Esineiden internetin (IoT) nopeasti kehittyvässä toimintaympäristössä jatkuva pyrkimys miniatyrisointiin on muuttanut elektroniikan suunnittelua ja valmistusta perusteellisesti. Kun kuluttajien ja teollisuuden vaatimukset kohdistuvat yhä pienempiin, kevyempiin ja tehokkaampiin verkkoon kytkettyihin laitteisiin, perinteiset piirilevyjen (PCB) kokoonpanotekniikat ovat saavuttamassa fyysiset rajansa. Pintaliitostekniikka (SMT) ja läpivientiliitostekniikka (THT) vievät arvokasta tilaa piirilevyn ylä- ja alakerroksista. Näiden tilarajoitusten kiertämiseksi edistykselliset insinöörit turvautuvat yhä useammin mullistavaan ratkaisuun: upotettuihin piirilevykomponentteihin.
Upottamalla aktiiviset ja passiiviset komponentit suoraan monikerroksisen piirilevyn sisäkerroksiin suunnittelijat voivat vapauttaa arvokasta pinta-alaa, parantaa signaalin eheyttä ja saavuttaa ennennäkemättömän pienen koon. Tässä artikkelissa tarkastellaan upotettuihin komponentteihin liittyviä teknisiä periaatteita, valmistusprosesseja ja suunnittelumenetelmiä. Artikkeli tarjoaa kattavan oppaan B2B-suunnittelutiimeille, jotka pyrkivät laajentamaan IoT-laitteiden miniatyrisoinnin rajoja. Lisätietoja Via-in-Pad Plated Over (VIPPO): Suunnitteluohjeet tiheäpisteisille BGA-liitäntöille.
Sisällysluettelo
Sulautettujen piirilevykomponenttien ymmärtäminen
Sulautetulla komponenttitekniikalla tarkoitetaan elektronisten komponenttien – kuten vastusten, kondensaattoreiden, induktoreiden ja jopa monimutkaisten integroitujen piirien (IC) – integrointia suoraan piirilevyn sisäkerroksiin sen sijaan, että ne asennettaisiin levyn pinnalle. Tämä tekniikka hyödyntää piirilevyn Z-akselia ja muuttaa substraatin pelkästä liitosmekanismista erittäin toiminnalliseksi moduuliksi. Lisätietoja Kova kullatus: Reunaliittimien ja kytkinkoskettimien suunnittelu äärimmäistä kulutuskestävyyttä varten.
Sulautettujen komponenttien tyypit
-
Passiivikomponentit (vastukset, kondensaattorit, induktorit): Passiivisten komponenttien upottaminen on tämän tekniikan kehittynein ja laajimmin käytetty toteutustapa. Passiiviset komponentit muodostavat usein jopa 80% tyypillisen piirilevyn kokonaiskomponenttimäärästä. Siirtämällä ne sisäkerroksiin insinöörit voivat pienentää tarvittavaa piirilevyn kokoa huomattavasti.
- Muovatut komponentit: Nämä muodostetaan suoraan piirilevyn valmistusprosessin aikana käyttämällä erityisiä resistiivisiä tai kapasitiivisia materiaaleja, jotka kerrostetaan sisäkerroksiin.
- Asennetut komponentit: Nämä ovat erillisiä, erittäin ohuita passiivikomponentteja, jotka on valmistettu nimenomaan upotettaviksi ja jotka sijoitetaan valmiiksi porattuihin koloihin tai suoraan sisäkerroksiin ennen laminointia.
-
Aktiiviset komponentit (integroidut piirit, mikro-ohjaimet): Aktiivisten komponenttien, kuten paljaiden piirien tai erittäin ohuiden pakattujen integroitujen piirien, upottaminen edustaa monimutkaisempaa mutta erittäin palkitsevaa kehityssuuntausta. Aktiivisten komponenttien upottaminen on erityisen hyödyllistä IoT-reunasolmuissa, joissa tilantarpeen minimointi on ratkaisevan tärkeää ja korkeataajuisten signaalien eheys on ensiarvoisen tärkeää.
Tekniset edut IoT:n miniatyrisoinnissa
Siirtyminen pintakiinnitetyistä komponenteista upotettuihin komponentteihin tarjoaa IoT-laitteiden suunnittelulle merkittäviä etuja, jotka ulottuvat paljon pelkkää tilansäästöä pidemmälle.
Sulautettujen piirilevyjen valmistusprosessi
Piirilevyjen valmistus, joihin on upotettu komponentteja, vaatii edistyneitä valmistustekniikoita ja tiukkoja toleransseja. Näiden erikoistuneiden piirilevyjen B2B-toimitusketju edellyttää tiivistä yhteistyötä suunnitteluinsinöörien ja piirilevyvalmistajan välillä. Yleensä käytetään kahta pääasiallista menetelmää: ontelomenetelmää ja tasouppomenetelmää.
Ontelomenetelmä
Tässä menetelmässä piirilevyn ydinmateriaaliin jyrsitään tai laserilla poistetaan onteloita tai syvennyksiä. Erilliset komponentit (joko aktiiviset piirit tai ohutpassiivikomponentit) sijoitetaan näihin onteloihin. Komponentit kapseloidaan sitten erityisellä hartsilla tai prepreg-materiaalilla, ja seuraavat kerrokset laminoidaan päälle. Sen jälkeen porataan läpiviennit ja ne pinnoitetaan, jotta muodostuu sähköiset liitännät upotettujen komponenttien liittimiin.
Tasomainen upotusmenetelmä (laminointi)
Tätä menetelmää käytetään usein erittäin ohuiden komponenttien valmistuksessa. Komponentit asetetaan suoraan sisäisen kuparikerroksen päälle ja kiinnitetään väliaikaisesti liimalla. Niiden päälle asetetaan aukkoja sisältävä prepreg-kerros (hartsilla kyllästetty lasikuitu) tai erittäin juokseva hartsi. Laminointivaiheen aikana lämmön ja paineen vaikutuksesta hartsi virtaa komponenttien ympärille ja kapseloi ne saumattomasti. Tämän jälkeen komponenttien liitäntäpisteisiin porataan laserilla mikroviat, jotka kuparoidaan liitäntöjen muodostamiseksi. Lisätietoja Ylikuulumisen vaimennus: Edistykselliset reititystekniikat NEXT- ja FEXT-häiriöiden minimoimiseksi suurinopeuksisissa piirilevyissä.
Teknisten haasteiden voittaminen
Vaikka edut ovat huomattavat, komponenttien integrointi tuo mukanaan tiettyjä suunnittelu- ja valmistushaasteita, jotka on ratkaistava.
- Suunnittelun monimutkaisuus: Sulautettujen piirilevyjen suunnittelu edellyttää kehittyneitä EDA-työkaluja (Electronic Design Automation), jotka tukevat 3D-suunnittelua ja komponenttien sijoittelua Z-akselilla. Reitityksen monimutkaisuus kasvaa eksponentiaalisesti, mikä vaatii kerrosten pinoamisen ja mikrovia-rakenteiden huolellista suunnittelua.
- Tuotannon saanto ja kustannukset: Valmistusprosessiin liittyy enemmän vaiheita, tiukempia toleransseja ja erikoismateriaaleja, mikä luonnostaan nostaa alkuperäisiä valmistuskustannuksia ja voi vaikuttaa tuotantoasteeseen. Upotetun komponentin vika tekee koko piirilevystä käyttökelvottoman, sillä sen korjaaminen on käytännössä mahdotonta.
- Testaus ja tarkastus: Sulautettujen komponenttien tarkastaminen on poikkeuksellisen vaikeaa. Perinteisellä automaattisella optisella tarkastuksella (AOI) ei voida nähdä piirilevyn sisälle. Insinöörien on turvauduttava edistyneisiin tekniikoihin, kuten röntgentarkastukseen ja luotettaviin toiminnallisiin testausmenetelmiin, laadun varmistamiseksi.
Kuinka suunnitella piirilevyjä, joissa on upotettuja komponentteja (vaiheittainen opas)
Noudata näitä suunnittelusääntöjä.
- Ennennäkemätön tilan säästö
Välittömin ja ilmeisin etu on piirilevyn pinta-alan dramaattinen pienentyminen. Siirtämällä suurin osa passiivisista komponenteista ja kriittisistä aktiivisista integroiduista piireistä sisäkerroksiin vapautuu ulkoista pinta-alaa. Tämä mahdollistaa pienemmät kokomuodot, jotka ovat välttämättömiä puettaville laitteille, lääketieteellisille implantteille ja kompakteille teollisuusantureille. Monissa tapauksissa piirilevyn kokoa voidaan pienentää 30%–50%.
- Parannettu signaalin eheys ja häiriösignaalien vähentäminen
RF-viestintään (kuten BLE, Wi-Fi tai 5G) perustuvissa nopeissa IoT-laitteissa pintapiirien ja läpivientien aiheuttama loinen induktanssi ja kapasitanssi voivat heikentää signaalin eheyttä. Sulautetut komponentit lyhentävät merkittävästi komponenttien välistä kytkentäetäisyyttä. Esimerkiksi eristyskondensaattorien sijoittaminen suoraan IC-sirun alle minimoi johtojen pituuden, pienentää loistinduktanssia ja takaa puhtaamman virransyötön, mikä on kriittistä korkeataajuisessa kytkennässä.
- Parannettu lämmönhallinta
Lämmön haihduttaminen pienikokoisissa IoT-laitteissa on jatkuva tekninen haaste. Perinteiset SMT-komponentit hyödyntävät lämmön siirtämisessä pinta-alaa ja lämpöliitäntöjä. Kun komponentit on upotettu alustaansa, erityisesti erittäin johtavien kuparitasojen läheisyyteen, koko piirilevy toimii lämmönsiirtimena. Upotettuja komponentteja ympäröivät dielektriset materiaalit voivat helpottaa lämmön poistumista sekä sivusuunnassa että pystysuunnassa, mikä vähentää paikallisia kuumia pisteitä.
- Luotettavuuden parantaminen ja ympäristönsuojelu
Teollisuus- tai ulkoilmaolosuhteissa käytettävät IoT-laitteet joutuvat alttiiksi ankarille olosuhteille, kuten kosteudelle, pölylle ja mekaanisille tärinöille. FR-4-materiaaliin (tai muihin substraattimateriaaleihin) upotetut komponentit on suljettu hermeettisesti ja suojattu ulkoisilta ympäristötekijöiltä. Lisäksi upotetut komponentit ovat immuuneja lämpösyklien tai mekaanisten iskujen aiheuttamalle juotosliitosten väsymiselle, joka on yleinen vikatyyppi perinteisissä pintaliitoskokoonpanoissa.
- Arvioi hankkeen toteutettavuus ja kustannus-hyöty-suhde
Ennen kuin sitoudut sulautettuun teknologiaan, suorita perusteellinen analyysi. Selvitä, oikeuttavatko IoT-laitteesi tiukat miniatyrisoinnin, signaalin eheyden tai luotettavuuden vaatimukset valmistuskustannusten nousun ja suunnittelun monimutkaisuuden. Ota varhaisessa vaiheessa yhteyttä piirilevyvalmistajaasi, jotta saat selville sen tarkat valmiudet, kerrosten pinoamisrajoitukset sekä pienimmät komponenttikoot, jotka se pystyy luotettavasti upottamaan piirilevyyn.
- Valitse sopivat sulautetut komponentit
Kaikki komponentit eivät sovellu upotettaviksi. Tee tiivistä yhteistyötä komponenttivalmistajien kanssa hankkiaksesi erityisesti upotusta varten suunniteltuja erittäin ohuita profiileja. Passiivikomponenttien osalta punnitse muotoiltujen (painettujen) vastusten ja kondensaattoreiden sekä erillisten komponenttien välisiä etuja ja haittoja. Aktiivikomponenttien osalta varmista, että käytettävissäsi on paljaita piisiruja tai matalaprofiilisia WLCSP-pakkauksia (wafer-level chip scale packages), joissa on mikrovia-pinnoitukseen sopiva metallointi.
- Määritä kerrosten järjestys ja Z-akselin rakenne
Kerrosten rakenne on sulautetun suunnittelun perusta. Päätä, mihin sisäkerroksiin komponentit sijoitetaan. Tämä päätös vaikuttaa reititystiheyteen, lämmönhallintaan ja signaalin eheyteen. Määritä yhteistyössä valmistajan kanssa ytimen paksuudet, prepreg-tyypit ja tarvittavat ontelon syvyydet, jotta valittujen komponenttien Z-korkeus mahtuu ilman, että muodostuu pullistumia tai laminointiaukkoja.
- Määritä EDA-työkalut 3D-suunnittelua varten
Varmista, että piirilevyn suunnitteluohjelmistosi tukee upotettujen komponenttien suunnittelusääntöjä. Määritä komponenttikirjastot siten, että ne sisältävät tarkat 3D-mekaaniset mallit, ja määritä, millä kerroksilla komponentit saavat sijaita. Määritä upotetuille komponenteille erityiset suunnittelusääntöjen tarkistukset (DRC), mukaan lukien onteloiden ympärillä tarvittava vapaa tila, mikroviioiden kuvasuhteet sekä viereisillä kerroksilla sijaitsevat kiellettyjä alueet.
- Strategisen komponenttien sijoittelun toteuttaminen
Aloita komponenttien sijoittaminen sijoittamalla ensisijaiset upotetut komponentit. Nopeissa tai RF-IoT-sovelluksissa sijoita irrotuskondensaattorit suoraan niihin liittyvien aktiivisten integroitujen piirien alle, jotta loisen induktanssi voidaan minimoida. Varmista, että upotettujen komponenttien välissä on riittävästi tilaa, jotta hartsi pääsee virtaamaan laminoinnin aikana ja ydinmateriaalin rakenteellinen eheys säilyy.
- Mikroreikien ja liitäntöjen reititys
Upotettujen komponenttien reititys perustuu vahvasti mikrovia-tekniikkaan. Reititä laserporatut sokeat tai upotetut viat yhdistämään sisäkerrosten komponenttialustat tarvittaviin virta-, maadoitus- ja signaalikerroksiin. Kiinnitä erityistä huomiota via-alustojen kokoihin, laserporauksen kohdistustoleransseihin ja pinnoitusvaatimuksiin, jotta varmistat luotettavat sähköliitännät upotettuihin liittimiin.
- Lämpöhallintastrategioiden toteuttaminen
Koska upotetut komponentit on kapseloitu dielektrisiin materiaaleihin, lämmönpoistoa on hallittava huolellisesti. Käytä upotettujen kerrosten vieressä olevia kiinteitä kuparitasoja lämmönjakajina. Sijoita lämpöliitännät strategisesti niin, että ne johtavat lämmön pois upotetuista suuritehoisista aktiivisista komponenteista ulkokerroksiin, joissa voidaan käyttää jäähdytyselementtejä tai pakotettua ilmanjäähdytystä.
- Laaditaan kattava testausstrategia
Koska upotettuja komponentteja ei voida mitata fyysisesti tai tarkastaa optisesti valmistuksen jälkeen, testaus on suunniteltava osaksi piirilevyä. Toteuta boundary scan (JTAG) -tekniikka digitaalisille integroiduille piireille. Suunnittele kattavat toiminnalliset testausmenettelyt, joiden avulla voidaan päätellä upotettujen passiivisten verkkojen ja aktiivisten piirien toimintatila ulkoisen I/O-käyttäytymisen perusteella.
Sulautettujen komponenttien sisältävän piirilevyn suunnittelu edellyttää ajattelutavan muutosta perinteisistä 2D-asettelustrategioista kohti kattavaa 3D-yhteissuunnittelumallia. Noudata näitä tärkeitä vaiheita varmistaaksesi onnistuneen toteutuksen. Lisätietoja IC-alustat: Piirilevyjen valmistuksen kehitys: Johdanto IC-alustoihin.
Päätelmä
Sulautetun piirilevykomponenttiteknologia edustaa merkittävää harppausta elektroniikkasuunnittelussa ja tarjoaa tarvittavat työkalut vastaamaan esineiden internetin (IoT) alalla vallitsevaan jatkuvaan miniatyrisoinnin kysyntään. Vaikka suunnittelu- ja valmistusprosessit ovat huomattavasti monimutkaisempia kuin perinteiset pintaliitosmenetelmät, niiden edut – pienempi tilantarve, erinomainen signaalin eheys, parannettu lämmönhallinta ja vankka luotettavuus – ovat välttämättömiä seuraavan sukupolven laitteille. Hallitsemalla suunnitteluperiaatteet ja ottamalla käyttöön edistyneitä suunnittelumenetelmiä B2B-suunnittelutiimit voivat hyödyntää upotettuja komponentteja luodakseen innovatiivisia, erittäin integroituja IoT-ratkaisuja, jotka määrittelevät yhteyksien tulevaisuuden.
Usein kysytyt kysymykset (FAQ)
Ei, kun komponentti on upotettu ja piirilevy laminoitu, se on pysyvästi suljettu substraatin sisään. Korjaus tai vaihto on mahdotonta. Tämän vuoksi tiukka laadunvalvonta valmistuksen aikana ja vankka suunnittelu jo alkuvaiheessa ovat ehdottoman tärkeitä, sillä yhdenkin komponentin vikaantuminen tekee koko piirilevystä viallisen.
Kustannusten nousu vaihtelee huomattavasti riippuen piirilevyn monimutkaisuudesta, kerrosten lukumäärästä sekä siitä, upotetaanko siihen aktiivisia vai passiivisia komponentteja. Yleensä kustannukset ovat 20%–50% korkeammat kuin tavallisessa monikerroksisessa SMT-piirilevyssä. Tätä piirilevyn kustannusten nousua voidaan kuitenkin joskus kompensoida alhaisemmilla kokoonpanokustannuksilla, pienemmillä koteloilla ja paremmalla järjestelmätason suorituskyvyllä.
Yleensä ei. Tavalliset SMT-komponentit ovat usein liian paksuja sisäkerroksiin, ja niiden liitännät on suunniteltu juotospastalle, ei mikrovi-pinnoitukselle. Upotetut rakenteet vaativat erityisiä matalaprofiilisia komponentteja tai paljaita siruja. Passiivikomponenttien osalta valmistajat tarjoavat erittäin ohuita osia, jotka on suunniteltu nimenomaan upotuksessa käytettäviä laminointi- ja via-in-pad-pinnoitusprosesseja varten.
Lämmönhallinta on integroitava piirilevyn suunnitteluun. Tämä saavutetaan käyttämällä paksuja kuparisia sisäkerroksia lämmönjakajina suoraan upotetun komponentin vieressä sekä hyödyntämällä lämpöviareiden ryhmiä, jotka johtavat lämmön upotetusta integroidusta piiristä piirilevyn ulkopinnalle, josta se voidaan johtaa ympäristöön tai jäähdytyselementtiin.