Khám phá Hành Trình Của Linh Kiện Hoạt Động Tích Hợp trong Substrate PCB với Máy Tạo Nhịp Tim

Với 200,000 máy tạo nhịp tim được cấy ghép tại Hoa Kỳ mỗi năm, quy trình phẫu thuật để sửa chữa các bất thường của tim đã trở nên thông thường. Khi chuẩn bị cho quy trình này, các bác sĩ tim mạch lựa chọn từ ba loại rạch khác nhau để xác định phương pháp cấy ghép tốt nhất. Mỗi loại rạch ảnh hưởng đến sự thoải mái của bệnh nhân và mức độ rủi ro liên quan đến ca phẫu thuật.

Rạch tạo ra lối vào cho một tĩnh mạch và cung cấp không gian cho máy tạo nhịp. Một bác sĩ tim mạch gắn máy tạo nhịp bằng cách bao bọc thiết bị trong một túi được hình thành từ mô người. Một bác sĩ phẫu thuật có thể chọn tạo một túi trong lớp mô ngay dưới da bằng cách sử dụng một hoặc hai ngón tay để nhẹ nhàng tách các mô mềm ra sau khi rạch.

Phương pháp khác bao gồm việc đặt máy tạo nhịp dưới cơ ngực và bắt đầu với một vết rạch nông trong cơ chính. Kỹ thuật kết thúc với việc phẫu thuật không sắc để tạo túi. Trong cả hai trường hợp, việc đóng vết thương và quá trình lành thương cho phép mô bao bọc máy tạo nhịp.

Giữ Nhịp

Khái niệm về việc nhúng microcontrollers, MOSFETs, bộ điều chỉnh điện áp, mạch tích hợp và các thành phần hoạt động khác bên trong lớp nền của một PCB phản ánh quy trình cấy ghép máy tạo nhịp trong cơ thể người. Với công nghệ bảng mô-đun tích hợp, một thành phần SMT được cấy vào một hốc trên bề mặt của một lớp nền cứng thông thường.

Sự tiến bộ của công nghệ đã làm cho kích thước của các khoang trở nên chính xác hơn và cho phép thiết kế PCB tích hợp các hình dạng khoang khác nhau tương ứng với kích thước của linh kiện. Sử dụng laser để loại bỏ vật liệu điện môi cung cấp độ chính xác về vị trí và độ sâu của khoang chính xác. Các công cụ phay và định tuyến nhỏ, chính xác cũng cung cấp khả năng kiểm soát cần thiết để sản xuất các khoang có độ chính xác cao cho linh kiện.

Sự tương thích về cơ khí, hóa học và điện giữa linh kiện, chất nền và vật liệu xây dựng phải tồn tại để mạch hoạt động đúng cách. Sau khi căn chỉnh và đặt linh kiện, các bước tiếp theo của bạn bao gồm việc lấp đầy khoang với các polyme đúc bao gồm hàn isotropic. Sự kết hợp của polyme và hàn đảm bảo sự tương thích. Laminating chất nền cốt lõi với đồng phủ resin cho phép sản xuất microvia.

Sử dụng phần mềm thiết kế PCB mạnh mẽ sẽ giúp bạn theo dõi việc sản xuất via của mình.

Quy trình đóng gói cấp wafer tích hợp (EWLP), xây dựng chip tích hợp (ECBU), và Chip-in-Polymer (CIP) hoàn toàn tích hợp linh kiện hoạt động bên trong một PCB đa lớp trong quá trình sản xuất. Thay vì khoan các khoang vào vật liệu điện môi, kỹ thuật nhúng thứ hai đặt các gói wafer mỏng trực tiếp vào các lớp điện môi xây dựng.

Gói mỏng được gắn vào bề mặt chất nền, sau đó nhà sản xuất PCB áp dụng epoxy lỏng hoặc phim phủ nhựa làm điện môi để đúc thành phần vào chất nền. Trong khi EWLP yêu cầu fan-in và bắt đầu từ cấp độ wafer, phương pháp ECBU lắp các thành phần hoạt động úp mặt xuống một lớp phim polyamide đã được chữa hoàn toàn gắn vào một khung để ổn định kích thước và được phủ một lớp keo polyme. Sau đó, nhà sản xuất xây dựng cấu trúc kết nối.

Phương pháp CIP, ngược lại, đặt các thành phần mỏng trực tiếp lên trên lớp chất nền cốt lõi, gắn chíp bằng keo dính và nhúng các thiết bị vào các lớp xây dựng polyme của PCB. Khoan laser thiết lập các vias để liên hệ với các pad của thành phần và hỗ trợ lắp đặt các thiết bị bị động trực tiếp trên thành phần hoạt động được nhúng.

Cuộc Sống Đầy Thử Thách

Các bác sĩ tim mạch không thể giả định rằng một máy tạo nhịp tim hoạt động. Sau khi đặt dây dẫn tâm nhĩ và tâm thất trong cấy ghép máy tạo nhịp, nhóm tim mạch tiến hành kiểm tra nhịp đập. Một phần của việc kiểm tra nhịp đập bao gồm việc xác minh “dòng điện phân giới” hoặc dòng điện từ phần trung tâm của cơ thể đến tim bị tổn thương. Một dòng điện lớn chỉ ra rằng đã xảy ra tiếp xúc tốt giữa đầu dây dẫn điện cực và cơ tim.

Sau đó, kiểm tra độ chính xác của tín hiệu cảm biến milivolt, trở kháng đúng, ngưỡng kích thích phù hợp và sự ổn định của các kết nối dẫn. Mỗi bài kiểm tra này đảm bảo rằng máy tạo nhịp tim cảm nhận được nhịp đập tự nhiên của tim, kích thích tâm thất một cách chính xác và cung cấp năng lượng cần thiết để bắt giữ điện tử mô cơ tim.

Các thành phần hoạt động tích hợp cần phải được kiểm tra một cách kỹ lưỡng tương tự. Mặc dù việc tích hợp mang lại lợi ích bằng cách giảm kích thước của các thành phần và PCB, quá trình này có thể gây ra lỗi. Các mối hàn nhỏ hơn, mỏng hơn có thể bị nứt. Một lượng kem hàn không đủ hoặc nhiệt độ hàn không chính xác cũng có thể tạo ra các liên kết yếu và kết nối không ổn định.

Giảm kích thước của PCB có thể tăng khả năng xảy ra mạch ngắn giữa các đường dẫn. Áp lực cơ học lên PCB có thể làm nứt lớp nền trong khi căng thẳng bề mặt tăng lên trong quá trình hàn có thể gây ra hiện tượng đá mồ mả.

Xét đến những khả năng này, quy trình kiểm tra của bạn nên kiểm tra các đường dẫn mở, mạch ngắn giữa các đường dẫn và mạch ngắn vi mô. Bởi vì quá trình tích hợp thường liên quan đến nhiệt và áp suất chân không, bạn cũng nên kiểm tra các đường dẫn bị biến dạng hoặc vias không dẫn điện. Bạn cũng có thể muốn sử dụng các bài kiểm tra chức năng điện áp thấp cho các thành phần hoạt động. Các phiên bản mới của máy kiểm tra sonda bay cung cấp bốn sonda ở mỗi bên và có thể thực hiện các bài kiểm tra chức năng toàn diện trên các thành phần hoạt động tích hợp.

Đảm bảo các quy trình kiểm tra đầy đủ khi làm việc với thiết kế mạch của bạn có thể giúp bạn tránh được những phiền toái lâu dài.

Có Một Khía Cạnh Khác Cho Tất Cả Điều Này

Phiên bản máy tạo nhịp từ cuối những năm 1950 yêu cầu một xe đẩy phụ để chứa các máy lớn sử dụng ống chân không. Với các dây dẫn ngoại vi gắn vào ngực, bệnh nhân thường phàn nàn về việc nhận được các cú sốc điện liên tục. Ngày nay, máy tạo nhịp mini hóa đã cho phép bệnh nhân tim dẫn đến cuộc sống bình thường và giới thiệu các thủ tục mới và quy tắc thiết kế.

Sự giới thiệu các thành phần hoạt động tích hợp vào thiết kế PCB mang lại sự linh hoạt thay đổi quy trình chế tạo, quy tắc thiết kế và cách tiếp cận của các nhà cung cấp EDA. Quản lý sự linh hoạt này đòi hỏi các công cụ thiết kế tổng hợp các yêu cầu về điện, yêu cầu về vật liệu, và kích thước vật lý của một thành phần để đặt chính xác và căn chỉnh. Các công cụ thiết kế cũng phải cung cấp khả năng quản lý và cấu hình các thuộc tính lớp.

Sự thay đổi về cấu trúc và vật liệu xảy ra sớm hơn trong thiết kế PCB trong quá trình đặt và kết nối. Các nhà thiết kế PCB được hưởng lợi từ cách tiếp cận này bằng cách kiểm soát kích thước và vị trí của linh kiện. Tuy nhiên, các kích thước khác nhau của các thành phần hoạt động và việc sử dụng kỹ thuật nối dây yêu cầu các công cụ thiết kế cung cấp sự linh hoạt để di chuyển các pad nối dây và tạo ra các nối dây từ vi mạch silicon đến PCB.

Với việc sử dụng các thành phần hoạt động được nhúng, bạn cũng có khả năng giảm thiểu chiều dài đường dẫn điện cho các mạch tần số cao. Việc giảm thiểu chiều dài đường dẫn bằng cách đặt các thành phần bị động ngay dưới chân của thành phần hoạt động giúp giảm thiểu độ tự cảm, dung lượng và nhiễu không mong muốn. Ngoài ra, bạn có thể tích hợp các lá chắn EMI trực tiếp xung quanh các thành phần nhúng để giảm nhiễu.

Altium Designer hỗ trợ bạn trong việc thiết kế PCB bằng cách quản lý cách các thành phần nhúng ảnh hưởng đến cấu trúc lớp thông qua các phép tính và kiểm tra quy tắc thiết kế. Quản lý cấu trúc lớp được thực hiện thông qua việc tạo một cấu trúc cho mỗi sự kết hợp độc đáo của các lớp được đặt và cắt cần thiết cho các thành phần nhúng được bao gồm trong cấu trúc.

Việc nhúng một thành phần vào trong các lớp của bảng mạch tự động tạo ra một Managed Stack. Từ đó, Altium Designer kiểm tra các thành phần nhúng, kiểm tra tính phù hợp của các Managed Stack có sẵn và tạo ra một Managed Stack mới nếu cần thiết.

Để tìm hiểu thêm về việc sử dụng Altium Designer để quản lý các thành phần hoạt động nhúng, hãy nói chuyện với một chuyên gia tại Altium.