Jornada Pelos Componentes Ativos Embutidos em Substratos de PCB com Marca-passos

Com 200.000 marca-passos implantados nos Estados Unidos por ano, o processo cirúrgico para corrigir anormalidades cardíacas tornou-se rotineiro. Ao se preparar para o processo, os cardiologistas escolhem entre três diferentes tipos de incisão para determinar o melhor método de implante. Cada tipo de incisão impacta no conforto do paciente e na quantidade de risco envolvido com a cirurgia.

A incisão proporciona acesso a uma veia e aloca espaço para o marca-passo. Um cardiologista implanta o marca-passo ao envolver o dispositivo dentro de um bolso formado a partir de tecido humano. Um cirurgião pode escolher formar um bolso dentro da camada de tecido logo abaixo da pele, usando um ou dois dedos para gentilmente separar os tecidos carnais após uma incisão.

Outro método envolve colocar um marca-passo abaixo do músculo peitoral e começa com uma incisão superficial no músculo principal. A técnica termina com uma dissecção romba para criar o bolso. Em ambos os casos, o fechamento da ferida e o processo de cicatrização permitem que o tecido encapsule o marca-passo.

Mantendo o Ritmo

O conceito de embutir microcontroladores, MOSFETs, reguladores de tensão, circuitos integrados e outros componentes ativos dentro do substrato de uma PCB espelha o processo de implantar um marca-passo dentro de um ser humano. Com tecnologias de placa de módulo integrado, um componente SMT é implantado em uma cavidade na superfície de um substrato rígido convencional.

Os avanços tecnológicos tornaram os tamanhos das cavidades mais precisos e permitiram que os designs de PCB incorporassem diferentes formas de cavidades correspondentes às dimensões dos componentes. O uso de lasers para remover material dielétrico oferece precisão posicional e profundidades de cavidade precisas. Ferramentas de fresagem e roteamento pequenas e precisas também fornecem o controle necessário para produzir cavidades que têm uma tolerância apertada para o componente.

A compatibilidade mecânica, química e elétrica entre o componente, o substrato e os materiais de construção deve existir para o funcionamento adequado do circuito. Após alinhar e colocar o componente, os próximos passos envolvem preencher a cavidade com polímeros de moldagem que incluem solda isotrópica. A mistura de polímeros e solda garante compatibilidade. Laminar o substrato central com cobre revestido de resina permite a fabricação de microvias.

Usar um software de design de PCB forte ajudará a acompanhar suas fabricações de vias.

Embalagem em nível de wafer embutido (EWLP), construção de chip embutido (ECBU) e processos Chip-in-Polymer (CIP) embutem completamente o componente ativo dentro de um PCB multicamadas durante a fabricação. Em vez de perfurar cavidades no material dielétrico, a segunda técnica de embutimento coloca pacotes de wafer finos diretamente nas camadas dielétricas de construção.

O pacote fino é ligado ao substrato seguido pela aplicação, pelo fabricante de PCB, de epóxi líquido ou filme revestido de resina como dielétrico para moldar o componente no substrato. Enquanto o EWLP requer fan-in e começa no nível do wafer, o método ECBU monta componentes ativos com a face voltada para baixo em um filme de poliamida totalmente curado montado em uma armação para estabilidade dimensional e revestido com adesivo polimérico. Em seguida, o fabricante constrói a estrutura de interconexão.

O método CIP, por outro lado, coloca componentes finos diretamente em cima do substrato central, une os chips com um adesivo e embute os dispositivos nas camadas de acúmulo de polímero do PCB. A perfuração a laser estabelece os vias para os pads de contato dos componentes e facilita a montagem de dispositivos passivos diretamente sobre o componente ativo embutido.

A Vida é Cheia de Testes

Cardiologistas não podem assumir que um marca-passo funciona. Após a colocação dos eletrodos ventriculares e atriais em um implante de marca-passo, a equipe de cardiologia realiza verificações de ritmo. Parte de uma verificação de ritmo envolve verificar a “corrente de demarcação” ou a corrente elétrica da parte central do corpo para o coração lesionado. Uma corrente alta indica que um bom contato entre a ponta do eletrodo e o miocárdio ocorreu.

Em seguida, o teste de verificação de ritmo testa o sinal de detecção de milivolts adequado, a impedância correta, o limiar de estimulação apropriado e a estabilidade das conexões do eletrodo. Cada um desses testes garante que o marca-passo sinta o ritmo intrínseco do coração, estimule o ventrículo corretamente e forneça a energia necessária para capturar eletricamente o tecido miocárdico.

Componentes ativos embutidos requerem a mesma abordagem minuciosa para testes. Embora a incorporação traga benefícios ao reduzir o tamanho dos componentes e das PCBs, o processo pode introduzir defeitos. Juntas de solda menores e mais finas podem rachar. Uma quantidade inadequada de pasta de solda ou temperaturas de soldagem incorretas também podem produzir ligações fracas e conexões intermitentes.

Diminuir o tamanho da PCB pode aumentar a possibilidade de curtos-circuitos entre trilhas. O estresse mecânico na PCB pode rachar o substrato, enquanto a tensão superficial aumentada durante a soldagem pode causar o tombamento.

Dadas essas possibilidades, sua rotina de teste deve verificar trilhas abertas, curtos-circuitos entre trilhas e microcurtos. Como o processo de incorporação muitas vezes envolve calor e pressão a vácuo, você também deve verificar se há trilhas deformadas ou vias não condutivas. Você também pode querer usar testes funcionais de baixa tensão para os componentes ativos. Versões mais recentes de testadores de sonda voadora fornecem quatro sondas de cada lado e podem realizar testes funcionais abrangentes em componentes ativos embutidos.

Garantir rotinas de teste adequadas ao trabalhar com seu design de circuito pode poupar aborrecimentos a longo prazo.

Há Outro Lado Nisso Tudo

Versões de marcapassos do final dos anos 1950 exigiam um carrinho adicional para segurar as grandes máquinas alimentadas por tubo de vácuo. Com eletrodos externos presos ao peito, os pacientes frequentemente reclamavam de receber choques elétricos constantes. Hoje, marcapassos miniaturizados permitiram que pacientes cardíacos levassem vidas normais e introduziram novos procedimentos e regras de design.

A introdução de componentes ativos embutidos no design de PCBs introduz flexibilidade que muda os processos de fabricação, regras de design e a abordagem adotada pelos provedores de EDA. Gerenciar essa flexibilidade requer ferramentas de design que sintetizem os requisitos elétricos, requisitos de material e dimensões físicas de um componente para um posicionamento e alinhamento precisos. As ferramentas de design também devem fornecer a capacidade de gerenciar e configurar propriedades de camadas.

Mudanças de empilhamento e material ocorrem mais cedo no design de PCB durante as fases de colocação e interconexão. Os designers de PCBs se beneficiam dessa abordagem ao ganhar controle sobre o tamanho e colocação de componentes. No entanto, as diferentes dimensões de componentes ativos e o uso de wirebonding requerem ferramentas de design que dêem a flexibilidade para mover pads de wirebond e gerar wirebonds do die de silício para o PCB.

Com o uso de componentes ativos embutidos, você também ganha a capacidade de minimizar os comprimentos dos caminhos elétricos para circuitos de alta frequência. Minimizar o comprimento do caminho posicionando componentes passivos diretamente sob o pino do componente ativo reduz a indutância parasita, a capacitância e o ruído. Além disso, você pode integrar escudos EMI diretamente ao redor dos componentes embutidos para reduzir o ruído.

Altium Designer ajuda você com o seu design de PCB gerenciando como os componentes embutidos impactam a pilha de camadas através de cálculos e verificação de regras de design. O gerenciamento da pilha ocorre através da criação de uma pilha para cada combinação única de camadas colocadas e cortadas necessárias pelos componentes embutidos incluídos na pilha.

Embutir um componente dentro das camadas da placa cria automaticamente uma Pilha Gerenciada. A partir daí, o Altium Designer verifica os componentes embutidos, testa a adequação das pilhas gerenciadas disponíveis e cria uma nova Pilha Gerenciada, se necessário.

Para saber mais sobre como usar o Altium Designer para gerenciar componentes ativos embutidos, fale com um especialista na Altium.