在PCB中嵌入组件

2021-09-08

在PCB中嵌入组件

一方面是移动行业的兴起，另一方面是对可(kě)穿戴设备的需求不断增加，再加上该行业越来越多(duō)地使用(yòng)物(wù)联网，导致電(diàn)子设计的复杂性和密度在过去二十年大幅增加。同时，这些需求也极大地增加了印刷電(diàn)路板 (PCB) 设计人员的挑战。PCB设计人员解决该问题的方法之一是在PCB基板内嵌入電(diàn)子元件。对于韬放 PCB UK LTD 等知名電(diàn)路板制造商(shāng)而言，这正迅速成為(wèi)可(kě)行的步骤。

嵌入的优势

在开始设计之前，必须了解嵌入组件带来的优势，同时考虑添加导致嵌入的制造步骤的缺点。事实上，设计团队在考虑在PCB中嵌入组件时必须考虑对成本和产量的潜在影响。其中一些优点是：

减小(xiǎo)尺寸和成本

最小(xiǎo)化電(diàn)气路径長(cháng)度

降低寄生電(diàn)容和電(diàn)感

减少 EMI 影响

改善热管理(lǐ)

对于韬放 PCB UK LTD来说，PCB技术的创新(xīn)基本上来自于尺寸和成本的降低。在PCB基板内嵌入元件有(yǒu)助于减小(xiǎo)電(diàn)路板组件的尺寸。对于复杂的产品，嵌入元件的PCB可(kě)以潜在地降低制造成本。

在PCB设计过程中，高频電(diàn)路极易受到長(cháng)電(diàn)路径長(cháng)度的寄生效应的影响。在 PCB 中嵌入元件有(yǒu)助于最大限度地缩短電(diàn)气路径長(cháng)度，从而在很(hěn)大程度上降低寄生效应。

将嵌入式无源元件连接到 IC 的引脚时，这种路径長(cháng)度的减少可(kě)以降低寄生電(diàn)容和電(diàn)感，从而降低系统内的负载波动和噪声。例如，可(kě)以将嵌入式无源元件直接放置在 IC 的引脚下方。这不仅降低了过孔電(diàn)感，而且最大限度地减少了潜在的负寄生效应，并提高了器件性能(néng)。事实上，在電(diàn)路板的基板内嵌入元件可(kě)以减少表面安装的路径長(cháng)度。

可(kě)以在嵌入式组件周围集成電(diàn)磁干扰屏蔽。例如，简单地在组件周围添加 PTH 可(kě)以减少来自外部的噪声耦合。在某些应用(yòng)中，这甚至可(kě)以消除对任何额外的表面安装屏蔽的需要。

还可(kě)以向嵌入式组件添加导热结构以改善热管理(lǐ)。例如，嵌入热微通孔以与嵌入组件直接接触可(kě)以帮助其将热量散发到外层的热平面。添加热微通孔还可(kě)以降低热阻，因為(wèi)通过PCB 基板的热量减少了。

在 PCB 中嵌入组件时的主要问题之一是设计的長(cháng)期可(kě)靠性。当PCB在表面贴装器件组装过程中经历回流等焊接工艺时，形成并放置在PCB层压板内的嵌入式元件上的焊点可(kě)能(néng)会受到影响。嵌入式组件在制造后可(kě)能(néng)是一个额外的问题，因為(wèi)它们一旦出现故障就无法轻松测试或更换。

可(kě)以嵌入哪些组件？

韬放PCB UK LTD 考虑了适合嵌入PCB层压板的两大类组件 - 无源和有(yǒu)源。它们以不同的方式用(yòng)于不同的应用(yòng)。由于绝大多(duō)数嵌入式元件属于无源类别，因此嵌入式電(diàn)阻器和電(diàn)容器是最受欢迎的。

然而，嵌入式无源元件并不意味着将分(fēn)立電(diàn)阻器或電(diàn)容器放置在電(diàn)路板基板内的空腔内。相反，它是选择特定的层材料来形成嵌入式无源的電(diàn)阻或電(diàn)容结构。

上面列出的优点使嵌入式组件成為(wèi)分(fēn)立式表面贴装无源组件的替代品。串联端接電(diàn)阻器等应用(yòng)极大地受益于这项技术，大量传输線(xiàn)端接在密集存储设备和球栅阵列 (BGA) IC 上。

嵌入芯片

韬放PCB UK LTD 可(kě)以在PCB中嵌入芯片，但其他(tā)制造商(shāng)的步骤可(kě)能(néng)会有(yǒu)所不同。通常，制造商(shāng)必须為(wèi) IC 的主體(tǐ)创造空间，这采用(yòng)空腔的形式。芯片嵌入技术的方法可(kě)以采取以下方法：

CIP 或聚合物(wù)中的芯片：这涉及在构建PCB的介電(diàn)层时嵌入薄芯片，而不是将它们集成到核心层中。制造商(shāng)可(kě)以使用(yòng)标准的层压基板材料。

ECBU 或嵌入式芯片构建：这涉及将芯片安装在聚酰亚胺薄膜上并在其上构建互连结构。

EWLP 或嵌入式晶圆级封装：这涉及在晶圆级执行所有(yǒu)技术步骤。可(kě)用(yòng)的 IO 區(qū)域受限于芯片的封装尺寸，因為(wèi)这项技术本质上需要扇入。

IMB 或集成模块板：这涉及对齐组件并将它们放置在空腔中，并使用(yòng)受控深度布線(xiàn)将空腔放置在核心层压板中。用(yòng)模塑聚合物(wù)填充型腔可(kě)确保与基材的化學(xué)、電(diàn)气和机械兼容性。在聚合物(wù)中浸渍各向同性焊料有(yǒu)助于形成可(kě)靠的焊点，同时将嵌入部件层压到堆叠中。

嵌入的组件设计注意事项

韬放PCB UK LTD 将组件布局及其物(wù)理(lǐ)方向视為(wèi)嵌入式设计时的重要因素。还必须选择合适的基板材料和兼容的组件，因為(wèi)这可(kě)以减少PCB制造过程中出现故障的机会。

选择具體(tǐ)的材料是决定嵌入式无源器件電(diàn)气性能(néng)的关键。例如，嵌入式電(diàn)阻器只是一层電(diàn)阻膜，其尺寸决定了電(diàn)阻值。这种材料的電(diàn)阻取决于材料的電(diàn)阻率、長(cháng)度和横截面积。電(diàn)阻膜材料的電(diàn)阻率不同，这直接影响最终電(diàn)阻值。因此，材料的选择对设计和制造过程至关重要。

制造商(shāng)通过布置适当尺寸的铜覆层作為(wèi)板，并在其间放置合适的介電(diàn)材料来制造嵌入式電(diàn)容器。设计人员根据材料的介電(diàn)常数、自由空间的介電(diàn)常数、极板之间的距离和极板面积计算電(diàn)容。最终電(diàn)容值随着所选材料的介電(diàn)常数的增加、平面面积的增加而增加，并随着板层中平面到平面距离的增加而减小(xiǎo)。制造商(shāng)使用(yòng)特殊材料来保持介電(diàn)强度，并使用(yòng)薄但尺寸稳定的介電(diàn)层来制造用(yòng)于電(diàn)源去耦的嵌入式電(diàn)容器。

為(wèi)了制造其他(tā)有(yǒu)源元件（例如 IC），制造商(shāng)和设计人员选择能(néng)够為(wèi)腔内元件提供基板耐用(yòng)性和長(cháng)期可(kě)靠性的材料。CTE 或热膨胀系数定义了材料在高温事件（例如表面贴装元件的回流焊接）期间发生变化的方式。设计人员必须选择具有(yǒu)匹配 CTE 的基板材料和聚合物(wù)来填充空腔，以保持電(diàn)路板结构的完整性。

韬放PCB UK LTD 有(yǒu)两种在腔體(tǐ)中对齐和放置嵌入式元件的方法——面朝上和面朝下，面朝下是首选工艺。对于面朝下对齐，腔深需要与封装高度匹配，因此制造商(shāng)可(kě)以在同一层上嵌入不同厚度的芯片。这允许对介電(diàn)材料进行良好的厚度控制，并在组装过程中准确放置元件。

嵌入组件的制造过程

不同的制造商(shāng)会根据PCB的类型和可(kě)用(yòng)的设备来改变其嵌入的制造工艺。总的来说，韬放 PCB UK LTD 的嵌入组件的制造过程遵循两种方法 - 一种，对齐组件并将它们放置在腔内，另一种是将组件模制到基板中，在其上构建额外的结构。

制造商(shāng)使用(yòng)不同的制造和配置技术在PCB中制造空腔。技术的进步带来了更好、更有(yǒu)效的方法来开发用(yòng)于嵌入有(yǒu)源元件的腔體(tǐ)。新(xīn)方法提供了额外的好处，例如更高的产量和更高的可(kě)靠性。

使用(yòng)激光钻孔可(kě)提供所有(yǒu)方法中最高的定位精度和精度，因為(wèi)在去除介電(diàn)材料时可(kě)以精确控制激光束以实现均匀的深度和磨损。使用(yòng)更長(cháng)的波長(cháng)可(kě)防止激光穿透铜层，从而形成明显的停止层。在形成腔體(tǐ)之后，制造商(shāng)在将元件放入腔體(tǐ)之前添加各向异性导電(diàn)粘合剂。施加热量和一定量的压力有(yǒu)助于熔化粘合剂材料中的焊料颗粒，从而形成可(kě)靠的焊料结合。

更传统的方法使用(yòng)铣削来制造空腔，因為(wèi)铣削比激光更具成本效益。尽管改进的技术允许制造微型铣削工具，但使用(yòng)铣削和布線(xiàn)来创建型腔存在实际限制。即便如此，与激光相比，铣削更受欢迎。

一些制造商(shāng)更喜欢使用(yòng)薄晶圆封装，在构建过程中将它们直接集成到介電(diàn)层中，而不是在核心材料中钻孔或布線(xiàn)空腔。制造商(shāng)首先将薄芯片芯片键合到基板上，然后涂上一层液态环氧树脂或应用(yòng)层压 RCC 或树脂涂层铜膜作為(wèi)電(diàn)介质。然后他(tā)/她应用(yòng)热压层压工艺，优化它以嵌入芯片而不会形成空隙。

文(wén)件要求

任何带有(yǒu)嵌入式组件的设计都需要适当的文(wén)档以减少制造时间和成本。由于嵌入元件的过程将元件组装、封装和 PCB 制造结合到一个单一的制造过程中，因此必要的文(wén)档需要层堆叠图、NC 钻孔文(wén)件、制造说明、pick-n-place 文(wén)件和组装说明，以实现有(yǒu)效的 PCB 制造。