將組件嵌入PCB

2021-04-22

將組件嵌入PCB

一方面，移動行業的興起，另一方面，對可穿戴設備的需求不斷增長，再加上該行業對物聯網的越來越多的使用，導致電子設計的復雜性和密度在過去的二十年中大幅增加。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設計人員解決此問題的方法之一是將電子組件嵌入PCB基板中。對于著名的電路板制造商而言，這正迅速成為可行的步驟。

嵌入的優點

在開始設計之前，必須先了解嵌入組件所帶來的優勢，同時還要考慮增加導致嵌入的制造步驟的弊端。實際上，在考慮將元件嵌入PCB內時，設計團隊必須考慮對成本和生產良率的潛在影響。其中一些優點是：

減少尺寸和成本

最小化電氣路徑長度

減少寄生電容和電感

減少EMI的影響

改善熱管理

PCB技術的創新主要來自尺寸和成本的減少。將組件嵌入PCB基板有助于減小電路板組件的尺寸。對于復雜產品，嵌入組件的PCB可以潛在地降低制造成本。

高頻電路在PCB設計期間很容易受到長電氣路徑長度的寄生效應的影響。將組件嵌入PCB有助于最大程度地減少電氣路徑長度，從而在很大程度上減少寄生效應。

當將嵌入式無源元件連接到IC的引腳時，路徑長度的這種減小可以減小寄生電容和電感，從而減少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引腳的下面。這不僅減少了過孔電感，而且使潛在的負面寄生效應最小化，并改善了器件性能。實際上，將組件嵌入電路板的基板中可以減少表面安裝過程中的路徑長度。

可以在嵌入式組件周圍集成電磁干擾屏蔽。例如，簡單地在整個組件周圍添加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其他表面安裝屏蔽的需求。

也可以將導熱結構添加到嵌入式組件中以改善熱管理。例如，將熱微通孔嵌入使其直接與嵌入式組件接觸可以幫助其將熱量散發到外層的熱平面上。隨著通過PCB基板傳播的熱量減少，添加熱微通孔還會降低熱阻。

將組件嵌入PCB時，主要關注的問題之一是設計的長期可靠性。當PCB進行焊接過程（例如在表面安裝器件的組裝過程中進行回流焊）時，會影響到形成并放置在PCB層壓板中的嵌入式組件上的焊點。嵌入式組件在制造后可能會成為一個額外的問題，因為一旦出現故障就無法輕松測試或更換嵌入式組件。

可以嵌入哪些組件？

認為適合嵌入PCB層壓板的組件主要有兩類：無源和有源。它們以不同的方式用于不同的應用程序。由于絕大多數嵌入式組件屬于無源類別，因此嵌入式電阻器和電容器是最流行的。

但是，嵌入式無源組件并不意味著將分立的電阻器或電容器放置在板基板內的空腔內。而是，選擇特定的層材料以形成嵌入式無源的電阻或電容結構。

如上所列的好處使嵌入式組件成為分立的表面安裝無源組件的替代方案。串聯終端電阻器等應用程序從該技術中受益匪淺，大量傳輸線在密集存儲設備和球柵陣列（BGA）IC處終止。

嵌入芯片

可以在PCB內嵌入芯片，但是其他制造商的步驟可能有所不同。通常，制造商必須為IC的主體創造空間，并且采取空腔的形式。芯片嵌入技術的方法可以采用以下方法：

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，而不是將它們集成在芯層中。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：這涉及在聚酰亞胺膜上安裝芯片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?？捎玫?span lang="EN-US">IO面積受限于芯片的占板面積，因為該技術本質上需要扇入。

IMB或集成模塊板：這涉及到對齊組件并將它們放置在空腔中，并使用深度控制的路線將空腔放置在核心層壓板中。用模制聚合物填充空腔可確保與基板的化學，電氣和機械兼容性。聚合物中各向同性焊料的浸漬有助于形成可靠的焊點，同時將嵌入的零件層壓到堆棧中。

嵌入的組件設計注意事項

在為嵌入式目的進行設計時，將組件的布局及其物理方向視為重要因素。還必須選擇合適的基板材料和兼容的組件，因為這樣可以減少PCB制造過程中發生故障的機會。

選擇特定材料是確定嵌入式無源器件電性能的關鍵。例如，嵌入式電阻器只是一塊電阻膜，其尺寸定義了電阻值。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，材料的選擇對于設計和制造過程至關重要。

制造商通過安排適當尺寸的銅包層以充當極板，并在兩者之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，極板之間的距離以及極板的面積來計算電容。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，并且隨著板層中平面間距離的增加而減小。制造商使用特殊的材料來保持介電強度，并使用薄而尺寸穩定的介電層來制造用于電源去耦的嵌入式電容器。

為了制造諸如IC之類的其他有源元件，制造商和設計人員選擇的材料應能提供基材耐用性以及腔體內組件的長期可靠性。CTE或熱膨脹系數定義了材料在高溫事件（例如表面貼裝組件的回流焊接）過程中發生變化的方式。對于設計師來說，當務之急是選擇具有匹配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。

有兩種將嵌入式組件對準并放置在型腔中的方法-正面朝上和朝下，其中朝下是首選工藝。為了面朝下對齊，型腔深度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，并在組裝過程中進行準確的組件放置。

嵌入組件的制造過程

各個制造商將根據PCB的類型和可使用的可用設備來改變其嵌入工藝。大致上，嵌入組件的制造過程遵循兩種方法：一種是將組件對齊并將其放置在腔體中，另一種是將組件模制到基板中，從而在其上建立其他結構。

制造商使用不同的制造和配置技術在PCB上制造空腔。技術的進步已導致更好和更有效的方法來開發用于嵌入有源組件的腔體。新方法還具有其他優點，例如更高的產量和更高的可靠性。

激光鉆孔可提供所有方法中最高的位置精度和精度，因為可以精確地控制激光束，以去除絕緣材料而獲得均勻的深度和磨損。使用更長的波長可防止激光穿透銅層，從而形成獨特的光闌層。在形成空腔之后，制造者在將部件放置在空腔內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。

由于銑削比激光更具成本效益，因此更傳統的方法是使用銑削來創建空腔。盡管改進的技術允許制造微型銑削刀具，但在使用銑削和銑削進行型腔創建方面存在實際限制。即便如此，銑削比激光更受歡迎。

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，而不是在芯材中鉆孔或布線空腔。制造商首先將薄芯片芯片粘合到基板上，然后在其上涂一層液態環氧樹脂，或者使用層壓的RCC或樹脂涂層的銅膜作為電介質。然后，他應用了熱壓層壓工藝，對其進行了優化以嵌入芯片而不會形成空隙。