Podróż przez wbudowane aktywne komponenty w podłożach PCB z rozrusznikami

W Stanach Zjednoczonych każdego roku wszczepia się 200 000 rozruszników serca, co sprawia, że chirurgiczna metoda korygowania nieprawidłowości serca stała się rutynowym zabiegiem. Przygotowując się do zabiegu, kardiolodzy wybierają spośród trzech różnych typów nacięć, aby określić najlepszą metodę wszczepienia. Każdy typ nacięcia wpływa na komfort pacjenta oraz na poziom ryzyka związanego z operacją.

Nacięcie umożliwia dostęp do żyły i zapewnia miejsce na rozrusznik. Kardiolog umieszcza rozrusznik, otaczając urządzenie kieszonką utworzoną z tkanki ludzkiej. Chirurg może zdecydować się na utworzenie kieszonki w warstwie tkanki tuż pod skórą, delikatnie rozsuwając tkanki miękkie jednym lub dwoma palcami po nacięciu.

Inna metoda polega na umieszczeniu rozrusznika poniżej mięśnia piersiowego, co rozpoczyna się od płytkiego nacięcia w głównym mięśniu. Technika kończy się tępym rozdzieleniem, aby stworzyć kieszonkę. W obu przypadkach zamknięcie rany i proces gojenia pozwalają tkance otoczyć rozrusznik.

Utrzymywanie tempa

Koncepcja wbudowywania mikrokontrolerów, tranzystorów MOSFET, regulatorów napięcia, układów scalonych oraz innych aktywnych komponentów w substrat płytki PCB jest odzwierciedleniem procesu wszczepiania rozrusznika w ciało człowieka. Dzięki technologiom zintegrowanych modułów płytkowych, komponent SMT jest implantowany w zagłębieniu na powierzchni konwencjonalnego sztywnego substratu.

Postępy technologiczne sprawiły, że rozmiary wnęk stały się bardziej precyzyjne i umożliwiły projektowanie PCB z różnymi kształtami wnęk odpowiadającymi wymiarom komponentów. Użycie laserów do usuwania materiału dielektrycznego oferuje dokładność pozycyjną i precyzyjne głębokości wnęk. Małe, precyzyjne narzędzia do frezowania i trasowania również zapewniają kontrolę potrzebną do produkcji wnęk, które mają ścisłą tolerancję dla komponentu.

Mechaniczna, chemiczna i elektryczna kompatybilność między komponentem, podłożem a materiałami budulcowymi musi istnieć dla prawidłowego działania obwodu. Po wyrównaniu i umieszczeniu komponentu, kolejnymi krokami jest wypełnienie wnęki polimerami formującymi, które zawierają izotropowy lut. Mieszanka polimerów i lutowia zapewnia kompatybilność. Laminowanie podstawowego podłoża z miedzią pokrytą żywicą umożliwia fabrykację mikroprzewiązek.

Użycie silnego oprogramowania do projektowania PCB pomoże śledzić twoje fabrykacje przewiązek.

Procesy pakowania na poziomie wafla z wbudowanymi komponentami (EWLP), wbudowana konstrukcja chipów (ECBU) oraz Chip-in-Polymer (CIP) całkowicie zatapiają aktywny komponent w wielowarstwowym PCB podczas produkcji. Zamiast wiercenia wnęk w materiale dielektrycznym, druga technika wbudowywania umieszcza cienkie pakiety wafla bezpośrednio w warstwach dielektrycznych budulca.

Cienka obudowa jest przyłączana do podłoża, a następnie producent PCB stosuje ciekły epoksyd lub pokrytą żywicą folię jako dielektryk, aby uformować komponent w podłożu. Podczas gdy EWLP wymaga zbliżenia wentylatora i zaczyna się na poziomie płytki krzemowej, metoda ECBU montuje aktywne komponenty przodem do dołu na w pełni utwardzonej folii poliamidowej zamontowanej na ramie dla stabilności wymiarowej i pokrytej polimerowym klejem. Następnie producent buduje strukturę połączeń.

Metoda CIP, z drugiej strony, umieszcza cienkie komponenty bezpośrednio na wierzchu podstawowego substratu, łączy układy scalone za pomocą kleju i zatapia urządzenia w warstwach polimerowego narastania PCB. Wiercenie laserowe tworzy przelotki do padów kontaktowych komponentów i ułatwia montaż urządzeń pasywnych bezpośrednio nad zatopionym aktywnym komponentem.

Życie pełne jest testów

Kardiolodzy nie mogą zakładać, że rozrusznik serca działa. Po umieszczeniu przewodów komorowych i przedsionkowych w implantowanym rozruszniku, zespół kardiologiczny przeprowadza testy stymulacji. Częścią testu stymulacji jest weryfikacja „prądu demarkacyjnego” czyli prądu elektrycznego z centralnej części ciała do uszkodzonego serca. Duży prąd wskazuje na dobre połączenie między końcówką elektrody przewodu a mięśniem sercowym.

Następnie, test sprawdzający rytm kontroluje poprawność sygnału wykrywania w milivoltach, właściwą impedancję, odpowiedni próg stymulacji oraz stabilność połączeń elektrod. Każdy z tych testów zapewnia, że rozrusznik serca wykrywa wewnętrzny rytm serca, prawidłowo stymuluje komorę i dostarcza energię potrzebną do elektrycznego pobudzenia tkanki mięśniowej serca.

Zagnieżdżone aktywne komponenty wymagają tak samo dokładnego podejścia do testowania. Chociaż zagnieżdżanie przynosi korzyści poprzez redukcję rozmiaru komponentów i PCB, proces może wprowadzać defekty. Mniejsze, cieńsze połączenia lutownicze mogą pękać. Niewystarczająca ilość pasty lutowniczej lub nieprawidłowe temperatury lutowania mogą również prowadzić do słabych połączeń i przerywanych połączeń.

Zmniejszenie rozmiaru PCB może zwiększyć możliwość wystąpienia zwarcia między ścieżkami. Mechaniczny stres na PCB może spowodować pęknięcie podłoża, podczas gdy zwiększone napięcie powierzchniowe podczas lutowania może powodować efekt "tombstoning".

W obliczu tych możliwości, Twoja rutyna testowa powinna sprawdzać otwarte ścieżki, zwarcia między ścieżkami oraz mikro zwarcia. Ponieważ proces zagnieżdżania często wiąże się z użyciem ciepła i ciśnienia próżniowego, powinieneś również sprawdzić, czy nie doszło do deformacji ścieżek lub nieprzewodzących przelotek. Możesz również chcieć użyć funkcjonalnych testów niskonapięciowych dla aktywnych komponentów. Nowe wersje testerów z sondami latającymi zapewniają cztery sondy po każdej stronie i mogą przeprowadzać kompleksowe testy funkcjonalne na zagnieżdżonych aktywnych komponentach.

Zapewnienie odpowiednich procedur testowych podczas pracy nad projektem obwodu może zaoszczędzić kłopotów w dłuższej perspektywie.

Jest jeszcze inna strona tej sprawy

Wersje rozruszników serca z późnych lat 50. wymagały dodatkowego wózka do przenoszenia dużych maszyn zasilanych lampami próżniowymi. Z zewnętrznymi przewodami przymocowanymi do klatki piersiowej, pacjenci często skarżyli się na otrzymywanie ciągłych wstrząsów elektrycznych. Dzisiaj, zminiaturyzowane rozruszniki pozwoliły pacjentom z problemami serca prowadzić normalne życie i wprowadziły nowe procedury oraz zasady projektowania.

Wprowadzenie wbudowanych aktywnych komponentów do projektowania PCB wprowadza elastyczność, która zmienia procesy fabrykacyjne, zasady projektowania i podejście przyjmowane przez dostawców EDA. Zarządzanie tą elastycznością wymaga narzędzi projektowych, które syntezują wymagania elektryczne, wymagania materiałowe i wymiary fizyczne komponentu dla dokładnego umieszczenia i wyrównania. Narzędzia projektowe muszą również zapewniać możliwość zarządzania i konfigurowania właściwości warstw.

Zmiany w układzie warstw i materiałach występują wcześniej w projekcie PCB, podczas faz umieszczania i łączenia. Projektanci PCB korzystają z tego podejścia, uzyskując kontrolę nad rozmiarem i umiejscowieniem komponentów. Jednak różne wymiary aktywnych komponentów i użycie wirebondingu wymagają narzędzi projektowych, które dają elastyczność w przemieszczaniu padów wirebond i generowaniu wirebondów z krzemowego die do PCB.

Dzięki wykorzystaniu wbudowanych aktywnych komponentów zyskujesz również możliwość minimalizacji długości ścieżek elektrycznych dla obwodów wysokich częstotliwości. Minimalizacja długości ścieżki poprzez pozycjonowanie komponentów pasywnych bezpośrednio pod pinem komponentu aktywnego redukuje indukcyjność pasożytniczą, pojemność i szum. Dodatkowo, możesz zintegrować osłony EMI bezpośrednio wokół wbudowanych komponentów, aby zmniejszyć szum.

Altium Designer wspiera Cię w projektowaniu PCB, zarządzając wpływem wbudowanych komponentów na układ warstw poprzez obliczenia i sprawdzanie zasad projektowania. Zarządzanie układem warstw odbywa się poprzez tworzenie stosu dla każdej unikalnej kombinacji umieszczonych i wyciętych warstw potrzebnych dla wbudowanych komponentów zawartych w stosie.

Wbudowanie komponentu w warstwy płytki automatycznie tworzy Zarządzany Stos. Stamtąd, Altium Designer sprawdza wbudowane komponenty, testuje przydatność dostępnych zarządzanych stosów i tworzy nowy Zarządzany Stos, jeśli jest to konieczne.

Aby dowiedzieć się więcej o zarządzaniu wbudowanymi aktywnymi komponentami za pomocą Altium Designer, porozmawiaj z ekspertem w Altium.