Passivi, ma vivaci

COMPONENTI PASSIVI –

Condensatori, induttori e resistori sono protagonisti di una continua evoluzione tecnologica, finalizzata non solo alla riduzione delle dimensioni ma anche allo sviluppo di dispositivi ottimizzati per specifiche applicazioni.

Non ci sarebbero code davanti agli Apple Store se i produttori di componenti passivi non fossero riusciti a mantenere il passo con i progressi della microelettronica. Condensatori, induttori e resistori – sebbene lontani dal glamour tecnologico della Silicon Valley - giocano infatti un ruolo fondamentale in tutti i sistemi elettronici e incidono sensibilmente su prestazioni, ingombri e costi dei prodotti finiti. L’evoluzione tecnologica di questi componenti segue oggi diverse direzioni, tra cui la corsa verso una miniaturizzazione sempre più spinta e la ricerca di prestazioni sempre migliori – intendendo con “prestazioni” la stabilità nei confronti della temperatura, la tolleranza rispetto al valore nominale, i parametri che limitano le condizioni d’impiego. Tra le tendenze in atto si rileva anche la crescente specializzazione applicativa, cioè l’offerta di componenti passivi specificamente rivolti a singole categorie di sistemi elettronici. Particolarmente vivace l’evoluzione nel settore dei condensatori, dove si rileva - come vedremo meglio in seguito - un nuovo approccio al problema della Esr e la comparsa di “certificazioni etiche” per il tantalio.

La miniaturizzazione
La corsa verso una miniaturizzazione sempre più spinta dei componenti passivi mostra analogie con la riduzione delle geometrie dei chip in silicio: il processo sembra sempre sul punto di arrestarsi per l’impossibilità pratica di ridurre ulteriormente le dimensioni dei dispositivi, ma regolarmente un nuovo escamotage tecnologico consente di superare i limiti che prima erano ritenuti invalicabili. Ed eccoci oggi a contemplare (con la lente d’ingrandimento) componenti passivi Smt quasi invisibili a occhio nudo. Sono infatti già disponibili i primi condensatori e induttori in contenitore 0201, che misurano cioè 0,25 x 0,125 millimetri in pianta. Prodotti di queste dimensioni sono stati presentati – ad esempio - da Murata e da Avx. Nel caso di quest’ultima società, gli induttori in contenitore 0201 sono dispositivi a film sottile caratterizzati da valori di induttanza molto bassi (a partire da 0,33 nanohenry) e da tolleranze molto strette (±0,05 nanohenry), rivolti principalmente ai circuiti di sintonia delle antenne nei telefoni cellulari. La miniaturizzazione è ovviamente resa possibile dall’aumento dell’efficienza volumetrica, ossia dalla possibilità di ottenere valori più alti di capacità o di induttanza in rapporto al volume del dispositivo. Questi progressi si riflettono non solo sui componenti più piccoli, ma anche sui modelli di dimensioni maggiori: Murata, ad esempio, ha recentemente realizzato un induttore in formato 0603 (0,6 x 0,3 x 0,3 millimetri) che raggiunge un’induttanza di 270 nanohenry. Ancora nel campo degli induttori, Tdk ha realizzato dispositivi multistrato per alte frequenze in formato 0402 con valore di 33 nanohenry. L’aumento dell’efficienza volumetrica viene perseguito non solo tramite l’impiego di nuovi materiali, ma anche sfruttando meglio il volume disponibile. Avx, ad esempio, ha realizzato recentemente una serie di condensatori al tantalio che raggiungono capacità di 15 microfarad/4 volt e 10 microfarad/6 volt in un chip di formato 0402; questo risultato è stato ottenuto eliminando dal contenitore la parte in plastica stampata.

Specializzazione applicativa
Un’altra tendenza in atto è la crescente diversificazione dell’offerta; il mercato, in altri termini, propone oggi una grande varietà di componenti passivi specificamente rivolti a determinate applicazioni. Per il settore automobilistico, ad esempio, sono disponibili resistori non soggetti a corrosione e immuni alla presenza di zolfo nell’ambiente; tra i produttori che fabbricano componenti di questo tipo è compresa Panasonic. Si rivolgono al settore automobilistico anche i condensatori Mlcc con dielettrico X7R recentemente sviluppati da Kemet, dotati della tecnologia ArcShield. Questa soluzione – che si basa sulla schermatura dell’elettrodo per mezzo di una parziale gabbia di Faraday - consente di evitare la formazione di archi elettrici superficiali nelle applicazioni caratterizzate da alte tensioni e da forte umidità ambientale. Ancora in campo automotive, Tdk ha realizzato induttori di potenza a filo avvolto per montaggio superficiale che possono operare fino a 150 gradi; questa stessa temperatura può essere raggiunta anche da una serie di condensatori Mlcc realizzati da Murata, con caratteristiche X8R. Le applicazioni di “data hardening” o di “data vaulting” nei dischi a stato solido, che richiedono alti valori di energia a tensioni relativamente basse, possono avvalersi di una serie di condensatori al tantalio sviluppati da Kemet, che utilizzano catodi realizzati in materiale polimerico al posto del tradizionale MnO2; per i flash Led delle fotocamere, invece, Murata propone un condensatore a doppio strato particolarmente sottile. Per gli apparati medicali di risonanza magnetica il mercato offre invece condensatori “non magnetici”, come quelli prodotti da Novacap. Si allarga, inoltre, l’offerta di componenti passivi adatti ad essere fissati sulla scheda per mezzo di adesivi conduttivi, anziché tramite la tradizionale saldatura; soluzioni di questo genere (offerte, ad esempio, da TT Electronics per quanto riguarda i resistori) si rivolgono tra l’altro ai sistemi destinati ad operare a temperature molto elevate, che provocherebbero la fusione le normali leghe saldanti.

Il controllo della Esr
Per quanto riguarda i condensatori ceramici multistrato si rileva la diffusione del concetto di “controllo della Esr” (resistenza equivalente serie). Tradizionalmente si è sempre pensato che la Esr di un condensatore dovesse essere la più bassa possibile; in realtà, è stato osservato che un valore di Esr molto basso può comportare problemi in alcune delle applicazioni tipiche dei condensatori ceramici multistrato. Oggi, quindi, alcuni produttori (in particolare Murata e Tdk) offrono condensatori caratterizzati da un valore di Esr volutamente alto. Il problema riguarda soprattutto gli alimentatori a commutazione che forniscono energia ai microprocessori (chip che oggi operano con valori di tensione molto bassa e correnti piuttosto alte) e in particolare il filtro destinato a bloccare il ripple dovuto alla commutazione. L’impiego di condensatori con basso valore di Esr può infatti conferire al filtro un comportamento anti-risonante, con la comparsa di un picco di impedenza per uno specifico valore di frequenza. Per evitare i conseguenti disturbi sull’alimentazione del processore, in questi casi è preferibile usare condensatori dotati di una Esr più alta. La difficoltà che i produttori hanno dovuto risolvere consiste nel fatto che, a causa della conformazione fisica del condensatore, normalmente il valore della Esr è legato a quello della capacità: più il secondo aumenta, più il primo diminuisce. Sono state quindi sviluppate nuove architetture che consentono di “disaccoppiare” i due parametri e quindi di avere più versioni dello stesso condensatore con diversi valori di Esr (a parità di capacità, dimensioni e tensione massima).

Condensatori 3D ad alta densità
Nel campo dei condensatori, un discorso a parte merita la tecnologia sviluppata in Francia dalla società IPDiA per integrare componenti passivi su silicio. Recentemente IPDiA ha tagliato nuovi traguardi: in collaborazione con l’istituto di ricerca francese Cea-Leti, l’azienda ha ottenuto prodotti caratterizzati da una densità di capacità pari a 550 nanofarad per millimetro quadrato, senza aumenti della corrente di perdita e dei parametri parassiti (Esr, Esl) rispetto al prodotto IPDiA da 250 nanofarad per millimetro quadrato. La soluzione si basa sulla struttura tridimensionale metallo-isolante-metallo sviluppata da IPDiA, utilizzata in combinazione con un nuovo processo di deposizione di strati atomici o Ald (Atomic layer deposition) di materiale dielettrico a medio valore di K. I due partner si propongono ora di raggiungere una densità ancora maggiore: 1 microfarad per millimetro quadrato.

Tantalio “conflict-free”
Per quanto riguarda specificamente i condensatori al tantalio si registra la comparsa di iniziative che puntano a dotare i componenti di una sorta di “certificazione etica” relativamente all’origine della materia prima. Il problema nasce dal fatto che molti importanti giacimenti di tantalite si trovano nella Repubblica Democratica del Congo, paese martoriato da interminabili conflitti. Esiste quindi il rischio che il denaro pagato dalle industrie per procurarsi il tantalio finisca nelle tasche dei signori della guerra, alimentando ulteriormente le violenze. Una legge varata recentemente negli Stati Uniti il “Dodd-Frank Act”) obbliga le aziende a dimostrare che i materiali contenuti nei loro prodotti non contribuiscono al finanziamento delle fazioni armate congolesi. Due dei principali produttori di condensatori al tantalio, Kemet e Avx, hanno pertanto messo in campo iniziative che consentono di certificare il processo di approvvigionamento del materiale e quindi di dimostrare che il denaro pagato non contribuisce in alcun modo a sostenere i conflitti in Congo – ma, anzi, permette di migliorare le condizioni di vita della popolazione, evitando l’imposizione di un embargo commerciale. L’iniziativa di Kemet si chiama “Making Africa Work”, mentre quella di Avx è stata battezzata “Solutions for Hope”. Entrambe si basano su una piccola filiera produttiva “chiusa” che per tutte le fasi della lavorazione (estrazione del minerale, fusione ecc.) comprende solo soggetti certificati da organismi di controllo internazionali. Alle due iniziative aderiscono anche numerosi utilizzatori dei condensatori al tantalio, cioè importanti produttori di sistemi elettronici.

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