Uso de pasivos integrados en micromódulos SIP

Introducción

Los pasivos implícitos no son nada nuevo para nuestra industria: se establecieron hace mucho tiempo y se comprenden bien. De hecho, ADI ha fabricado este tipo de componentes para el mercado en el pasado. Cuando se incluyen pasivos discretos independientes o incluso redes pasivas integradas en un conjunto de chips, el ruido de enrutamiento, la compatibilidad de periféricos y el ensamblaje de la placa requerirán una gestión cuidadosa del diseño. Aunque los pasivos integrados continúan teniendo una fuerte presencia en la industria, su valor más significativo solo se materializa cuando se incluyen en el sistema en aplicaciones de paquetes.

Una nueva iniciativa de tecnología pasiva integrada (yoPassives™) comenzó en ADI hace varios años. El objetivo de esta iniciativa era proporcionar componentes pasivos, diodos, resistencias, inductores y condensadores que permitieran a ADI abarcar una mayor parte de la cadena de señales y superar al mismo tiempo las limitaciones y complejidades de los enfoques actuales de los componentes pasivos. Estos desarrollos también han sido impulsados ​​por la demanda de los clientes de ADI de soluciones más completas para huellas espaciales eficientes. Desde el punto de vista del diseñador, yoLos pasivos pueden verse como una herramienta de diseño flexible que permite el diseño de soluciones de sistema con el mejor rendimiento y robustez de su clase en tiempos de ciclo de desarrollo extremadamente cortos. ADI tiene muchos circuitos integrados de acondicionamiento de señales cuyo rendimiento superior es posible gracias a los exclusivos procesos de fabricación de silicio que tenemos a nuestra disposición. Sin la complejidad de desarrollar procesos de integración altamente complejos, ADI puede aprovechar la diversidad de ofertas existentes para producir sistemas plug-and-play con características de rendimiento excepcionales. Pasivos implícitos^{la tecnología se utiliza para conectarlos en redes empaquetadas y altamente personalizables a través de la tecnología de sistemas en el paquete para crear μModules® dispositivos totalmente calificados, probados y caracterizados. Los sistemas que alguna vez fueron soluciones a nivel de placa ahora pueden reducirse a lo que parece ser un solo dispositivo. Desde la perspectiva de nuestros clientes, ahora obtienen soluciones completas con un excelente rendimiento listo para usar, ciclos de desarrollo cortos y ahorro de costos, todo en paquetes muy compactos.}

tecnología pasiva

Así que volvamos brevemente a lo básico y recordemos qué es un componente pasivo. Los componentes pasivos son dispositivos sin energía que proporcionan una relación relativamente simple entre corriente y voltaje. Estos componentes son resistencias, capacitores, inductores, transformadores (inductores efectivamente acoplados) y diodos. A veces la relación corriente-voltaje es muy simple, por ejemplo en una resistencia donde la corriente depende linealmente del voltaje. Para un diodo, existe una relación directa entre corriente y voltaje, pero la relación es exponencial. En inductores y capacitores, la relación tiene una dependencia transitoria de corriente y voltaje. La Tabla 1 muestra las fórmulas que definen estas relaciones para cuatro de los ingredientes pasivos básicos:

Tabla 1. Fórmulas básicas para componentes pasivos primarios

elemento aislado	Una ecuación	Símbolo
Resistencia			V = Voltaje yo = actual t = Tiempo R = Resistencia respecto C = Capacitancia en faradios L = Inductancia de la bobina en Henrys yoS = corriente de saturación del diodo Vj = Estrés térmico h = factor de idealidad del diodo
Condensador
Inductor
Diodo

Los dispositivos pasivos se pueden usar individualmente, se pueden conectar en serie o en paralelo, y son componentes esenciales en el procesamiento de señales analógicas (RLC para amplificación, atenuación, acoplamiento, sintonización y filtrado), en el procesamiento de señales digitales (pull up, pull down). y resistencias de adaptación de impedancia), en potencia EMI (supresión de ruido LC) y en gestión de potencia (R para detección y limitación de corriente, LC para almacenamiento de energía).

Límites de componentes discretos

Históricamente, los componentes pasivos han sido discretos, lo que significa que se fabrican por separado y se conectan en un circuito mediante cables conductores o trazas en una placa de circuito impreso (PCB). Con el tiempo, han evolucionado a lo largo de tres caminos: menor tamaño, menor costo y mayor rendimiento. El Evolution ahora está maduro y optimizado, pero el tamaño de la huella y el perfil significa que los componentes pasivos discretos aún limitan el esfuerzo para reducir el área y el tamaño de la solución general. Los componentes pasivos suelen representar más del 80 % de la lista de materiales de una aplicación, ocupan alrededor del 60 % del área y representan alrededor del 20 % del gasto total en ingredientes. Estos factores se combinan para crear problemas de almacenamiento y control de inventario muy complejos.

Por su propia naturaleza, los dispositivos discretos son componentes procesados ​​individualmente. Aunque puede haber formas de garantizar que los componentes se puedan seleccionar de ciertos lotes de proceso, todavía hay un alto grado de singularidad para cada componente. Sin embargo, esta es una desventaja significativa cuando se requieren componentes bien combinados. Para los dispositivos que se espera que coincidan, la singularidad y las diferencias de los componentes contribuyen a errores que degradan el rendimiento de los circuitos de tiempo cero. Además, esta degradación del rendimiento sigue empeorando con la temperatura de funcionamiento y la vida útil del circuito.

Otra desventaja de los dispositivos pasivos discretos es que lleva mucho tiempo ensamblar y cablear los componentes individuales y ocupa mucho espacio. Los elementos se conectan mediante un proceso de soldadura, generalmente ensamblaje de tres orificios o tecnología de montaje en superficie (SMT). Three-Hole es la antigua tecnología de ensamblaje en la que las piezas de plomo se insertan en los orificios de la placa de circuito impreso, cualquier exceso de cable se dobla y se corta, y una ola de soldadura fundida conecta los cables del dispositivo a los cables conductores. . El montaje en superficie permitió el desarrollo de componentes pasivos más pequeños; en este caso, se graba un patrón de aterrizaje en una PCB, se usa pasta de soldadura para cubrir los patrones y luego se colocan los componentes SMT usando una máquina de selección y colocación. Luego, la PCB se somete a un proceso de soldadura por reflujo, donde la soldadura se licúa y hace conexiones eléctricas, y cuando se enfría, la soldadura se solidifica y une mecánicamente los componentes SMT a la PCB. El principal problema con ambas tecnologías de unión es que los procesos de soldadura pueden ser muy poco confiables y, en una industria donde los objetivos de defectos están en partes por millón, esto se está volviendo más preocupante. Varios factores son importantes para garantizar la confiabilidad de la soldadura: la composición real de la soldadura (que ahora generalmente no contiene plomo y, por lo tanto, es menos confiable), la estabilidad mecánica durante el proceso de reflujo de la soldadura (las vibraciones mecánicas de las uniones pueden secar la soldadura), la pureza de la soldadura (cualquier contaminante afecta negativamente la confiabilidad de la soldadura) y el tiempo y la temperatura del proceso de soldadura por reflujo. La velocidad a la que se calienta la soldadura, la temperatura real y la uniformidad de la temperatura, y el tiempo que se calienta la soldadura son críticos. Cualquier cambio aquí puede dañar los patines de aterrizaje o los agujeros pasantes, o podría ejercer una tensión mecánica en los componentes que provocará fallas con el tiempo.

Otra limitación del uso de componentes pasivos en PCB debido a su espaciado es que las pistas deben ser largas. Esto puede introducir elementos no contabilizados que pueden limitar el rendimiento y la repetibilidad de los resultados. Por lo general, la longitud de la pista de PCB es del orden de 1 nH/mm y la capacitancia depende del ancho de la pista. y su proximidad a sus vecinos. Las tolerancias de la pista de PCB contribuyen a una variedad de fallas, por lo que las fallas no solo son perjudiciales, sino también impredecibles. Las tolerancias más estrictas cuestan más PCB.

Los dispositivos pasivos también tienen muchos puntos potenciales de contacto con el mundo exterior, puntos donde pueden ocurrir eventos de ESD, mediante manipulación manual o mecánica. Nuevamente, esto tiene implicaciones y riesgos para la confiabilidad y solidez general.

Beneficios de responsabilidad incorporados

Antes de sumergirnos en las ventajas de los pasivos incorporados sobre sus contrapartes pasivas aisladas, primero describamos los conceptos básicos de los pasivos incorporados. Los circuitos integrados ahora contienen muchos transistores (de hecho, millones) cableados con interconexiones de metal bien definidas. Se han desarrollado procesos especiales para aplicaciones analógicas, como DAC y ADC, que contienen carteras de componentes pasivos, como resistencias y condensadores, además de transistores. Para lograr el rendimiento requerido en estas aplicaciones analógicas de precisión, se han desarrollado componentes pasivos de muy alta calidad. Son estos componentes pasivos de alta calidad los que se utilizan para construir pasivos integrados. Así como los circuitos integrados contienen muchos transistores, los circuitos integrados pueden contener muchos transistores de alta calidad. componentes pasivos empaquetados en un área muy pequeña. De manera similar a los circuitos integrados, los pasivos se integran en sustratos de gran área (chips) donde se producen múltiples matrices pasivas simultáneamente.

Una de las mayores ventajas que ofrecen los pasivos incorporados sobre los pasivos discretos es la combinación precisa que se puede lograr con ellos. Cuando se fabrican redes pasivas integradas, todos los componentes de una red se fabrican al mismo tiempo, en las mismas condiciones, con el mismo conjunto de materiales y, debido a la compacidad de la red, esencialmente en el mismo lugar. Los componentes pasivos hechos de esta manera tienen muchas más posibilidades de ser una muy buena combinación que las opciones pasivas aisladas. Para ilustrar esto, digamos que tenemos una función que requiere dos resistencias emparejadas. Estas resistencias se fabrican sobre sustratos circulares, como obleas de silicio, como se muestra en la Figura 1. Debido a las pequeñas variaciones del proceso, como el espesor de la película resistiva, la química de la película, la resistencia de contacto, etc., habrá un cierto grado de variación de la resistencia dentro de cualquier lote. e incluso más variación entre múltiples lotes. En el ejemplo de la Figura 1, el verde oscuro indica que la resistencia se encuentra en la parte superior del rango de tolerancia y el amarillo indica que la resistencia se encuentra en la parte inferior del rango de tolerancia. Para dispositivos aislados estándar, cada una de las dos resistencias puede provenir de diferentes lotes de fabricación, como se muestra en las dos resistencias separadas dibujadas en rojo. El rango completo de tolerancia del proceso puede ser visible entre las dos resistencias aisladas, por lo que la coincidencia no será muy buena. Con restricciones de pedido especiales, puede ser posible seleccionar ambas resistencias discretas del mismo lote, como se muestra en las dos resistencias discretas dibujadas en azul. El rango de tolerancia dentro de un solo árbol se puede ver entre las dos resistencias. Aunque la coincidencia entre estas resistencias es mejor que el caso aleatorio aislado, todavía hay espacio para cierto nivel de desajuste. Finalmente, con los pasivos construidos, ambas resistencias provienen del mismo dado, como se muestra en las resistencias dibujadas en negro en la Figura 1. El rango de tolerancia dentro del dado es el único rango perceptible entre las dos resistencias. Por lo tanto, el partido entre los dos oponentes será excelente. Se pueden usar técnicas adicionales de cruce en cuadratura y otros métodos para reducir la brecha entre las dos resistencias, lo que da como resultado componentes súper emparejados. La combinación entre los pasivos integrados no solo es mucho mejor que los pasivos discretos de tiempo cero, sino que también rastreará mejor la temperatura, el estrés mecánico y la vida útil debido a su fabricación estrechamente acoplada.

Los componentes individuales de los pasivos integrados se colocan estrechamente uno contra el otro (de hecho, dentro de unas pocas micras) y debido a esto, el ruido de interconexión, como la traza de resistencia y la inductancia, se puede mantener al mínimo. En las PCB, el ruido de interconexión puede ser variable debido a las tolerancias de las pistas y las tolerancias de ubicación de los componentes. Con pasivos integrados, las tolerancias de interconexión y las tolerancias de colocación de componentes son extremadamente estrictas debido a los procesos de fotolitografía utilizados en su fabricación. Sobre los pasivos integrados, no solo los sonidos son muy pequeños, sino que los pocos que hay son muy predecibles y, por tanto, se pueden tener en cuenta de forma fiable.

La miniaturización de redes pasivas a través de pasivos integrados tiene la ventaja muy simple de hacer que las placas de circuito impreso sean más pequeñas. El resultado directo de esto es la reducción de los costos de PCB y la capacidad de empaquetar más y más funciones y rendimiento en un espacio más pequeño. La construcción de sistemas con una gran cantidad de canales se vuelve mucho más conveniente cuando se utilizan pasivos integrados.

Otra ventaja importante de los pasivos integrados es la solidez de toda la red de cableado que los rodea. En lugar de requerir numerosas conexiones soldadas, los pasivos incorporados se pegan en una unidad completa, se sellan con vidrio y luego se protegen con una carcasa de plástico resistente. En las redes integradas pasivas, los problemas de juntas de soldadura seca, corrosión o componentes mal ubicados no están presentes. Una ventaja adicional de que las redes integradas pasivas estén bien selladas es que la cantidad de nodos expuestos en un sistema se reduce considerablemente. Como resultado, la posibilidad de daños en el sistema debido a cortocircuitos accidentales o descargas electrostáticas (ESD) se reduce considerablemente.

Mantener y controlar el stock de componentes para cualquier montaje de PCB es una tarea bastante compleja. Los materiales pasivos integrados con múltiples componentes pasivos en un dispositivo alivianan la lista de materiales para los clientes, lo que resulta en un menor costo de propiedad. Los clientes reciben redes pasivas totalmente probadas y comprobadas. Esto significa que se mejoran los resultados de la construcción de la mesa auxiliar, lo que no solo genera ahorros de costos adicionales, sino que también mejora la previsibilidad de la cadena de suministro.

Usar pasivos integrados con ADI (yoPasivo)

Como se discutió anteriormente, los dispositivos pasivos de calidad están en el corazón del rendimiento del circuito que muchos productos ADI han logrado a lo largo de los años. Durante este tiempo, la gama y la calidad de los dispositivos pasivos ha aumentado y la cartera pasiva integrada ahora incluye una cantidad significativa de componentes. El proceso integrado pasivo es modular, lo que significa que los pasos de procesamiento requeridos para producir un tipo particular de dispositivo pasivo solo se requieren si se requiere ese componente en particular. A yoLa red pasiva básicamente se puede construir con la complejidad de procesamiento requerida, ni más ni menos. Como muestra la Figura 2, hay varios bloques de construcción pasivos para elegir, y construir una red pasiva integrada puede ser tan simple como ensamblar los componentes necesarios.

Como se discutió anteriormente en este artículo, los pasivos incorporados tienen muchas ventajas sobre los pasivos discretos. ADI ha llevado estos beneficios un paso más allá al utilizarlos en dispositivos μModule. Estos módulos aprovechan las capacidades de una amplia variedad de circuitos integrados. Estos circuitos se fabrican utilizando procesos personalizados que proporcionan un rendimiento mejorado que puede lograrse a partir de un proceso. usos de la IDA yoPasivos para conectar estos circuitos integrados y, por lo tanto, construir cadenas de precisión completas dentro de un solo dispositivo. Los dos dispositivos μModule de muestra en la Figura 3 contienen convertidores de datos, amplificadores y otros componentes, y conectándolos entre sí son redes de filtro y ganancia pasiva construidas con pasivos integrados.

ADI produce sistemas de acondicionamiento de señales de precisión personalizables. Tomando un enfoque reutilizable de una amplia cartera de circuitos integrados probados en el campo y combinando este enfoque con flexibilidad yoLos pasivos, los tiempos del ciclo de desarrollo y los costos se reducen considerablemente. Este movimiento brinda enormes beneficios a los clientes que pueden ingresar al mercado de manera más rápida y eficiente a través del máximo rendimiento.

Conclusión

A primera vista, el uso de pasivos implícitos incrementales podría parecer más un enfoque más establecido. Sin embargo, los beneficios son significativos y yoLos pasivos utilizados por ADI redefinen no solo lo que se puede hacer, sino también las velocidades, costos y volúmenes que benefician a los clientes.