L’evoluzione tecnologica è anche nei passivi

COMPONENTI PASSIVI –

Condensatori, resistori e induttori continuano a giocare un ruolo fondamentale in tutti i sistemi elettronici e si stanno continuamente rinnovando per tenere il passo con i progressi della microelettronica. Miniaturizzazione e riduzione delle impedenze parassite sono due tra i temi più caldi.

L'enfasi posta sui continui progressi della microelettronica può indurre a sottovalutare l'importanza dei componenti passivi. In realtà condensatori, resistori e induttori continuano a giocare un ruolo fondamentale in tutti i sistemi elettronici e incidono sensibilmente sugli ingombri e sui costi dei prodotti finiti. Secondo una stima diffusa dal Fraunhofer Institute, ad esempio, in un moderno telefono cellulare i componenti passivi richiedono il 30% dei punti di saldatura, il 40% dell'area della scheda e fino al 90% del tempo di posizionamento in fase di assemblaggio. Questi numeri non stupiscono se si considera che l'aumento del livello di integrazione nel silicio è stato utilizzato prevalentemente per aumentare la complessità dei sistemi: un “telefono cellulare”, ad esempio, è oggi in realtà un insieme di funzioni comprendente un telefono, una fotocamera e molti altri blocchi. La maggiore complessità dei sistemi comporta una struttura di alimentazione più articolata e quindi un maggiore impiego di componenti passivi. Condensatori, resistori e induttori sono inoltre chiamati a tenere il passo con i progressi delle tecnologie microelettroniche, che altrimenti non potrebbero essere sfruttati. L'aspetto più evidente di questa necessità riguarda la miniaturizzazione: a poco servirebbe stipare in un chip centinaia di milioni di transistor se le dimensioni del sistema fossero determinate da voluminosi condensatori e induttori. Esiste tuttavia anche un altro aspetto, non meno importante: alimentare i moderni microprocessori è un compito sempre più difficile, poiché le correnti in gioco sono caratterizzate da valori relativamente alti (a causa della diminuzione delle tensioni di alimentazione) e da variazioni estremamente brusche (per effetto delle alte frequenze di clock). Queste condizioni richiedono un aumento della “qualità” (in senso lato) dei componenti passivi. In questo articoli forniremo una breve panoramica di alcuni degli sviluppi tecnologici riguardanti i condensatori, i resistori e gli induttori rivolti alle applicazioni tipiche dell'elettronica.

Le direzioni dell'evoluzione

Nell'evoluzione tecnologica dei componenti passivi si possono oggi individuare sei principali direzioni.

- Aumento dell'efficienza volumetrica - La miniaturizzazione richiede di “fare le stesse cose” occupando meno spazio. Nel caso di condensatori e induttori l'efficienza volumetrica è riferita rispettivamente ai valori di capacità e di induttanza, mentre nel caso dei resistori il parametro più importante da questo punto di vista è la massima potenza dissipabile (ovviamente la realizzazione di alti valori di resistenza non comporta problemi dal punto di vista dello spazio occupato). L'aumento dell'efficienza volumetrica non riguarda solo il componente in sé ma anche il suo contenitore. Un particolare aspetto della tendenza verso la miniaturizzazione è rappresentato dall'integrazione di più componenti passivi in un unico dispositivo.

- Riduzione delle impedenze parassite - Con l'espressione “impedenze parassite” intendiamo qui le componenti “indesiderate” che fanno parte dell'impedenza di un componente passivo. Un condensatore - ad esempio - dovrebbe presentare unicamente una reattanza capacitiva, mentre in realtà possiede anche una resistenza e una reattanza induttiva. Analogamente, i resistori reali sono affetti da un certo valore di reattanza induttiva e gli induttori presentano anche resistenza e reattanza capacitiva. Per tenere il passo con i progressi della microelettronica è necessario che le impedenze parassite siano ridotte il più possibile.

- Miglioramento delle prestazioni - A tutti i dispositivi passivi è richiesto un miglioramento delle “prestazioni” in senso lato: maggiore stabilità in funzione della temperatura, maggiore precisione (tolleranze più piccole), aumento dei valori riguardanti i parametri che limitano le condizioni applicative (ad esempio la massima tensione per i condensatori, la massima corrente per gli induttori, la massima temperatura di funzionamento ecc.).

- Maggiore robustezza ai fini dell'assemblaggio - I moderni processi di assemblaggio Smt sottopongono i componenti a notevoli sollecitazioni meccaniche. Le sollecitazioni termiche dovute alla saldatura, inoltre, sono recentemente aumentate a causa della messa al bando del piombo, che ha comportato l'adozione di leghe saldanti caratterizzate da temperature di fusione più alte. I componenti passivi devono ovviamente essere in grado di superare senza danni il processo di assemblaggio della scheda.

- Adozione di materiali alternativi - In alcuni casi l'evoluzione dei componenti passivi è influenzata anche dalla disponibilità o dal prezzo di particolari sostanze. Se i materiali comunemente utilizzati per la fabbricazione dei componenti scarseggiano o divengono molto costosi, può essere necessario sviluppare nuove soluzioni basate su materiali diversi.

- Aumento della sicurezza - Questa tendenza è osservabile soprattutto nel caso dei condensatori, che in caso di malfunzionamento possono divenire potenzialmente pericolosi provocando scoppi o incendi. In molte applicazioni, pertanto, ai condensatori è oggi richiesto di essere ininfiammabili.

L'evoluzione in queste sei direzioni è resa possibile da attività di ricerca e sviluppo (in campo accademico e industriale) svolte a tre livelli: lo studio di nuovi materiali, l'ideazione di nuove architetture, la messa a punto di nuovi processi produttivi.

L'evoluzione dei condensatori

I condensatori sono probabilmente i componenti passivi che manifestano la maggiore vivacità dal punto di vista dell'evoluzione tecnologica. Questo primato si deve anche al fatto che, da sempre, per la loro fabbricazione vengono utilizzati molti materiali diversi.

- Più carica elettrica a parità di volume - Nel caso dei condensatori al tantalio, ad esempio, uno dei modi per aumentare l'efficienza volumetrica consiste nella polverizzazione sempre più fine del materiale. L'aumento del numero di granuli accresce la superficie disponibile per immagazzinare carica elettrica a parità di volume. Un'altra possibilità consiste nella messa a punto di materiali isolanti caratterizzati da una costante dielettrica più alta, come nuovi tipi di ceramiche o nuovi composti basati sulle nanotecnologie. Ricerche condotte presso il Georgia Institute of Technology, ad esempio, hanno portato alla sperimentazione di un materiale che impiega nanoparticelle di titanato di bario, ad alto valore di K, inserite in una matrice polimerica (policarbonato). In questo modo è possibile conciliare l'alta costante dielettrica con la possibilità di raggiungere valori di tensione molto elevati. Kemet sta invece sperimentando soluzioni che si propongono di combinare i vantaggi dei condensatori ceramici multistrato con quelli dei dispositivi a elettrolita solido. In tutti i casi, l'aumento dell'efficienza volumetrica complessiva viene perseguito anche tramite nuove architetture del contenitore che consentono di risparmiare spazio.

- Riduzione della resistenza parassita tramite polimeri conduttivi - La necessità di ridurre la “resistenza equivalente serie” (Esr) dei condensatori deriva principalmente dalla riduzione delle tensioni di alimentazione dei microprocessori. Nonostante gli sforzi volti al contenimento dei consumi, infatti, in linea di massima il passaggio a tensioni di alimentazione sempre più basse non è stato accompagnato da un proporzionale calo della dissipazione di potenza, con l'ovvia conseguenza di un aumento dell'assorbimento di corrente. Nei circuiti di alimentazione dei microprocessori ciò ha comportato un aumento delle cadute di tensione dovute alla Esr dei condensatori e quindi una maggiore ampiezza del ripple di tensione. Per riportare il ripple a valori accettabili, occorrono condensatori dotati di bassa Esr. Questo parametro dipende principalmente dalla resistenza degli elettrodi e quindi dalla conduttività del materiale utilizzato per fabbricarli. In molti tipi di condensatori (elettrolitici all'alluminio, al tantalio e al niobio) la riduzione della Esr è stata ottenuta utilizzando polimeri conduttivi per la costruzione degli elettrodi, al posto di materiali tradizionali caratterizzati da minore conduttività. La Esr può essere ridotta anche tramite particolari accorgimenti a livello di architettura del dispositivo, ad esempio - nel caso dei condensatori al tantalio - tramite la struttura multianodo che mette in parallelo le resistenze di più anodi abbassando il loro valore complessivo.

- Nuove architetture per ridurre l'induttanza parassita - La necessità di diminuire i valori dell'induttanza equivalente serie (ESL) si lega all'aumento delle frequenze di clock: i processori funzionano più velocemente e quindi le variazioni di corrente sulle loro linee di alimentazione sono più brusche (fino a 0,3 Ampere in un nanosecondo, stando ad alcune stime). In queste condizioni la reattanza induttiva dei condensatori non può più essere trascurata: a 0,3 A per nanosecondo, infatti, un'induttanza parassita di soli 100 picoHenry può provocare un picco di 30 milliVolt, un valore significativo se rapportato a tensioni di alimentazione sempre più basse. La riduzione della Esl viene perseguita principalmente a livello di architettura del dispositivo, poiché dipende dalla forma fisica del condensatore - in primo luogo dalle dimensioni dell'anello che il segnale percorre entrando e uscendo dai terminali. Avx, ad esempio, per i propri condensatori Low Inductance Capacitor Array e Land Grid Array ha ideato geometrie particolari che consentono di ridurre le dimensioni del singolo anello. Ha inoltre realizzato una struttura multistrato che alterna anelli di polarità diversa (con versi di scorrimento della corrente opposti), allo scopo di ottenere un annullamento reciproco delle relative induttanze.

- Nuovi materiali per temperature più alte - L'aumento della massima temperatura di funzionamento è richiesto, ad esempio, dalle applicazioni automobilistiche. L'evoluzione in questo caso si basa essenzialmente sulla studio di nuovi materiali che consentano di conciliare buona stabilità e buona efficienza volumetrica, poiché di solito i dielettrici che resistono a temperature elevate comportano la realizzazione di condensatori voluminosi.

- Architetture a prova di assemblaggio - Nel caso dei rigidissimi condensatori ceramici multistrato, ad esempio, sono state messe a punto varie soluzioni per evitare le rotture dovute alle flessioni del circuito stampato o almeno per limitare i danni che ne conseguono a livello di sistema. La soluzione individuata da Murata consiste nell'impiego di speciali resine conduttive poste tra il corpo del condensatore e gli elettrodi, resine che con la loro elasticità consentono di assorbire lo stress meccanico e quindi di evitare la rottura degli strati ceramici. Kemet ha invece messo a punto particolari architetture che in caso di rottura evitano la creazione di cortocircuiti. Si tratta di tre soluzioni diverse per condensatori Mlcc di capacità bassa, media e alta. Vale la pena citare, infine, un'innovazione che potrebbe essere utilizzata per diminuire lo stress termico a cui i condensatori sono sottoposti nel corso della saldatura: Reactive Nano Technologies ha sviluppato uno speciale nanomateriale che sottoposto a tensione elettrica raggiunge alte temperature per tempi molto brevi. Collocato in forma di lamina tra il Pcb e il terminale del condensatore, questo materiale potrà essere usato per effettuare la saldatura senza surriscaldare il corpo del componente.

- Niobio al posto del tantalio - Lo sviluppo dei condensatori al niobio si deve alle difficoltà di approvvigionamento del tantalio verificatesi nel 2000. Niobio e tantalio possiedono caratteristiche molto simili - appartengono infatti allo stesso gruppo nella tavola periodica degli elementi - ma il primo è molto più abbondante in natura. Il composto utilizzato per la realizzazione dei condensatori è l'ossido di niobio (Nb2O5). Le difficoltà nell'approvvigionamento del tantalio non sono terminate; è recente la notizia della chiusura della principale miniera di tantalite in Australia.

- Minore infiammabiltà - I condensatori all'ossido di niobio si sono affermati anche per i loro vantaggi, tra cui la bassa infiammabilità. Anche l'adozione dei polimeri conduttivi per la realizzazione degli elettrodi ha contribuito a ridurre l'infiammabilità dei componenti: nel caso dei condensatori al tantalio, ad esempio, questi materiali hanno sostituito l'ossido di manganese, più infiammabile a causa del suo contenuto di ossigeno.

L'evoluzione dei resistori

Numerose anche le innovazioni introdotte recentemente nel campo dei resistori, sebbene l'evoluzione di questi componenti non sia così vivace come quella dei condensatori.

- Più potenza negli stessi contenitori - Nel caso dei resistori, l'aumento dell'efficienza volumetrica è riferito alla massima potenza dissipabile e può essere ottenuto solo migliorando le proprietà di dispersione del calore, a parità di dimensioni del contenitore. Le innovazioni, pertanto, riguardano sia il resistore in quanto tale (che deve generare calore in modo uniforme) sia il contenitore (che deve favorire la dissipazione sulla sua intera superficie e in tutte le direzioni, in modo da evitare il surriscaldamento della scheda Pcb). Tramite l'uso di leghe speciali, particolari tecniche di saldatura e un processo di stabilizzazione, Stackpole Electronics, ad esempio, ha realizzato resistori a filo avvolto in contenitore Smt che raggiungono una dissipazione massima di 3, 4 o anche 5 W nel contenitore standard 4730, che era stato ideato inizialmente per una dissipazione di 2 W. Sempre nel campo dei resistori a filo avvolto - ma in contenitore assiale through hole - un progresso analogo è stato ottenuto da Welwyn, società del gruppo TT electronics, che ha portato a 4 Watt la massima dissipazione di un contenitore concepito per un massimo di 3 W. Ciò è stato ottenuto grazie a un materiale ad alta conduttività termica che rende più uniforme la distribuzione del calore. La differenza tra le dimensioni dei contenitori da 3 e da 4 W è notevole. Nel campo dei resistori a film spesso, invece, Stackpole ha realizzato un componente Smt che raggiunge una dissipazione di 12 W. Questo valore è stato ottenuto grazie a un particolare contenitore di alluminio che consente di dissipare il calore in tutte le direzioni. Nei tradizionali contenitori Smt, invece, il calore viene trasmesso al Pcb per mezzo dei terminali, il che può provocare un riscaldamento eccessivo della scheda. Un altro esempio riguardante il miglioramento della dissipazione giunge da Welwyn, che ha realizzato un particolare resistore a film spesso in cui la corrente scorre su entrambe le facce anziché su una soltanto; i tagli laterali, inoltre, sono effettuati in modo da evitare la formazione di punti caldi. Grazie a queste innovazioni, i resistori a film spesso possono essere utilizzati anche in applicazioni di potenza caratterizzate da forti impulsi di corrente, tradizionalmente riservate ai voluminosi resistori a filo avvolto.

- Maggiore stabilità termica - Un'innovazione relativamente recente in questo campo è la tecnologia Bulk Metal Z Foil di Vishay, evoluzione della preesistente tecnologia Bulk Metal Foil. La sua principale caratteristica consiste in un'eccellente stabilità del valore resistivo in funzione della temperatura: il fattore Tcr (Temperature coefficient of resistance) è infatti di sole 0,2 ppm/°C. Questo risultato si deve alle proprietà della particolare lega utilizzata per realizzare i componenti, la cui resistenza diminuisce se sottoposta a compressione. All'aumentare della temperatura la resistività del materiale aumenta, ma aumenta anche la compressione poiché la lega tende a dilatarsi più del substrato (i due coefficienti di dilatazione termica, infatti, sono diversi). I due fenomeni si compensano perfettamente, mantenendo così inalterata la resistenza del componente.

- Il film sottile guadagna terreno sul film spesso -  La società di ricerche di mercato Paumanok, specializzata nel settore dei componenti passivi, prevede per l'immediato futuro una maggiore diffusione dei resistori a film sottile, grazie anche a innovazioni tecnologiche nel processo produttivo che hanno consentito di ridurre il loro costo in grandi volumi. Al contrario, i costi dei resistori a film spesso (tradizionalmente più economici) sono recentemente aumentati a causa dei rincari del rutenio, il materiale utilizzato per fabbricarli.

L'evoluzione degli induttori

Piuttosto vivace, infine, è l'evoluzione tecnologica degli induttori, sottoposti a pressioni sia per quanto riguarda l'efficienza volumetrica sia per la riduzione delle impedenze parassite. Le principali tecnologie utilizzate per la fabbricazione di induttori sono il tradizionale filo avvolto e il film sottile multistrato; in questo secondo caso l'induttore è composto da un certo numero di spirali conduttive alternate a strati isolanti. Gli induttori multistrato a film sottile presentano vari vantaggi rispetto ai componenti a filo avvolto: sono meno voluminosi, presentano una minore resistenza parassita (Esr) e possono raggiungere tolleranze molto strette (fino a 0,05 nanoHenry). I componenti a filo avvolto, tuttavia, consentono di raggiungere valori di induttanza e di corrente massima più elevati; anche la loro precisione è recentemente aumentata grazie a nuove tecniche di avvolgimento.

- Più induttanza a parità di volume - La riduzione delle dimensioni degli induttori a filo avvolto viene perseguita sia tramite nuove architetture sia tramite lo sviluppo di nuovi materiali per il circuito del flusso magnetico. Murata, ad esempio, ha ottenuto una riduzione delle dimensioni realizzando la chiusura del percorso del flusso tramite una resina di particelle magnetiche, al posto del tradizionale condotto in ferrite che comporta sprechi di spazio. Le particolari caratteristiche della resina hanno consentito anche di raggiungere livelli di corrente massima più alti. Una nuova tecnologia per la riduzione delle dimensioni degli induttori utilizzati per la conversione dell'energia è stata messa a punto dal Dartmouth College e concessa in licenza a West Coast Magnetics. Il dispositivo si basa su un avvolgimento di lamina metallica effettuato seguendo una particolare configurazione. La nuova soluzione consente anche di aumentare l'efficienza poiché si caratterizza per bassi valori di resistenza sia in corrente continua sia in corrente alternata. Per quanto riguarda gli induttori a film sottile, la riduzione delle dimensioni è legata ai progressi delle tecniche fotolitografiche utilizzate per fabbricarli; tra i tanti possibili esempi di società attive in questo campo citiamo Jfe Mineral, che ha sviluppato un induttore planare a film sottile su ferrite NiZn con uno spessore di 0,6 mm

- Riduzione della resistenza parassita
- Nel caso degli induttori la riduzione della resistenza equivalente serie (Esr) ha lo scopo di migliorare il fattore di qualità dei componenti (Q) e di ridurre le perdite di energia. Per quanto riguarda gli induttori multistrato, un'innovazione introdotta da Murata consente la deposizione di film conduttivi molto spessi che diminuiscono la resistenza DC e quindi le perdite.

- Maggiore stabilità dell'induttanza e aumento del massimo valore di corrente
- Nel campo degli induttori a filo avvolto, alcuni esempi di miglioramento su questi fronti sono stati citati in precedenza come “effetti collaterali” delle soluzioni adottate per ridurre le dimensioni dei dispositivi. Per quanto riguarda invece gli induttori multistrato, una delle innovazioni introdotte da Murata - ad esempio - consente di controllare la distribuzione del flusso magnetico allo scopo di ridurre la saturazione e quindi evitare che il valore di induttanza diminuisca all'aumentare della corrente.

L'integrazione dei componenti passivi

L'integrazione dei componenti passivi, cioè il raggruppamento di più componenti in un unico dispositivo, viene perseguita non solo per risparmiare spazio sulla scheda ma anche per ridurre il numero complessivo delle parti da montare e quindi i tempi e i costi dell'assemblaggio. Il mercato offre da tempo numerose soluzioni di questo tipo: tra i tanti possibili esempi citiamo Avx e Novacap che realizzano array di condensatori, Vishay che offre condensatori dotati delle relative resistenze di scarica, Stackpole che fabbrica array di resistenze, California Micro Devices che realizza dispositivi integrati per la protezione Esd e per il filtraggio Emi. Una delle soluzioni più promettenti per l'integrazione dei passivi è la tecnologia a film sottile, basata - analogamente a quanto avviene nella produzione dei semiconduttori - sulla deposizione e sull'incisione di strati successivi. Un condensatore, ad esempio, viene realizzato sfruttando la capacità che si crea tra due strati di rame separati da uno strato di polimero isolante, un induttore viene creato incidendo una spirale in uno strato di rame. Oltre che per realizzare dispositivi integrati puramente passivi, dotati di ball grid array, la tecnologia del film sottile può essere utilizzata anche per integrare i componenti passivi nella basetta su cui sono montati i chip con contenitore Csp o nel substrato dei moduli multichip ibridi. Uno dei soggetti che conducono ricerche in questo campo è il Fraunhofer Institute.

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