在 PCB 中嵌入組件

2021-09-17

在 PCB 中嵌入組件

一方面是移動行業的興起，另一方面是對可穿戴設備的需求不斷增加，再加上該行業越來越多地使用物聯網，導致電子設計的復雜性和密度在過去二十年大幅增加。同時，這些需求也極大地增加了印刷電路板 (PCB) 設計人員的挑戰。PCB設計人員解決該問題的方法之一是在 PCB 基板內嵌入電子元件。對于韜放電子等知名電路板制造商而言，這正迅速成為可行的步驟。

嵌入的優勢

在開始設計之前，必須了解嵌入組件帶來的優勢，同時考慮添加導致嵌入的制造步驟的缺點。事實上，設計團隊在考慮在 PCB 中嵌入組件時必須考慮對成本和產量的潛在影響。其中一些優點是：

減小尺寸和成本

最小化電氣路徑長度

降低寄生電容和電感

減少 EMI 影響

改善熱管理

對于韜放電子來說，PCB技術的創新基本上來自于尺寸和成本的降低。在 PCB 基板內嵌入元件有助于減小電路板組件的尺寸。對于復雜的產品，嵌入元件的 PCB 可以潛在地降低制造成本。

在PCB設計過程中，高頻電路極易受到長電路徑長度的寄生效應的影響。在 PCB 中嵌入元件有助于最大限度地縮短電氣路徑長度，從而在很大程度上降低寄生效應。

將嵌入式無源元件連接到 IC 的引腳時，這種路徑長度的減少可以降低寄生電容和電感，從而降低系統內的負載波動和噪聲。例如，可以將嵌入式無源元件直接放置在 IC 的引腳下方。這不僅降低了過孔電感，而且最大限度地減少了潛在的負寄生效應，并提高了器件性能。事實上，在電路板的基板內嵌入元件可以減少表面安裝的路徑長度。

可以在嵌入式組件周圍集成電磁干擾屏蔽。例如，簡單地在組件周圍添加 PTH 可以減少來自外部的噪聲耦合。在某些應用中，這甚至可以消除對任何額外的表面安裝屏蔽的需要。

還可以向嵌入式組件添加導熱結構以改善熱管理。例如，嵌入熱微通孔以與嵌入組件直接接觸可以幫助其將熱量散發到外層的熱平面。添加熱微通孔還可以降低熱阻，因為通過 PCB 基板的熱量減少了。

在 PCB 中嵌入組件時的主要問題之一是設計的長期可靠性。當 PCB 在表面貼裝器件組裝過程中經歷回流等焊接工藝時，形成并放置在 PCB 層壓板內的嵌入式元件上的焊點可能會受到影響。嵌入式組件在制造后可能是一個額外的問題，因為它們一旦出現故障就無法輕松測試或更換。

可以嵌入哪些組件？

韜放電子考慮了適合嵌入 PCB 層壓板的兩大類組件 - 無源和有源。它們以不同的方式用于不同的應用。由于絕大多數嵌入式元件屬于無源類別，因此嵌入式電阻器和電容器是最受歡迎的。

然而，嵌入式無源元件并不意味著將分立電阻器或電容器放置在電路板基板內的空腔內。相反，它是選擇特定的層材料來形成嵌入式無源的電阻或電容結構。

上面列出的優點使嵌入式組件成為分立式表面貼裝無源組件的替代品。串聯端接電阻器等應用極大地受益于這項技術，大量傳輸線端接在密集存儲設備和球柵陣列 (BGA) IC 上。

嵌入芯片

韜放電子可以在 PCB 中嵌入芯片，但其他制造商的步驟可能會有所不同。通常，制造商必須為 IC 的主體創造空間，這采用空腔的形式。芯片嵌入技術的方法可以采取以下方法：

CIP 或聚合物中的芯片：這涉及在構建 PCB 的介電層時嵌入薄芯片，而不是將它們集成到核心層中。制造商可以使用標準的層壓基板材料。

ECBU 或嵌入式芯片構建：這涉及將芯片安裝在聚酰亞胺薄膜上并在其上構建互連結構。

EWLP 或嵌入式晶圓級封裝：這涉及在晶圓級執行所有技術步驟。可用的 IO 區域受限于芯片的封裝尺寸，因為這項技術本質上需要扇入。

IMB 或集成模塊板：這涉及對齊組件并將它們放置在空腔中，并使用受控深度布線將空腔放置在核心層壓板中。用模塑聚合物填充型腔可確保與基材的化學、電氣和機械兼容性。在聚合物中浸漬各向同性焊料有助于形成可靠的焊點，同時將嵌入部件層壓到堆疊中。

嵌入的組件設計注意事項

韜放電子將組件布局及其物理方向視為嵌入式設計時的重要因素。還必須選擇合適的基板材料和兼容的組件，因為這可以減少 PCB制造過程中出現故障的機會。

選擇具體的材料是決定嵌入式無源器件電氣性能的關鍵。例如，嵌入式電阻器只是一層電阻膜，其尺寸決定了電阻值。這種材料的電阻取決于材料的電阻率、長度和橫截面積。電阻膜材料的電阻率不同，這直接影響最終電阻值。因此，材料的選擇對設計和制造過程至關重要。

制造商通過布置適當尺寸的銅覆層作為板，并在其間放置合適的介電材料來制造嵌入式電容器。設計人員根據材料的介電常數、自由空間的介電常數、極板之間的距離和極板面積計算電容。最終電容值隨著所選材料的介電常數的增加、平面面積的增加而增加，并隨著板層中平面到平面距離的增加而減小。制造商使用特殊材料來保持介電強度，并使用薄但尺寸穩定的介電層來制造用于電源去耦的嵌入式電容器。

為了制造其他有源元件（例如 IC），制造商和設計人員選擇能夠為腔內元件提供基板耐用性和長期可靠性的材料。CTE 或熱膨脹系數定義了材料在高溫事件（例如表面貼裝元件的回流焊接）期間發生變化的方式。設計人員必須選擇具有匹配 CTE 的基板材料和聚合物來填充空腔，以保持電路板結構的完整性。

韜放電子有兩種在腔體中對齊和放置嵌入式元件的方法——面朝上和面朝下，面朝下是首選工藝。對于面朝下對齊，腔深需要與封裝高度匹配，因此制造商可以在同一層上嵌入不同厚度的芯片。這允許對介電材料進行良好的厚度控制，并在組裝過程中準確放置元件。

嵌入組件的制造過程

不同的制造商會根據 PCB 的類型和可用的設備來改變其嵌入的制造工藝。總的來說，韜放電子的嵌入組件的制造過程遵循兩種方法 - 一種，對齊組件并將它們放置在腔內，另一種是將組件模制到基板中，在其上構建額外的結構。

制造商使用不同的制造和配置技術在 PCB 中制造空腔。技術的進步帶來了更好、更有效的方法來開發用于嵌入有源元件的腔體。新方法提供了額外的好處，例如更高的產量和更高的可靠性。

使用激光鉆孔可提供所有方法中最高的定位精度和精度，因為在去除介電材料時可以精確控制激光束以實現均勻的深度和磨損。使用更長的波長可防止激光穿透銅層，從而形成明顯的停止層。在形成腔體之后，制造商在將元件放入腔體之前添加各向異性導電粘合劑。施加熱量和一定量的壓力有助于熔化粘合劑材料中的焊料顆粒，從而形成可靠的焊料結合。

更傳統的方法使用銑削來制造空腔，因為銑削比激光更具成本效益。盡管改進的技術允許制造微型銑削工具，但使用銑削和布線來創建型腔存在實際限制。即便如此，與激光相比，銑削更受歡迎。

一些制造商更喜歡使用薄晶圓封裝，在構建過程中將它們直接集成到介電層中，而不是在核心材料中鉆孔或布線空腔。制造商首先將薄芯片芯片鍵合到基板上，然后涂上一層液態環氧樹脂或應用層壓 RCC 或樹脂涂層銅膜作為電介質。然后他/她應用熱壓層壓工藝，優化它以嵌入芯片而不會形成空隙。

文件要求

任何帶有嵌入式組件的設計都需要適當的文檔以減少制造時間和成本。由于嵌入元件的過程將元件組裝、封裝和 PCB制造結合到一個單一的制造過程中，因此必要的文檔需要層堆疊圖、NC 鉆孔文件、制造說明、pick-n-place 文件和組裝說明，以實現有效的 PCB制造。

結論

市場需求正在推動高密度、薄型電子設備。制造商通過在電路板基板內嵌入無源和有源元件的技術來滿足這一需求。韜放電子已成功突破可靠性問題以及產量和成本風險的潛在障礙。