在 PCB 中嵌入组件

2021-09-17

在 PCB 中嵌入组件

一方面是移动行业的兴起，另一方面是对可穿戴设备的需求不断增加，再加上该行业越来越多地使用物联网，导致电子设计的复杂性和密度在过去二十年大幅增加。同时，这些需求也极大地增加了印刷电路板 (PCB) 设计人员的挑战。PCB设计人员解决该问题的方法之一是在 PCB 基板内嵌入电子元件。对于韬放电子等知名电路板制造商而言，这正迅速成为可行的步骤。

嵌入的优势

在开始设计之前，必须了解嵌入组件带来的优势，同时考虑添加导致嵌入的制造步骤的缺点。事实上，设计团队在考虑在 PCB 中嵌入组件时必须考虑对成本和产量的潜在影响。其中一些优点是：

减小尺寸和成本

最小化电气路径长度

降低寄生电容和电感

减少 EMI 影响

改善热管理

对于韬放电子来说，PCB技术的创新基本上来自于尺寸和成本的降低。在 PCB 基板内嵌入元件有助于减小电路板组件的尺寸。对于复杂的产品，嵌入元件的 PCB 可以潜在地降低制造成本。

在PCB设计过程中，高频电路极易受到长电路径长度的寄生效应的影响。在 PCB 中嵌入元件有助于最大限度地缩短电气路径长度，从而在很大程度上降低寄生效应。

将嵌入式无源元件连接到 IC 的引脚时，这种路径长度的减少可以降低寄生电容和电感，从而降低系统内的负载波动和噪声。例如，可以将嵌入式无源元件直接放置在 IC 的引脚下方。这不仅降低了过孔电感，而且最大限度地减少了潜在的负寄生效应，并提高了器件性能。事实上，在电路板的基板内嵌入元件可以减少表面安装的路径长度。

可以在嵌入式组件周围集成电磁干扰屏蔽。例如，简单地在组件周围添加 PTH 可以减少来自外部的噪声耦合。在某些应用中，这甚至可以消除对任何额外的表面安装屏蔽的需要。

还可以向嵌入式组件添加导热结构以改善热管理。例如，嵌入热微通孔以与嵌入组件直接接触可以帮助其将热量散发到外层的热平面。添加热微通孔还可以降低热阻，因为通过 PCB 基板的热量减少了。

在 PCB 中嵌入组件时的主要问题之一是设计的长期可靠性。当 PCB 在表面贴装器件组装过程中经历回流等焊接工艺时，形成并放置在 PCB 层压板内的嵌入式元件上的焊点可能会受到影响。嵌入式组件在制造后可能是一个额外的问题，因为它们一旦出现故障就无法轻松测试或更换。

可以嵌入哪些组件？

韬放电子考虑了适合嵌入 PCB 层压板的两大类组件 - 无源和有源。它们以不同的方式用于不同的应用。由于绝大多数嵌入式元件属于无源类别，因此嵌入式电阻器和电容器是最受欢迎的。

然而，嵌入式无源元件并不意味着将分立电阻器或电容器放置在电路板基板内的空腔内。相反，它是选择特定的层材料来形成嵌入式无源的电阻或电容结构。

上面列出的优点使嵌入式组件成为分立式表面贴装无源组件的替代品。串联端接电阻器等应用极大地受益于这项技术，大量传输线端接在密集存储设备和球栅阵列 (BGA) IC 上。

嵌入芯片

韬放电子可以在 PCB 中嵌入芯片，但其他制造商的步骤可能会有所不同。通常，制造商必须为 IC 的主体创造空间，这采用空腔的形式。芯片嵌入技术的方法可以采取以下方法：

CIP 或聚合物中的芯片：这涉及在构建 PCB 的介电层时嵌入薄芯片，而不是将它们集成到核心层中。制造商可以使用标准的层压基板材料。

ECBU 或嵌入式芯片构建：这涉及将芯片安装在聚酰亚胺薄膜上并在其上构建互连结构。

EWLP 或嵌入式晶圆级封装：这涉及在晶圆级执行所有技术步骤。可用的 IO 区域受限于芯片的封装尺寸，因为这项技术本质上需要扇入。

IMB 或集成模块板：这涉及对齐组件并将它们放置在空腔中，并使用受控深度布线将空腔放置在核心层压板中。用模塑聚合物填充型腔可确保与基材的化学、电气和机械兼容性。在聚合物中浸渍各向同性焊料有助于形成可靠的焊点，同时将嵌入部件层压到堆叠中。

嵌入的组件设计注意事项

韬放电子将组件布局及其物理方向视为嵌入式设计时的重要因素。还必须选择合适的基板材料和兼容的组件，因为这可以减少 PCB制造过程中出现故障的机会。

选择具体的材料是决定嵌入式无源器件电气性能的关键。例如，嵌入式电阻器只是一层电阻膜，其尺寸决定了电阻值。这种材料的电阻取决于材料的电阻率、长度和横截面积。电阻膜材料的电阻率不同，这直接影响最终电阻值。因此，材料的选择对设计和制造过程至关重要。

制造商通过布置适当尺寸的铜覆层作为板，并在其间放置合适的介电材料来制造嵌入式电容器。设计人员根据材料的介电常数、自由空间的介电常数、极板之间的距离和极板面积计算电容。最终电容值随着所选材料的介电常数的增加、平面面积的增加而增加，并随着板层中平面到平面距离的增加而减小。制造商使用特殊材料来保持介电强度，并使用薄但尺寸稳定的介电层来制造用于电源去耦的嵌入式电容器。

为了制造其他有源元件（例如 IC），制造商和设计人员选择能够为腔内元件提供基板耐用性和长期可靠性的材料。CTE 或热膨胀系数定义了材料在高温事件（例如表面贴装元件的回流焊接）期间发生变化的方式。设计人员必须选择具有匹配 CTE 的基板材料和聚合物来填充空腔，以保持电路板结构的完整性。

韬放电子有两种在腔体中对齐和放置嵌入式元件的方法——面朝上和面朝下，面朝下是首选工艺。对于面朝下对齐，腔深需要与封装高度匹配，因此制造商可以在同一层上嵌入不同厚度的芯片。这允许对介电材料进行良好的厚度控制，并在组装过程中准确放置元件。

嵌入组件的制造过程

不同的制造商会根据 PCB 的类型和可用的设备来改变其嵌入的制造工艺。总的来说，韬放电子的嵌入组件的制造过程遵循两种方法 - 一种，对齐组件并将它们放置在腔内，另一种是将组件模制到基板中，在其上构建额外的结构。

制造商使用不同的制造和配置技术在 PCB 中制造空腔。技术的进步带来了更好、更有效的方法来开发用于嵌入有源元件的腔体。新方法提供了额外的好处，例如更高的产量和更高的可靠性。

使用激光钻孔可提供所有方法中最高的定位精度和精度，因为在去除介电材料时可以精确控制激光束以实现均匀的深度和磨损。使用更长的波长可防止激光穿透铜层，从而形成明显的停止层。在形成腔体之后，制造商在将元件放入腔体之前添加各向异性导电粘合剂。施加热量和一定量的压力有助于熔化粘合剂材料中的焊料颗粒，从而形成可靠的焊料结合。

更传统的方法使用铣削来制造空腔，因为铣削比激光更具成本效益。尽管改进的技术允许制造微型铣削工具，但使用铣削和布线来创建型腔存在实际限制。即便如此，与激光相比，铣削更受欢迎。

一些制造商更喜欢使用薄晶圆封装，在构建过程中将它们直接集成到介电层中，而不是在核心材料中钻孔或布线空腔。制造商首先将薄芯片芯片键合到基板上，然后涂上一层液态环氧树脂或应用层压 RCC 或树脂涂层铜膜作为电介质。然后他/她应用热压层压工艺，优化它以嵌入芯片而不会形成空隙。

文件要求

任何带有嵌入式组件的设计都需要适当的文档以减少制造时间和成本。由于嵌入元件的过程将元件组装、封装和 PCB制造结合到一个单一的制造过程中，因此必要的文档需要层堆叠图、NC 钻孔文件、制造说明、pick-n-place 文件和组装说明，以实现有效的 PCB制造。

结论

市场需求正在推动高密度、薄型电子设备。制造商通过在电路板基板内嵌入无源和有源元件的技术来满足这一需求。韬放电子已成功突破可靠性问题以及产量和成本风险的潜在障碍。