Ako navrhnúť PCB s vloženými súčiastkami?

Výroba DPS s nainštalovanými komponentami: výroba nainštalovaných DPS

Jednoducho: ako používať softvér na návrh DPS na vytvorenie DPS s vloženými komponentmi?

Čo sú vložené komponenty DPS?

Trend k miniaturizovaným a vysokovýkonným elektronickým zariadeniam vyžaduje softvérové prístupy na usporiadanie dosiek plošných spojov (PCB), ktoré šetria priestor a výrazne presahujú možnosti súčasnej technológie povrchovej montáže (SMT). Tu prichádzajú do hry zabudované prvky matičných dosiek. Pri návrhu s použitím zabudovaných prvkov sa odpory, kondenzátory, cievky alebo dokonca aktívne integrované obvody (IC) a kremíkové čipy umiestňujú do vnútorných vrstiev tlačenej matičnej dosky namiesto ich montáže na jej povrch. Tento prístup nielenže znižuje celkovú veľkosť dosky, ale zásadne mení aj spôsob, akým návrhári riešia integritu signálov, tepelné riadenie a návrhy s vysokou hustotou prepojení (HDI).

Montované pasívne súčiastky, ako sú odpory a kondenzátory, možno chápať ako tenké vrstvy alebo rovinové štruktúry v rámci stohu dosky plošných spojov (PCB), čím sa zmenia charakteristické SMD súčiastky. Napríklad namiesto umiestňovania mnohých povrchových odporníkov alebo odpojovacích kondenzátorov sa tieto súčiastky vyrábajú priamo medzi meďovými vrstvami pomocou špeciálnych odolných alebo dielektrických fólií (napr. OhmegaPly alebo FaradFlex). Táto integrácia výrazne zníži parazitné účinky aj zložitosť montáže. Montované induktory a tiež nezabalené kremíkové čipy (technológia zabudovaných čipov) možno umiestniť tiež do vnútorných vrstiev PCB, čo umožňuje návrhy vyžadujúce vysokú hustotu výkonu, vyššiu rýchlosť prenosu signálov a znížené elektromagnetické rušenie (EMI) alebo parazitnú kapacitu.

Štúdia: Úspora priestoru pomocou montovaných súčiastok v nositeľných zariadeniach

Vedúci výrobca fitness trackerov potreboval tenšiu a ľahšiu riadiacu dosku, ktorá by umožnila umiestniť väčší akumulátor a ešte viac zberových zariadení. Použitím sieťových rezistorov a plošných zabudovaných kondenzátorov vo vnútorných vrstvách (s využitím tenkých rezistorových hliníkových fólií a lietadlového kondenzátora FaradFlex) sa zlepšila stabilita signálu, povrchová plocha dosky znížila o 40 % a vytvoril sa priestor pre väčší akumulátor – všetko bez zväčšenia celkovej plochy dosky. Účinnosť EMI/EMC sa tiež zvýšila vďaka plošnému odpojeniu PDN. Táto úspešná príbeh je dôkazom toho, ako integrované súčasti na PCB menia miniaturizované elektronické zariadenia.

Prečo je táto stratégia revolučná? Vzhľadom na rýchly rozvoj elektronických zariadení s vysokou rýchlosťou, obmedzeným priestorom a viacvrstvovou štruktúrou sa zabudované doskové komponenty stávajú nástrojom, ktorý pomáha vývojárom pochopiť neobvyklú hustotu prenosu, optimalizovať usporiadanie vrstiev PCB, znížiť parazitické rušenie a zaručiť trvalú integritu signálov – a to všetko aj vtedy, keď sa fyzické rozmery komponentov zmenšujú. Komponenty typu Embedded Components sú kľúčovým faktorom umožňujúcim skutočne vysokohustotné interkonekcie (HDI), pokročilé návrhy systémov v balení (SiP) a budúcnosť funkčných a vysokofrekvenčných dosiek PCB.

Aktívne vs. jednoducho inštalovateľné komponenty: Prehľad

Súčasné PCB so zabudovanými komponentmi možno rozdeliť do dvoch základných kategórií: aktívne zabudované komponenty, ktoré spracúvajú a riadia elektrické signály, a pasívne komponenty, ktoré zabezpečujú úpravu signálov, filtrovanie a ukladanie energie. Obe kategórie ponúkajú odlišné možnosti úspory priestoru, avšak ich integrácia, funkcia a vplyv na správanie obvodu sa výrazne líšia.

Aktívne zabudované komponenty

Energizované súčasti vyžadujú vonkajší zdroj energie (zvyčajne jednosmerný prúd) na riadenie, prepínanie alebo zosilňovanie elektrických signálov.

Podmienky zabudovaných aktívnych nástrojov:

Tranzistory – oddelené alebo ako súčasť zabudovaných obvodov, umožňujú logiku, prepínanie alebo zosilňovanie.

Nainštalované integrované obvody (IC) – mikrokontroléry, FPGA alebo pamäťové čipy priamo namontované do dutín na doske plošných spojov.

Nainštalované diódy – na menenie, úpravu alebo smerovanie signálov.

Prečo inštalovať aktívne súčasti?

Krajšie dráhy signálov: Umiestnenie riadiacich prvkov bližšie k vstupno-výstupným kontaktom zníži vplyv prenosových vedení a rozdielov v časovani hodín.

Znížené parazitné efekty: Žiadne vývody ani veľké konštrukčné prvky, čo zníži parazitnú indukčnosť a kapacitu a zlepší stabilitu signálov.

Zlepšená účinnosť proti elektromagnetickým rušeniam (EMI): Zmenšená plocha otvorenia a lepšie kontrolovaná odolnosť.

Oveľa viac miesta na doske pre HDI (High-Density Interconnect) trasovanie – odstránia sa prekážky zo strany súčiastok.

Pasívne integrované súčiastky

Integrované pasívne súčiastky nepotrebujú vonkajšie napájanie na prevádzku. Realizujú funkcie, ako je oddelenie, filtrovanie systému, prednastavenie a stanovenie časových konštánt.

Vstavané odpory – tenké odporové vrstvy (napr. OhmegaPly, Ticer) vyvinuté pre zaťaženie/ukončenie a funkcie pull-up/pull-down.

Nastavovacie kondenzátory – rovinné kapacitné riešenia, ako FaradFlex alebo NanoLam, umiestnené medzi meďovými rovinami, často pre oddeľovanie napájacej siete (PDN).

Integrované induktory – špirálové alebo zvlnené meďové dráhy vo vnútorných vrstvách, špecificky pre filtrovanie signálov v RF alebo napájacích návrhoch.

7 významných výhod rozvoja integrovaných súčiastok

Zahrnutie zabudovaných prvkov do výroby dosiek plošných spojov prináša premenlivú hodnotu pre súčasné obvody v oblastiach spotrebiteľských, lekárskych, automobilových a priemyselných aplikácií. Pozrime sa na 7 výnimočných výhod a na to, kde každá z nich presiakne:

• Úspora priestoru a miniaturizácia: Nahradením sérií SMD rezistorov a kondenzátorov vnútornými, vrstvami zabudovanými prispôsobeniami vývojári dosahujú výrazné zníženie vplyvu – čo je kritické pre nositeľné zariadenia, IoT, MEMS mikrofóny a ďalšie.
• Zlepšená hrúbka odosielania a HDI: Odstránením SMD súčiastok zo povrchových vrstiev umožňujú návrhári ľahšie spravovať testovanie s vysokou hustotou (HDI) a umiestniť do malých dosiek oveľa viac spojov, mikrovier a signálnych vodičov.
• Vyššia stabilita signálu: Spoločné odpojovanie, kratšie návratné dráhy a znížené zástrčky prenosových vedení vedú k nižšiemu EMI, nižšiemu prekročeniu signálov (crosstalk) a stabilnejšiemu vysokorýchlostnému prevádzkovaniu – čo je nevyhnutné pre dosky DDR, PCIe alebo RF.
• Zlepšená sieť napájania (PDN): Plošné kondenzátory (plošná kapacita) poskytujú nízkoprechodové a širokopásmové odpojovanie, čo je dôležité na potláčanie poklesov napätia a šumu v obvodoch s rýchlym prepínaním.
• Vyššia úroveň upriamosti: Pasívne súčiastky vyhýbajú sa spájkovaným spojom, ktoré sú č. 1 príčinou výpadkov SMD – kľúčové pre nákladné vozidlá, letecký a vesmírny priemysel alebo náročné prostredia s tepelným cyklovaním a vibráciami.
• Výrazne lepší tepelný dohľad: Vnútorné odpory a kondenzátory sú zvyčajne umiestnené medzi meďovými vrstvami, čo umožňuje efektívne šírenie tepla cez vrstvy alebo cez tepelné vias.
• Cenový výkon v správnom kontexte: Hoci počiatočné NRE a prípravné náklady sú vyššie, celkové náklady sa môžu znížiť pri HDI usporiadaniach znižovaním počtu súčiastok, zložitosti BOM a testovania/opravy po montáži.

Aplikácie zabudovaných súčiastok: Prečo zvoliť integrované hlboko zabudované súčiastky?

Rozhodnutie presunúť sa na výrobu PCB/montáž PCB so zabudovanými súčiastkami je motivované neúprosným tlakom na vytváranie menších, rýchlejších a spoľahlivejších elektronických zariadení v nasledujúcich oblastiach aplikácií:

Miniaturizované vysokovýkonné zariadenia

Nosičné digitálne zariadenia: Fitness tracker, chytré hodinky, profesionálne identifikačné náramky.

Položky pre zákazníkov: Originálne bezdrôtové slúchadlá, chytré perá, zasúvateľné telefóny.

Vysoké existujúce a výkonové moduly

Automobilové digitálne nástroje: PCB na monitorovanie napájania, komponenty ADAS, systémy monitorovania batérií, kde je potrebná indukčnosť slučky a tepelný prenos.

Priemyselné systémy: robotika, napájací vedenia, dosky pre konverziu v bode zaťaženia.

Riešenia pre RF/mikrovlnné a vysokorýchlostné digitálne aplikácie

Bezdrôtová infraštruktúra: kde riadenie odolnosti voči rušeniu a rozšírené oddeľovanie výrazne zlepšujú integritu signálu (SI) a elektromagnetickú kompatibilitu (EMC).

Sieťové zariadenia: smerovače, servery, uzly IoT s vyžadovanými rýchlosťami prenosu údajov (40–100+ Gbps).

Výroba malých sérií/prototypov

Ochrana duševného vlastníctva: Chránené kritické elektrické spojenia prostredníctvom umiestnenia čipov a znemožnenia reverznej inžinierskej analýzy.

Výroba malých objemov s krátkymi dodacími lehôtami: vedecké alebo letecké a vesmírne snímacie systémy so špecifickými požiadavkami na distribúciu napätia (PDN).

Druhy montovaných technológií v výrobe dosiek plošných spojov

Vzduchové zabudovanie nie je univerzálny postup. Moderná technologická kôpka závisí od typu súčiastky, požiadaviek na dosku a výrobných možností.

1. Montované pasívne technológie

Tenké / hrubé vrstvy odporov: Vrstvy ako OhmegaPly alebo Ticer sa laminujú a špeciálne gravírujú na výrobu vysokopresných tenkých vrstiev odporov. Hrubé vrstvy sa tlačia cez sitá pre vyšší prúd / odolnosť.

Rovinné kondenzátory: Dielektrické fóliové vrstvy (napr. FaradFlex, MEGTRON spoločnosti Panasonic) umiestnené medzi medenými rovinami na dosiahnutie rozptýleného nízkodisipatívneho odpojenia – ideálne pre vysokorýchlostné napájacie siete (PDN).

Špirálové / zvlnené montované induktory: Laserom vzorované medené dráhy v jadrových alebo prepregových vrstvách pre RF filtračné systémy a napájacie roviny.

2. Montované aktívne technológie

Montovaný kryštál: Holé kremíkové čipy namontované do dutín dosky plošných spojov, pripojené drôtovým spojom alebo flip-chip technikou, potom zakryté a vyrovnané.

System-in-Package (SiP) s namontovanými aktívnymi a pasívnymi komponentmi: Komplexné moduly (napr. Bluetooth SoC) s niekoľkými čipmi bez obalu a zabudovanými RC súčiastkami v ultra-tenkých HDI štruktúrach.

Relevantné technológie v štruktúre vrstiev:

Zubná kazovosť poškodzuje dosky plošných spojov, zabudované čipy

Slepé/zabudované vodiace otvory, mikrootvory na prístup k

Postupné laminovanie pre komplexné viacvrstvové dosky

Medené povrchy pokryté produktom (RCC), dielektriká ABF pre ultra-jemný rozostup

Navrhovanie dosky plošných spojov s zabudovanými pasívnymi komponentmi: 5 najlepších postupov

Kondenzátory, odpory a niekedy aj cievky v štruktúre vrstiev dosky plošných spojov vyžadujú nové prístupy k návrhu, výbere komponentov a DFM. Zvážte tieto dôležité odporúčané postupy:

• Vyberte lamináty s stabilnou permitivitou (Dk) a zníženým stratovým faktorom (Df): Vyberte prepreg, ABF alebo PTFE substráty s presne regulovanou relatívnou permitivitou (Dk, zvyčajne 3,0–3,8) a veľmi nízkym stratovým faktorom (Df) pre stálu kapacitu a riadený odpor.
• Prideliť vyhradené vnútorné vrstvy: Rezervovať konkrétne vrstvy alebo časti vrstiev ako „okná“ pre pasívne súčiastky a zachovať veľké množstvá medi okolo týchto okien na prúdový prenos alebo odvod tepla.
• Rovnomerný odpor v rozloženiach pre vysoké rýchlosti: Pri inštalácii RC súčiastok udržiavať vyvážené usporiadania vrstiev a prísnu kontrolu hustoty dielektrika (zvyčajne 5–10 milov), aby sa zabezpečili nepretržité návratové dráhy a zhodná impedancia pre všetky signálne vodiče.
• Zahrňte tepelné via otvory okolo namontovaných súčiastok: Dosky s vysokou hustotou prepojení (HDI) a výkonové dosky často vyžadujú dôkladnú tepelnú správu. Vložené kondenzátory a odpory, najmä pri vyšších výkonových hustotách, pôsobia ako zdroje tepla v rámci vrstvy DPS. Aby sa zabránilo lokálnym horúčim miestam alebo odlepeniu vrstiev, je najlepšou technikou obklopiť tieto súčiastky tepelnými via otvormi – malými vrstvenými otvormi, ktoré spájajú miesto vzniku tepla s vnútornými alebo vonkajšími medenými rovinami. Tým sa vytvorí priama cesta na rozptýlenie tepla po celej doske, čím sa využije vysoká tepelná vodivosť medi na udržanie celistvosti. Pre citlivé analógové alebo RF obvody použite možnosti návrhu a medené plochy tak, aby sa znížil nárast teploty a zachovala integrita signálu.
• Zvážte alternatívy odporu a nesúhlas vrstiev

Obzvlášť tie vyrobené z tenkých vrstiev (napr. OhmegaPly) alebo hrubých vrstiev farieb majú výrobné odporové hodnoty, ktoré môžu byť presnejšie alebo menej presné ako u rovnocenných SMD súčiastok. Na tieto odporové hodnoty ovplyvňujú nasledovné faktory:

Presnosť leptania / laserového orezávania

Cirkulácia farieb hrubej / tenkej vrstvy

Nesúhlas vrstiev (keď sa umiestnenie obrazu z jednej vrstvy vzťahuje na inú vrstvu, zvyčajne v rozmedzí 25–50 mikrónov).

Zmrštenie alebo rozšírenie dielektrika počas laminácie.

Výber a začlenenie zabudovaných odporových a kapacitných súčiastok

Výber vhodného typu dosky plošných spojov so zabudovanými súčiastkami pre vašu aplikáciu vyžaduje pochopenie nielen výkonu, ale aj výrobnej realizovateľnosti.

4 tipy na zváženie pri návrhu formátu odporov

• Odpor a výber odporovej súčiastky: ľahká hliníková fólia alebo farba s vhodným povrchovým odporom (v ohmoch štvorček). Vypočítajte R pomocou geometrie: R = ( ρ × L)/ (W ×T), kde ρ je merný odpor, L = veľkosť, W = šírka, T = hustota. Nápad: Tenké a rozsiahle odpory je oveľa jednoduchšie upraviť po laminácii.
• Rozptyl výkonu a existujúca kapacita: Vysokokapacitné alebo vysokovýkonové odpory lepšie rozptyľujú teplo, ak sú umiestnené medzi veľkými meďovými plochami a v blízkosti priechodov. Použite vzorec pre výkon: P = I ² × R a overte grafy zníženia výkonu fólia od spoločností OhmegaPly alebo Ticer.
• Teplotný koeficient odporu (TCR): Pre RF, analógové a senzorové obvody je dôležitý nízky TCR (< 100 ppm/ ° °C) na zabezpečenie konštantnej účinnosti pri zmenách teploty.

Nainštalované kondenzátory: 4 tipy

Alternatíva produktu: Použite produkty s vysokou stabilitou, nízkou permitivitou (Dk) a nízkymi stratami, ako sú FaradFlex alebo Panasonic Megtron, pre zabudované vrstvy kondenzátorov.

Umiestnenie: Rovinné kondenzátory sú inštalované priamo pod vysokorýchlostnými integrovanými obvodmi (IC) na dosiahnutie optimálneho odpojenia napájania a prehľadnej siete napájania.

Kapacita hodná presného riadenia: Zmeňte hustotu dielektrika a polohu platní, aby ste „naladili“ vstavanú kapacitu a zvýšili účinnosť siete napájania (PDN) a znížili elektromagnetické rušenie (EMI).

Napätie a spoľahlivosť: Overte optimálne prevádzkové napätie a faktor straty (Df) na zabezpečenie spoľahlivosti v rôznych aplikáciách.

Odpojenie napájania a kontrola parazitných efektov

Použite viacvrstvový distribuovaný spôsob odpojenia napájania.

Vstavané kondenzátory v oblasti pod alebo v blízkosti vývodov BGA.

Použite niekoľko distribuovaných kapacitných vrstiev, aby ste znížili impedanciu siete napájania (PDN) v širokej škále GHz.

Využite skrytú kapacitu na zníženie šumu vo vysokom frekvenčnom pásme a predchádzajte poklesom napätia pri rýchlych prepínacích procesoch.

Návrhové aspekty, ktoré je potrebné zohľadniť pri hlboko miniaturizovanom návrhu PCB

Miniaturizovaný návrh PCB s technológiou zabudovaných komponentov vyžaduje dôsledný prístup k návrhu vrstevnicovej štruktúry (stack-up), návrhu a dizajnu pre výrobu (DFM).

Možnosť výrobku: Pre bezpečný odpor a kontrolované EMI vyberte materiály s nízkou hodnotou Dk a Df (napr. Panasonic Megtron, Isola I-Speed, Rogers) – to je potrebné pre RF a vysokorýchlostné signály.

Príprava vrstevnice PCB: Dobrá vyváženosť vrstevnice minimalizuje deformáciu; technika umiestňuje pasívne komponenty do okienkových vrstiev a udržiava uzemňovacie / referenčné roviny čo najbližšie k signálovým vrstvám, aby sa zabezpečila správna návratová cesta prúdu.

Riadenie impedancie: Určte impedanciu mikropásikovej / páskovej vedenia s započítaním pasívnych komponentov. Hrúbka medi, hustota dielektrika a oblasti bohaté na pryskyricu okolo pasívnych komponentov ovplyvňujú vlastnosti prenosových vedení.

Tepelné cesty: Použite tepelné možnosti a medené plochy okolo zabudovaných komponentov na lepšie odvádzanie tepla (najmä pri výkonových rezistoroch alebo vodičoch s vysokým prúdom).

Kontroly DRC / DFM: Poradte sa so svojím výrobcom PCB o technologických pravidlách – minimálna veľkosť rezistorov / induktorov, vzdialenosti, rozostupy od susedných funkcií a obmedzenia registrácie obrazov.

Prvky hodnotenia AOI/X-ray/ICT: Pripravte sa na preskúmanie zabudovaných pasívnych alebo aktívnych súčiastok pomocou X-ray alebo integrovaných skúšobných plošiek, aby ste zachytili veľmi rané chyby pred montážou.

Ako presne sú zabudované súčiastky v jednotlivých vrstvách PCB?

Proces zabudovania zahŕňa pokročilé technické náhľady a presnú výrobu. Nižšie je uvedený postupný prehľad:

• Určenie zabudovaných vrstiev: Určte vnútorné vrstvy PCB na umiestnenie rezistorov, kondenzátorov, induktorov alebo pasívnych súčiastok – bežne nazývané „oknové vrstvy“.

• Vytvorenie vzoru alebo plochy súčiastok:

Pasívne súčiastky: Použite odolnú fóliu alebo dielektrický materiál a potom fotolitografiu alebo priamu laserovú obrábkovanie (LDI) na definovanie tvarov.

Aktívne súčiastky: Umiestnite nezabalené kremíkové čipy do vyrezaných dutín alebo prebodaných vreciek v obvode a pripojte ich káblikmi alebo výstupkami.

• Postupné laminovanie: Vrstvy sa postupne zostavujú po jednej, pričom sa používajú izolačné prepregové vrstvy a meďové povrchy. Každý cyklus laminovania pridáva ďalšie funkcie (napr. mikrovias, slepé/pohrebené vias).
• Laserové vŕtanie/mechanické frézovanie: Vývoj mikrovier alebo slepých/zakázaných viier na pripojenie zabudovaných prvkov k vonkajším vrstvám alebo susedným signálom.
• Plánovanie: Pre zabudovaný kryštálik sa vykonáva výplň produktu a plánovanie (napr. CMP – chemicko-mechanické leštenie), čím sa dosiahne rovný povrch.
• Nastavenie vonkajších vrstiev: Zahŕňa zachovanie obvodových vrstiev, pádikov SMD a potlačovanie textu (silkscreen).
• Kontrola: Používajú sa AOI, röntgenové snímanie a v mnohých prípadoch in-circuit testovanie (ICT), pretože vizuálny prístup k neočakávaným vlastnostiam je obmedzený.

Výrobný proces pre montážnú časť na DPS

Rozoberme si hlavný výrobný postup pre DPS so zabudovanými prvkami:

Vytvorenie vrstvenia: Určenie vrstiev pre zabudované aktívne/pasívne prvky, vrátane návrhu okien/dutín pre kryštálik.

Nanesenie odporových/dielektrických vrstiev: Použitie materiálov (napr. OhmegaPly, Ticer, FaradFlex) prostredníctvom laminácie alebo tlače cez sitovú formu.

Vytvarovanie vzoru a leptanie: Vytváranie pasívnych prvkov pomocou LDI, fotolitografie alebo laserového odstraňovania materiálu pre vysokú presnosť.

Frézovanie / sústruženie dutín: Pre vložené prechody alebo induktory sa CNC frézovanie alebo laserové smerovanie používa na vytvorenie špecifických dutín.

Jednoduché umiestnenie komponentov a príslušenstva: Umiestnite kryštál pomocou systému pick-and-place, pripevnite ho vodivou epoxidovou lepiacou hmotou alebo pájkou a pre integrované obvody poskytnite drôtové pripájanie (wirebonding) alebo pridané výstupky (bump add-on).

Postupné laminovanie: Úplne laminujte vrstvy, pričom zabezpečíte presné umiestnenie (registráciu). Každý cyklus môže obsahovať ďalšie funkcie, napríklad mikrovývody alebo skryté vývody pre HDI.

Plánovanie povrchu a príprava povrchu: Vyplňte dutiny živicou a vyrovnaním dosiahnite hladký povrch pre ďalšie laminovanie.

Výroba vývodov a vývodov: Mikrovývody a slepé / zabudované vývody sa vyrábajú vŕtaním alebo laserovým vŕtaním pre súčiastky s jemným rozostupom.

Spracovanie poslednej povrchovej vrstvy: Zahrňte obvody vrchnej vrstvy, pájkovú masku a popis.

Skúšanie a hodnotenie: Použite AOI, pohyblivé sondy, röntgenové snímanie a v mnohých prípadoch aj ICT, keďže priamo elektrický prístup a vizuálna kontrola sú pre vložené charakteristiky obmedzené. ‐ray, a v mnohých prípadoch aj ICT, keďže priamo elektrický prístup a vizuálna kontrola sú pre vložené charakteristiky obmedzené.

Dodržiavanie noriem UL/IPC: Certifikácia dosiek podľa noriem IPC-6012/IPC-7092 pre pasívne súčasti, úplné vykonanie všetkých kontrol DRC/DFM a poskytnutie dôkazov pre sledovateľnosť.

Porovnanie prístupov SMT a zabudovaných súčastí

Trvalý vývoj štýlu tlačených spojových dosiek núti návrhárov a výrobné tímy rozhodnúť sa medzi štandardnou technológiou SMT (montáž na povrch) a ďalšou generáciou zabudovaných súčastí na tlačených spojových doskách. Obidva prístupy majú svoje miesto, najmä keď sa zvyšuje hustota zariadení, avšak ich kompromisy z hľadiska návrhových detailov, nákladov, výrobnosti a elektrického výkonu je potrebné dôkladne posúdiť.

Súčasti SMT: výhody a nevýhody

Výhody SMT:

Jednoduchosť a univerzálnosť: Technológia SMT je globálne podporovaná výrobcami tlačených spojových dosiek a montážnymi linkami po celom svete.

Ľahká opraviteľnosť/rework: Spájkové spojenia a súčasti je možné jednoducho skontrolovať, vymeniť alebo znovu spájkovať.

Rýchle prototypovanie a nastavenie: Krátky čas do uvedenia na trh pre základné zoznamy materiálov (BOM) a vývojové dosky.

Široká ekosystémová podpora: Rozsiahla ponuka jedinečných pasívnych, aktívnych a zložitých súčastí.

Negatívne aspekty SMT:

Vstup do výroby dosiek: SMD odpory, kondenzátory a indukčnosti zaberajú užitočnú plochu, čím sa znížia možnosti návrhu PCB s vysokou hustotou spojov (HDI) a úsporou priestoru.

Obmedzená hrúbka pre smerovanie: Veľké SMD súčiastky obmedzujú smerovanie dráh a umiestnenie cez dosku.

Vyššie parazitné efekty: Dodatočná indukčnosť vývodov a kapacita pádikov môžu znížiť výkon pri vysokých rýchlostiach alebo v RF aplikáciách.

Hrozby spoľahlivosti: Spájkované spojenia sú náchylné na únavu materiálu, rezonanciu a nerovnosť v koeficiente teplotnej rozťažnosti (CTE).

Integrované komponenty: Výhody a nevýhody

Výhody integrovaných komponentov v návrhu PCB:

Maximálna úspora plochy: Integrácia pasívnych a aktívnych komponentov uvoľňuje povrchovú plochu pre ďalšie vrstvy, funkcie HDI alebo tepelné riešenia.

Vyššia spoľahlivosť: Odstránením SMD spojení sa odstraňuje významný zdroj porúch, čím sa zvyšuje trvanlivosť zariadenia a integrita kritických úloh.

Výborná kvalita signálu a upriamenosť: Kondenzátory poskytujú rozložené odpojenie s obmedzenou parazitnou indukčnosťou, čo je vhodné na zníženie šumu v napájacích sieťach (PDN).

Zlepšená účinnosť napájania: Rezistory a induktory maximalizujú technickú plochu a existujúce programy, čím sa znížia straty napätia a samozohrev.

Bezpečnosť a ochrana IP: Vnorené kryštály a pasívne súčiastky je ťažšie reverzným inžinierstvom analyzovať alebo manipulovať s nimi.

Nevýhody montovaných súčiastok:

Zvýšená zložitosť výroby: Postupné laminovanie, presná registrácia a procesy vytvárania otvorov predstavujú dodatočný čas a náklady pri výrobe dosiek.

Ťažká oprava alebo úprava: Po zabudovaní sú súčiastky nedostupné pre bežné opravy alebo lokálne opravné služby.

Problémy s návratom a kontrolou: Poruchy je často ťažšie zistiť a vyriešiť, čo zvyčajne vyžaduje automatickú optickú kontrolu (AOI), rentgenové snímanie alebo pokročilé elektrické testovacie metódy.

Kompatibilita produktov: Voľba vhodných laminátov (znížené Dk/Df, TCR atď.) je oveľa dôležitejšia, najmä pre RF alebo vysokorýchlostné jednoduché zabudované dosky plošných spojov.

Často kladené otázky

Užitočné často kladené otázky podporujú pochopenie zložitých zabudovaných súčiastok pri návrhu dosiek plošných spojov. Nižšie sú odpovede na niektoré z najčastejších problémov týkajúcich sa návrhu, technológií a výroby.

Q1: Čo sú zabudované súčiastky a pasívne prvky na doskách plošných spojov?

A: Zabudované súčiastky sú elektronické zariadenia (pasívne alebo aktívne), ktoré sú integrované do vnútorných vrstiev dosky plošných spojov namiesto ich montáže na povrch. Pasívne prvky zvyčajne zahŕňajú odpory, kondenzátory a často aj cievky, ktoré sa identifikujú prostredníctvom špecifického vzoru materiálov, ako sú napr. OhmegaPly, bariéry z Ticeru alebo tenké vrstvy rovinových kondenzátorov v rámci usporiadania laminátov.

Q2: Kedy by som mal vybrať hlboko zabudované súčiastky namiesto SMT?

A: Vyberte zabudované prvky, ak vaša konštrukcia vyžaduje vysokú hustotu smerovania, miniaturizáciu, zlepšené správanie v oblasti EMI/EMC, prísnejšie požiadavky na spoľahlivosť alebo výrazne lepšie oddeľovanie PDN. Sú obzvlášť užitočné v elektronických zariadeniach HDI, RF, výkonových, nositeľných, klinických a leteckých – kde každý štvorcový milimeter má význam.

Q3: Ako presne pasívne súčiastky minimalizujú parazitné efekty a zlepšujú integritu signálu?

A: Namontované odpory a kondenzátory sú v skutočnosti lepšie pre signálové a napájacie obvody, čím minimalizujú parazitnú indukčnosť/kapacitu (ESL, ESR) a efekty prenosových vedení. Napríklad zabudované plošné kondenzátory poskytujú plochu a ultra-nízkoimpedančné oddeľovanie, čo zaisťuje čisté napájacie vedenia a znížený premenlivý šum.

Q4: Ktoré lamináty (Dk/Df) sú najvhodnejšie pre zabudované súčiastky?

A: Najlepšie výrobky sú tie, ktoré majú pohodlné riadenie permitivity (Dk) a znížený faktor straty (Df), napríklad Panasonic Megtron, Isola I-Speed/FR408HR a substráty na báze PTFE pre RF. Zaručujú bezpečnú a spoľahlivú funkciu ako zabudovaných rezistorov, tak aj kondenzátorov v rámci celého výrobného procesu a pri rôznych teplotných rozdieloch.

Q5: Ako presne vypočítam veľkosť zabudovaného rezistora v mojej doske PCB?

A: Použite geometriu a povrchový odpor: [R = \ frac] Kde ρ je merný odpor ( ω · cm alebo ω / štvorcová jednotka), L je dĺžka, W je šírka a T je hrúbka. Upravte hodnoty a potom sa obráťte na svojho výrobcu PCB pre konečné technologicky realizovateľné rozmery a tolerancie.