Путешествие по встроенным активным компонентам в подложках печатных плат с использованием кардиостимуляторов

Ежегодно в Соединенных Штатах имплантируется 200 000 кардиостимуляторов, и хирургический процесс коррекции нарушений работы сердца стал рутинным. При подготовке к процедуре кардиологи выбирают один из трех типов разрезов, чтобы определить наилучший метод имплантации. Каждый тип разреза влияет на комфорт пациента и степень риска, связанного с операцией.

Разрез обеспечивает доступ к вене и выделяет место для кардиостимулятора. Кардиолог вживляет кардиостимулятор, помещая устройство в карман, сформированный из человеческой ткани. Хирург может выбрать формирование кармана в слое ткани прямо под кожей, аккуратно раздвигая плотные ткани одним или двумя пальцами после разреза.

Другой метод заключается в размещении кардиостимулятора под грудной мышцей и начинается с неглубокого разреза в основной мышце. Техника завершается тупым разделением для создания кармана. В обоих случаях заживление раны и процесс заживления позволяют ткани образовать капсулу вокруг кардиостимулятора.

Сохранение ритма

Концепция встраивания микроконтроллеров, MOSFET, регуляторов напряжения, интегральных схем и других активных компонентов в подложку печатной платы отражает процесс имплантации кардиостимулятора в человеческое тело. С технологиями интегрированных модульных плат компонент SMT вживляется в полость на поверхности традиционной жесткой подложки.

Технологические достижения позволили достигнуть более точных размеров полостей и включить в дизайн печатных плат различные формы полостей, соответствующие размерам компонентов. Использование лазеров для удаления диэлектрического материала обеспечивает точность позиционирования и точные глубины полостей. Маленькие, точные инструменты для фрезерования и сверления также предоставляют контроль, необходимый для создания полостей, имеющих строгую толерантность для компонента.

Должна существовать механическая, химическая и электрическая совместимость между компонентом, подложкой и материалами наращивания для правильной работы схемы. После выравнивания и размещения компонента ваши следующие шаги включают заполнение полости формовочными полимерами, содержащими изотропный припой. Смесь полимеров и припоя обеспечивает совместимость. Ламинирование основной подложки с медью, покрытой смолой, позволяет создавать микровиасы.

Использование мощного программного обеспечения для дизайна печатных плат поможет отслеживать ваши процессы создания виасов.

Процессы встраивания на уровне кристалла (EWLP), наращивания встроенных чипов (ECBU) и Чип в Полимере (CIP) полностью встраивают активный компонент в многослойную печатную плату в процессе производства. Вместо сверления полостей в диэлектрическом материале, второй метод встраивания помещает тонкие пакеты кристаллов непосредственно в наращиваемые диэлектрические слои.

Тонкий корпус соединяется с подложкой, после чего производитель печатных плат наносит жидкий эпоксид или покрытую смолой пленку в качестве диэлектрика для формирования компонента в подложке. В то время как технология EWLP требует втягивания и начинается на уровне кристалла, метод ECBU заключается в монтаже активных компонентов лицевой стороной вниз на полностью отвержденную полиамидную пленку, закрепленную на раме для обеспечения размерной стабильности и покрытую полимерным клеем. Затем производитель создает структуру соединений.

Метод CIP, с другой стороны, размещает тонкие компоненты непосредственно на основную подложку, соединяет чипы с помощью клея и встраивает устройства в слои полимерного наращивания печатной платы. Лазерное сверление создает сквозные отверстия для контактных площадок компонентов и облегчает монтаж пассивных устройств непосредственно над встроенным активным компонентом.

Жизнь полна испытаний

Кардиологи не могут предполагать, что кардиостимулятор работает. После установки венозных и предсердных электродов при имплантации кардиостимулятора, кардиологическая команда проводит проверки стимуляции. Часть проверки стимуляции включает в себя подтверждение «тока разграничения» или электрического тока от центральной части тела к поврежденному сердцу. Большой ток указывает на хороший контакт между кончиком электрода и миокардом.

Затем проверка ритма тестирует наличие правильного милливольтового сигнала сенсора, корректное сопротивление, соответствующий порог стимуляции и стабильность соединений электрода. Каждый из этих тестов гарантирует, что кардиостимулятор чувствует внутренний ритм сердца, правильно стимулирует желудочек и обеспечивает энергию, необходимую для электрического захвата миокарда.

Встроенные активные компоненты требуют такого же тщательного подхода к тестированию. Хотя встраивание позволяет уменьшить размер компонентов и печатных плат, этот процесс может привести к дефектам. Меньшие, более тонкие паяные соединения могут треснуть. Недостаточное количество паяльной пасты или неправильная температура пайки также могут привести к слабым связям и прерывистым соединениям.

Уменьшение размера печатной платы может увеличить вероятность коротких замыканий между дорожками. Механическое напряжение на печатной плате может привести к трещинам в подложке, в то время как увеличенное поверхностное натяжение во время пайки может вызвать эффект "надгробия".

Учитывая эти возможности, ваша тестовая программа должна проверять наличие разомкнутых дорожек, коротких замыканий между дорожками и микро-коротких замыканий. Поскольку процесс встраивания часто включает нагрев и вакуумное давление, вы также должны проверить наличие деформированных дорожек или непроводящих переходных отверстий. Возможно, вы также захотите использовать функциональные низковольтные тесты для активных компонентов. Новые версии тестеров с летающими зондами обеспечивают по четыре зонда с каждой стороны и могут выполнять комплексные функциональные тесты на встроенных активных компонентах.

Обеспечение адекватных рутин тестирования при работе с вашими схемами может избавить вас от проблем в долгосрочной перспективе.

Есть и другая сторона всего этого

Версии кардиостимуляторов конца 1950-х годов требовали дополнительной тележки для размещения больших машин на вакуумных трубках. С внешними электродами, прикрепленными к их груди, пациенты часто жаловались на постоянные электрические удары. Сегодня миниатюризированные кардиостимуляторы позволили пациентам с сердечными заболеваниями вести нормальную жизнь и ввели новые процедуры и правила проектирования.

Введение встроенных активных компонентов в дизайн печатных плат вносит гибкость, изменяющую процессы изготовления, правила проектирования и подход, принимаемый поставщиками EDA. Управление этой гибкостью требует инструментов проектирования, которые синтезируют электрические требования, требования к материалам и физические размеры компонента для точного размещения и выравнивания. Инструменты проектирования также должны предоставлять возможность управления и настройки свойств слоев.

Изменения стека и материалов происходят на более раннем этапе проектирования печатных плат во время размещения и соединения. Дизайнеры печатных плат выигрывают от этого подхода, получая контроль над размером компонентов и их размещением. Однако различные размеры активных компонентов и использование проволочной связи требуют инструментов проектирования, которые предоставляют гибкость для перемещения подушек для проволочной связи и создания проволочных соединений от кремниевого кристалла к печатной плате.

С использованием встроенных активных компонентов вы также получаете возможность минимизировать длину электрических путей для высокочастотных схем. Минимизация длины пути путем размещения пассивных компонентов непосредственно под выводами активного компонента снижает паразитную индуктивность, емкость и шум. Кроме того, вы можете интегрировать экраны ЭМИ непосредственно вокруг встроенных компонентов для снижения шума.

Altium Designer помогает вам в разработке печатных плат, управляя тем, как встроенные компоненты влияют на структуру слоев с помощью расчетов и проверки правил проектирования. Управление стеком происходит через создание стека для каждой уникальной комбинации размещенных и вырезанных слоев, необходимых для встроенных компонентов, включенных в стек.

Встраивание компонента в слои платы автоматически создает Управляемый Стек. Далее Altium Designer проверяет наличие встроенных компонентов, тестирует пригодность доступных управляемых стеков и создает новый Управляемый Стек при необходимости.

Чтобы узнать больше о том, как использовать Altium Designer для управления встроенными активными компонентами, обратитесь к эксперту в Altium.