Viaje a través de componentes activos incrustados en sustratos de PCB con marcapasos

Con 200,000 marcapasos implantados en Estados Unidos por año, el proceso quirúrgico para corregir anomalías cardíacas se ha vuelto rutinario. Al prepararse para el proceso, los cardiólogos eligen entre tres diferentes tipos de incisión para determinar el mejor método de implante. Cada tipo de incisión impacta en la comodidad del paciente y en la cantidad de riesgo involucrado con la cirugía.

La incisión proporciona acceso a una vena y asigna espacio para el marcapasos. Un cardiólogo incrusta el marcapasos encerrando el dispositivo dentro de un bolsillo formado a partir de tejido humano. Un cirujano puede optar por formar un bolsillo dentro de la capa de tejido justo debajo de la piel utilizando uno o dos dedos para separar suavemente los tejidos carnosos después de una incisión.

Otro método implica colocar un marcapasos debajo del músculo pectoral y comienza con una incisión superficial en el músculo mayor. La técnica finaliza con una disección roma para crear el bolsillo. En ambos casos, el cierre de la herida y el proceso de curación permiten que el tejido encapsule el marcapasos.

Manteniendo el Ritmo

El concepto de incrustar microcontroladores, MOSFETs, reguladores de voltaje, circuitos integrados y otros componentes activos dentro del sustrato de un PCB refleja el proceso de implantar un marcapasos dentro de un ser humano. Con las tecnologías de módulos integrados, un componente SMT se implanta en una cavidad en la superficie de un sustrato rígido convencional.

Los avances tecnológicos han hecho que los tamaños de las cavidades sean más precisos y han permitido que los diseños de PCB incorporen diferentes formas de cavidades correspondientes a las dimensiones de los componentes. El uso de láseres para eliminar material dieléctrico ofrece precisión posicional y profundidades de cavidad precisas. Las herramientas de fresado y enrutamiento pequeñas y precisas también proporcionan el control necesario para producir cavidades que tienen una tolerancia ajustada para el componente.

Debe existir compatibilidad mecánica, química y eléctrica entre el componente, el sustrato y los materiales de construcción para un correcto funcionamiento del circuito. Después de alinear y colocar el componente, los siguientes pasos involucran llenar la cavidad con polímeros de moldeo que incluyen soldadura isotrópica. La mezcla de polímeros y soldadura asegura la compatibilidad. Laminar el sustrato central con cobre recubierto de resina permite la fabricación de microvías.

Usar un software de diseño de PCB fuerte ayudará a rastrear sus fabricaciones de vías.

Los procesos de empaquetado a nivel de oblea incrustada (EWLP), construcción de chip incrustado (ECBU) y Chip-in-Polymer (CIP) incrustan completamente el componente activo dentro de un PCB multicapa durante la fabricación. En lugar de perforar cavidades en el material dieléctrico, la segunda técnica de incrustación coloca paquetes de obleas delgadas directamente en las capas dieléctricas de construcción.

El paquete delgado se une al sustrato seguido por el fabricante de PCB que aplica epoxi líquido o película recubierta de resina como dieléctrico para moldear el componente en el sustrato. Mientras que EWLP requiere fan-in y comienza a nivel de oblea, el método ECBU monta componentes activos boca abajo en una película de poliamida completamente curada montada en un marco para estabilidad dimensional y recubierta con adhesivo polimérico. Luego, el fabricante construye la estructura de interconexión.

El método CIP, por otro lado, coloca componentes delgados directamente sobre el sustrato base, une los chips con un adhesivo y encapsula los dispositivos en las capas de acumulación de polímero del PCB. La perforación láser establece las vías a las almohadillas de contacto de los componentes y facilita el montaje de dispositivos pasivos directamente sobre el componente activo incrustado.

La vida está llena de pruebas

Los cardiólogos no pueden asumir que un marcapasos funciona. Después de que se realiza la colocación de los cables ventriculares y atriales en un implante de marcapasos, el equipo de cardiología realiza chequeos de estimulación. Parte de un chequeo de estimulación implica verificar la “corriente de demarcación” o la corriente eléctrica desde la parte central del cuerpo hasta el corazón lesionado. Una corriente grande indica que ha ocurrido un buen contacto entre la punta del electrodo del cable y el miocardio.

Luego, la prueba de comprobación de ritmo verifica la señal de sensado de milivoltios adecuada, la impedancia correcta, el umbral de estimulación apropiado y la estabilidad de las conexiones del electrodo. Cada una de estas pruebas asegura que el marcapasos sienta el ritmo intrínseco del corazón, estimule el ventrículo correctamente y proporcione la energía necesaria para capturar eléctricamente el tejido miocárdico.

Los componentes activos integrados requieren el mismo enfoque exhaustivo en las pruebas. Aunque la integración ofrece beneficios al reducir el tamaño de los componentes y las PCBs, el proceso puede introducir defectos. Las uniones de soldadura más pequeñas y delgadas pueden agrietarse. Una cantidad inadecuada de pasta de soldar o temperaturas de soldadura incorrectas también pueden producir uniones débiles y conexiones intermitentes.

Disminuir el tamaño de la PCB puede aumentar la posibilidad de cortocircuitos entre pistas. El estrés mecánico en la PCB puede agrietar el sustrato mientras que la tensión superficial aumentada durante la soldadura puede causar el efecto de lápida.

Dadas estas posibilidades, su rutina de prueba debería verificar trazas abiertas, cortocircuitos entre trazas y microcortos. Debido a que el proceso de integración a menudo implica calor y presión de vacío, también debería verificar trazas deformadas o vías no conductoras. También podría querer usar pruebas funcionales de bajo voltaje para los componentes activos. Las versiones más recientes de probadores de sonda volante proporcionan cuatro sondas en cada lado y pueden realizar pruebas funcionales completas en componentes activos integrados.

Asegurar rutinas de prueba adecuadas al trabajar con su diseño de circuito puede ahorrarle problemas a largo plazo.

Hay Otro Lado en Todo Esto

Las versiones de marcapasos de finales de los años 50 requerían un carrito adicional para sostener las grandes máquinas alimentadas por tubos de vacío. Con electrodos externos unidos a sus pechos, los pacientes a menudo se quejaban de recibir choques eléctricos constantes. Hoy en día, los marcapasos miniaturizados han permitido a los pacientes con problemas cardíacos llevar una vida normal e introducido nuevos procedimientos y reglas de diseño.

La introducción de componentes activos incrustados en el diseño de PCB introduce flexibilidad que cambia los procesos de fabricación, las reglas de diseño y el enfoque adoptado por los proveedores de EDA. Gestionar esta flexibilidad requiere herramientas de diseño que sinteticen los requisitos eléctricos, los requisitos de materiales y las dimensiones físicas de un componente para su colocación y alineación precisas. Las herramientas de diseño también deben proporcionar la capacidad de gestionar y configurar las propiedades de las capas.

Los cambios de apilamiento y material ocurren más temprano en el diseño de PCB durante las fases de colocación e interconexión. Los diseñadores de PCB se benefician de este enfoque al obtener control sobre el tamaño y la colocación de los componentes. Sin embargo, las diferentes dimensiones de los componentes activos y el uso de wirebonding requieren herramientas de diseño que brinden la flexibilidad para mover los pads de wirebond y generar wirebonds desde el dado de silicio hasta el PCB.

Con el uso de componentes activos integrados, también se obtiene la capacidad de minimizar las longitudes de los caminos eléctricos para circuitos de alta frecuencia. Minimizar la longitud del camino posicionando componentes pasivos directamente debajo del pin del componente activo reduce la inductancia parasitaria, la capacitancia y el ruido. Además, puedes integrar escudos EMI directamente alrededor de los componentes integrados para reducir el ruido.

Altium Designer te asiste en tu diseño de PCB gestionando cómo los componentes integrados impactan en el apilado de capas a través de cálculos y la verificación de reglas de diseño. La gestión del apilado ocurre mediante la creación de un apilado para cada combinación única de capas colocadas y cortadas necesarias por los componentes integrados incluidos en el apilado.

Integrar un componente dentro de las capas de la placa crea automáticamente un Apilado Gestionado. A partir de ahí, Altium Designer verifica los componentes integrados, prueba la idoneidad de los apilados gestionados disponibles y crea un nuevo Apilado Gestionado si es necesario.

Para aprender más sobre cómo usar Altium Designer para gestionar componentes activos integrados, habla con un experto en Altium.