ペースメーカーを用いたPCB基板内蔵アクティブコンポーネントの探求

アメリカ合衆国では年間20万台のペースメーカーが埋め込まれており、心臓の異常を修正する手術プロセスは日常的なものとなっています。プロセスの準備をする際、心臓専門医は最適な埋め込み方法を決定するために3種類の切開方法から選択します。各切開方法は、患者の快適さと手術に伴うリスクの程度に影響を与えます。

切開は静脈へのアクセスを提供し、ペースメーカーのためのスペースを割り当てます。心臓専門医は、人間の組織から形成されたポケット内にデバイスを囲むことでペースメーカーを埋め込みます。外科医は、切開後に一本または二本の指を使って肉質の組織を優しく広げることで、皮膚のすぐ下の組織層内にポケットを形成することを選択できます。

別の方法として、ペースメーカーを胸筋の下に配置することがあり、これは主要な筋肉に浅い切開を入れることから始まります。この技術は、ポケットを作成するための鈍的な解剖で終わります。どちらの場合も、傷の閉鎖と治癒プロセスにより、組織がペースメーカーを包み込むことになります。

ペースを保つ

マイクロコントローラー、MOSFET、電圧レギュレーター、集積回路などのアクティブコンポーネントをPCBの基板内に埋め込むコンセプトは、人間の体内にペースメーカーを埋め込むプロセスと鏡像のようなものです。統合モジュールボード技術を使用すると、SMTコンポーネントは従来の硬質基板の表面にあるキャビティに埋め込まれます。

技術の進歩により、キャビティのサイズがより正確になり、PCB設計では、コンポーネントの寸法に対応するさまざまなキャビティ形状を取り入れることが可能になりました。誘電体材料を除去するためにレーザーを使用することで、位置精度と正確なキャビティの深さを実現します。小さく精密なフライス加工やルーティングツールも、コンポーネントに対する厳密な許容誤差を持つキャビティを製造するために必要な制御を提供します。

コンポーネント、基板、およびビルドアップ材料の間には、適切な回路動作のために、機械的、化学的、電気的な互換性が存在しなければなりません。コンポーネントを整列させて配置した後、次のステップは、等方性のはんだを含む成形ポリマーでキャビティを充填することです。ポリマーとはんだの混合物は互換性を保証します。コア基板を樹脂コーティングされた銅でラミネートすることで、マイクロビアの製造が可能になります。

強力なPCB設計ソフトウェアを使用すると、ビア製造を追跡するのに役立ちます。

埋め込みウェーハレベルパッケージング（EWLP）、埋め込みチップビルドアップ（ECBU）、チップインポリマー（CIP）プロセスは、製造中にアクティブコンポーネントを多層PCB内に完全に埋め込むことを可能にします。誘電体材料にキャビティをドリルで開けるのではなく、第二の埋め込み技術は、薄いウェーハパッケージをビルドアップ誘電層に直接配置します。

薄いパッケージのダイは基板に接合された後、PCBメーカーは液体エポキシまたは樹脂コーティングフィルムをダイ電材として適用し、コンポーネントを基板に成形します。EWLPはファンインを必要とし、ウェハーレベルで始まりますが、ECBU方法では、アクティブコンポーネントを完全に硬化したポリアミドフィルムの上に面を下にして取り付け、次元安定性のためにフレームに取り付けられ、ポリマー接着剤でコーティングされます。その後、メーカーはインターコネクト構造を構築します。

CIP方法は、一方で、薄いコンポーネントをコア基板の上に直接配置し、チップを接着剤で接合し、PCBのポリマー蓄積層にデバイスを埋め込みます。レーザードリリングは、コンポーネントの接触パッドへのビアを確立し、埋め込まれたアクティブコンポーネントの直上に受動デバイスを直接取り付けることを容易にします。

人生は試練に満ちている

心臓専門医はペースメーカーが機能すると仮定できません。ペースメーカーのインプラントにおいて心室および心房リードの配置が行われた後、心臓チームはペーシングチェックを実施します。ペーシングチェックの一部には、「境界電流」、つまり体の中心部から損傷した心臓への電流を確認することが含まれます。大きな電流は、リード先端電極と心筋との間に良好な接触があったことを示します。

それから、ペーシングチェックは、適切なミリボルト感知信号、正しいインピーダンス、適切なペーシング閾値、およびリード接続の安定性をテストします。これらのテストはそれぞれ、ペースメーカーが心臓の固有のリズムを感知し、心室を正しくペースし、心筋組織を電気的に捕捉するために必要なエネルギーを提供することを保証します。

組み込みアクティブコンポーネントも同様に徹底的なテストアプローチを必要とします。組み込みによりコンポーネントとPCBのサイズが小さくなることは利点をもたらしますが、プロセスによって欠陥が生じる可能性があります。小さく薄いはんだ接合部は割れることがあります。不適切な量のはんだペーストや誤ったはんだ付け温度も、弱い結合や断続的な接続を引き起こす可能性があります。

PCBのサイズを小さくすると、トレース間のショートサーキットの可能性が高まる場合があります。PCBにかかる機械的ストレスは基板を割れさせることがあり、はんだ付け中の表面張力の増加はトゥームストーニングを引き起こすことがあります。

これらの可能性を考慮すると、テストルーチンでは、オープントレース、トレース間のショートサーキット、およびマイクロショートをチェックする必要があります。埋め込みプロセスにはしばしば熱と真空圧が関与するため、変形したトレースや非導電性のビアもチェックするべきです。また、アクティブコンポーネントに対して機能的な低電圧テストを使用することも望ましいでしょう。新しいバージョンのフライングプローブテスターは、各側に4つのプローブを提供し、組み込みアクティブコンポーネントに対して包括的な機能テストを実行できます。

回路設計を行う際に適切なテストルーチンを確保することは、長い目で見ると手間を省くことができます。

これにはもう一つの側面があります

1950年代後半のペースメーカーは、大型の真空管式マシンを収容するための追加のカートが必要でした。胸に外部リードを取り付けられた患者は、常に電気ショックを受けていると不満を述べることが多かったです。今日では、小型化されたペースメーカーが心臓患者に通常の生活を送らせ、新しい手順や設計ルールを導入しました。

PCB設計に組み込まれたアクティブコンポーネントの導入は、製造プロセス、設計ルール、EDAプロバイダーによって取られるアプローチを変える柔軟性をもたらします。この柔軟性を管理するには、コンポーネントの電気的要件、材料要件、および物理的寸法を合成し、正確な配置とアライメントを実現する設計ツールが必要です。設計ツールはまた、レイヤー特性を管理および設定する機能も提供する必要があります。

スタックアップと材料の変更は、配置および相互接続フェーズの間にPCB設計の初期段階で発生します。このアプローチにより、PCB設計者はコンポーネントのサイズと配置をコントロールする利点を得ます。しかし、アクティブコンポーネントの異なる寸法とワイヤーボンディングの使用は、ワイヤーボンドパッドを移動させ、シリコンダイからPCBへのワイヤーボンドを生成する柔軟性を提供する設計ツールを必要とします。

組み込みアクティブコンポーネントを使用することで、高周波回路の電気的パス長を最小限に抑える能力も得られます。アクティブコンポーネントのピンの直下に受動コンポーネントを配置することでパス長を最小化すると、寄生インダクタンス、キャパシタンス、ノイズが減少します。さらに、組み込みコンポーネントの周囲にEMIシールドを直接統合することで、ノイズを減らすことができます。

Altium Designer^®は、組み込みコンポーネントがレイヤースタックに与える影響を、計算と設計ルールのチェックを通じて管理することで、PCB設計をサポートします。スタック管理は、組み込みコンポーネントに必要な配置されたレイヤーとカットレイヤーの各ユニークな組み合わせに対してスタックを作成することによって行われます。

ボードのレイヤー内にコンポーネントを組み込むと、自動的に管理されたスタックが作成されます。そこから、Altium Designerは組み込みコンポーネントをチェックし、利用可能な管理スタックの適合性をテストし、必要に応じて新しい管理スタックを作成します。

組み込みアクティブコンポーネントの管理にAltium Designerを使用する方法についてもっと知りたい場合は、Altiumの専門家に相談してください。