Viaggio attraverso i componenti attivi incorporati nei substrati PCB con i pacemaker

Con 200.000 pacemaker impiantati negli Stati Uniti ogni anno, il processo chirurgico per correggere anomalie cardiache è diventato routine. Quando si preparano per il processo, i cardiologi scelgono tra tre diversi tipi di incisione per determinare il miglior metodo di impianto. Ogni tipo di incisione influisce sul comfort del paziente e sulla quantità di rischio coinvolto con l'intervento.

L'incisione fornisce accesso a una vena e alloca spazio per il pacemaker. Un cardiologo impianta il pacemaker incapsulandolo all'interno di una tasca formata dal tessuto umano. Un chirurgo può scegliere di formare una tasca all'interno dello strato di tessuto appena sotto la pelle utilizzando uno o due dita per separare delicatamente i tessuti carnosi dopo un'incisione.

Un altro metodo prevede il posizionamento di un pacemaker sotto il muscolo pettorale e inizia con un'incisione superficiale nel muscolo maggiore. La tecnica si conclude con una dissezione smussata per creare la tasca. In entrambi i casi, la chiusura della ferita e il processo di guarigione permettono al tessuto di incapsulare il pacemaker.

Mantenere il Passo

Il concetto di incorporare microcontrollori, MOSFET, regolatori di tensione, circuiti integrati e altri componenti attivi all'interno del substrato di un PCB rispecchia il processo di impianto di un pacemaker all'interno di un essere umano. Con le tecnologie di schede a modulo integrato, un componente SMT viene impiantato in una cavità sulla superficie di un substrato rigido convenzionale.

I progressi tecnologici hanno reso le dimensioni delle cavità più precise e permesso ai progetti PCB di incorporare diverse forme di cavità corrispondenti alle dimensioni dei componenti. L'uso di laser per rimuovere il materiale dielettrico offre una precisione posizionale e profondità delle cavità precise. Piccoli strumenti di fresatura e routing precisi forniscono inoltre il controllo necessario per produrre cavità che hanno una tolleranza stretta per il componente.

Deve esistere compatibilità meccanica, chimica ed elettrica tra il componente, il substrato e i materiali di costruzione per un corretto funzionamento del circuito. Dopo aver allineato e posizionato il componente, i passaggi successivi coinvolgono il riempimento della cavità con polimeri di stampaggio che includono saldatura isotropica. La miscela di polimeri e saldatura garantisce la compatibilità. Laminare il substrato principale con rame rivestito di resina permette la fabbricazione di microvia.

Utilizzare un software di progettazione PCB forte aiuterà a tenere traccia delle tue fabbricazioni di via.

I processi di packaging a livello di wafer integrato (EWLP), costruzione di chip integrati (ECBU) e Chip-in-Polymer (CIP) incorporano completamente il componente attivo all'interno di un PCB multistrato durante la fabbricazione. Piuttosto che praticare cavità nel materiale dielettrico, la seconda tecnica di embedding posiziona direttamente pacchetti di wafer sottili negli strati dielettrici di costruzione.

Il sottile pacchetto si lega al substrato seguito dall'applicazione, da parte del produttore di PCB, di epossidico liquido o di un film rivestito di resina come dielettrico per modellare il componente nel substrato. Mentre EWLP richiede un fan-in e inizia a livello di wafer, il metodo ECBU monta i componenti attivi con la faccia in giù su un film di poliammide completamente indurito montato su una cornice per la stabilità dimensionale e rivestito con adesivo polimerico. Successivamente, il produttore costruisce la struttura di interconnessione.

Il metodo CIP, d'altra parte, posiziona componenti sottili direttamente sopra il substrato principale, lega i chip con un adesivo e incorpora i dispositivi negli strati di accumulo polimerico del PCB. La perforazione laser stabilisce le vie ai pad di contatto dei componenti e facilita il montaggio di dispositivi passivi direttamente sopra il componente attivo incorporato.

La vita è piena di test

I cardiologi non possono presumere che un pacemaker funzioni. Dopo che il posizionamento dei lead ventricolari e atriali avviene in un impianto di pacemaker, il team di cardiologia conduce controlli di pacing. Parte di un controllo di pacing coinvolge la verifica della "corrente di demarcazione" o la corrente elettrica dalla parte centrale del corpo al cuore lesionato. Una corrente elevata indica che è avvenuto un buon contatto tra la punta dell'elettrodo del lead e il miocardio.

Quindi, il controllo del ritmo verifica il corretto segnale di rilevamento in millivolt, l'impedenza corretta, la soglia di stimolazione appropriata e la stabilità delle connessioni dei lead. Ognuno di questi test assicura che il pacemaker rilevi il ritmo intrinseco del cuore, stimoli correttamente il ventricolo e fornisca l'energia necessaria per catturare elettricamente il tessuto miocardico.

I componenti attivi integrati richiedono lo stesso approccio approfondito nei test. Sebbene l'integrazione porti vantaggi riducendo le dimensioni dei componenti e dei PCB, il processo può introdurre difetti. Giunti di saldatura più piccoli e sottili possono incrinarsi. Una quantità inadeguata di pasta saldante o temperature di saldatura incorrette possono anche produrre legami deboli e connessioni intermittenti.

Diminuire le dimensioni del PCB può aumentare la possibilità di cortocircuiti tra le tracce. Lo stress meccanico sul PCB può incrinare il substrato mentre l'aumento della tensione superficiale durante la saldatura può causare il tombstoning.

Data queste possibilità, la tua routine di test dovrebbe controllare tracce interrotte, cortocircuiti tra le tracce e micro corti. Poiché il processo di integrazione spesso comporta calore e pressione a vuoto, dovresti anche controllare tracce deformate o vie non conduttive. Potresti anche voler utilizzare test funzionali a bassa tensione per i componenti attivi. Le versioni più recenti dei tester a sonda volante forniscono quattro sonde per ogni lato e possono eseguire test funzionali completi sui componenti attivi integrati.

Assicurare routine di test adeguate quando si lavora con il proprio progetto di circuito può risparmiare problemi a lungo termine.

C'è un Altro Aspetto in Tutto Questo

Le versioni dei pacemaker della fine degli anni '50 richiedevano un carrello aggiuntivo per contenere le grandi macchine alimentate a tubo a vuoto. Con elettrodi esterni attaccati al petto, i pazienti si lamentavano spesso di ricevere continue scosse elettriche. Oggi, i pacemaker miniaturizzati hanno permesso ai pazienti cardiopatici di condurre una vita normale e hanno introdotto nuove procedure e regole di progettazione.

L'introduzione di componenti attivi integrati nel design delle PCB introduce una flessibilità che cambia i processi di fabbricazione, le regole di progettazione e l'approccio adottato dai fornitori di EDA. Gestire questa flessibilità richiede strumenti di progettazione che sintetizzino i requisiti elettrici, i requisiti dei materiali e le dimensioni fisiche di un componente per un posizionamento e un allineamento accurati. Gli strumenti di progettazione devono anche fornire la capacità di gestire e configurare le proprietà degli strati.

I cambiamenti di stackup e materiali si verificano prima nella progettazione della PCB durante le fasi di posizionamento e interconnessione. I progettisti di PCB traggono vantaggio da questo approccio ottenendo controllo sulla dimensione e sul posizionamento dei componenti. Tuttavia, le diverse dimensioni dei componenti attivi e l'uso del wirebonding richiedono strumenti di progettazione che diano la flessibilità di spostare i pad del wirebond e di generare wirebond dal die di silicio alla PCB.

Con l'uso di componenti attivi integrati, si ottiene anche la capacità di minimizzare le lunghezze dei percorsi elettrici per i circuiti ad alta frequenza. Minimizzare la lunghezza del percorso posizionando componenti passivi direttamente sotto il pin del componente attivo riduce l'induttanza parassita, la capacità e il rumore. Inoltre, è possibile integrare schermi EMI direttamente attorno ai componenti integrati per ridurre il rumore.

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