Miniaturizzazione oltre ogni limite

Negli anni passati l’aumento delle funzionalità di molti dispositivi, come smartphone e tablet, ha comportato un crescente aumento della domanda di fattori di forma più sottili e compatti a livello di componente, in grado di garantire una precisione e un’affidabilità maggiori. Il recente avvento della ‘elettronica indossabile’ destinata, ad esempio, ai settori consumer e sanitario, ha anche stimolato la domanda di prodotti più piccoli e sottili per dispositivi sportivi e medicali. Nel 2004 era impossibile produrre resistori a chip più piccoli del modello 0402 (0,4 x 0,2 mm) usando la tecnologia di produzione esistente, soprattutto a causa dell’elevata tolleranza dimensionale del package (fino a ±20um) durante il processo di taglio, della perdita di chip e di svariati altri fattori. Rohm allora sfruttò una consolidata tecnologia esclusiva per realizzare innovazioni tecnologiche in materia di miniaturizzazione di componenti per circuiti integrati che riguardavano dispositivi discreti e passivi. Questo le permise di offrire i prodotti più piccoli del mondo (resistori, transistori, diodi, condensatori al tantalio e Led) con una precisione dimensionale senza precedenti (±10 μm). Per ottenere una miniaturizzazione maggiore furono utilizzate tecniche di produzione all’avanguardia che rompevano completamente con la tradizione e portarono alla creazione di una nuova serie di componenti ultracompatti denominata Rasmid (Rohm Advanced Smart Micro Device). Nel 2011 Rohm riuscì a realizzare il resistore a chip più piccolo del mondo, nel formato 03015, con una riduzione dell’ingombro del 44% rispetto al formato tradizionale 0402, mentre nel 2012 realizzò diodi Zener da 0402, il formato più piccolo del settore. Nel 2013 alla linea furono aggiunti gli Schottky Barrier Diode da 0402, mentre i resistori a chip da 03015 alla fine approdarono alla produzione in serie. Sono diversi i fattori che hanno favorito questo sviluppo.

Notevole precisione dimensionale - Oltre a creare sistemi di produzione che utilizzano tecnologie esclusive di miniaturizzazione, sono stati aggiornati i metodi di taglio per limitare la tolleranza dimensionale del package a ±10μm. In questo modo si eliminano eventuali difetti, con conseguente riduzione degli errori di aderenza e miglioramento della precisione di montaggio.

Riduzione degli errori di montaggio con l’uso di elettrodi alla base - Se i componenti miniaturizzati allungati vengono allineati sul circuito stampato e passati in un forno a riflusso o un dispositivo simile per la saldatura, le estremità del chip tendono a sollevarsi. Questo fenomeno è spesso definito “effetto Manhattan” o “tombstoning” per la somiglianza con i grattacieli o le pietre tombali. Tale sollevamento è dovuto a diversi fattori, tra i quali figurano la tensione superficiale del materiale saldante e il momento dell’aumento di temperatura, ma molto dipende dal bilanciamento laterale degli elettrodi. Nel caso degli elettrodi sfaccettati, le superfici laterali e inferiori vengono tirate dal materiale saldante, esercitando una forza in direzione della linea rossa. La differenza nella superficie di contatto tra l’elettrodo e il materiale saldante aumenta. Eventuali variazioni dell’area di stampa del saldante e delle dimensioni dell’elettrodo possono far sì che la parte venga tirata verso la superficie di contatto più grande, provocando il tombstoning, un effetto che con gli elettrodi alla base non si verifica. Per quanto riguarda i prodotti Rasmid, le irregolarità laterali dell’elettrodo vengono ulteriormente ridotte grazie alla maggiore precisione dimensionale e all’uso di elettrodi in oro che garantiscono un’ottima resistenza alla corrosione e una migliore capacità di saldatura. Per il test di valutazione è stato usato un materiale saldante senza piombo.

Montaggio ad alta densità e precisione - Rohm ha creato la serie Rasmid non solo per proseguire il processo di miniaturizzazione dei prodotti, ma anche per sviluppare una tecnologia che riguardi la tecnica di montaggio. In merito al nuovo formato 03015 sono state condotte numerose discussioni con i principali produttori, anche collaborando per migliorare la velocità di prelievo delle macchine assemblatrici. Di conseguenza la configurazione dei chip, la nastratura e le relative dimensioni, ecc. sono stati ottimizzati per arrivare a zero difetti in fase di valutazione del montaggio, anche in presenza di notevoli quantità di campioni. Inoltre, nel caso dell’elettrodo sfaccettato, occorre un ampio land pattern affinché il materiale saldante possa avvolgere le superfici laterali e superiore. Tuttavia, con una precisione maggiore e utilizzando elettrodi alla base, Rohm è riuscita a ridurre al minimo la superficie da saldare, con conseguente riduzione dell’ingombro del 40% e del materiale necessario per la saldatura.

Riduzione delle dimensioni e del peso - Si pensava che una riduzione delle dimensioni del prodotto e l’uso di una configurazione con elettrodo alla base avrebbero comportato una diminuzione della superficie di contatto del saldante, con conseguente indebolimento della resistenza agli urti e della solidità; invece, riesaminando i materiali e riducendo il peso della massa rispetto al tradizionale formato 0402, la resistenza alla forza d’urto applicata sul substrato è aumentata. Da molteplici test sull’assorbimento e sulla precisione non è emerso alcun effetto negativo sulle caratteristiche. Inoltre le prove di stress meccanico hanno dimostrato che le prestazioni dei dispositivi Rasmid sono identiche a quelle dei prodotti basati su package stampati in termini di forza di montaggio, sollecitazione alla flessione del Pcb, aderenza e pressione del materiale saldante.

Alcuni esempi
Per la classe più piccola dei diodi a barriera Schottky vengono utilizzate le nuove tecniche di produzione che caratterizzano la serie Rasmid, consentendo un montaggio ad alta densità, perfetto per dispositivi portatili e dispositivi dotati di Natural User Interface ad utilizzo intuitivo. In genere, nel caso dei diodi, esiste un rapporto inverso tra la miniaturizzazione del chip e le proprietà elettriche: se si riduce il package, la sfida è mantenere le caratteristiche vantaggiose. Di solito la riduzione del package comporta un ‘die shrink’ nel processo di stampaggio che influisce negativamente sulle prestazioni elettriche. Nel caso dei prodotti Rasmid, il die ha dimensioni identiche a quelle del package, il che consente di mantenere le prestazioni elettriche a un livello elevato. Ciò nonostante le dimensioni sono ridotte dell’82% rispetto a quelle del formato tradizionale 0603. Rompendo questo rapporto e adottando strutture esclusive e una tecnologia di lavorazione ultraprecisa, è possibile mantenere caratteristiche elettriche importanti e, allo stesso tempo, ridurre le dimensioni e lo spessore rispetto ai tradizionali prodotti di formato 0603. La forza di montaggio, la sollecitazione alla flessione del Pcb, l’aderenza del saldante e le prove di compressione hanno fornito risultati identici a quelli relativi ai prodotti basati su package stampati. I resistori da 03015 di Rohm sono i componenti elettronici più compatti disponibili a livello di produzione, con dimensioni ridotte del 56% rispetto ai tradizionali prodotti da 0402.

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