在PCB中嵌入組件

2021-09-08

在PCB中嵌入組件

一方面是移動(dòng)行業(yè)的興起，另一方面是對可穿戴設備的需求不斷增加，再加上該行業(yè)越來(lái)越多地使用物聯(lián)網(wǎng)，導致電子設計的復雜性和密度在過(guò)去二十年大幅增加。同時(shí)，這些需求也極大地增加了印刷電路板 (PCB) 設計人員的挑戰。PCB設計人員解決該問(wèn)題的方法之一是在PCB基板內嵌入電子元件。對于韜放 PCB UK LTD 等知名電路板制造商而言，這正迅速成為可行的步驟。

嵌入的優(yōu)勢

在開(kāi)始設計之前，必須了解嵌入組件帶來(lái)的優(yōu)勢，同時(shí)考慮添加導致嵌入的制造步驟的缺點(diǎn)。事實(shí)上，設計團隊在考慮在PCB中嵌入組件時(shí)必須考慮對成本和產(chǎn)量的潛在影響。其中一些優(yōu)點(diǎn)是：

減小尺寸和成本

最小化電氣路徑長(cháng)度

降低寄生電容和電感

減少 EMI 影響

改善熱管理

對于韜放 PCB UK LTD來(lái)說(shuō)，PCB技術(shù)的創(chuàng )新基本上來(lái)自于尺寸和成本的降低。在PCB基板內嵌入元件有助于減小電路板組件的尺寸。對于復雜的產(chǎn)品，嵌入元件的PCB可以潛在地降低制造成本。

在PCB設計過(guò)程中，高頻電路極易受到長(cháng)電路徑長(cháng)度的寄生效應的影響。在 PCB 中嵌入元件有助于最大限度地縮短電氣路徑長(cháng)度，從而在很大程度上降低寄生效應。

將嵌入式無(wú)源元件連接到 IC 的引腳時(shí)，這種路徑長(cháng)度的減少可以降低寄生電容和電感，從而降低系統內的負載波動(dòng)和噪聲。例如，可以將嵌入式無(wú)源元件直接放置在 IC 的引腳下方。這不僅降低了過(guò)孔電感，而且最大限度地減少了潛在的負寄生效應，并提高了器件性能。事實(shí)上，在電路板的基板內嵌入元件可以減少表面安裝的路徑長(cháng)度。

可以在嵌入式組件周?chē)呻姶鸥蓴_屏蔽。例如，簡(jiǎn)單地在組件周?chē)砑?span> PTH 可以減少來(lái)自外部的噪聲耦合。在某些應用中，這甚至可以消除對任何額外的表面安裝屏蔽的需要。

還可以向嵌入式組件添加導熱結構以改善熱管理。例如，嵌入熱微通孔以與嵌入組件直接接觸可以幫助其將熱量散發(fā)到外層的熱平面。添加熱微通孔還可以降低熱阻，因為通過(guò)PCB 基板的熱量減少了。

在 PCB 中嵌入組件時(shí)的主要問(wèn)題之一是設計的長(cháng)期可靠性。當PCB在表面貼裝器件組裝過(guò)程中經(jīng)歷回流等焊接工藝時(shí)，形成并放置在PCB層壓板內的嵌入式元件上的焊點(diǎn)可能會(huì )受到影響。嵌入式組件在制造后可能是一個(gè)額外的問(wèn)題，因為它們一旦出現故障就無(wú)法輕松測試或更換。

可以嵌入哪些組件？

韜放PCB UK LTD 考慮了適合嵌入PCB層壓板的兩大類(lèi)組件 - 無(wú)源和有源。它們以不同的方式用于不同的應用。由于絕大多數嵌入式元件屬于無(wú)源類(lèi)別，因此嵌入式電阻器和電容器是最受歡迎的。

然而，嵌入式無(wú)源元件并不意味著(zhù)將分立電阻器或電容器放置在電路板基板內的空腔內。相反，它是選擇特定的層材料來(lái)形成嵌入式無(wú)源的電阻或電容結構。

上面列出的優(yōu)點(diǎn)使嵌入式組件成為分立式表面貼裝無(wú)源組件的替代品。串聯(lián)端接電阻器等應用極大地受益于這項技術(shù)，大量傳輸線(xiàn)端接在密集存儲設備和球柵陣列 (BGA) IC 上。

嵌入芯片

韜放PCB UK LTD 可以在PCB中嵌入芯片，但其他制造商的步驟可能會(huì )有所不同。通常，制造商必須為 IC 的主體創(chuàng )造空間，這采用空腔的形式。芯片嵌入技術(shù)的方法可以采取以下方法：

CIP 或聚合物中的芯片：這涉及在構建PCB的介電層時(shí)嵌入薄芯片，而不是將它們集成到核心層中。制造商可以使用標準的層壓基板材料。

ECBU 或嵌入式芯片構建：這涉及將芯片安裝在聚酰亞胺薄膜上并在其上構建互連結構。

EWLP 或嵌入式晶圓級封裝：這涉及在晶圓級執行所有技術(shù)步驟?？捎玫?span> IO 區域受限于芯片的封裝尺寸，因為這項技術(shù)本質(zhì)上需要扇入。

IMB 或集成模塊板：這涉及對齊組件并將它們放置在空腔中，并使用受控深度布線(xiàn)將空腔放置在核心層壓板中。用模塑聚合物填充型腔可確保與基材的化學(xué)、電氣和機械兼容性。在聚合物中浸漬各向同性焊料有助于形成可靠的焊點(diǎn)，同時(shí)將嵌入部件層壓到堆疊中。

嵌入的組件設計注意事項

韜放PCB UK LTD 將組件布局及其物理方向視為嵌入式設計時(shí)的重要因素。還必須選擇合適的基板材料和兼容的組件，因為這可以減少PCB制造過(guò)程中出現故障的機會(huì )。

選擇具體的材料是決定嵌入式無(wú)源器件電氣性能的關(guān)鍵。例如，嵌入式電阻器只是一層電阻膜，其尺寸決定了電阻值。這種材料的電阻取決于材料的電阻率、長(cháng)度和橫截面積。電阻膜材料的電阻率不同，這直接影響最終電阻值。因此，材料的選擇對設計和制造過(guò)程至關(guān)重要。

制造商通過(guò)布置適當尺寸的銅覆層作為板，并在其間放置合適的介電材料來(lái)制造嵌入式電容器。設計人員根據材料的介電常數、自由空間的介電常數、極板之間的距離和極板面積計算電容。最終電容值隨著(zhù)所選材料的介電常數的增加、平面面積的增加而增加，并隨著(zhù)板層中平面到平面距離的增加而減小。制造商使用特殊材料來(lái)保持介電強度，并使用薄但尺寸穩定的介電層來(lái)制造用于電源去耦的嵌入式電容器。

為了制造其他有源元件（例如 IC），制造商和設計人員選擇能夠為腔內元件提供基板耐用性和長(cháng)期可靠性的材料。CTE 或熱膨脹系數定義了材料在高溫事件（例如表面貼裝元件的回流焊接）期間發(fā)生變化的方式。設計人員必須選擇具有匹配 CTE 的基板材料和聚合物來(lái)填充空腔，以保持電路板結構的完整性。

韜放PCB UK LTD 有兩種在腔體中對齊和放置嵌入式元件的方法——面朝上和面朝下，面朝下是首選工藝。對于面朝下對齊，腔深需要與封裝高度匹配，因此制造商可以在同一層上嵌入不同厚度的芯片。這允許對介電材料進(jìn)行良好的厚度控制，并在組裝過(guò)程中準確放置元件。

嵌入組件的制造過(guò)程

不同的制造商會(huì )根據PCB的類(lèi)型和可用的設備來(lái)改變其嵌入的制造工藝?？偟膩?lái)說(shuō)，韜放 PCB UK LTD 的嵌入組件的制造過(guò)程遵循兩種方法 - 一種，對齊組件并將它們放置在腔內，另一種是將組件模制到基板中，在其上構建額外的結構。

制造商使用不同的制造和配置技術(shù)在PCB中制造空腔。技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)了更好、更有效的方法來(lái)開(kāi)發(fā)用于嵌入有源元件的腔體。新方法提供了額外的好處，例如更高的產(chǎn)量和更高的可靠性。

使用激光鉆孔可提供所有方法中最高的定位精度和精度，因為在去除介電材料時(shí)可以精確控制激光束以實(shí)現均勻的深度和磨損。使用更長(cháng)的波長(cháng)可防止激光穿透銅層，從而形成明顯的停止層。在形成腔體之后，制造商在將元件放入腔體之前添加各向異性導電粘合劑。施加熱量和一定量的壓力有助于熔化粘合劑材料中的焊料顆粒，從而形成可靠的焊料結合。

更傳統的方法使用銑削來(lái)制造空腔，因為銑削比激光更具成本效益。盡管改進(jìn)的技術(shù)允許制造微型銑削工具，但使用銑削和布線(xiàn)來(lái)創(chuàng )建型腔存在實(shí)際限制。即便如此，與激光相比，銑削更受歡迎。

一些制造商更喜歡使用薄晶圓封裝，在構建過(guò)程中將它們直接集成到介電層中，而不是在核心材料中鉆孔或布線(xiàn)空腔。制造商首先將薄芯片芯片鍵合到基板上，然后涂上一層液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂或應用層壓 RCC 或樹(shù)脂涂層銅膜作為電介質(zhì)。然后他/她應用熱壓層壓工藝，優(yōu)化它以嵌入芯片而不會(huì )形成空隙。

文件要求

任何帶有嵌入式組件的設計都需要適當的文檔以減少制造時(shí)間和成本。由于嵌入元件的過(guò)程將元件組裝、封裝和 PCB 制造結合到一個(gè)單一的制造過(guò)程中，因此必要的文檔需要層堆疊圖、NC 鉆孔文件、制造說(shuō)明、pick-n-place 文件和組裝說(shuō)明，以實(shí)現有效的 PCB 制造。