嵌入式組件PCB設計

2020-03-16

電路設計的復雜性和密度增加了，部分原因是移動(dòng)行業(yè)的興起，給PCB設計人員帶來(lái)了新的挑戰。在電路板基板中嵌入組件可為一些問(wèn)題提供實(shí)用的解決方案，并且它正迅速成為制造商可行的生產(chǎn)步驟。

為什么要嵌入組件？

在討論向設計中添加嵌入式組件的方法之前，重要的是要了解它們提供的一些優(yōu)勢。除了對成本和產(chǎn)量的潛在影響之外，人們還必須考慮在開(kāi)始設計之前增加制造步驟的所有利弊。

尺寸和成本的減少推動(dòng)了PCB技術(shù)的創(chuàng )新。嵌入組件可以幫助減小電路板組件的尺寸。它還可以潛在地降低復雜產(chǎn)品的制造成本。

在處理高頻電路時(shí)，最小化電氣路徑長(cháng)度以減少寄生效應至關(guān)重要。減少無(wú)源元件到IC的布線(xiàn)長(cháng)度可以減少寄生電容和電感，從而減少系統中的負載波動(dòng)和噪聲。通過(guò)嵌入無(wú)源元件，可以將它們直接放置在IC引腳的下面，從而很大程度地減少潛在的負面影響，包括過(guò)孔電感（圖1）。

（圖1）

一、最小化到IC的布線(xiàn)長(cháng)度是減少寄生效應和改善器件性能的常見(jiàn)解決方案。在電路板基板中嵌入組件（頂部）可以在表面安裝（底部）上進(jìn)一步減少導線(xiàn)長(cháng)度。

集成電磁干擾（EMI）屏蔽可以直接在嵌入式IC周?chē)圃?。只需?span>IC周?chē)砑与婂兺?，就可以減少電容性和電感性耦合噪聲。在某些應用中，它還可以消除對額外的表面安裝屏蔽的需求。

導熱結構可以輕松地添加到嵌入式組件中，從而改善了熱管理。一種這樣的示例是將熱微通孔嵌入與嵌入式組件直接接觸，從而允許熱量散發(fā)到熱平面層。此外，減少熱量必須流過(guò)的PCB基板的數量會(huì )降低熱阻。

在設計中實(shí)現嵌入式組件時(shí)，長(cháng)期可靠性是困難和擔憂(yōu)的主要根源。將焊點(diǎn)放置在PCB的層壓框架內時(shí)，其可持續性會(huì )受到后續焊接工藝（例如表面貼裝器件上的回流焊）的影響。嵌入式組件在制造后可能會(huì )引起其他問(wèn)題，因為無(wú)法在故障后對其進(jìn)行輕松測試或更換。

嵌入式組件的類(lèi)型

嵌入式組件分為被動(dòng)和主動(dòng)兩大類(lèi)，但是它們以不同的方式和不同的用途大量使用。被動(dòng)填充了大部分組件。因此，已經(jīng)對嵌入式電容和電阻進(jìn)行了全面的研究。

術(shù)語(yǔ)“嵌入式無(wú)源”通常不是指僅放置在板基板內腔中的分立電阻器或電容器。而是，通過(guò)選擇特定的層材料以形成電阻性或電容性結構來(lái)制造嵌入式無(wú)源器件。雖然這些類(lèi)型的嵌入式組件在某一時(shí)刻被大量使用以節省空間，但較小的分立無(wú)源器件（例如01005封裝）的發(fā)展已使其在許多設計中均非必需。

嵌入式無(wú)源器件仍具有許多優(yōu)勢，包括減少寄生效應和減小尺寸，并已成為分立式表面安裝無(wú)源器件的常見(jiàn)制造替代方案。這對于諸如串聯(lián)終端電阻器之類(lèi)的應用尤其有利，在該應用中，數百條傳輸線(xiàn)進(jìn)入密集的球柵陣列（BGA）微處理器和存儲設備。

將IC放置在板基板中的制造步驟可能會(huì )有所不同，但必須為組件主體以空腔的形式留出空間。芯片嵌入技術(shù)有幾種值得注意的方法：

?集成模塊板（IMB）：將組件對齊并放置在空腔內，該空腔通過(guò)控制深度的布線(xiàn)布線(xiàn)到核心層壓板?？涨惶畛溆心Ｖ凭酆衔?，以確保與基板的化學(xué)，機械和電氣兼容性。當將嵌入式部件層壓到疊層中時(shí)，聚合物將各向同性焊料浸漬以形成可靠的焊點(diǎn)。

?嵌入式晶圓級封裝（EWLP）：所有技術(shù)步驟均在晶圓級執行。始終需要扇入，這意味著(zhù)可用于I / O的區域受限于芯片尺寸。

?嵌入式芯片構建（ECBU）：將芯片安裝到聚酰亞胺膜上，并從那里構建互連結構。

?聚合物中的芯片（CIP）：薄芯片被嵌入到PCB的堆積電介質(zhì)層中，而不是將它們集成到芯層中。然后可以使用標準的層壓基板材料。

組件設計注意事項

為嵌入式目的進(jìn)行設計時(shí)，考慮組件的物理方向和布局很重要。此外，正確選擇兼容的組件和基板材料有助于減少制造過(guò)程中發(fā)生故障的機會(huì )。

對于嵌入式無(wú)源器件，選擇特定材料最終決定了那些組件的電性能。嵌入式電阻器只是電阻膜片，其尺寸可實(shí)現一定的電阻值。電阻可以使用以下公式計算：

其中ρ是材料的電阻率，L是長(cháng)度，A是面積。（W和t分別是寬度和厚度。）每種電阻膜材料的電阻率都不同，并且與最終電阻值成正比，這意味著(zhù)材料的選擇是設計和制造過(guò)程的關(guān)鍵部分。

嵌入式電容器是通過(guò)將覆銅板布置和定尺寸為板來(lái)制造的，并在其間適當選擇介電材料。然后可以使用以下方法計算電容：

其中ε - [R是材料的介電常數，ε 0是自由空間的介電常數，A是極板的面積，d是板之間的距離。

介電常數根據所選材料而變化，并且與最終電容值成正比。從該方程式可以明顯看出，通過(guò)減小板層中的平面間距離并通過(guò)使平面面積來(lái)增加電容?？梢允褂锰厥獠牧蟻?lái)保持介電強度，同時(shí)產(chǎn)生尺寸穩定但非常薄的平面到平面介電層，以增加用于電源去耦的平面電容。

對于嵌入式IC和其他有源元件，主要選擇材料來(lái)考慮腔中元件的長(cháng)期可靠性以及基板的耐用性。熱膨脹系數（CTE）可以描述材料將如何改變并對高溫事件或過(guò)程做出反應，例如對表面貼裝元件進(jìn)行的回流焊接。如果基板材料和用于填充型腔的聚合物之間的CTE（特別是z軸膨脹）不匹配，則可能會(huì )損害板的結構和完整性。

在腔中對齊和放置嵌入式無(wú)源和有源組件時(shí)，使用兩個(gè)基本處理流程：面朝上和面朝下。通過(guò)面朝下地嵌入組件，僅需要在等于封裝高度的深度創(chuàng )建空腔，這意味著(zhù)可以在同一層上嵌入多個(gè)厚度不同的芯片。面朝下的制造可實(shí)現良好的介電材料厚度控制，以及組裝過(guò)程中良好的組件放置精度。

制造過(guò)程

制造步驟將根據每個(gè)制造商決定的過(guò)程以及可用的制造設備而有所不同。通常，用于嵌入組件的制造過(guò)程可以分為兩類(lèi)：對齊并放置在型腔內的組件，以及模制到基板中的組件，并從那里構建其他結構。

可以使用不同的配置和制造技術(shù)來(lái)形成PCB腔。隨著(zhù)用于嵌入有源元件的技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了更新和更有效的腔體開(kāi)發(fā)方法，具有更高的可靠性和更高的生產(chǎn)良率。

激光鉆孔腔可提供任何方法中的精度和位置精度。由于去除了介電材料，激光束受到精確控制，以實(shí)現均勻的深度控制和磨損。由于激光通常使用大波長(cháng)，因此它無(wú)法穿透銅層，從而為該過(guò)程建立了定義明確的“停止層”。在形成腔之后，添加各向異性導電粘合劑物質(zhì)，并將組件放置在空隙中。在特定壓力下將熱量施加到系統上，以熔化分散在粘合劑材料中的焊料顆粒并形成可靠的焊料鍵合。

銑削提供了一種更常規且更具成本效益的方法來(lái)制造型腔。銑刀的尺寸已減小到足以滿(mǎn)足大多數現代制造需求，但是加工技術(shù)存在實(shí)際限制。盡管如此，銑削和銑削技術(shù)比激光鉆孔技術(shù)更為完善，因此更容易用于創(chuàng )建型腔。

薄晶圓封裝可直接集成到堆積的電介質(zhì)層中，而無(wú)需利用在芯材中鉆孔或布線(xiàn)的空腔。然后可以使用標準的層壓基板材料，例如多層FR-4，從而降低了成本并降低了生產(chǎn)良率。首先，將薄芯片芯片接合到襯底上。接下來(lái)，液體環(huán)氧樹(shù)脂或層壓樹(shù)脂涂層銅（RCC）膜均用作電介質(zhì)。通過(guò)優(yōu)化熱壓層壓工藝，可以嵌入芯片而沒(méi)有空隙。

推薦文件

正確記錄具有嵌入式組件的設計可以大大減少生產(chǎn)時(shí)間和成本。嵌入式組件過(guò)程將PCB制造，組件封裝和組件組裝結合到一個(gè)制造過(guò)程流中：

?層堆棧圖：粗略圖顯示嵌入式組件的型腔的位置和方向。

?NC鉆孔文件：應生成一個(gè)單獨的文件以說(shuō)明腔。該信息比層堆疊圖更加詳細和準確，將在裸板制造過(guò)程中用于布線(xiàn)或打孔。

?加工注意事項：應注意任何有關(guān)加工過(guò)程的有用信息。這可能包括特定的基材材料選擇或用于填充型腔的聚合物和環(huán)氧樹(shù)脂材料。

?放置文件：應為要嵌入的組件生成一個(gè)單獨的文件。它應包括有關(guān)零部件位置，旋轉和層的信息。

?裝配注意事項：應注意拾取和放置文件中未包含的其他裝配信息。這可能包括是否在層上翻轉了組件或任何特殊的組裝說(shuō)明。

嵌入式組件示例

隨著(zhù)開(kāi)發(fā)越來(lái)越有效的制造工藝，利用嵌入組件的設備變得越來(lái)越普遍。通常采用無(wú)線(xiàn)模塊來(lái)減小電路板的外形（圖2）。

二、嵌入式組件在移動(dòng)設備行業(yè)尤為普遍，在這些行業(yè)中，低調設備至關(guān)重要。三星Galaxy S4具有一個(gè)Wi-Fi模塊板，其組件嵌入腔中。

模具也可以放置在型腔中（圖3）。

三、裸芯片或帶有經(jīng)過(guò)修改的封裝的芯片通常用于在嵌入時(shí)減小電路板的輪廓。

堆疊的芯片也可以在芯片內使用（圖4）。

四、聚合物芯片技術(shù)使薄封裝可以直接嵌入到PCB的層壓框架中?？梢远询B多個(gè)管芯，而無(wú)需板腔，以進(jìn)一步提高組件密度。

這消除了將其放入空腔的需要，但是堆疊式芯片的價(jià)格更高。

結論

盡管將無(wú)源和有源組件嵌入板基板中的技術(shù)已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但直到最近才在制造過(guò)程中執行這種步驟才在商業(yè)上可行。對高密度，薄型電子設備的市場(chǎng)需求已經(jīng)克服了潛在的缺點(diǎn)，例如可靠性問(wèn)題以及成本和生產(chǎn)良率的風(fēng)險。