Reise durch eingebettete aktive Komponenten in PCB-Substraten mit Herzschrittmachern

Mit 200.000 jährlich in den Vereinigten Staaten implantierten Herzschrittmachern ist der chirurgische Eingriff zur Korrektur von Herzfehlern zur Routine geworden. Bei der Vorbereitung auf den Eingriff wählen Kardiologen aus drei verschiedenen Schnittarten, um die beste Implantationsmethode zu bestimmen. Jede Art des Schnitts beeinflusst den Komfort des Patienten und das mit der Operation verbundene Risiko.

Der Schnitt ermöglicht den Zugang zu einer Vene und schafft Platz für den Herzschrittmacher. Ein Kardiologe setzt den Herzschrittmacher ein, indem er das Gerät in einer aus menschlichem Gewebe geformten Tasche einschließt. Ein Chirurg kann wählen, eine Tasche innerhalb der Gewebeschicht direkt unter der Haut zu bilden, indem er ein oder zwei Finger benutzt, um das fleischige Gewebe nach einem Schnitt sanft auseinanderzuspreizen.

Ein anderes Verfahren beinhaltet das Platzieren eines Herzschrittmachers unter dem Brustmuskel und beginnt mit einem flachen Schnitt im Hauptmuskel. Die Technik endet mit einer stumpfen Dissektion, um die Tasche zu erstellen. In beiden Fällen ermöglichen Wundverschluss und Heilungsprozess, dass das Gewebe den Herzschrittmacher umschließt.

Im Takt bleiben

Das Konzept, Mikrocontroller, MOSFETs, Spannungsregler, integrierte Schaltkreise und andere aktive Komponenten innerhalb des Substrats einer PCB zu integrieren, spiegelt den Prozess der Implantation eines Herzschrittmachers in einen Menschen wider. Mit integrierten Modulplattentechnologien wird eine SMT-Komponente in einer Vertiefung auf der Oberfläche eines herkömmlichen starren Substrats implantiert.

Technologische Fortschritte haben die Präzision von Hohlraumgrößen erhöht und es ermöglicht, PCB-Designs mit verschiedenen Hohlraumformen zu integrieren, die den Komponentenabmessungen entsprechen. Die Verwendung von Lasern zum Entfernen von dielektrischem Material bietet positionelle Genauigkeit und präzise Hohlraumtiefen. Kleine, präzise Fräs- und Routingwerkzeuge bieten ebenfalls die Kontrolle, die benötigt wird, um Hohlräume mit einer engen Toleranz für die Komponente zu produzieren.

Mechanische, chemische und elektrische Kompatibilität zwischen der Komponente, dem Substrat und den Aufbaumaterialien muss für einen ordnungsgemäßen Schaltungsbetrieb vorhanden sein. Nach der Ausrichtung und Platzierung der Komponente umfassen Ihre nächsten Schritte das Füllen des Hohlraums mit Formpolymeren, die isotropes Lötzinn enthalten. Die Mischung aus Polymeren und Lötzinn gewährleistet die Kompatibilität. Das Laminieren des Kernsubstrats mit kupferbeschichtetem Harz ermöglicht die Mikroviaherrstellung.

Die Verwendung starker PCB-Designsoftware wird Ihnen helfen, Ihre Viaherrstellungen zu verfolgen.

Eingebettete Wafer-Level-Verpackung (EWLP), eingebetteter Chip-Aufbau (ECBU) und Chip-in-Polymer (CIP)-Prozesse betten die aktive Komponente vollständig in ein mehrlagiges PCB während der Herstellung ein. Anstatt Hohlräume in das dielektrische Material zu bohren, platziert die zweite Einbettungstechnik dünne Waferpakete direkt in die Aufbaudielektrikschichten.

Das dünne Gehäuse wird auf das Substrat gebondet, woraufhin der PCB-Hersteller flüssiges Epoxidharz oder mit Harz beschichtete Folie als Dielektrikum aufträgt, um die Komponente in das Substrat einzubetten. Während EWLP Fan-in benötigt und auf Wafer-Ebene beginnt, montiert die ECBU-Methode aktive Komponenten mit der Oberseite nach unten auf eine vollständig ausgehärtete Polyamidfolie, die zur Dimensionsstabilität auf einen Rahmen montiert und mit einem polymeren Klebstoff beschichtet ist. Anschließend erstellt der Hersteller die Verbindungsstruktur.

Die CIP-Methode hingegen platziert dünne Komponenten direkt auf dem Kernsubstrat, verbindet die Chips mit einem Klebstoff und bettet die Bauteile in die Polymerschichtaufbauten der PCB ein. Laserbohren stellt die Vias zu den Kontaktflächen der Komponenten her und erleichtert die Montage passiver Bauteile direkt über der eingebetteten aktiven Komponente.

Das Leben ist voller Tests

Kardiologen können nicht davon ausgehen, dass ein Herzschrittmacher funktioniert. Nachdem die Platzierung der ventrikulären und atrialen Leitung bei einem Herzschrittmacher-Implantat erfolgt ist, führt das Kardiologie-Team Pacing-Checks durch. Ein Teil eines Pacing-Checks beinhaltet die Überprüfung des „Demarkationsstroms“ oder des elektrischen Stroms vom zentralen Teil des Körpers zum geschädigten Herzen. Ein großer Strom zeigt an, dass ein guter Kontakt zwischen der Spitzelektrode der Leitung und dem Myokard stattgefunden hat.

Dann prüft der Pacing-Check auf das richtige Millivolt-Signalsensing, die korrekte Impedanz, den angemessenen Pacing-Schwellenwert und die Stabilität der Leitungsverbindungen. Jeder dieser Tests stellt sicher, dass der Herzschrittmacher den intrinsischen Rhythmus des Herzens erfasst, die Kammer korrekt stimuliert und die Energie liefert, die benötigt wird, um das Myokardgewebe elektrisch zu erfassen.

Integrierte aktive Komponenten erfordern denselben gründlichen Ansatz bei Tests. Obwohl die Integration durch die Reduzierung der Größe von Komponenten und PCBs Vorteile bringt, kann der Prozess Defekte einführen. Kleinere, dünnere Lötstellen können reißen. Eine unzureichende Menge an Lötpaste oder falsche Löttemperaturen können ebenfalls schwache Verbindungen und intermittierende Verbindungen erzeugen.

Die Verkleinerung der PCB-Größe kann die Möglichkeit von Kurzschlüssen zwischen Leiterbahnen erhöhen. Mechanischer Stress auf der PCB kann das Substrat reißen lassen, während erhöhte Oberflächenspannung beim Löten Tombstoning verursachen kann.

Angesichts dieser Möglichkeiten sollte Ihre Testroutine auf offene Leiterbahnen, Kurzschlüsse zwischen Leiterbahnen und Mikrokurzschlüsse prüfen. Da der Einbettungsprozess oft Hitze und Vakuumdruck beinhaltet, sollten Sie auch auf deformierte Leiterbahnen oder nicht-leitende Vias prüfen. Sie möchten vielleicht auch funktionale Niederspannungstests für die aktiven Komponenten verwenden. Neuere Versionen von Flying-Probe-Testern bieten vier Sonden auf jeder Seite und können umfassende funktionale Tests an eingebetteten aktiven Komponenten durchführen.

Sicherzustellen, dass angemessene Testroutinen bei der Arbeit mit Ihrem Schaltungsdesign angewendet werden, kann Ihnen auf lange Sicht Ärger ersparen.

Es gibt noch eine andere Seite bei all dem

Versionen von Herzschrittmachern aus den späten 1950er Jahren benötigten einen zusätzlichen Wagen, um die großen, mit Vakuumröhren betriebenen Maschinen zu halten. Mit externen Leitungen, die an ihren Brustkorb angeschlossen waren, beklagten sich Patienten oft über ständige elektrische Schocks. Heute haben miniaturisierte Herzschrittmacher es Herzpatienten ermöglicht, ein normales Leben zu führen und neue Verfahren und Designregeln eingeführt.

Die Einführung von eingebetteten aktiven Komponenten in das PCB-Design bringt eine Flexibilität mit sich, die die Fertigungsprozesse, Designregeln und den Ansatz von EDA-Anbietern verändert. Diese Flexibilität zu verwalten, erfordert Designtools, die die elektrischen Anforderungen, Materialanforderungen und physischen Abmessungen einer Komponente für eine genaue Platzierung und Ausrichtung synthetisieren. Die Designtools müssen auch die Fähigkeit bieten, Schichteigenschaften zu verwalten und zu konfigurieren.

Stackup- und Materialänderungen treten früher im PCB-Design während der Platzierungs- und Verbindungsphasen auf. PCB-Designer profitieren von diesem Ansatz, indem sie die Kontrolle über die Größe und Platzierung von Komponenten gewinnen. Die unterschiedlichen Abmessungen aktiver Komponenten und die Verwendung von Wirebonding erfordern jedoch Designtools, die die Flexibilität bieten, Wirebond-Pads zu verschieben und Wirebonds vom Silizium-Die zur PCB zu generieren.

Mit der Verwendung von eingebetteten aktiven Komponenten gewinnen Sie auch die Fähigkeit, elektrische Pfadlängen für Hochfrequenzschaltungen zu minimieren. Die Minimierung der Pfadlänge durch Positionierung passiver Komponenten direkt unterhalb des aktiven Komponentenpins reduziert parasitäre Induktivität, Kapazität und Rauschen. Zusätzlich können Sie EMI-Abschirmungen direkt um eingebettete Komponenten integrieren, um Rauschen zu reduzieren.

Altium Designer^® unterstützt Sie bei Ihrem PCB-Design, indem es verwaltet, wie eingebettete Komponenten den Lagenaufbau durch Berechnungen und Designregelprüfungen beeinflussen. Die Verwaltung des Stapels erfolgt durch die Erstellung eines Stapels für jede einzigartige Kombination von platzierten und geschnittenen Schichten, die von den im Stapel enthaltenen eingebetteten Komponenten benötigt werden.

Das Einbetten einer Komponente innerhalb der Schichten der Platine erstellt automatisch einen verwalteten Stapel. Von dort aus prüft Altium Designer auf eingebettete Komponenten, testet die Eignung verfügbarer verwalteter Stapel und erstellt bei Bedarf einen neuen verwalteten Stapel.

Um mehr darüber zu erfahren, wie Sie Altium Designer zur Verwaltung eingebetteter aktiver Komponenten verwenden können, sprechen Sie mit einem Experten bei Altium.