چگونه یک برد مدار چاپی با اجزای درج‌شده طراحی کنیم؟

تولید برد مدار چاپی با اجزای نصب‌شده: ساخت برد مدار چاپی نصب‌شده

به‌سادگی چگونه با نرم‌افزار طراحی برد مدار چاپی، برد مدار چاپی با اجزای تعبیه‌شده را طراحی کنیم؟

اجزای تعبیه‌شده در برد مدار چاپی چیستند؟

روند رایج به سمت دستگاه‌های الکترونیکی کوچک‌شده و پرکارایی، نیازمند رویکردهای نرم‌افزاری برای چیدمان مدارهای چاپی (PCB) با صرفه‌جویی در فضا است که بسیار فراتر از آنچه فناوری مدرن نصب سطحی (SMT) امروزی ارائه می‌دهد، قرار دارد. در اینجا است که اجزای مادربرد تعبیه‌شده وارد عمل می‌شوند. طراحی با اجزای تعبیه‌شده شامل مقاومت‌ها، خازن‌ها، سلف‌ها یا حتی آی‌سی‌های فعال و تراشه‌هاست که در لایه‌های داخلی یک مادربرد چاپی جاسازی می‌شوند، نه اینکه روی سطح آن نصب شوند. این روش نه‌تنها فضای اشغال‌شده تختهٔ پایه را کاهش می‌دهد، بلکه اساساً نحوهٔ رویکرد طراحان به صحت سیگنال، مدیریت حرارتی و طراحی‌های اتصالات پرچگالی (HDI) را نیز تغییر می‌دهد.

قطعات غیرفعال نصب‌شده مانند مقاومت‌ها و خازن‌ها را می‌توان به‌عنوان عناصر لایه‌نشینی نازک یا ساختارهای صفحه‌ای درون پشته‌بندی برد مدار چاپی (PCB) در نظر گرفت که قطعات SMD متمایز را جایگزین می‌کنند. برای مثال، به‌جای نصب تعداد زیادی مقاومت سطحی یا خازن‌های جداسازی، این قطعات مستقیماً بین لایه‌های مسی با استفاده از فیلم‌های ویژه مقاوم یا دی‌الکتریک (مانند OhmegaPly یا FaradFlex) ساخته می‌شوند. این ترکیب به‌طور قابل‌توجهی هم اثرات نامطلوب جانبی و هم پیچیدگی مونتاژ را کاهش می‌دهد. سیم‌پیچ‌های نصب‌شده و همچنین تراشه‌های سیلیکونی بدون پوشش (فناوری تعبیه‌شده درونی) نیز می‌توانند در حفره‌های داخلی قرار گیرند و امکان طراحی‌هایی را فراهم می‌کنند که چگالی توان بالا، انتقال داده‌های سیگنال با سرعت بیشتر و کاهش تداخل الکترومغناطیسی (EMI) یا ظرفیت جانبی را نیاز دارند.

مطالعه: صرفه‌جویی در فضا با قطعات نصب‌شده در ابزارهای پوشیدنی

یک تولیدکنندهٔ پیشروی ردیاب‌های تناسب اندام، صفحهٔ کنترلی نازک‌تر و سبک‌تری را می‌خواست که بتواند باتری بزرگ‌تری و همچنین تعداد بیشتری از دستگاه‌های جمع‌آوری را در خود جای دهد. با به‌کارگیری شبکه‌های مقاومتی و خازن‌های تعبیه‌شدهٔ صفحه‌ای در لایه‌های داخلی (با استفاده از فویل‌های آلومینیومی مقاومتی لایه‌نازک و قطعهٔ خازنی هواپیمایی فارادفلکس)، پایداری سیگنال بهبود یافت، مساحت سطحی صفحهٔ مدار چاپی ۴۰ درصد کاهش پیدا کرد و فضایی برای جای‌گیری باتری بزرگ‌تر ایجاد شد—همهٔ این‌ها بدون افزایش مساحت کلی صفحهٔ مدار. همچنین، کارایی EMI/EMC نیز به‌دلیل جداسازی PDN در سطح ارتقاء یافت. این داستان موفقیت، گواهی بر این است که چگونه عناصر نصب‌شدهٔ روی PCB در حال دگرگون‌کردن دستگاه‌های الکترونیکی کوچک‌مقیاس هستند.

چرا این استراتژی تغییردهندهٔ بازی است؟ با توسعهٔ سریع دستگاه‌های الکترونیکی پرسرعت، فشرده‌شده در فضا و چندلایه، اجزای درونیِ مدار چاپی به توسعه‌دهندگان کمک می‌کنند تا چگالی انتقال بی‌نظیری را درک کنند، پیکربندی لایه‌بندی مدار چاپی (PCB) خود را بهینه‌سازی نمایند، نویزهای نامطلوب را کاهش دهند و صحت پایدار سیگنال‌ها را تضمین کنند؛ همزمان با کوچک‌شدن ابعاد اجزای دستگاه. این اجزای درونی، امکان ایجاد اتصالات با چگالی واقعاً بالا (HDI)، طراحی‌های پیشرفتهٔ سیستم درون بسته (SiP) و آیندهٔ مدارهای چاپی کاربردی و پرفرکانس را فراهم می‌کنند.

مقایسهٔ اجزای فعال و اجزای نصب‌شدهٔ آسان

مدارهای چاپی مدرن با اجزای درونی را می‌توان به دو دستهٔ اصلی تقسیم کرد: اجزای فعال درونی که سیگنال‌های الکتریکی را پردازش و کنترل می‌کنند، و اجزای غیرفعال که برای شرایط‌دهی سیگنال، فیلترکردن و ذخیرهٔ انرژی به کار می‌روند. هر دو دسته گزینه‌های متفاوتی برای صرفه‌جویی در فضا فراهم می‌کنند، اما نحوهٔ ادغام، عملکرد و تأثیر آن‌ها بر رفتار مدار متمایز است.

اجزای درونی فعال

اجزای فعال نیازمند ورودی انرژی خارجی (معمولاً توان جریان مستقیم) برای مدیریت، سوئیچ کردن یا تقویت سیگنال‌های الکتریکی هستند.

شرایط ابزارهای فعال تعبیه‌شده:

ترانزیستورها — به‌صورت جداگانه یا بخشی از مدارهای مجتمع، که امکان منطق‌گیری، سوئیچ کردن یا تقویت را فراهم می‌کنند.

مدارهای مجتمع نصب‌شده (ICها) — ریزکنترل‌کننده‌ها، FPGAها یا تراشه‌های حافظه که مستقیماً در حفره‌های برد مدار چاپی (PCB) نصب شده‌اند.

دیودهای نصب‌شده — برای تغییر، تنظیم یا هدایت سیگنال.

چرا اجزای فعال را نصب می‌کنیم؟

کوتاه‌تر شدن مسیرهای سیگنال: قرار دادن عناصر کنترلی نزدیک‌تر به پدهای ورودی/خروجی (I/O)، تأثیرات خط انتقال و اختلاف زمانی ساعت (clock skew) را کاهش می‌دهد.

کاهش پارازیت‌ها: عدم وجود قاب‌های سیمی یا روش‌های نصب حجیم، باعث کاهش القای پارازیتی/ظرفیت پارازیتی و بهبود پایداری سیگنال می‌شود.

بهبود کارایی در برابر تداخل الکترومغناطیسی (EMI): کاهش مساحت حلقه‌های نامطلوب و کنترل دقیق‌تر مقاومت در برابر تداخل.

فضای بیشتر روی برد برای مسیریابی HDI — حذف موانع از سمت قطعات.

قطعات نصب‌شده غیرفعال

قطعات نصب‌شده غیرفعال برای کار کردن به برق خارجی نیاز ندارند. این قطعات ویژگی‌هایی مانند جداسازی، فیلترکردن سیستم، پیش‌تنیدگی و ایجاد ثابت‌های زمانی را پیاده‌سازی می‌کنند.

مقاومت‌های تعبیه‌شده — لایه‌های نازک مقاومتی (مانند OhmegaPly و Ticer) که برای بار/پایان‌دهی و قابلیت‌های بالاکش/پایین‌کش توسعه یافته‌اند.

خازن‌های نصب‌شده — استفاده از ظرفیت صفحه‌ای با محصولاتی مانند FaradFlex یا NanoLam بین صفحات مسی، معمولاً برای جداسازی شبکه توزیع توان (PDN).

سرندهای نصب‌شده — ردیف‌های مسی مارپیچی یا موج‌دار در لایه‌های داخلی، به‌طور خاص برای فیلترکردن سیگنال در طراحی‌های RF یا توان.

۷ مزیت مهم پیشرفت قطعات نصب‌شده

گنجاندن عناصر تولیدی تعبیه‌شده در PCB ارزشی تحول‌آفرین برای کارت‌های مداری امروزی در حوزه‌های مصرفی، پزشکی، خودروسازی و صنعتی فراهم می‌کند. بیایید ۷ مزیت استثنایی را بررسی کنیم و جایی که هر یک درخشش دارد:

• صرفه‌جویی در فضای مورد نیاز و کوچک‌سازی: با جایگزینی مقاومت‌ها و خازن‌های اِس‌ام‌دی (SMD) در سری، با تطبیق‌های داخلی و لایه‌جاسازی‌شده، توسعه‌دهندگان کاهش قابل‌توجهی در اثرات ناخواسته به‌دست می‌آورند — که برای دستگاه‌های پوشیدنی، اینترنت اشیا (IoT)، سنسورهای MEMS و میکروفون‌ها بسیار حیاتی است.
• افزایش ضخامت برد ارسال و تراکم بالای طراحی (HDI): حذف اجزای اِس‌ام‌دی از لایه‌های سطحی به طراحان اجازه می‌دهد آزمون‌های تراکم بالا (HDI) را به‌راحتی مدیریت کنند و تعداد بیشتری از مسیرهای الکتریکی، میکروسوراخ‌ها و خطوط سیگنال را در برد‌های کوچک جای دهند.
• پایداری عالی سیگنال: توزیع محلی خازن‌های رفع نویز (decoupling)، کوتاه‌تر شدن مسیرهای بازگشت سیگنال و کاهش شاخه‌های اضافی خطوط انتقال، منجر به کاهش تداخل الکترومغناطیسی (EMI)، کاهش تداخل بین سیگنال‌ها (crosstalk) و عملکرد پایدار در سرعت‌های بالا می‌شود — که برای برد‌های DDR، PCIe یا RF ضروری است.
• شبکه بهبودیافته تأمین توان (PDN): خازن‌های صفحه‌ای (plane capacitance) تأمین رفع نویز با امپدانس پایین و پهنای باند گسترده را فراهم می‌کنند که برای کنترل افت‌های ولتاژ و نویز در مدارهای سوئیچینگ سریع بسیار مهم است.
• صادقانه‌تر بودن: قطعات غیرفعال اتصالات لحیمی را دور می‌زنند که شمارهٔ یک عامل از کار افتادن برای قطعات SMD هستند — این ویژگی برای کاربردهای کامیون، هوافضا یا محیط‌های سخت‌گیرانه با چرخه‌های دمایی و لرزش حیاتی است.
• نظارت حرارتی بسیار بهتر: مقاومت‌ها و خازن‌های داخلی معمولاً بین صفحات مسی قرار می‌گیرند که اجازه می‌دهد گرما به‌صورت کارآمد از طریق صفحات یا از طریق سوراخ‌های حرارتی منتقل شود.
• عملکرد قیمتی در زمینهٔ مناسب: هرچند هزینهٔ اولیهٔ توسعه (NRE) و آماده‌سازی بالاتر است، اما قیمت کلی در طرح‌های HDI ممکن است با کاهش تعداد قطعات، پیچیدگی فهرست مواد (BOM) و تست/بازکاری پس از مونتاژ کاهش یابد.

کاربردهای قطعات تعبیه‌شده: چرا باید قطعات عمیقاً تعبیه‌شده را انتخاب کرد؟

تصمیم برای انتقال به تولید برد مدار چاپی (PCB) و مونتاژ PCB با قطعات تعبیه‌شده، ناشی از فشار سخت‌گیرانه‌ای است که برای ساخت الکترونیک کوچک‌تر، سریع‌تر و قابل‌اعتمادتر در حوزه‌های کاربردی زیر اعمال می‌شود:

ابزارهای کوچک‌شده با عملکرد بالا

دستگاه‌های دیجیتال پوشیدنی: ردیاب‌های تناسب اندام، ساعت‌های هوشمند، برچسب‌های علمی

موارد مشتری: هدفون‌های بی‌سیم اصیل، خودکارهای هوشمند، تلفن‌های قابل جمع‌شدن

ماژول‌های توان بالا و موجود

ابزارهای دیجیتال خودرویی: مدارهای چاپی نظارت بر توان، اجزای سیستم‌های کمکی رانندگی پیشرفته (ADAS)، سیستم‌های نظارت بر باتری که در آن‌ها القای حلقه و انتقال حرارتی ضروری‌اند

سیستم‌های صنعتی: رباتیک، ریل‌های تأمین توان، تخته‌های تبدیل توان در نقطه مصرف

راه‌حل‌های فرکانس رادیویی/مایکروویو و دیجیتال با سرعت بالا

چارچوب بی‌سیم: جایی که کنترل مقاومت در برابر اختلال و جداسازی گسترده به‌طور چشمگیری یکپارچگی سیگنال (SI) و سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) را بهبود می‌بخشد

دستگاه‌های شبکه‌ای: مسیریاب‌ها، سرورها، گره‌های انتهایی اینترنت اشیا با نیاز به نرخ اطلاعات بالا (۴۰ تا ۱۰۰+ گیگابیت بر ثانیه)

ساخت‌های نمونه‌ای و تولید انبوه کم‌حجم

محافظت از سبک‌های مالکیت فکری: محافظت از سیم‌کشی‌های الکتریکی اساسی با استفاده از قرار دادن دی‌ها و جلوگیری از طراحی معکوس

ساخت‌های کم‌حجم با زمان تحویل سریع: سیستم‌های حسگر علمی یا هوافضایی با نیازهای سفارشی به شبکه توزیع توان (PDN)

انواع فناوری‌های نصب‌شده در تولید برد مدار چاپی

تجویزِ نصب‌شده یک روش یکسان برای همه نیست. پشتهٔ فناوری مدرن به نوع قطعه، نیازهای برد و توانایی ساخت و ساز بستگی دارد.

۱. فناوری‌های فعال نصب‌شده

مقاومت‌های لایه‌نازک/لایه‌ضخیم: لایه‌ها مانند اُهمگاپلی یا تیسر روی برد لامینه می‌شوند و با حکاکی دقیق برای مقاومت‌های لایه‌نازک با دقت بالا ساخته می‌شوند. جوهرهای لایه‌ضخیم با روش چاپ غربالی برای جریان بالاتر و مقاومت بیشتر استفاده می‌شوند.

خازن‌های صفحه‌ای: ورق‌های دی‌الکتریک (مانند فارادفلکس یا مگترون شرکت پاناسونیک) بین صفحات مسی قرار می‌گیرند تا خازن‌های پراکنده با مقاومت داخلی کم (ESR) برای شبکه توزیع توان با سرعت بالا (PDN) ایجاد شوند.

سیم‌پیچ‌ها و القاگرهای نصب‌شده مارپیچی/موج‌دار: ردیف‌های مسی الگوسازی‌شده با لیزر در لایه‌های هسته یا پرپگ برای فیلتر کردن سیگنال‌های رادیویی (RF) و مدیریت توان.

۲. فناوری‌های غیرفعال نصب‌شده

تراشهٔ نصب‌شده: تراشه‌های سیلیکونی بدون بسته‌بندی در حفره‌های برد مدار چاپی نصب می‌شوند، سپس با سیم‌بندی یا روش فلیپ‌چیپ متصل می‌گردند و در نهایت پوشانده و صاف می‌شوند.

سیستم-در-بسته (SiP) با اجزای فعال و غیرفعال نصب‌شده: ماژول‌های پیچیده (مانند SoCهای بلوتوث) که شامل چندین تراشهٔ بدون بسته‌بندی و قطعات RC تعبیه‌شده در ساختارهای HDI فوق‌العاده نازک هستند.

فناوری‌های مرتبط در ساختار لایه‌بندی:

تخریب دندانی مدارهای چاپی، تراشه‌های تعبیه‌شده

سوراخ‌های کور/دفن‌شده و میکروسوراخ‌ها برای دسترسی به

لایه‌بندی متوالی برای چندلایه‌های پیچیده

مس پوشش‌داده‌شده در محصول (RCC)، دی‌الکتریک‌های ABF برای گام‌های بسیار ریز

طراحی مدار چاپی با قطعات غیرفعال نصب‌شده: پنج روش برتر

خازن‌ها، مقاومت‌ها و گاهی سیم‌پیچ‌ها در ساختار لایه‌بندی مدار چاپی، رویکردهای جدیدی را برای طراحی، انتخاب قطعه و DFM می‌طلبد. این استراتژی‌های اصلی و ایده‌آل را در نظر بگیرید:

• انتخاب لامینات‌هایی با Dk ثابت و Df کاهش‌یافته: از پرپرگ، دی‌الکتریک‌های ABF یا زیرلایه‌های PTFE با ثبات بالا در ضریب دی‌الکتریک (Dk، معمولاً ۳٫۰ تا ۳٫۸) و تانژانت تلفات بسیار پایین (Df) استفاده کنید تا ظرفیت خازنی و مقاومت کنترل‌شده حفظ شوند.
• تخصیص لایه‌های داخلی اختصاصی: لایه‌ها یا بخش‌های خاصی از لایه‌ها را به‌عنوان «پنجره‌ها» برای قطعات غیرفعال رزرو کنید و مقدار زیادی مس را در اطراف این پنجره‌ها نگه دارید تا جریان عبوری یا دفع گرما تسهیل شود.
• مقاومت یکنواخت در طرح‌بندی‌های با سرعت بالا: هنگام نصب اجزای RC، تراشه‌بندی‌های متعادل و کنترل دقیق چگالی دی‌الکتریک (معمولاً ۵ تا ۱۰ میل) را حفظ کنید تا مسیرهای بازگشت پیوسته و امپدانس تطبیق‌یافته برای تمام خطوط سیگنال تضمین شود.
• استفاده از ویاهای حرارتی در اطراف اجزای نصب‌شده: تخته‌های با اتصالات متراکم بالا (HDI) و تخته‌های تغذیه معمولاً نیازمند مدیریت دقیق حرارت هستند. خازن‌ها و مقاومت‌های تعبیه‌شده، به‌ویژه در تراکم‌های توان بالاتر، به‌عنوان منابع گرم در داخل ساختار تخته مدار چاپی (PCB) عمل می‌کنند. برای جلوگیری از نقاط داغ محلی یا جداشدن لایه‌ها، بهترین روش احاطه کردن این اجزا با ویاهای حرارتی است — یعنی سوراخ‌های ریز لایه‌بندی‌شده‌ای که مکان تولید‌کننده حرارت را به صفحه‌های مسی داخلی یا خارجی متصل می‌کنند. این کار مسیری مستقیم برای پخش حرارت در سراسر تخته ایجاد می‌کند و از هدایت حرارتی بالای مس برای حفظ پایداری ساختاری استفاده می‌نماید. برای مدارهای آنالوگ یا RF حساس، استفاده از گزینه‌های طراحی مناسب و توزیع مس می‌تواند افزایش دمای محلی را کاهش داده و صحت سیگنال را حفظ کند.
• در نظر گرفتن جایگزین‌های مقاومت و عدم‌تطابق لایه‌ها

به‌ویژه آن‌هایی که از محصولات لایه‌نازک (مانند اُهمگاپلی) یا جوهرهای لایه‌ضخیم ساخته می‌شوند، مقاومت‌های تولیدی دارند که می‌توانند تنگ‌تر یا شل‌تر از اجزای SMD هم‌ارز باشند. عوامل مؤثر در این زمینه شامل موارد زیر هستند:

دقت برش‌زنی با اچینگ یا لیزر

جریان جوهر لایه‌ضخیم یا لایه‌نازک

عدم هم‌ترازی لایه‌ها (جایی که طرح یک لایه نسبت به لایه‌ای دیگر جابه‌جا می‌شود، معمولاً در محدودهٔ ۲۵ تا ۵۰ میکرون).

انقباض یا انبساط دی‌الکتریک در طول فرآیند لاک‌گذاری.

انتخاب و گنجاندن اجزای مقاومتی و خازنی درونی

انتخاب سبک مناسب برد مدار چاپی با اجزای درونی برای کاربرد شما مستلزم درک هم عملکرد و هم امکان‌پذیری تولید است.

۴ نکتهٔ کلیدی دربارهٔ فرمت مقاومت نصب‌شده

• مقاومت و انتخاب مقاومت: استفاده از فویل سبک‌وزن آلومینیومی یا جوهری که مقاومت سطحی مناسبی (بر حسب اُهم بر مربع) داشته باشد. مقاومت R را با استفاده از هندسه محاسبه کنید: R = ( ρ × L)/ (W ×T)، که در آن ρ مقاومت ویژه است، L = اندازه، W = عرض، T = چگالی. ایده: مقاومت‌های نازک و گسترده را پس از لامینیت‌کردن بسیار آسان‌تر می‌توان تنظیم کرد.
• پراکندگی توان و ظرفیت موجود: مقاومت‌های با ظرفیت بالا یا توان بالا، حرارت را بهتر پراکنده می‌کنند اگر بین صفحات مسی بزرگ قرار گرفته و نزدیک به ویاها باشند. از فرمول توان استفاده کنید: P = I ² × R و نمودارهای کاهش ظرفیت فویل از OhmegaPly یا Ticer را بررسی کنید.
• ضریب دمایی مقاومت (TCR): برای مدارهای RF، آنالوگ و سنسور، کاهش TCR (< ۱۰۰ ppm/ ° °C) برای عملکرد پایدار در طول تغییرات دمایی ضروری است.

خازن‌های نصب‌شده: ۴ نکته کلیدی

جایگزین محصول: از محصولات با پایداری بالا، Dk پایین و تلفات پایین مانند FaradFlex یا Panasonic Megtron برای لایه‌های خازنی تعبیه‌شده استفاده کنید.

جایگذاری: خازن‌های صفحه‌ای نصب‌شده به‌صورت مستقیم در زیر آی‌سی‌های پرسرعت برای حداکثر جداسازی و ایجاد شبکه‌ای منظم از توزیع توان.

کنترل ظرفیت خازنی: با تغییر چگالی دی‌الکتریک و موقعیت صفحات، ظرفیت ذاتی را «تنظیم» کنید تا کارایی شبکه توزیع توان (PDN) افزایش یابد و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) کاهش پیدا کند.

ولتاژ و قابلیت اطمینان: ولتاژ بهینهٔ کاری و عامل تلفات (Df) را بررسی کنید تا در کاربردهای متغیر، قابلیت اطمینان حفظ شود.

جداسازی و کنترل پارازیتی

استفاده از روش جداسازی توزیع‌شده چندلایه:

خازن‌های ذاتی در ناحیهٔ زیر یا نزدیک ردپای BGA.

استفاده از چندین صفحهٔ ظرفیت توزیع‌شده برای کاهش امپدانس شبکه توزیع توان (PDN) در محدوده‌ای گسترده از فرکانس‌های گیگاهرتزی.

بهره‌گیری از ظرفیت پنهان برای کاهش نویز فرکانس بالا و جلوگیری از افت ولتاژ در طول سوئیچینگ‌های سریع.

موارد طراحی که باید در طراحی برد مدار چاپیِ ریز و با اجزای درج‌شده در نظر گرفته شوند.

طراحی برد مدار چاپی ریز با فناوری اجزای درج‌شده نیازمند رویکردی انضباط‌آمیز در طراحی لایه‌بندی، طراحی کلی و امکان‌سنجی ساخت (DFM) است.

گزینه محصول: برای مقاومت ایمن و کنترل شده تداخل الکترومغناطیسی (EMI)، موادی با ضریب دی‌کی پایین و ضریب دی‌اف پایین انتخاب کنید (مانند مگترون پاناسونیک، آی‌اسپید ایزولا و راجرز) — این امر برای سیگنال‌های رادیویی (RF) و سیگنال‌های پرسرعت ضروری است.

آماده‌سازی لایه‌بندی برد مدار چاپی (PCB): لایه‌بندی‌های متوازن به حداقل رساندن تاب‌خوردگی کمک می‌کنند؛ لایه‌های پنجره‌ای را برای قطعات غیرفعال طراحی کنید و صفحات زمین یا مرجع را در نزدیکی لایه‌های سیگنال قرار دهید تا مسیر بازگشت سیگنال حفظ شود.

کنترل امپدانس: امپدانس خطوط میکرواستریپ یا استریپ‌لاین را با در نظر گرفتن قطعات غیرفعال محاسبه کنید. ضخامت مس، چگالی دی‌الکتریک و نواحی غنی از رزین اطراف قطعات غیرفعال، ویژگی‌های خط انتقال را تعیین می‌کنند.

مسیرهای حرارتی: از گزینه‌های انتقال حرارت و مس اضافی اطراف قطعات تعبیه‌شده برای پراکندگی بهتر گرما استفاده کنید (به‌ویژه برای مقاومت‌های توان بالا یا صفحات جریان قوی).

بررسی‌های DRC/DFM: با تولیدکننده برد مدار چاپی (PCB fab) در مورد قوانین فرآیندی مشورت کنید — از جمله حداقل ابعاد مقاومت‌ها و سیم‌پیچ‌ها، فواصل ایمنی، فاصله تا عناصر مجاور و محدودیت‌های ثبت طرح.

عناصر ارزیابی AOI/اشعه ایکس/ICT: آماده‌سازی برای بررسی قطعات تعبیه‌شده یا فعال که با اشعه ایکس یا صفحات بررسی ترکیبی شناسایی می‌شوند تا خطاهای اولیه پیش از مونتاژ شناسایی گردند.

قطعات تعبیه‌شده در لایه‌های برد مدار چگونه قرار می‌گیرند؟

فرآیند تعبیه، نگاه علمی پیشرفته به قطعات و تولید دقیق را ادغام می‌کند. در ادامه، مراحل این فرآیند آورده شده است:

• تعیین لایه‌های تعبیه: مشخص‌کردن لایه‌های داخلی برد مدار برای جای‌گذاری مقاومت‌ها، خازن‌ها، سیم‌پیچ‌ها یا تراشه‌ها — که معمولاً «لایه‌های پنجره» نامیده می‌شوند.

• الگو یا ناحیه‌بندی قطعات:

قطعات غیرفعال: استفاده از فویل ضدآب یا ماده دی‌الکتریک، سپس به‌کارگیری فوتولیتوگرافی یا تصویربرداری مستقیم لیزری (LDI) برای تعریف اشکال.

قطعات فعال: قرار دادن تراشه‌های بدون پکیج در حفره‌های ساخته‌شده در بسته‌بندی یا جیب‌های سوراخ‌شده و اتصال با سیم‌های متصل‌کننده یا برآمدگی‌ها.

• لامیناسیون متوالی: لایه‌ها به‌صورت گام‌به‌گام روی هم قرار می‌گیرند و از عایق پرپرگ و روکش مسی استفاده می‌شود. هر چرخه لامیناسیون ویژگی‌های بیشتری (مانند میکروویاها یا ویاهای کور/دفن‌شده) را اضافه می‌کند.
• دریل‌کردن لیزری/مسیریابی مکانیکی: توسعهٔ میکروویاها یا ویاهای کور و دفن‌شده برای اتصال ویژگی‌های تعبیه‌شده به لایه‌های خارجی یا سیگنال‌های مجاور.
• صاف‌سازی سطح: برای تراشه‌های تعبیه‌شده، پرکردن محصول و صاف‌سازی (مانند CMP — صیقل‌دهی شیمیایی-مکانیکی) سطحی هموار را ایجاد می‌کند.
• تنظیم لایه‌های خارجی: شامل لایه‌های مدار باقی‌مانده، پدهای SMD و سیلک‌اسکرین است.
• بازرسی: برای بازرسی بصری محدود از ویژگی‌های غیرمنتظره، از AOI، اشعهٔ ایکس و در بسیاری از موارد ارزیابی مداری (ICT) استفاده می‌شود.

فرآیند ساخت قطعهٔ نصب‌شده در PCB

بیایید فرآیند اصلی ساخت PCBهای دارای اجزای تعبیه‌شده را بررسی کنیم:

ساختار چندلایه: تعیین لایه‌ها برای اجزای فعال و غیرفعال تعبیه‌شده، از جمله طراحی پنجره یا حفره برای تراشه.

رسوب‌گذاری مقاومتی/دی‌الکتریک: استفاده از مواد (مانند OhmegaPly، Ticer، FaradFlex) از طریق لامینیت یا چاپ غربالی.

الگوسازی و اچینگ: تشکیل اجزای غیرفعال با استفاده از LDI، فوتولیتوگرافی یا تخریب لیزری برای دقت بالا.

فرز یا برش حفره‌ها: برای عبورهای درونی یا القاکننده‌ها، فرزکاری سی‌ان‌سی یا هدایت لیزری جیب‌های خاصی ایجاد می‌کند.

قرار دادن آسان قطعات و اتصالات: قالب را با دستگاه چیدمان (پیک-اند-پلیس) قرار دهید، با اپوکسی رسانا یا نشاسته به هم متصل کنید و برای آی‌سی‌ها، اتصال سیمی یا افزودن برآمدگی (بامپ) را انجام دهید.

لایه‌چینی متوالی: کامل‌ترین لایه‌چینی را انجام دهید و اطمینان حاصل کنید که قرارگیری دقیق (ثبت موقعیت) انجام شده است. هر چرخه می‌تواند ویژگی‌های بیشتری مانند میکروویاها یا ویاهای پنهان برای HDI را شامل شود.

صاف‌سازی و آماده‌سازی سطح: حفره‌ها را با رزین پر کنید و تا رسیدن به سطحی صاف برای لایه‌چینی بعدی، آن‌ها را صیقل دهید.

بررسی و توسعه ویا: ایجاد میکروویا و ویاهای کور یا دفن‌شده با مته‌کاری و سوراخ‌کاری لیزری برای قطعات با فاصله کم.

پردازش نهایی لایه سطحی: شامل مدارهای لایه بالایی، ماسک نشاسته و لایه پایانی.

ارزیابی و آزمون: از بازرسی خودکار تصویری (AOI)، تست‌زنی پروازی، اشعه ایکس ‐و در بسیاری از موارد تست مدار درجا (ICT) استفاده کنید، زیرا دسترسی الکتریکی مستقیم و بازرسی بصری برای ویژگی‌های تعبیه‌شده محدود است.

انطباق با استانداردهای UL/IPC: تأیید صحت بردها بر اساس استانداردهای IPC-6012 و IPC-7092 برای قطعات غیرفعال، انجام کامل تمام بررسی‌های DRC و DFM و ارائه مدارک لازم برای ردیابی.

مقایسه رویکردهای SMT و درج‌شده

تکامل مستمر سبک‌های PCB، طراحان و تیم‌های محصول را به انتخاب بین فناوری استاندارد SMT (فناوری نصب سطحی) و عناصر درج‌شده در PCB نسل بعدی وادار می‌کند. هر دو روش جایگاه خاص خود را دارند، به‌ویژه با افزایش تراکم دستگاه‌ها، اما مزایا و معایب آن‌ها از نظر جزئیات طراحی، هزینه، امکان ساخت و عملکرد الکتریکی باید به‌طور جامع ارزیابی شوند.

قطعات SMT: نقاط قوت و ضعف

مزایای SMT:

سادگی و جهانی‌بودن: SMT توسط تمام کارخانه‌های ساخت PCB و خطوط مونتاژ در سراسر جهان پشتیبانی می‌شود.

قابلیت تعمیر و بازکاری آسان: اتصالات لحیم‌کاری و قطعات را می‌توان به‌راحتی بازرسی، تعویض یا دوباره لحیم‌کاری کرد.

نمونه‌سازی و راه‌اندازی سریع: زمان کوتاه‌تری برای ورود به بازار برای لیست قطعات پایه و برد‌های توسعه.

جامعه‌ی گسترده: مجموعه‌ی بسیار وسیعی از قطعات غیرفعال، فعال و پیچیده‌ی منحصر‌به‌فرد

جنبه‌های منفی سیستم‌های مونتاژ سطحی (SMT):

ورودی ساخت تخته‌ها: مقاومت‌ها، خازن‌ها و سیم‌پیچ‌های SMD فضای مفید را اشغال می‌کنند و گزینه‌های طراحی تخته‌های مدار چاپی با تراکم بالا (HDI) و صرفه‌جویی در فضا را کاهش می‌دهند.

ضخامت هدایت حاشیه‌ای: اثرات بزرگ SMD بر هدایت مسیرها و قرارگیری از طریق تخته محدودیت ایجاد می‌کنند.

پارازیت‌های بیشتر: القای اضافی ناشی از رهایش و ظرفیت پد می‌تواند عملکرد در فرکانس‌های بالا یا مدارهای رادیویی (RF) را تضعیف کند.

تهدیدهای پایداری: اتصالات لحیم‌کاری مستعد خستگی، تشدید و نامتناسبی ضریب انبساط حرارتی (CTE) هستند.

جنبه‌های نصب‌شده: نقاط قوت و ضعف

مزایای جنبه‌های نصب‌شده در طراحی تخته‌های مدار چاپی:

صرفه‌جویی نهایی در هزینه‌ی سطح: جاسازی اجزای غیرفعال و فعال، فضای سطحی را برای لایه‌های اضافی، ویژگی‌های HDI یا راهکارهای حرارتی آزاد می‌کند.

پایداری بیشتر: حذف اتصالات SMD منبع اصلی شکست را از بین می‌برد و استحکام دستگاه و پایداری عملکرد در کاربردهای حیاتی را افزایش می‌دهد.

برتری در سیگنال و صداقت: خازن‌ها با القای مزاحم محدود، جداسازی توزیع‌شده را فراهم می‌کنند و برای کاهش نویز شبکه توزیع توان (PDN) مناسب هستند.

بهبود ضخامت توان: مقاومت‌ها و سیم‌پیچ‌ها سطح فنی و برنامه‌های موجود را به حداکثر می‌رسانند و افت ولتاژ و گرم‌شدن خودی را کاهش می‌دهند.

امنیت و محافظت IP: تراشه‌ها و قطعات غیرفعال دفن‌شده، از نظر طراحی معکوس یا دستکاری بسیار سخت‌تر هستند.

معایب قطعات نصب‌شده:

افزایش پیچیدگی تولید: فرآیندهای لامینیت متوالی، ثبت دقیق و حفره‌های دندانی، زمان و هزینهٔ ساخت برد را افزایش می‌دهند.

تعمیر یا اصلاح دشوار: پس از جاسازی، قطعات برای بازکاری معمول یا خدمات تعمیر ناحیه‌ای در دسترس نیستند.

مشکلات بازگشت و بازرسی: عیوب ممکن است شناسایی و رفع‌شان دشوارتر باشد و معمولاً نیازمند روش‌های پیشرفتهٔ بازرسی مانند بازرسی اپتیکی خودکار (AOI)، اشعه ایکس یا آزمون‌های الکتریکی پیشرفته هستند.

سازگانی محصول: انتخاب لایه‌های مناسب (کاهش ثابت دی‌کاپ، ضریب تلفات، ضریب تغییر دمای مقاومت و غیره) بسیار حیاتی‌تر است، به‌ویژه در طراحی تخته‌های مدار چاپی با سرعت بالا یا فرکانس رادیویی که قطعات درونی دارند.

پرسش‌های رایج

پرسش‌های متداول مفید به مشتریان شما کمک می‌کند تا طراحی تخته‌های مدار چاپی با قطعات درونی را بهتر درک کنند. در ادامه پاسخ‌هایی به رایج‌ترین مسائل مربوط به طراحی، فناوری و ساخت آورده شده است:

پرسش ۱: قطعات و المان‌های درونی تخته مدار چاپی چیستند؟

پاسخ: قطعات تخته‌ای الکترونیکی هستند (فعال یا غیرفعال) که در لایه‌های داخلی تخته مدار چاپی جاسازی می‌شوند، نه روی سطح آن نصب می‌گردند. المان‌های غیرفعال معمولاً شامل مقاومت‌ها، خازن‌ها و گاهی سیم‌پیچ‌ها هستند که عمدتاً با الگوسازی ویژه موادی مانند OhmegaPly، موانع Ticer یا فیلم‌های خازنی صفحه‌ای در پشته لایه‌های عایق شناسایی می‌شوند.

پرسش ۲: در چه زمانی باید قطعات درونی را به‌جای قطعات سطحی (SMT) انتخاب کنم؟

الف: عناصر درون‌زده را هنگامی انتخاب کنید که طراحی شما به چگالی بالای مسیریابی، کوچک‌سازی، رفتارهای بهبودیافته در برابر تداخل الکترومغناطیسی/سازگاری الکترومغناطیسی، استانداردهای سخت‌گیرانه‌تر قابلیت اطمینان یا جداسازی بهتر شبکه توزیع توان نیاز دارد. این عناصر به‌ویژه در دستگاه‌های الکترونیکی با تراکم بالا (HDI)، فرکانس رادیویی (RF)، توان، پوشیدنی، بالینی و هوافضایی کاربرد دارند—جایی که هر میلی‌متر مربع اهمیت دارد.

سوال ۳: خازن‌ها و مقاومت‌ها چگونه دقیقاً پارازیت‌ها را کاهش داده و یکپارچگی سیگنال را بهبود می‌بخشند؟

الف: مقاومت‌ها و خازن‌های نصب‌شده در داخل صفحه مدار، عملکرد بهتری نسبت به مدارهای سیگنال و توان دارند و القای پارازیتی/ظرفیت پارازیتی (ESL، ESR) و اثرات خط انتقال را به حداقل می‌رسانند. برای نمونه، خازن‌های صفحه‌ای درون‌زده، جداسازی با مساحت مناسب و امپدانس بسیار پایین فراهم می‌کنند و از پایداری ریل‌های توان و کاهش نویز متغیر اطمینان حاصل می‌کنند.

سوال ۴: کدام ورق‌های لامینیت (Dk/Df) برای اجزای درون‌زده مناسب‌ترند؟

الف: بهترین محصولات، محصولاتی هستند که ثابت دی‌الکتریک (Dk) آن‌ها به‌صورت راحت کنترل شده و جنبه تلفات (Df) کاهش یافته باشد، مانند مگترون پاناسونیک، آی-اسپید/فر۴۰۸ اچ‌آر ایزولا و زیرلایه‌های مبتنی بر پی‌تی‌اف‌ای برای فرکانس رادیویی. این مواد عملکردی ایمن و پایدار را برای مقاومت‌ها و خازن‌های تعبیه‌شده در سطح فرآیند و دامنه دمایی مختلف تضمین می‌کنند.

سوال ۵: دقیقاً چگونه اندازه یک مقاومت تعبیه‌شده در برد مدار چاپی من را محاسبه کنم؟

پاسخ: از هندسه و مقاومت ورقه‌ای استفاده کنید: [R = \ frac] که در آن ρ مقاومت ویژه است ( اُهم· سانتی‌متر یا ω بر مربع)، L طول، W عرض و T ضخامت است. پس از تنظیم، با تولیدکننده برد تماس بگیرید تا ابعاد نهایی قابل ساخت و تلرانس‌های مربوطه را دریافت کنید.