Tecnologie di dispositivi, circuiti e sistemi elettronici Schede elettroniche stampate Monostrato Multistrato Componenti attivi e passivi Transistori e diodi Resistori Condensatori Induttori Circuiti Integrati Monolitici Ibridi 1
Circuiti stampati Maschera Per realizzare apparati elettronici complessi occorre interconnettere tra loro diversi circuiti integrati. Il numero delle interconnessioni da fare in genere è molto elevato, e per realizzarle si utilizzano schede di circuiti stampati (PCB: Printed Circuit Boards). Sono schede di materiale isolante (plastiche o vetroresine) sulle quali vengono montati I componenti elettronici e realizzati I necessari collegamenti mediante piste metalliche conduttrici. Le schede vergini sono con la superfice completamente ricoperta da un sottile strato metallico. Per realizzare le piste si asporta il materiale conduttore dovunque non serve: si deposita del materiale fotosensibile sulla superfice della scheda e con processo fotografico si stampa su di esso l immagine del circuito da realizzare. Con processo chimico si asporta il metallo dalla parte di superfice che non è stata stampata, ricavando così le piste desiderate. Data la complessità dei circuiti da tracciare, la scelta dei percorsi delle piste (sbrogliatura) non è generalmente fatta a mano ma da appositi programmi al computer che utilizzano al meglio l area a disposizione. Ovviamente non è possibile utilizzare su un unico piano (scheda monofaccia) linee che si incrociano, per cui oltre una certa complicazione circuitale un unica faccia o anche l utilizzare entrambe le faccie (scheda doppia faccia) non è più sufficiente. 2
Circuiti stampati Scheda in tecnologia SMD I componenti sia attivi (transistori e circuiti integrati) che passivi (resistori, condensatori ecc.) sono saldati sulle piste con due possibili tecniche alternative: -Con la tecnica Through-Hole la scheda viene forata in corrispondenza dei piedini del componente, I fori sono metallizzati e i componenti hanno piedini (pins) di una certa lunghezza che, infilati nei rispettivi fori, vengono fissati tramite saldatura. Il processo di saldatura ad onda consiste nel far passare lentamente la scheda sopra un onda stazionaria di lega di stagno fusa che realizza le necessarie connessioni risalendo nei fori metallizzati. -Con la tecnica più recente Surface Mount (SMT) invece i componenti non hanno piedini di lunghezza apprezzabile, ma piccole aree metallizzate sul corpo del contenitore in corrispondenza di ogni pin: il componente viene posizionato da macchine a controllo numerico sopra il circuito stampato su corrispondenti areole metallizzate (pad) cui arrivano le piste di collegamento, e la saldatura fissa il componente alla scheda. La tecnica di saldatura in questo caso e detta a rifusione (reflow) e consiste nel far passare la scheda, con i componenti posizionati, in un forno dove la lega di stagno sotto le aree di connessione fonde e realizza la connessione permanente. -In entrambi i casi la saldatura realizza sia la connessione meccanica (a volte una goccia di colla tra componente e scheda aiuta a sopportare meglio eventuali stress meccanici dovuti ad esempio a vibrazioni) sia le connessioni elettriche. 3
PCB multistrato rame Esempio di scheda a 4 strati. Esistono schede a 6, 8... n strati. Per poter avere più piani su cui tracciare le interconnessioni, si realizzano schede multistrato, costituite da più piani di metallizzazioni separati da strati di materiale dielettrico. Ogni piano metallico può essere utilizzato per le interconnessioni in orizzontale, mentre le connessioni elettriche in verticale tra i diversi piani sono realizzate tramite fori metallizzati (detti Via). I diversi piani di interconnessioni sono incisi separatamente e poi assemblati nella struttura a sandwich. Spesso si dedica un piano completo per distribuire il riferimento di tensione 0V e un altro per le tensioni di alimentazione: questo può essere molto utile per opttimizzare il comportamento nei riguardi dei problemi di Compatibilità Elettromagnetica e per raggiungere frequenze di funzionamento elevate. Le piste sui piani esterni vengono poi protette da attacchi chimici o corticircuiti accidentali tramite verniciatura con vernici isolanti (in genere di colore verde). La realizzazione di schede multistrato è ovviamente più costosa che non la realizzazione a doppia faccia, ma in molte applicazioni attuali è assolutamente necessaria per ragioni di compattezza e di prestazioni. 4
Resistori per l elettronica Through-hole mount Surface-Mount Resistori variabili Si hanno resistori a strato, nei quali l'elemento resistivo è realizzato depositando sulla superficie del cilindro uno strato di lega metallica, ossidi metallici o carbone, oppure resistori ad impasto, costituiti da particelle di materiale conduttore impastate con un legante. Si utilizzano sempre più frequentemente resistori realizzati per deposizione di un film conduttore su un supporto isolante di ceramica (resistori a film spesso) sopratutto per realizzare schiere di resistori e circuiti integrati ibridi. Ogni resistore è caratterizzato da tre parametri fondamentali: -Il valore di resistenza -La sua tolleranza espressa in % (e la stabilità in funzione della temperatura e dell invecchiamento) -La potenza massima che può dissipare senza rischio di danneggiarsi (la potenza massima condiziona le dimensioni fisiche del resistore) -Come per tutti i componenti elettronici può avere piedini per il montaggio tipo TH (Through-Hole) oppure SMT (Surface Mount Technology). Quest ultima tecnica porta a componenti con dimensioni fisiche da metà ad un terzo dei corrispondenti TH, e il costo del montaggio su scheda si riduce da metà a un quarto. 5
Condensatori Sono caratterizzati da diversi parametri: - Capacità, espressa in pf(10-12 F), o nf (1000 pf) o µf (10 6 pf) -Tolleranza -Max tensione sopportabile in V Le forme di impaccamento sono veramente molte. Per realizzare capacità elevate con volumi fisici ridotti occorre utilizzare dielettrici ad elevata costante dielettrica. I condensatori sono classificati in base al materiale con cui è costituito il dielettrico, con due categorie: a dielettrico solido e a ossido metallico (detti condensatori elettrolitici). Tra I condensatori a dielettrico solido la tecnologia più diffusa fa uso come dielettrico di materiali ceramici (condensatori ceramici) Per capacità di valore molto elevato si ricorre ai condensatori elettrolitici. In questi non è presente un materiale dielettrico, ma l'isolamento è dovuto alla formazione e mantenimento di uno sottilissimo strato di ossido metallico sulla superficie di una armatura. A differenza dei condensatori comuni, la sottigliezza dello strato di ossido consente di ottenere molta più capacità in poco spazio, ma per contro occorre adottare particolari accorgimenti per conservare l'ossido stesso. In particolare è necessario rispettare una precisa polarità nella tensione applicata, altrimenti l'isolamento cede e si ha la distruzione del componente. Si hanno condensatori elettrolici ad Alluminio o al Tantalio: questi ultimi di valore più stabile e preciso ma che sopportano tensioni inferiori. 6
Induttori Piccoli induttori Un induttore è costituito da un avvolgimento di materiale conduttivo, generalmente filo di rame ricoperto da una sottile pellicola isolante. Per aumentare l'induttanza si usa spesso realizzare l'avvolgimento su un nucleo di materiale con elevata permeabilità magnetica (ad es. ferro o ferriti ottenute per sinterizzazione di polveri di ossidi con elevatissima permeabilita magnetica). Poiché gli induttori sono difficilmente miniaturizzabili e di difficile realizzazione sui circuiti integrati si cerca di evitarne ( o comunque di limitarne) l uso ricorrendo ad opportuni artifici circuitali. 7
Dispositivi attivi Transistori Diversi tipi di contenitori per montaggio TH e SM Sono realizzati generalmente su semiconduttori, in genere Silicio, tramite introduzione di quantità controllate di atomi di droganti nella struttura cristallina del semiconduttore, in regioni opportunamente delimitate con precisione da tecniche di mascheratura ottenute con processi fotolitografici. In alternativa al Silicio, per applicazioni a frequenze molto elevate può essere utilizzato l Arseniuro di Gallio (GaAs), ma il suo impiego è abbastanza poco frequente. Si parte da una fetta di silicio (wafer) tagliata da un monocristallo e si introducono gli atomi di droganti mediante diffusione da un gas ad alta temperatura o per impiantazione mediante accelerazione degli ioni che vengono sparati sulla superfice del Si. Le aree da drogare sono individuate da opportune maschere che schermano la restante parte del Si. Su un unico wafer si realizzano moltissimi transistori o diodi che poi vengono separati tramite taglio. I singoli chip così ottenuti vengono quindi incapsulati nei contenitori protettivi che possono essere di tipo plastico (i più economici), o ceramico oppure di metallo. Il contenitore (package) lpreserva l elemento attivo dagli agenti esterni e favorisce lo smaltimanto del calore sviluppato dal funzionamento. Le connessioni tra le regioni del Si e i piedini esterni sono fatte tramite sottili fili d oro (bonding) I transistori singoli sono di uso sempre meno frequente, e ormai limitato quasi esclusivamente ad applicazioni di potenza. Si utilizzano sempre più circuiti integrati 8
Transistore N-MOS I D =g m V gs D G S G D S I transistori oggi piu diffusi sono quelli in tecnologia MOS. Sono realizzati su substrato (Body) di Silicio debolmente drogato p dove sono state ottenute per diffusione o impiantazione ionica due regioni drogate fortemente n una denominata Source e l altra Drain. Uno strato di SiO 2 isola perfettamente un elettrodo conduttore (metallo o Silicio policristallino) detto Gate. La tensione tra Gate e Source controlla la corrente che puo fluire tra Drain e Source realizzando quindi un generatore di corrente controllato in tensione. Se la tensione tra G e S scende sotto un valore di soglia il transistore si interdice, comportandosi quindi come un interruttore aperto. 9
Circuiti integrati I circuiti integrati realizzano in forma estremamente miniaturizzata, su un unico supporto generalmente di silicio, ma talvolta anche di GaAs (arseniuro di Gallio) o isolante (SOI Silicio su Isolante), circuiti elettronici completi e anche sistemi molto complessi. Si distinguono in circuiti integrati monolitici, se realizzati su un unico supporto di semiconduttore, e circuiti integrati ibridi, in cui i singoli componenti sia attivi sia passivi sono incollati su un supporto isolante. Si hanno sia circuiti integrati analogici (ad es. Amplificatori operazionali, regolatori di tensioni ecc.), sia digitali (come chip di memorie, microprocessori, registri ecc.) sia sistemi completi (SOC: System On Chip) misti analogici digitali come molti microcontrollori, circuiti per il controllo della potenza (smart power) ecc. Sui SOC si integrano anche sensori quali accelerometri, termometri, piccoli attuatori realizzati con tecniche micromeccaniche su silicio. Si producono sia circuiti digitali di impiego generale sia su specifica del cliente (detti ASICs Application Specific Integrated Circuits). La complessità dei circuiti integrabili su un unico chip cresce con legge costante da molti anni (legge di Moore). Oggi si possono integrare più di un milione di transistori per mm 2 di area di Si. 10
Wafer e montaggio di un chip Bonding Le tecniche di fabbricazione dei circuiti integrati monolitici sono le stesse che per i singoli transistori, per cui su un unico wafer si realizzano moltissimi circuiti integrati e i singoli chip poi vengono separati tramite taglio e opportunamente incapsulati in contenitori appositi. Il processo di bonding collega le piazzole di input output del chip ai piedini del contenitore. 11
Legge di Moore Formulata da Moore nel 1965 questa ipotesi (chiamata impropriamente legge) prevedeva che il numero di transistori integrabili su un chip potesse raddoppiare ogni 18 mesi. Questa legge si è dimostrata sorprendentemente valida per i passati 40 anni, e sembra che continuerà a valere per molti anni ancora. In realtà il raddoppio del numero di transistori ogni 18 mesi si è avuto per i chip di memoria, mentre per i microprocessori il raddoppio è circa ogni 24 mesi. L efficienza della singola porta logica aumenta al diminuire delle sue dimensioni. In particolare, se l area occupata diminuisce di un fattore 4, la porta è in grado di funzionare correttamente ad una velocità doppia dissipando al contempo un quarto della potenza. Pertanto, a livello dell intero chip, si ha che: - La densità del numero di porte logiche per unità d area aumenta di un fattore 4. - La densità di capacità elaborativa per unità d area aumenta di un fattore 8. - La densità di potenza dissipata per unità d area rimane invariata. Sebbene da un punto di vista fisico questa riduzione delle dimensioni dei singoli componenti potrebbe durare ancora per diversi anni, il costo degli impianti per poter produrre circuiti integrati sempre più complessi sta assumendo valori per cui solo pochissimi grandi gruppi industriali possono permetterserli. A titolo di esempio l attrezzare una nuova linea di produzione oggi costerebbe ben circa 4.000 milioni di dollari, 5.000 nel 2009. Al contrario il costo del singolo transistore integrato dal 1968 ad oggi si è ridotto di circa 10-7 volte, arrivando ad essere circa 100 n$. 12