I progressi nel settore dei semiconduttori per applicazioni automobilistiche hanno oscurato le evoluzioni fatte registrare negli ultimi anni dai componenti ceramici. Componenti discreti e moduli basati su tecnologie ceramiche sono ora ampiamente utilizzati negli organi di trasmissione, nei sistemi destinati al comfort dei passeggeri e del guidatore, nei circuiti di sicurezza e nelle apparecchiature di infotainment e anche in applicazioni emergenti, come ad esempio gli attuatori ceramici per sistemi di iniezione del carburante.
La diffusione dei condensatori ceramici monolitici
Nonostante i notevoli progressi compiuti nel settore dei condensatori elettrolitici e a film plastico, i condensatori ceramici multistrato sono di gran lunga i dispositivi più diffusi nelle applicazioni automobilistiche. L'evoluzione nel campo della tecnologia dei materiali ha consentito lo sviluppo di condensatori più piccoli e di componenti caratterizzati da un valore di capacità più elevato a parità di dimensioni. Maggiore è la costante dielettrica del materiale isolante ceramico utilizzato tra le armature del condensatore, maggiore sarà la capacità a parità di area dell'armatura e distanza tra le armature. Il "mix" di materiali ceramici determina la costante dielettrica. I materiali con una costante dielettrica maggiore evidenziano caratteristiche in temperatura meno stabili rispetto a quelli con un basso valore di costante dielettrica anche se, per un determinato volume, è possibile ottenere valori più elevati di capacità: la scelta del dielettrico è dunque frutto di un compromesso. Inoltre, più stabile è il dielettrico, maggiore sarà il costo del condensatore anche perché, per un determinato valore, è richiesto l'impiego di più materiale. Se da un lato gli strati dielettrici più sottili, permettono di incrementare la capacità a parità di area dell'armatura e tipologia di dielettrico, dall'altro sono in grado di resistere a tensioni di rottura inferiori. I recenti sensibili incrementi dei valori di capacità ottenuti a parità di dimensione dei componenti sono imputabili a due fattori: miglioramento nella formulazione dei materiali ceramici e crescente diffusione dei condensatori a bassa tensione, ovvero caratterizzati da valori nominali che scendono fino a 4 Vcc., complice la costante diminuzione delle tensioni di funzionamento dei dispositivi a semiconduttore. Le più comuni tipologie di dielettrici utilizzati nei condensatori per uso automobilistico sono quelli con caratteristiche in temperatura Cog (classe 1) e X7R (classe 2). Tra questi, i componenti con dielettrico X7R rappresentano circa l'80% del totale e vengono ampiamente utilizzati in applicazioni di accoppiamento, disaccoppiamento e filtraggio. I condensatori con dielettrico Cog sono componenti caratterizzati da un elevato livello di stabilità e vengono utilizzati per la compensazione in temperatura e nei circuiti di filtraggio, temporizzazione e regolazione laddove sono previste tolleranze molto accurate. I componenti con dielettrico X7R, di solito specificati con tolleranze iniziali di (10 o (20% garantiscono un funzionamento ragionevolmente stabile fino a 125 °C in applicazioni di accoppiamento, disaccoppiamento e filtraggio. Vista la disponibilità di condensatori con valori di capacità fino a 47 µF, i componenti ceramici monolitici possono ora essere utilizzati in applicazioni fino a pochi anni fa ad appannaggio esclusivo di condensatori elettrolitici a base di tantalio o alluminio. Tra i principali vantaggi dei condensatori ceramici si possono annoverare compattezza dimensionale, facilità di montaggio con apparecchiature automatiche e assenza di polarizzazione. Il rapporto tra impedenza ed Esr permette l'uso di questi componenti anche in presenza delle frequenze più elevate a cui operano i circuiti elettronici impiegati in campo automobilistico. In un prossimo futuro saranno disponibili condensatori con capacità fino a 100 µF: studi condotti da Murata hanno evidenziato la possibilità di sviluppare condensatori ceramici monolitici di capacità più elevata attraverso un'evoluzione della tecnologia dei materiali finalizzata alla riduzione dello spessore degli strati del dielettrico.
Risonatori ceramici in sostituzione dei quarzi
Una delle tendenze più significative nel settore della progettazione prevede la sostituzione dei cristalli con risonatori ceramici. Ciò è imputabile alla migliore stabilità dei risonatori ceramici che oggigiorno vengono impiegati come generatori di clock per le reti automotive che adottano il bus Can. I ricevitori per sistemi Rke (Remote Keyless Entry), che richiedono oscillatori ad avviamento veloce per aumentare la durata della batteria, rappresentano un'altra interessante applicazione per questi prodotti. I risonatori miniaturizzati ceramici sono disponibili anche in formato 1206, le cui dimensioni sono di appena 3,2 x 1,2 mm, ovvero circa la metà di quelle di analoghi dispositivi al quarzo, rispetto ai quali possono anche vantare un prezzo decisamente inferiore. Non va comunque dimenticato il fatto che tutti i risonatori ceramici incorporano due condensatori necessari per integrare un oscillatore Colpitts o Pierce, con conseguente risparmio di costi e riduzione del numero di componenti richiesto.
In un'automobile di fascia alta sono presenti all'incirca 70 unità di controllo elettroniche e fino a 35 risonatori, per cui ogni risparmio su un singolo componente viene moltiplicato per il numero di componenti richiesti. Da qui il crescente interesse verso i risonatori ceramici. I componenti più richiesti sono quelli che operano a una frequenza di circa 10 MHz e le caratteristiche di stabilità dei più recenti dispositivi li rendono particolarmente adatti per applicazioni di temporizzazione di reti a quella frequenza. La tolleranza totale viene definita come la somma tra la tolleranza iniziale, la variazione di frequenza sull'intervallo della temperatura operativa e quella imputabile all'invecchiamento. In talune applicazioni questi componenti possono essere utilizzati per frequenze di clock fino a 16 MHz e i produttori prevedono di poter sviluppare, entro i prossimi due anni, risonatori con tolleranza di 1000 ppm e idonei all'uso in applicazioni fino a 20 MHz. Al momento attuale, le applicazioni a più elevata frequenza rappresentano una percentuale compresa tra il 10 e il 15% del totale delle applicazioni in campo automobilistico.
Spesso è stato affermato che i componenti ceramici sono caratterizzati da un valore di jitter più elevato rispetto a quello dei cristalli al quarzo. Si tratta di un elemento molto importante poiché le architetture basate sul bus Can sono particolarmente sensibili al fenomeno dello jitter: la massima tolleranza in frequenza ammessa è infatti compresa tra (10 e (15%. In realtà, le ricerche condotte hanno evidenziato il jitter sul breve termine (jitter del periodo) è quasi identico per entrambi i tipi di risonatori e pari a circa 10 ppm a 8 MHz. Anche il jitter sul lungo termine è simile per le due tipologie di prodotti.
Nel caso dei sistemi Rke, il tempo di avviamento (start-up time) dell'oscillatore è un parametro che assume una particolare importanza e in questo caso i risonatori ceramici garantiscono un ulteriore vantaggio rispetti ai cristalli. Il tempo di avviamento è definito come il tempo richiesto perché l'oscillazione raggiunga la massima ampiezza nel dispositivo dopo l'applicazione della tensione di pilotaggio iniziale. Alimentati dalla batteria dell'automobile, i ricevitori Rke effettuano un'interrogazione per verificare se è stata inviata la richiesta da parte del dispositivo che contiene il meccanismo di autenticazione: questa operazione viene fatta in maniera intermittente per ridurre i consumi. La disponibilità di potenza della batteria di un'automobile può sembrare più che sufficiente per soddisfare la richiesta di energia da parte dei ricevitori, ma non va dimenticato il fatto che l'operazione di interrogazione si verifica frequentemente e la macchina può rimanere ferma per settimane, per cui l'assorbimento di potenza dalla batteria può diventare significativo. Quindi è importante che ogni operazione di interrogazione sia completata nel modo più rapido possibile: da qui il ricorso a risonatori ad avviamento veloce. La maggior parte degli amplificatori presenti in un ricevitore possono essere azionati in maniera relativamente rapida, ma fino a non molto tempo fa il maggiore ostacolo era rappresentato dal tempo di avviamento dei cristalli. Per questo motivo sono stati sviluppati risonatori ceramici caratterizzati da tempi di avvio dieci volte inferiori rispetto ai risonatori a cristalli. Recenti test hanno evidenziato che un oscillatore a cristalli è caratterizzato da tempi di avviamento di circa 0,78 ms, di gran lunga superiori rispetto ai 0,04 ms di un analogo componente ceramico.
Attuatori piezo-elettrici per ridurre le emissioni
Tutti costruttori di automobili devono affrontare il problema di realizzare veicoli conformi alle sempre più severe normative che regolano le emissioni (in particolar modo quelle di anidride carbonica) e sempre più parchi nei consumi, aspetto questo particolarmente importante per gli automobilisti. Nelle macchine a gasolio e a benzina, gli attuatori piezo-elettrici o elettromagnetici azionano gli spilli nelle valvole dell'iniettore. Gli attuatori di tipo piezoelettrico sono divenuti molto popolari in quanto capaci di assicurare un controllo più veloce ed accurato dell'iniezione del carburante: inoltre risultano più semplici da programmare da parte della Ecu (Engine Control Unit). Grazie all'impiego di tali dispositivi, è possibile realizzare motori diesel più silenziosi, con detonazione ridotta, mentre test recenti hanno evidenziato che nei motori a benzina è possibile ottenere una potenza superiore in misura pari al 15-20% a fronte di una diminuzione del 10-15% dei consumi. I miglioramenti ottenuti nelle macchine a benzina sono dovuti al fatto che l'iniettore azionato in maniera piezoelettrica è posizionato tra le valvole e la candela e il carburante e l'aria vengono miscelati direttamente nella camera di combustione, eliminando in tal modo il ricorso a un flusso controllato separatamente di aria e combustibile all'esterno della camera. Un iniettore di carburante con azionamento piezoelettrico adotta una costruzione a strati (stacked) che prevede un numero compreso tra 300 e 400 di fogli ceramici molto sottili sinterizzati insieme. Una tensione compresa tra 100 e 200 Vcc, applicato a un attuatore piezoelettrico di lunghezza pari a 30 mm, produrrà un movimento fisico di circa 40 (m, sufficiente per soddisfare le esigenze degli odierni veicoli in un formato estremamente compatto.
Substrati Ltcc per l'elettronica nella scatola del cambio
Package e substrati Ltcc (Low temperature co-fired ceramics) sono diventati la tecnologia di riferimento per i dispositivi passivi integrati all'interno di circuiti conduttivi a basse perdite. Nelle applicazioni automobilistiche dove sono previste temperature estremamente elevate, come ad esempio nelle scatole del cambio, non è possibile ricorrere alle tradizionali schede a circuito stampo e ai classici giunti di saldatura. Le temperature, infatti, superano i 150 °C. I circuiti Ltcc garantiscono numerosi vantaggi in termini di elevata densità di packaging, ridotte perdite dielettriche, maggior controllo delle proprietà dielettriche e livelli di affidabilità più elevati. I semiconduttori "nudi" (bare die) sono integrati all'interno di un substrato ceramico multistrato, mentre i resistori sono stampati sul substrato e i componenti Smd (a montaggio superficiale) sono fissati sulla parte superiore. La riduzione a livello di dimensioni circuitali è sensibile rispetto alle tradizionali schede a circuito stampato. I dispositivi Ltcc possono garantire dimensioni inferiori fino al 95%, il che comporta una riduzione delle interconnessioni, delle capacità distribuite e delle induttanze indesiderate. In presenza di frequenze più elevate, è possibile stampare condensatori e induttori all'interno degli strati del substrato, facilitando l'uso dei componenti Ltcc sia nei circuiti a radiofrequenza sia nella catena di trasmissione di potenza dell'automobile.
Negli ultimi anni sono stati compiuti notevoli progressi finalizzati al miglioramento della precisione dimensionale dei substrati Ltcc, un compito questo senza dubbio impegnativo se si tiene conto del fatto che le ceramiche in allumina devono essere cotte a una temperatura di circa 1.500 °C, valore superiore a quello del punto di fusione dei conduttori in argento e rame. Materiali Ltcc a basso restringimento sono ora disponibili da alcuni produttori.
Nelle applicazioni automobilistiche, questi circuiti sono di tipo custom. I clienti sviluppano il circuito elettronico e trasferiscono il progetto a un produttore di Ltcc: per Murata, i primi campioni vengono inviati al clienti nell'arco di 3 o 4 settimane.
Altri componenti ceramici per applicazioni automobilistiche
I componenti ceramici possono essere utilizzati in numerose altre applicazioni in campo automobilistico. I filtri Emi vengono impiegati in quasi ogni tipo di circuito e stanno iniziando a ricoprire un ruolo sempre più importante in considerazione del fatto che, in ambito automobilistico, il numero di circuiti di commutazione ad alta frequenza e di segnali RF è in rapido aumento. Per rilevare fenomeni di sovrariscaldamento si fa ricorso a termistori di tipo Ntc (Negative Temperature Coefficient). I sensori ultrasonici a base ceramica rappresentano la base di numerosi sistemi di parcheggio automatico, mentre i filtri Saw (Surface acustic wave) trovano largo impiego in sistema di vario tipo, come apertura senza chiavi, Abs, controllo degli specchietti e dei sedili, monitoraggio della pressione dei pneumatici. Per i sistemi Abs e Tmps (Tire pressure monitoring systems) vengono utilizzati sensori di urto ceramici. I substrati ceramici costituiscono inoltre la base di filtri a microonde e moduli wireless completi per sistemi Bluetooth, WiFi e Gps. Anche se le riduzioni in termini di costi e dimensioni non sono così spinte come quelle che si registrano nell'industria dei semiconduttori, l'evoluzione in atto nel settore dei materiali ceramici continua a favorire la diminuzione di costi e dimensioni dei componenti a base ceramica, a fronte di un costante miglioramento delle loro prestazioni fisiche ed elettriche.
