Analogici passivi: non più tanto passivi

I componenti analogici passivi vengono classificati come tali perché non restituiscono più potenza elettrica di quanta ne ricevano (come invece avviene per i componenti attivi, esempio i transistor e gli amplificatori operazionali), definendo in tal modo un ruolo “passivo nella realizzazione dei sistemi elettronici”. Ma questo ruolo, alla luce dei più o meno recenti sviluppi tecnologici, in particolare quelli legati alla scienza dei materiali, alle nanotecnologie e all’integrazione mista analogico-digitale, è sempre meno “passiva” e tende a svolgere un ruolo determinante nel rendere effettive tecnologie di sistemi elettronici come quelle degli “ultraembedded” e dei “wearable”. I componenti analogici passivi implementano funzionalità elettroniche semplici ma essenziali e determinanti per il funzionamento di dispositivi elettronici anche molto complessi. L’evoluzione dei sistemi embedded in termini di riduzione delle dimensioni e di consumo di potenza elettrica, impone ai componenti passivi di offrire prestazioni funzionali e nuove soluzioni tecnologiche che favoriscano questo trend. Essi rappresentano una importante componente tecnologica dei sistemi elettronici analogici, ma soprattutto dei sistemi digitali. Condensatori, induttori, resistori, sensori, attuatori, ecc. sono componenti che, malgrado siano catalogati come commodities, di fatto svolgono un ruolo fondamentale nel rendere i sistemi effettivi. Questo scenario tecnologico dei componenti analogici passivi sta progressivamente evolvendo nella direzione dell’ ”application specific”. Condensatori e sensori in particolare si stanno caratterizzando funzionalmente e tecnologicamente in questo senso, proprio per soddisfare i sempre più requisiti stringenti di embedding dei sistemi di nuova generazione, ove il consumo di potenza, le dimensioni, il costo e le elevate prestazioni sono fattori determinanti per il successo di un’applicazione. I condensatori svolgono un ruolo determinante nel rendere effettive ed efficaci sia le tecnologie correnti, sia le tecnologie più innovative in conseguenza di funzionalità, caratteristiche e prestazioni sempre più avanzate. I condensatori sono utilizzati praticamente in tutti i sistemi e stanno diventando sempre più determinanti in quei sistemi che oggi rappresentano i principali vettori dell’innovazione tecnologica, come i veicoli ibridi e quelli elettrici, i dispositivi mobili e intelligenti per la comunicazione, le apparecchiature domestiche, i sistemi di risparmio energetico per l’illuminazione. In questo scenario, i condensatori ceramici monolitici rappresentano una fondamentale innovazione soprattutto per la realizzazione di sistemi con elevati requisiti di affidabilità e piccole dimensioni. Anche i sensori hanno un ruolo fondamentale nella funzionalità di sistemi sia analogici, sia digitali. Questi dispositivi, disponibili tradizionalmente solo come semplici trasduttori di grandezze fisiche, ora da semplici componenti passivi si sono trasformati in complessi sottosistemi attivi sia dal punto di vista energetico, sia dal punto di vista funzionale. La maggior parte dei sensori ora integrano anche la componente digitale sia mixed-signal, sia computazionale (sensore intelligente), oltre a quella di front-end analogico (sensore attivo). Questa evoluzione tecnologica dei sensori è anche pilotata dall’evoluzione del mondo della tecnologia dell’informazione e della comunicazione che in questo momento ha in Internet of Things e nei sistemi wearable i principali catalizzatori.

Condensatori, tecnologia in progress
L’innovazione nei condensatori è principalmente rappresentata dai ceramici monolitici. I condensatori ceramici utilizzano il materiale ceramico come dielettrico, alternato a strati, con gli elettrodi realizzati da uno strato metallico. Le caratteristiche del condensatore sono determinate dalla composizione del materiale ceramico, per esempio stabilità e basse perdite, oppure elevata efficienza volumetrica, ecc. Sono passati ormai circa 50 anni da quando è stato inventato il primo condensatore ceramico monolitico. Da quel momento storico come, come è accaduto dopo l’invenzione del transistor, i produttori di condensatori si sono adoperati per ridurne le dimensioni aumentandone allo stesso tempo la capacità, agendo sulla natura del dielettrico, rendendolo più sottile e cercando nuovi materiali. I condensatori ceramici monolitici si sono così sviluppati nel tempo, andando a coprire campi applicativi che facevano riferimento ai condensatori elettrolitici al tantalio e alluminio e quelli a film. Un esempio di innovazione è la riduzione del rumore acustico tipicamente prodotto dai condensatori in conseguenza della vibrazione meccanica generata durante il funzionamento. Nel 2012 Murata ha introdotto la serie ZRA di condensatori monolitici ceramici con soppressione del rumore meccanico da vibrazione. Questa novità ha avuto successivamente un seguito nella serie ZRB di condensatori monolitici ceramici, disponibili in formato Eia 0402 (1.0 x 0.05 mm) Eia EIA 0603 (1.6 x 0.8mm). Questi condensatori innovativi sono stati realizzati in modo da evitare la generazione del rumore audio dovuto alla vibrazione diretta prodotta dal condensatore e indiretta delle vibrazioni trasmesse dal condensatore al Pcb che a sua volta le amplifica. Per ottenere la riduzione del rumore è stato utilizzato un substrato di interposizione che consente l’isolamento meccanico dal Pcb. La serie ZRB ha leggermente migliorato la capacità di soppressione del rumore già offerta dalla serie ZRA. In ogni caso, il livello di soppressione del rumore rispetto ai condensatori che non dispongono di questa funzionalità è rilevante, essendo dell’ordine dei 10-20 dB.

Componenti passivi e sistemi embedded
I componenti passivi, malgrado il nome, hanno un ruolo “attivo” nel determinare il successo di un sistema relativamente a requisiti sia funzionali, sia di mercato. Oltre agli aspetti più strettamente elettronici che consentono al sistema di funzionare in maniera adeguata alla sua natura, vi sono altri aspetti a cui i componenti passivi possono contribuire o addirittura essere determinanti. Per esempio le dimensioni di un sistema dipendono dal livello di integrazione dei componenti, oppure la capacità di immunità rispetto alle interferenze elettromagnetiche dipendono dalla natura dei componenti utilizzati, ecc. Questi aspetti, pur essendo non strettamente attinenti all’aspetto elettronico-funzionale del sistema, di fatto rappresentano un elemento complementare che contribuisce al successo del sistema sia in termini di prestazioni, sia in termini di funzionalità globale. I sistemi embedded rappresentano un contesto di sfida tecnologica molto importante per i componenti passivi. Il mobile phone è probabilmente la piattaforma più emblematica essendo un sistema molto complesso in cui concorrono alla sua funzionalità diversi sottosistemi di varia natura, digitali, analogici e misti. I condensatori, tra i vari componenti passivi del sistema, hanno un impatto di primo piano (in particolare i condensatori ceramici monolitici), ma la presenza di componenti passivi è comunque globale (resistori, induttori, bead, sensori, attuatori, ecc.). L’innovazione tecnologia dei componenti passivi è un piccolo contributo all’innovazione globale dei sistemi dato il notevole impatto quantitativo di questi componenti nell’intero sistema embedded. Nuove soluzioni tecnologie di processo da una parte e l’implementazione di tecnologie di packaging innovative consentono ai componenti passivi di svolgere un determinante ruolo attivo per l’innovazione tecnologica dei sistemi di attuale, ma soprattutto di futura generazione, per esempio i sistemi indossabili. Molto ricorrenti, soprattutto negli smartphone e i sistemi audio/visuali, sono i chip bead, componenti passivi che consentono di eliminare il rumore elettromagnetico utilizzando le caratteristiche del materiale ferritico. Samsung realizza questo componente a sottile film multilayer in versione monolitica e applicabile a varie bande di rumore, per linee di segnale base, di potenza (-3A e -6A) e di segnale ad alta frequenza (GHz).

Elevata capacità, piccole dimensioni, alta resistenza alla tensione
Capacità e piccole dimensioni sono due fattori funzionali dei condensatori che sono continuo obiettivo di ottimizzazione soprattutto se tali dispositivi sono destinati ai sistemi embedded e ultra embedded di ultima generazione. Inoltre, l’elevata resistenza alla tensione elettrica consente di affrontare nuove applicazioni ove sono in gioco elevate tensioni applicative. Kyocera ha sviluppato un multi-layer ceramic capacitor con capacità di 4.7 microFarad e 100 V di tensione in una dimensione estremamente ridotta (1206 size, 3.2×1.6×1.6mm, 30% più piccolo del formato 1210) e capace di operare fino a 125 °C. Questo risultato è stato ottenuto tramite l’esaltazione delle proprietà dielettriche dei materiali. Il formato Mlcc consente di ottenere piccole dimensioni e lunga durata rispetto alle altre tipologie di condensatori. L’alta capacità comunque comporta difficoltà tecnologiche notevoli, in quanto le proprietà del dielettrico e la resistenza di isolamento tendono a degradarsi con l’elevata tensione. La soluzione a questo problema correntemente viene trovata nei condensatori elettrolitici all’alluminio, in cui però le dimensioni non sono un fattore premiante, come invece è auspicato in ambito industriale. La soluzione di Kyocera senza dubbio soddisfa questa esigenza grazie all’utilizzo di tecnologie dei materiali che hanno comportato la riduzione delle dimensioni delle particelle nel dielettrico di circa il 20% rispetto al normale dielettrico e l’uniformità della composizione del materiale. La soluzione Mlcc, oltre a comportare una bassa Esr, comporta anche resistenza ai ripple in bande frequenziali anche superiori alle dozzine di kHz, non ottenibili per i condensatori elettrolitici all’alluminio. Ciò consente al condensatore di limitare la generazione di calore e la fluttuazione della tensione.

Assorbitori di radiofrequenze
Un aspetto molto importante dei sistemi è l’interferenza elettromagnetica e di conseguenza la minimizzazione di questo effetto è un obiettivo molto importante. Un esempio interessante di questa tecnologia sono gli EF Series Flex Suppressor di Kemet. Si tratta di fogli che risultano molto efficaci nel sopprimere l’effetto di rumore ad frequenza generato dai dispositivi elettronici. Questi fogli flessibili sono di materiale polimerico mischiato a polvere magnetica di dimensioni microniche. Questi risultano altamente efficaci nella soppressione di risonanze e di onde elettromagnetiche. La capacità di soppressione in termini frequenziali arriva alle microonde sia all’interno che all’esterno del sistema, quindi risulta particolarmente utile in dispositivi di comunicazione mobile e in dispositivi di computing personale di ultima generazione, ove le frequenze di clock sono particolarmente elevate (diversi gigaHertz). L’effetto delle onde trasmesse può essere minimizzato, ma molte delle onde che arrivano vengono riflesse, causando interferenze interne. Le correnti ad alta frequenza si sviluppano sulle superfici dei materiali generando rumore nei punti di giunzione degli schermi, nei punti di apertura del metallo e negli altri punti ove il collegamento a massa è debole. La riflessione viene eliminata attraverso un processo di assorbimento che trasforma l’energia elettromagnetica in calore.

Condensatori sicuri
La sicurezza nei componenti passivi, in particolare i condensatori, in molte applicazioni può essere un fattore critico. Per esempio un condensatore può essere suscettibile di un guasto che porta a deterioramento funzionale del sistema. Panasonic ha recentemente realizzato la serie di condensatori EZT TYPE 1, un Metalized Polypropylene DC Link Film Capacitor con una funzione fuse per applicazioni DC Linkage. Il EZT-Type1 è un condensatore tipo metalized polypropylene film capacitor che integra una funzione di fuse che consente a questo dispositivo di aprirsi in maniera sicura in caso di malfunzionamento. Grazie all’uso di materiali proprietari per gli elettrodi capaci di conferire a questi condensatori prestazioni molto avanzate in condizioni di alta tensione ed elevata corrente. Il contenitore è un UL94 V-0 equivalente PPS e un UL9494 HB equivalente Epoxy Resin Sealing, cioè incapsulamenti tali da garantire le prestazioni anche in condizioni di elevato calore e di umidità.

L’importanza del packaging
Il livello di integrazione è uno degli aspetti più critici del successo dei sistemi embedded. A tale successo contribuiscono i circuiti integrati ad elevato grado di integrazione, ma un altro importante fattore di integrazione sta anche nella natura del packaging dei componenti passivi che un circuito ad elevata integrazione richiede al contorno. Il packaging sotto forma di array, per esempio, rappresenta un fattore significativo di riduzione delle dimensioni e dei costi dei sistemi embedded. Samsung offre in un singolo package ad array di quattro condensatori ceramici multy layer, consentendo in tal modo di ottenere una elevata densità di montaggio. Infatti, alla ridotta dimensione offerta dai condensatori Mlcc si combina anche quella del packaging ad array, offrendo in tal modo un’importante opportunità per ottenere in maniera effettiva sistemi embedded di ridottissime dimensioni.

Tip ‘N Ring per risparmiare spazio
Gli Mlcc offrono innumerevoli esempi di ottimizzazione delle specifiche implementative dei sistemi. Un esempio è il Tip ‘N Ring di Vishay, un Mlcc pensato appositamente per ottimizzare in termini di spazio la realizzazione di sistemi di comunicazione. Questo Mlcc serve per il filtraggio della linea telefonica (tip and ring) offrendo un’alternativa di natura montaggio superficiale alle soluzioni tradizionali molto più ingombranti. Questo dispositivo è disponibile in format 1812, 1825 e 2225 per il montaggio superficiale rendendo disponibili 19 capacità standard, da 0.033 microFarad a 1 microFarad (250 e 300 V dc). Questi dispositivi, oltre a ottimizzare lo spazio, offrono una maggiore banda operativa e ottime prestazioni di filtraggio delle alte frequenze. I dispositivi VJ9427, VJ9174 e VJ9253 si caratterizzano per un dielettrico X7R con un temperature coefficient of capacitance di ±15% da -55°C a +125°C. Il VJ9186 si caratterizza per un dielettrico Z5U con TCC di +22%/-56% da +10°C a +85°C.

Un sensore molto intelligente
I sensori, insieme agli attuatori, sono componenti passivi che grazie all’elettronica digitale possono diventare componenti “intelligenti” e in tal modo rappresentare “attivamente” un ulteriore elemento di innovazione dell’elettronica. I sensori sono dispositivi che permettono di trasformare una grandezza fisica in un’altra grandezza fisica (normalmente elettronica). Questa funzionalità è senza dubbio passiva e quindi annovera i sensori tra i componenti passivi, ma data la natura strettamente legata all’elaborazione dell’informazione, i sensori possono diventare “intelligenti” e quindi svolgere un ruolo “attivo” nella realizzazione dei sistemi, soprattutto quelli innovativi. Un esempio emblematico di questa innovazione nel campo dei sensori è il dispositivo AS3935 di ams (Franklin Lightning Sensor). I fulmini producono impulsi elettromagnetici di elevata intensità che, come tali, possono essere intercettati da un’antenna (sensore passivo). Il ruolo attivo del sensore AS3935 sta nella sua capacità non solo di rilevare ma anche di identificare e mappare il fulmine (in un raggio di 40 km) in maniera effettiva (discriminandolo rispetto ai “rumori” elettromagnetici). Quindi, tale dispositivo, classificato come sensore, di fatto va oltre la semplice trasduzione e fornisce l’informazione di segnale esplicita e non semplicemente il segnale da cui estrarre l’informazione. Il chip AS3935 non solo dispone di un analog front-end che consente di gestire il segnale di antenna, ma anche l’esecuzione di algoritmi di signal processing che consentono di rigettare i rumori a favore dell’effettivo segnale che proviene dall’attività temporalesca che produce i fulmini. Grazie a questo approccio al sensing è possibile affrontare con successo le problematiche di sensing ultraembedded e wearable che stanno caratterizzando innovazioni tecnologiche come Internetof Things e Internet of Everythings.

Un attuatore molto sottile
Gli attuatori sono componenti passivi che hanno nella componente dimensione uno dei maggiori fattori di limitazione applicativa e che in tal modo condizionano la fattibilità di determinate applicazioni che a livello sensoriale sono estremamente miniaturizzate, ma a livello attuativo sono scarsamente miniaturizzabili. Un caso emblematico sono gli altoparlanti. Smart Sonic Sound di Kyocera rappresenta un passo avanti nel campo degli attuatori audio (altoparlanti), dal punto di vista dello spessore e del peso (fino a 0,7 mm di spessore e 1 grammo di peso). È una combinazione di un film speciale con un attuatore piezoelettrico che implementa la funzionalità di un altoparlante. La qualità audio è elevata data la capacità di diffusione omogenea a 180° e una larghezza di banda significativamente ampia (200-20000 Hz). Il fattore di riduzione dimensionale è notevole rispetto agli attuatori elettromagnetici (da 1/20 a 1/30), soprattutto in termini di spessore, fattore questo particolarmente importante in quanto i sistemi embedded privilegiano soprattutto la riduzione di questo aspetto dimensionale.

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