В условиях стремительно развивающейся сферы Интернета вещей (IoT) неуклонное стремление к миниатюризации коренным образом изменило подход к проектированию и производству электроники. По мере того как потребительский и промышленный спрос сходятся в стремлении к более компактным, легким и мощным подключенным устройствам, традиционные методы сборки печатных плат (PCB) достигают своих физических пределов. Технология поверхностного монтажа (SMT) и технология монтажа через отверстия (THT) занимают ценное пространство на верхнем и нижнем слоях платы. Чтобы обойти эти пространственные ограничения, дальновидные инженеры всё чаще прибегают к революционному подходу: встраиваемым компонентам печатных плат.
Благодаря встраиванию активных и пассивных компонентов непосредственно во внутренние слои многослойной печатной платы разработчики могут освободить ценную площадь поверхности, повысить целостность сигнала и достичь беспрецедентного уровня миниатюризации. В данной статье рассматриваются инженерные принципы, производственные процессы и методологии проектирования, связанные со встроенными компонентами, и предлагается всеобъемлющее руководство для инженерных команд в сфере B2B, стремящихся раздвинуть границы миниатюризации устройств Интернета вещей (IoT). Узнайте больше о Via-in-Pad Plated Over (VIPPO): Рекомендации по проектированию разводки BGA с мелким шагом.
Ii. Содержание
Понимание встроенных компонентов печатных плат
Технология встраиваемых компонентов подразумевает интеграцию электронных компонентов — таких как резисторы, конденсаторы, индукторы и даже сложные интегральные схемы (ИС) — непосредственно во внутренние слои печатной платы, а не их монтаж на поверхности. Эта технология использует ось Z печатной платы, превращая подложку из простого механизма соединения в высокофункциональный модуль. Узнайте больше о Твердое золотое покрытие: конструкция краевых разъемов и контактов переключателей, обеспечивающая исключительную износостойкость.
Типы встроенных компонентов
-
Пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы, индукторы): Встраивание пассивных компонентов является наиболее отработанным и широко применяемым способом реализации данной технологии. На долю пассивных компонентов часто приходится до 80% от общего количества деталей на типичной печатной плате. Перемещая их во внутренние слои, инженеры могут значительно уменьшить необходимые размеры платы.
- Формованные детали: Они создаются непосредственно в процессе изготовления печатной платы с использованием специальных резистивных или емкостных материалов, наносимых на внутренние слои.
- Установленные компоненты: Это дискретные ультратонкие пассивные компоненты, изготовленные специально для встраивания и устанавливаемые в заранее прорезанные углубления или непосредственно на внутренние слои перед ламинированием.
-
Активные компоненты (интегральные схемы, микроконтроллеры): Встраивание активных компонентов, таких как «голые» кристаллы или ультратонкие интегральные схемы в корпусе, представляет собой более сложную, но чрезвычайно перспективную область. Встраивание активных компонентов особенно выгодно для пограничных узлов Интернета вещей (IoT), где критически важно свести к минимуму занимаемую площадь, а целостность высокочастотных сигналов имеет первостепенное значение.
Технические преимущества миниатюризации устройств Интернета вещей
Переход от поверхностного монтажа к встраиванию компонентов дает значительные преимущества при разработке устройств Интернета вещей (IoT), выходящие далеко за рамки простой экономии места.
Процесс изготовления встраиваемых печатных плат
Производство печатных плат со встроенными компонентами требует применения передовых технологий изготовления и соблюдения жестких допусков. Цепочка поставок B2B для этих специализированных плат предполагает тесное сотрудничество между инженерами-проектировщиками и производителем печатных плат. Как правило, существует две основные методики: метод встраивания в углубления и метод плоского встраивания.
Метод полости
При этом методе в материале сердечника печатной платы фрезерованием или лазерной абляцией создаются полости или углубления. В эти полости устанавливаются дискретные компоненты (активные микросхемы или тонкие пассивные элементы). Затем компоненты герметизируются с помощью специальной смолы или препрега, а поверх них ламинируются последующие слои. Затем просверливаются и покрываются гальваническим слоем сквозные отверстия для установления электрических соединений с выводами встроенных компонентов.
Метод плоского вложения (ламинирование)
Этот процесс часто используется для изготовления ультратонких компонентов. Компоненты размещаются непосредственно на внутреннем медном слое и временно фиксируются с помощью клея. Сверху на них наносится слой препрега (стекловолокна, пропитанного смолой) с вырезами или высокотекучая смола. Под воздействием тепла и давления во время цикла ламинирования смола обтекает компоненты, бесшовно герметизируя их. Затем с помощью лазерного сверления проделываются микросквозные отверстия до контактных площадок компонентов, которые затем покрываются медью для создания межсоединений. Узнайте больше о Снижение перекрестных помех: передовые методы трассировки для минимизации NEXT и FEXT в высокоскоростных печатных платах.
Решение инженерных задач
Несмотря на значительные преимущества, встраивание компонентов сопряжено с определенными техническими и производственными сложностями, которые необходимо преодолеть.
- Сложность проектирования: Проектирование встраиваемых печатных плат требует использования сложных инструментов EDA (автоматизации электронного проектирования), поддерживающих 3D-проектирование и размещение компонентов по оси Z. Сложность трассировки растёт экспоненциально, что требует тщательного планирования слоевой структуры и конструкции микропереходных отверстий.
- Выход продукции и себестоимость: Процесс изготовления включает в себя больше этапов, более жесткие допуски и использование специальных материалов, что по своей сути повышает первоначальную себестоимость производства и может повлиять на коэффициент выхода готовой продукции. Дефект встроенного компонента делает всю плату непригодной для использования, поскольку ее доработка практически невозможна.
- Испытания и контроль: Проверка встроенных компонентов представляет собой чрезвычайно сложную задачу. Традиционные системы автоматического оптического контроля (AOI) не позволяют заглянуть внутрь печатной платы. Для обеспечения качества инженерам приходится полагаться на передовые методы, такие как рентгеновский контроль и надежные стратегии функционального тестирования.
Как проектировать печатные платы со встроенными компонентами (пошаговое руководство)
Соблюдайте следующие технические правила.
- Беспрецедентное сокращение занимаемой площади
Самым непосредственным и очевидным преимуществом является значительное уменьшение занимаемой печатной платой площади. Благодаря перемещению большей части пассивных компонентов и важнейших активных интегральных схем на внутренние слои освобождается площадь внешней поверхности. Это позволяет создавать устройства меньших размеров, что крайне важно для носимых устройств, медицинских имплантатов и компактных промышленных датчиков. Во многих случаях размер печатной платы можно уменьшить на 30%–50%.
- Повышение целостности сигнала и снижение паразитных помех
В высокоскоростных устройствах Интернета вещей (IoT), использующих радиочастотную связь (такую как BLE, Wi-Fi или 5G), паразитная индуктивность и ёмкость поверхностных дорожек и переходных отверстий могут ухудшать целостность сигнала. Встроенные компоненты значительно сокращают расстояние между компонентами. Например, размещение развязывающих конденсаторов непосредственно под микросхемой позволяет минимизировать длину трасс, снизить паразитную индуктивность и обеспечить более чистую подачу питания, что имеет решающее значение для высокочастотного переключения.
- Улучшенная система теплоотвода
Отвод тепла в миниатюрных устройствах Интернета вещей (IoT) представляет собой постоянную инженерную задачу. Традиционные компоненты SMT используют площадь поверхности и тепловые переходные отверстия для отвода тепла. Когда компоненты встраиваются в подложку, особенно вблизи высокопроводящих медных плоскостей, вся печатная плата действует как радиатор. Диэлектрические материалы, окружающие встроенные компоненты, могут способствовать более эффективному поперечному и вертикальному отводу тепла, уменьшая локальные зоны перегрева.
- Повышение надежности и защита окружающей среды
Устройства Интернета вещей (IoT), развернутые в промышленных условиях или на открытом воздухе, подвергаются воздействию суровых условий, включая влагу, пыль и механические вибрации. Компоненты, встроенные в FR-4 (или другие материалы подложки), герметично закрыты и защищены от внешних факторов окружающей среды. Кроме того, встроенные компоненты устойчивы к усталостному износу паяных соединений, вызванному термоциклированием или механическими ударами, что является распространённой причиной отказов в традиционных сборках с поверхностным монтажом.
- Оценка осуществимости проекта и соотношения затрат и выгод
Прежде чем принять решение о применении встраиваемых технологий, проведите тщательный анализ. Определите, оправдывают ли строгие требования к миниатюризации, целостности сигнала или надежности вашего устройства IoT увеличение производственных затрат и сложность проектирования. Заблаговременно проконсультируйтесь с производителем печатных плат, чтобы понять его конкретные возможности, ограничения по слоевой структуре и минимальные размеры компонентов, которые он может надежно встроить.
- Выберите подходящие встроенные компоненты
Не все компоненты подходят для встраивания. Тесно сотрудничайте с производителями компонентов, чтобы найти ультратонкие модели, специально разработанные для встраивания. В случае пассивных компонентов следует учитывать компромиссы между формованными (печатными) резисторами/конденсаторами и установленными дискретными компонентами. В случае активных компонентов убедитесь, что у вас есть доступ к голым кристаллам или низкопрофильным корпусам типа WLCSP (wafer-level chip scale packages) с соответствующей металлизацией контактных площадок для гальванического покрытия микроотверстий.
- Определить порядок расположения слоев и архитектуру по оси Z
Структура слоев является основой проектирования встраиваемых систем. Определите, на каких внутренних слоях будут размещены компоненты. Это решение влияет на плотность трассировки, теплоотвод и целостность сигнала. Совместно с производителем определите толщину сердечника, типы препрегов и необходимую глубину полостей, чтобы обеспечить размещение выбранных вами компонентов по оси Z без образования выпуклостей или пустот в ламинате.
- Настройка инструментов EDA для 3D-проектирования
Убедитесь, что ваше программное обеспечение для компоновки печатных плат поддерживает правила проектирования встроенных компонентов. Настройте библиотеки компонентов так, чтобы они включали точные 3D-механические модели, и укажите, на каких слоях допускается размещение компонентов. Настройте специальные проверки правил проектирования (DRC) для встроенных компонентов, включая зазоры вокруг полостей, соотношение сторон микропереходов и запретные зоны на соседних слоях.
- Осуществить стратегическое размещение компонентов
Начните размещение с установки критически важных встроенных компонентов. В случае высокоскоростных или радиочастотных приложений IoT размещайте развязывающие конденсаторы непосредственно под соответствующими активными интегральными схемами, чтобы свести к минимуму паразитную индуктивность. Обеспечьте достаточное расстояние между встроенными компонентами, чтобы обеспечить свободное движение смолы во время ламинирования и сохранить структурную целостность материала сердечника.
- Размещение микропереходов и соединительных линий
Прокладка трасс для встроенных компонентов в значительной степени зависит от технологии микропереходных отверстий. Проложите трассы через слепые или погруженные переходные отверстия, просверленные лазером, для соединения контактных площадок компонентов на внутренних слоях с необходимыми слоями питания, заземления и сигнальными слоями. Уделяйте пристальное внимание размерам контактных площадок переходных отверстий, допускам по центрированию при лазерном сверлении и требованиям к гальваническому покрытию, чтобы обеспечить надежные электрические соединения со встроенными выводами.
- Реализация стратегий управления тепловым режимом
Поскольку встроенные компоненты заключены в диэлектрические материалы, необходимо тщательно регулировать отвод тепла. Используйте сплошные медные плоскости, прилегающие к встроенным слоям, в качестве теплораспределителей. Стратегически размещайте тепловые переходные отверстия, чтобы отводить тепло от встроенных активных компонентов высокой мощности к внешним слоям, где можно использовать радиаторы или принудительное воздушное охлаждение.
- Разработать комплексную стратегию тестирования
Поскольку встроенные компоненты после изготовления невозможно проверить с помощью физических измерительных приборов или оптического контроля, необходимо предусмотреть тестирование на этапе проектирования печатной платы. Реализуйте протокол граничного сканирования (JTAG) для цифровых интегральных схем. Разработайте комплексные процедуры функционального тестирования, позволяющие определять рабочее состояние встроенных пассивных цепей и активных микросхем на основе поведения внешних входов-выходов.
Проектирование печатной платы со встроенными компонентами требует смены парадигмы: перехода от традиционных стратегий 2D-размещения к комплексному подходу к совместному 3D-проектированию. Для успешной реализации проекта следуйте этим важным шагам. Узнайте больше о Подложки для интегральных схем: Эволюция производства печатных плат: Введение в подложки для интегральных схем.
Iii. Выводы и рекомендации
Технология встраиваемых компонентов на печатных платах представляет собой важнейший прорыв в области электронной инженерии, предоставляя необходимые инструменты для удовлетворения неуклонно растущего спроса на миниатюризацию в секторе Интернета вещей (IoT). Хотя процессы проектирования и производства значительно сложнее, чем при традиционных методах поверхностного монтажа, преимущества — уменьшенная занимаемая площадь, превосходная целостность сигнала, улучшенные тепловые характеристики и высокая надежность — незаменимы для устройств следующего поколения. Освоив инженерные принципы и внедрив передовые методологии проектирования, инженерные команды в сфере B2B могут использовать встроенные компоненты для создания инновационных, высокоинтегрированных решений IoT, которые определяют будущее связи.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Нет, после установки компонента и ламинирования печатной платы он навсегда оказывается герметично закреплённым внутри подложки. Переделка или замена невозможны. В связи с этим чрезвычайно важны строгий контроль качества на этапе производства и тщательная проработка проекта на начальном этапе, поскольку отказ даже одного компонента приводит к браку всей платы.
Рост стоимости значительно варьируется в зависимости от сложности, количества слоев, а также от того, используются ли в конструкции активные или пассивные компоненты. Как правило, следует ожидать надбавки в размере от 20% до 50% по сравнению со стандартной многослойной платой для поверхностного монтажа (SMT). Однако это увеличение стоимости печатной платы иногда может компенсироваться снижением затрат на сборку, уменьшением размеров корпусов и повышением производительности на системном уровне.
Как правило, нет. Стандартные компоненты для поверхностного монтажа (SMT) зачастую имеют слишком большую толщину для внутренних слоёв, а их выводы рассчитаны на паяльную пасту, а не на гальваническое покрытие микропереходных отверстий. Для встраиваемых конструкций требуются специальные низкопрофильные компоненты или голые кристаллы. В отношении пассивных компонентов производители предлагают ультратонкие детали, специально разработанные для процессов ламинирования и гальванизации «via-in-pad», используемых при встраивании.
Система теплоотвода должна быть интегрирована в конструкцию печатной платы. Это достигается за счет использования внутренних слоев из толстой меди в качестве теплораспределителей, непосредственно прилегающих к встроенному компоненту, а также за счет применения массивов тепловых переходных отверстий, которые отводят тепло от встроенной интегральной схемы к внешней поверхности платы, откуда оно может рассеиваться в окружающую среду или на радиатор.