将组件嵌入PCB

2021-04-22

将组件嵌入PCB

一方面，移动行业的兴起，另一方面，对可(kě)穿戴设备的需求不断增長(cháng)，再加上该行业对物(wù)联网的越来越多(duō)的使用(yòng)，导致電(diàn)子设计的复杂性和密度在过去的二十年中大幅增加。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设计人员解决此问题的方法之一是将電(diàn)子组件嵌入PCB基板中。对于著名的電(diàn)路板制造商(shāng)而言，这正迅速成為(wèi)可(kě)行的步骤。

嵌入的优点

在开始设计之前，必须先了解嵌入组件所带来的优势，同时还要考虑增加导致嵌入的制造步骤的弊端。实际上，在考虑将元件嵌入PCB内时，设计团队必须考虑对成本和生产良率的潜在影响。其中一些优点是：

减少尺寸和成本

最小(xiǎo)化電(diàn)气路径長(cháng)度

减少寄生電(diàn)容和電(diàn)感

减少EMI的影响

改善热管理(lǐ)

PCB技术的创新(xīn)主要来自尺寸和成本的减少。将组件嵌入PCB基板有(yǒu)助于减小(xiǎo)電(diàn)路板组件的尺寸。对于复杂产品，嵌入组件的PCB可(kě)以潜在地降低制造成本。

高频電(diàn)路在PCB设计期间很(hěn)容易受到長(cháng)電(diàn)气路径長(cháng)度的寄生效应的影响。将组件嵌入PCB有(yǒu)助于最大程度地减少電(diàn)气路径長(cháng)度，从而在很(hěn)大程度上减少寄生效应。

当将嵌入式无源元件连接到IC的引脚时，路径長(cháng)度的这种减小(xiǎo)可(kě)以减小(xiǎo)寄生電(diàn)容和電(diàn)感，从而减少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引脚的下面。这不仅减少了过孔電(diàn)感，而且使潜在的负面寄生效应最小(xiǎo)化，并改善了器件性能(néng)。实际上，将组件嵌入電(diàn)路板的基板中可(kě)以减少表面安装过程中的路径長(cháng)度。

可(kě)以在嵌入式组件周围集成電(diàn)磁干扰屏蔽。例如，简单地在整个组件周围添加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)以消除对任何其他(tā)表面安装屏蔽的需求。

也可(kě)以将导热结构添加到嵌入式组件中以改善热管理(lǐ)。例如，将热微通孔嵌入使其直接与嵌入式组件接触可(kě)以帮助其将热量散发到外层的热平面上。随着通过PCB基板传播的热量减少，添加热微通孔还会降低热阻。

将组件嵌入PCB时，主要关注的问题之一是设计的長(cháng)期可(kě)靠性。当PCB进行焊接过程（例如在表面安装器件的组装过程中进行回流焊）时，会影响到形成并放置在PCB层压板中的嵌入式组件上的焊点。嵌入式组件在制造后可(kě)能(néng)会成為(wèi)一个额外的问题，因為(wèi)一旦出现故障就无法轻松测试或更换嵌入式组件。

可(kě)以嵌入哪些组件？

认為(wèi)适合嵌入PCB层压板的组件主要有(yǒu)两类：无源和有(yǒu)源。它们以不同的方式用(yòng)于不同的应用(yòng)程序。由于绝大多(duō)数嵌入式组件属于无源类别，因此嵌入式電(diàn)阻器和電(diàn)容器是最流行的。

但是，嵌入式无源组件并不意味着将分(fēn)立的電(diàn)阻器或電(diàn)容器放置在板基板内的空腔内。而是，选择特定的层材料以形成嵌入式无源的電(diàn)阻或電(diàn)容结构。

如上所列的好处使嵌入式组件成為(wèi)分(fēn)立的表面安装无源组件的替代方案。串联终端電(diàn)阻器等应用(yòng)程序从该技术中受益匪浅，大量传输線(xiàn)在密集存储设备和球栅阵列（BGA）IC处终止。

嵌入芯片

可(kě)以在PCB内嵌入芯片，但是其他(tā)制造商(shāng)的步骤可(kě)能(néng)有(yǒu)所不同。通常，制造商(shāng)必须為(wèi)IC的主體(tǐ)创造空间，并且采取空腔的形式。芯片嵌入技术的方法可(kě)以采用(yòng)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，而不是将它们集成在芯层中。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：这涉及在聚酰亚胺膜上安装芯片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面积受限于芯片的占板面积，因為(wèi)该技术本质上需要扇入。

IMB或集成模块板：这涉及到对齐组件并将它们放置在空腔中，并使用(yòng)深度控制的路線(xiàn)将空腔放置在核心层压板中。用(yòng)模制聚合物(wù)填充空腔可(kě)确保与基板的化學(xué)，電(diàn)气和机械兼容性。聚合物(wù)中各向同性焊料的浸渍有(yǒu)助于形成可(kě)靠的焊点，同时将嵌入的零件层压到堆栈中。

嵌入的组件设计注意事项

在為(wèi)嵌入式目的进行设计时，将组件的布局及其物(wù)理(lǐ)方向视為(wèi)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)这样可(kě)以减少PCB制造过程中发生故障的机会。

选择特定材料是确定嵌入式无源器件電(diàn)性能(néng)的关键。例如，嵌入式電(diàn)阻器只是一块電(diàn)阻膜，其尺寸定义了電(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，材料的选择对于设计和制造过程至关重要。

制造商(shāng)通过安排适当尺寸的铜包层以充当极板，并在两者之间放置合适的介電(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，极板之间的距离以及极板的面积来计算電(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，并且随着板层中平面间距离的增加而减小(xiǎo)。制造商(shāng)使用(yòng)特殊的材料来保持介電(diàn)强度，并使用(yòng)薄而尺寸稳定的介電(diàn)层来制造用(yòng)于電(diàn)源去耦的嵌入式電(diàn)容器。

為(wèi)了制造诸如IC之类的其他(tā)有(yǒu)源元件，制造商(shāng)和设计人员选择的材料应能(néng)提供基材耐用(yòng)性以及腔體(tǐ)内组件的長(cháng)期可(kě)靠性。CTE或热膨胀系数定义了材料在高温事件（例如表面贴装组件的回流焊接）过程中发生变化的方式。对于设计师来说，当務(wù)之急是选择具有(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。

有(yǒu)两种将嵌入式组件对准并放置在型腔中的方法-正面朝上和朝下，其中朝下是首选工艺。為(wèi)了面朝下对齐，型腔深度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，并在组装过程中进行准确的组件放置。

嵌入组件的制造过程

各个制造商(shāng)将根据PCB的类型和可(kě)使用(yòng)的可(kě)用(yòng)设备来改变其嵌入工艺。大致上，嵌入组件的制造过程遵循两种方法：一种是将组件对齐并将其放置在腔體(tǐ)中，另一种是将组件模制到基板中，从而在其上建立其他(tā)结构。

制造商(shāng)使用(yòng)不同的制造和配置技术在PCB上制造空腔。技术的进步已导致更好和更有(yǒu)效的方法来开发用(yòng)于嵌入有(yǒu)源组件的腔體(tǐ)。新(xīn)方法还具有(yǒu)其他(tā)优点，例如更高的产量和更高的可(kě)靠性。

激光钻孔可(kě)提供所有(yǒu)方法中最高的位置精度和精度，因為(wèi)可(kě)以精确地控制激光束，以去除绝缘材料而获得均匀的深度和磨损。使用(yòng)更長(cháng)的波長(cháng)可(kě)防止激光穿透铜层，从而形成独特的光阑层。在形成空腔之后，制造者在将部件放置在空腔内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。

由于铣削比激光更具成本效益，因此更传统的方法是使用(yòng)铣削来创建空腔。尽管改进的技术允许制造微型铣削刀(dāo)具，但在使用(yòng)铣削和铣削进行型腔创建方面存在实际限制。即便如此，铣削比激光更受欢迎。

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，而不是在芯材中钻孔或布線(xiàn)空腔。制造商(shāng)首先将薄芯片芯片粘合到基板上，然后在其上涂一层液态环氧树脂，或者使用(yòng)层压的RCC或树脂涂层的铜膜作為(wèi)電(diàn)介质。然后，他(tā)应用(yòng)了热压层压工艺，对其进行了优化以嵌入芯片而不会形成空隙。