Tecnologie di dispositivi, circuiti e
sistemi elettronici
• Schede elettroniche stampate
– Monostrato
– Multistrato
• Componenti attivi e passivi
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–
–
–
Transistori e diodi
Resistori
Condensatori
Induttori
• Circuiti Integrati
– Monolitici
– Ibridi
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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.
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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.
-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.
-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.
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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..
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.
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Resistori per l’elettronica
Through-hole mount
Resistori
variabili
Surface-Mount
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.
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Condensatori
Sono caratterizzati da diversi parametri:
- Capacità, espressa in pF(10-12F), o nF (1000 pf) o µF (106 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.
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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).
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.
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Dispositivi attivi
• Transistori
Diversi tipi di contenitori per montaggio TH e SM
Sono realizzati generalmente su Silicio, tramite introduzione di quantità
controllate di atomi di droganti nella struttura cristallina del Si, 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
venguno 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) lo
preserva 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
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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.
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 mm2 di area di Si.
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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.
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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
20.000 milioni di dollari, 50.000 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$.
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