando una soluzione superiore rispetto ai
tradizionali dispositivi MnO2 nelle applicazioni ad alta affidabilità. La serie
T541 fa parte della famiglia di prodotti al tantalio Kemet Organic Capacitor
(KO-CAP), con anodo Ta e dielettrico Ta2O5. La tecnologia a catodo polimerico
KO-CAP, combinata con un design diversificato dell'anodo, permette alla serie
T541 di garantire i livelli di Esr più bassi in commercio. I prodotti della
serie di TCJ di Avx sono invece i primi condensatori polimerici al tantalio ad
anodo singolo con tensioni nominali di 63 e 75V. Questi dispositivi a montaggio
superficiale offrono alte capacità, alte tensioni e bassi valori di Esr
all'interno di un formato estremamente ridotto. Disponibili in versioni da 1 a
10 µF, i condensatori della serie TCJ sono particolarmente adatti per
applicazioni ad alta tensione. Nei prodotti dielettrici a film plastico e a
foglio di alluminio il contributo viene dalla capacità di estrudere fogli
anodici e in plastica sempre più sottili, per consentire ai produttori di
componenti di compattare più strati possibile a parità di volume. Ciò permette
di ottenere componenti più piccoli, senza compromettere la capacità totale. Nei
condensatori in alluminio questo sviluppo ha permesso di realizzare soluzioni in
formato chip con profili molto più contenuti. Sempre all'insegna della
miniaturizzazione sono da segnalare i condensatori a film con soluzioni chip in
Pen (polietilennaftalato), Pps (polifenilensolfuro) e Pet, destinati a
sostituire i prodotti con terminali radiali nelle applicazioni di filtraggio e
soppressione del rumore. Ideali per le applicazioni dove sono richiesti miniaturizzazione
e montaggio Smd, i chip capacitor a film della serie CB di Avx utilizzano una
costruzione a strati con dielettrico Pen metallizzato che, grazie all'elevata
elasticità, garantisce la compatibilità con tutti i materiali di substrato. Di
Tdk-Epcos è infine da segnalare la linea di condensatori a film MKP, con
capacità fino 2,2 µF e tensioni operative fino a 630 Vdc. I prodotti offrono
una spaziatura tra terminali di 10 mm e garantiscono una riduzione del 40% del
volume rispetto alla versione precedente.
Resistenze oltre ogni limite
Sono
molti gli analisti convinti del fatto che ormai sia stato raggiunto il limite
tecnico/economico delle tecnologie correnti. I formati 0201 e 01005 si vanno consolidando
come standard di fatto ma presentano ovviamente dei vincoli sia dal punto di
vista della produzione sia da quello dell'assemblaggio. Questi fattori ne
limitano ancora la diffusione, ma ovviamente la spinta alla miniaturizzazione delle
applicazioni finirà per prevalere. Rohm propone dei chip resistor da 03015 (0,3
× 0,15 mm) destinati ai dispositivi mobili, Le dimensioni sono il 44% in meno
rispetto al formato ormai convenzionale 0402 (0,4 × 0,2 mm), già considerato un
limite alla miniaturizzazione. Sulla stessa lunghezza d'onda anche Yageo con il chip resistor
RC0075 in case 03015, destinato principalmente a smartphone, moduli Rf, Pc tablet,
micro drive e memorie portatili. Nelle
resistenze, la miniaturizzazione costringe a dissipare più calore. Questo
comporta l'adozione di standard costruttivi più elevati e la necessità di
caratterizzare i prodotti su livelli di potenza più alti. Un esempio sono i resistori
surface-mount WSLP2010 Power Metal Strip in formato 2010 di Vishay, i quali
combinano potenze nominali fino a 2 W con valori di resistenza di soli 0,001 Ω
e tolleranze dello 0,5 %. Le resistenze integrano un elemento solido in lega
nichel-cromo o manganese-rame con basso Tcr (meno di 20 ppm/°C) che permette di
ottenere alti valori di potenza su range di temperatura operativa da -65 °C a
+170 °C. In case 2512, le resistenze Power Metal Strip arrivano a offrire 3 W
con resistenze fino al limite minimo di 0,0005 Ω. Questi sviluppi hanno richiesto notevoli
miglioramenti nel progetto costruttivo dei dispositivi, nei materiali utilizzati
e nei processi di produzione. I progressi dei macchinari di pick-and-place hanno
sicuramente aiutato lo sviluppo di package Smt con maggiori capacità di
dissipazione. Se fino a pochi anni fa era impossibile trovare una resistenza Smt
da 3 W, oggi questi livelli rappresentano degli standard commerciali. Sul
mercato si vanno addirittura affacciando soluzioni a 7 W. Ohmite per esempio ha
sviluppato un Smd avvolto da 5 o 7 W caratterizzato da un nuovo profilo
costruttivo, basato su particolari alette che permettono di aumentare la superficie
del resistore senza variarne l'ingombro. Secondo i test, i dispositivi superano
anche i 7 W, garantendo delle derive minime (meno dell'1%). Questi dispositivi
ad elevata potenza devono gestire livelli estremi di calore senza compromettere
i giunti di saldatura o l'integrità del circuito stampato sottostante. Ciò è
possibile ricorrendo ad alcuni accorgimenti di assemblaggio. Per esempio, i
resistori Smt avvolti o a film prevedono l'elevazione dell'elemento resistivo
rispetto alla superficie dello stampato e utilizzano dei terminali che
consentono alla scheda di espandersi. Altri prodotti alloggiati in package TO-220,
TO-247 e D2Pak utilizzano gli stessi dissipatori usati dai semiconduttori o
particolari escamotage costruttivi. I resistori di potenza a film MPM20 in
package Metal Tab TO-220 di Caddock offrono, per esempio, terminali saldabili
con finitura in oro e totale assenza di stagno puro all'interno e all'esterno
del package. Gli MPM20 arrivano a erogare una potenza di 20 W con una
temperatura del contenitore di 25°C: i valori di resistenza vanno da 0,020 a
10K Ohm. I prodotti sfruttano una combinazione tra il film resistivo Micronox e
un progetto consolidato di elementi e materiali. Le caratteristiche non
induttive sono ideali nei circuiti di commutazione ad alta velocità, negli
snubber e nelle applicazioni Rf.
Moduli e soluzioni embedded
Le schede
degli apparati portatili utilizzano normalmente passivi in formato 0402. Man mano che cresce l'esigenza di prestazioni
superiori in spazi sempre più ristretti, aumenta anche la pressione verso un'ulteriore
miniaturizzazione dei componenti, raggiungibile non tanto con la riduzione
incondizionata delle dimensioni quanto soprattutto attraverso una maggiore
integrazione delle funzioni, anche di quelle passive. Una tecnologia che
interpreta questo trend di miniaturizzazione integrata, è rappresentata dai
circuiti stampati in tecnologia Des (Device embedded substrate). Nei Des, circuiti
integrati, resistenze, condensatori e induttanze sono integrati direttamente all'interno
del substrato in resina del Pcb. In pratica, l'idea è di spingere sulla
miniaturizzazione utilizzando tutte e tre le dimensioni della scheda: X, Y e Z.
Alcuni Pcb con IC, resistenze e condensatori embedded sono già apparsi sul
mercato. I componenti necessari hanno delle particolarità specifiche e a tale
proposito Murata ha iniziato la produzione della serie di condensatori ceramici
GRU. Queste soluzioni consentono di posizionare il componente direttamente
sotto il circuito integrato, negli strati del Pcb, ottenendo un ulteriore
beneficio in termini di riduzione del rumore e degli effetti parassiti. I
condensatori GRU di Murata sono dispositivi da 1005 (1,0 x 0,5 mm) a basso
profilo (150 µm) basati su un particolare
materiale dielettrico e su una tecnologia che permette la formazione di
un elettrodo esterno che facilita la connessione. Anche Koa ha sviluppato un Epd
(Embedded Passive Device) specifico. Questa volta di tratta di un resistore:
l'XR73, un chip resistor piatto (0,4 mm) a bassa resistenza (anche meno di 100 mΩ)
ideale per le applicazioni di current sensing.
L'integrazione nei passivi
Un'ulteriore
risposta alla miniaturizzazione può essere rappresentata dai moduli funzionali
passivi, un compromesso per riconciliare l'integrazione con le doti di
flessibilità richieste da un'evoluzione sempre più veloce. Gli Ipd (Integrated Passive Devices) sono sul
mercato da circa vent'anni. Questi prodotti prevedono la realizzazione della
capacità attraverso uno strato di nitruro di silicio o di biossido di silicio e
la creazione di elementi di resistenza attraverso film avanzati in nitruro di
tantalio, nichel cromo o afnio diboride. Nel modulo è possibile integrare altre
funzioni, per esempio circuiti di protezione e induttanze. Il processo costruttivo
degli Ipd è più vicino alla produzione dei semiconduttori e offre sicuramente
un grosso contributo all'efficienza volumetrica e alla miniaturizzazione dei
circuiti. Inizialmente orientati alla pura sostituzione dei passivi discreti,
gli Ipd stanno conquistando un ruolo di primo piano soprattutto nelle
applicazioni Rf, nell'illuminazione Led, nella protezione Esd ed Emi, nonché
nel Mixed Signal e nella conversione di energia. Molti Ipd sono sviluppati su
specifiche Oem, altri offrono funzioni preconfigurate "a catalogo", quali
balun, filtri, accoppiatori, diplexer, splitter e così via. Tra i maggiori
fornitori di Ipd si segnalano IPDiA; ON Semiconductor; OnChip Devices; Umc; Avx;
Freescale; Ibm; Infineon, Murata/SyChip; Silex; STMicroelectronics, Triquint. Alcune realtà si configurano come aziende di
progettazione custom, altre tendono a integrare le proposte Ipd all'interno del
loro mix commerciale, massimizzando il valore aggiunto e aumentando la fedeltà
dei clienti. Secondo l'Epcia il trend dei prossimi anni punterà allo sviluppo
di moduli più o meno integrati (Mems, Ipd, Mcm, stack, moduli front-end Rf), e
in questo panorama i produttori di componenti passivi giocheranno un ruolo determinante.
