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Parcours à travers les composants actifs intégrés dans les substrats de PCB avec les stimulateurs cardiaques

Créé: Juin 8, 2018
Mise à jour: Mai 14, 2020

Heartbeat vector with line

Avec 200 000 stimulateurs cardiaques implantés aux États-Unis par an, le processus chirurgical pour corriger les anomalies cardiaques est devenu routinier. Lors de la préparation de l'intervention, les cardiologues choisissent parmi trois types d'incisions différentes pour déterminer la meilleure méthode d'implantation. Chaque type d'incision a un impact sur le confort du patient et le niveau de risque associé à l'opération.

L'incision permet d'accéder à une veine et de ménager un espace pour le pacemaker. Un cardiologue insère le pacemaker en enfermant l'appareil dans une poche formée à partir de tissu humain. Un chirurgien peut choisir de former une poche dans la couche de tissu juste sous la peau en utilisant un ou deux doigts pour écarter doucement les tissus charnus après une incision.

Une autre méthode consiste à placer un pacemaker sous le muscle pectoral, ce qui commence par une incision superficielle dans le muscle principal. La technique se termine par une dissection non tranchante pour créer la poche. Dans les deux cas, la fermeture de la plaie et le processus de guérison permettent au tissu d'encapsuler le pacemaker.

Garder le rythme

Le concept d'intégration de microcontrôleurs, de MOSFETs, de régulateurs de tension, de circuits intégrés et d'autres composants actifs à l'intérieur du substrat d'un PCB reflète le processus d'implantation d'un pacemaker dans un être humain. Avec les technologies de modules intégrés, un composant SMT est implanté dans une cavité à la surface d'un substrat rigide conventionnel.

Les avancées technologiques ont rendu les tailles de cavités plus précises et permis aux conceptions de PCB d'incorporer différentes formes de cavités correspondant aux dimensions des composants. L'utilisation de lasers pour retirer le matériau diélectrique offre une précision positionnelle et des profondeurs de cavité précises. De petits outils de fraisage et de routage précis fournissent également le contrôle nécessaire pour produire des cavités ayant une tolérance serrée pour le composant.

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Une compatibilité mécanique, chimique et électrique entre le composant, le substrat et les matériaux de construction doit exister pour un fonctionnement correct du circuit. Après avoir aligné et placé le composant, vos prochaines étapes impliquent de remplir la cavité avec des polymères de moulage qui incluent de la soudure isotrope. Le mélange de polymères et de soudure assure la compatibilité. La stratification du substrat de base avec du cuivre revêtu de résine permet la fabrication de microvias.

Via locations in Altium

L'utilisation d'un logiciel de conception de PCB performant vous aidera à suivre vos fabrications de vias.

Les processus d'encapsulation au niveau de la tranche (EWLP), de construction de puce embarquée (ECBU) et de Chip-in-Polymer (CIP) intègrent complètement le composant actif au sein d'un PCB multicouche lors de la fabrication. Plutôt que de percer des cavités dans le matériau diélectrique, la seconde technique d'encapsulation place directement des paquets de tranches minces dans les couches diélectriques de construction.

Le boîtier fin est lié au substrat, puis le fabricant de PCB applique de l'époxy liquide ou un film revêtu de résine comme diélectrique pour mouler le composant dans le substrat. Alors que le procédé EWLP nécessite un regroupement des connexions et commence au niveau de la tranche, la méthode ECBU monte les composants actifs face vers le bas sur un film de polyamide entièrement durci monté sur un cadre pour la stabilité dimensionnelle et revêtu d'un adhésif polymère. Ensuite, le fabricant construit la structure d'interconnexion.

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La méthode CIP, d'autre part, place les composants minces directement sur le substrat de base, lie les puces avec un adhésif et intègre les dispositifs dans les couches de construction polymère du PCB. Le perçage au laser établit les vias vers les pads de contact des composants et facilite le montage des dispositifs passifs directement au-dessus du composant actif intégré.

La vie est pleine de tests

Les cardiologues ne peuvent pas supposer qu'un stimulateur cardiaque fonctionne. Après la mise en place des sondes ventriculaires et atriales dans un implant de pacemaker, l'équipe de cardiologie effectue des contrôles de stimulation. Une partie d'un contrôle de stimulation implique de vérifier le « courant de démarcation » ou le courant électrique de la partie centrale du corps vers le cœur blessé. Un courant important indique qu'un bon contact entre l'électrode de pointe de la sonde et le myocarde a eu lieu.

Ensuite, le test de vérification du rythme teste le bon signal de détection en millivolts, l'impédance correcte, le seuil de stimulation approprié et la stabilité des connexions des électrodes. Chacun de ces tests garantit que le stimulateur cardiaque détecte le rythme intrinsèque du cœur, stimule correctement le ventricule et fournit l'énergie nécessaire pour capturer électriquement le tissu myocardique.

Les composants actifs intégrés nécessitent la même approche rigoureuse en matière de tests. Bien que l'intégration présente des avantages en réduisant la taille des composants et des PCB, le processus peut introduire des défauts. Des joints de soudure plus petits et plus fins peuvent se fissurer. Une quantité inadéquate de pâte à souder ou des températures de soudage incorrectes peuvent également produire des liaisons faibles et des connexions intermittentes.

La réduction de la taille du PCB peut augmenter la possibilité de courts-circuits entre les pistes. Le stress mécanique sur le PCB peut fissurer le substrat tandis que l'augmentation de la tension de surface pendant le soudage peut causer le tombstoning.

Étant donné ces possibilités, votre routine de test devrait vérifier les pistes ouvertes, les courts-circuits entre les pistes et les micro-courts. Comme le processus d'intégration implique souvent de la chaleur et une pression sous vide, vous devriez également vérifier les pistes déformées ou les vias non conducteurs. Vous pouvez également vouloir utiliser des tests fonctionnels à basse tension pour les composants actifs. Les nouvelles versions de testeurs à sonde volante fournissent quatre sondes de chaque côté et peuvent effectuer des tests fonctionnels complets sur les composants actifs intégrés.

Sample PCB within Altium

Assurer des routines de test adéquates lors du travail sur votre conception de circuit peut vous éviter des tracas à long terme.

Il y a un autre aspect à tout cela

Les versions de pacemakers de la fin des années 1950 nécessitaient un chariot supplémentaire pour contenir les grandes machines alimentées par des tubes à vide. Avec des fils externes attachés à leur poitrine, les patients se plaignaient souvent de recevoir des chocs électriques constants. Aujourd'hui, les pacemakers miniaturisés ont permis aux patients cardiaques de mener une vie normale et ont introduit de nouvelles procédures et règles de conception.

L'introduction de composants actifs embarqués dans la conception des PCB introduit une flexibilité qui change les processus de fabrication, les règles de conception et l'approche adoptée par les fournisseurs d'EDA. Gérer cette flexibilité nécessite des outils de conception qui synthétisent les exigences électriques, les exigences matérielles et les dimensions physiques d'un composant pour un placement et un alignement précis. Les outils de conception doivent également fournir la capacité de gérer et de configurer les propriétés des couches.

Les changements de stackup et de matériaux se produisent plus tôt dans la conception du PCB pendant les phases de placement et d'interconnexion. Les concepteurs de PCB bénéficient de cette approche en prenant le contrôle sur la taille et le placement des composants. Cependant, les différentes dimensions des composants actifs et l'utilisation du wirebonding nécessitent des outils de conception qui offrent la flexibilité de déplacer les pads de wirebond et de générer des wirebonds du die de silicium au PCB.

Avec l'utilisation de composants actifs intégrés, vous gagnez également la capacité de minimiser les longueurs de chemin électrique pour les circuits haute fréquence. Minimiser la longueur du chemin en positionnant les composants passifs directement sous la broche du composant actif réduit l'inductance, la capacité et le bruit parasites. De plus, vous pouvez intégrer des blindages EMI directement autour des composants intégrés pour réduire le bruit.

Altium Designer vous assiste dans votre conception de PCB en gérant comment les composants intégrés impactent l'empilement des couches à travers des calculs et la vérification des règles de conception. La gestion de l'empilement se fait par la création d'un empilement pour chaque combinaison unique de couches placées et coupées nécessaires aux composants intégrés inclus dans l'empilement.

L'intégration d'un composant dans les couches de la carte crée automatiquement un Empilement Géré. À partir de là, Altium Designer vérifie les composants intégrés, teste l'adéquation des empilements gérés disponibles et crée un nouvel Empilement Géré si nécessaire.

Pour en savoir plus sur l'utilisation d'Altium Designer pour gérer les composants actifs intégrés, parlez à un expert chez Altium.

Ressources associées

Documentation technique liée

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