将组件嵌入PCB

2021-04-22

将组件嵌入PCB

一方面，移动行业的兴起，另一方面，对可穿戴设备的需求不断增长，再加上该行业对物联网的越来越多的使用，导致电子设计的复杂性和密度在过去的二十年中大幅增加。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设计人员解决此问题的方法之一是将电子组件嵌入PCB基板中。对于著名的电路板制造商而言，这正迅速成为可行的步骤。

嵌入的优点

在开始设计之前，必须先了解嵌入组件所带来的优势，同时还要考虑增加导致嵌入的制造步骤的弊端。实际上，在考虑将元件嵌入PCB内时，设计团队必须考虑对成本和生产良率的潜在影响。其中一些优点是：

减少尺寸和成本

最小化电气路径长度

减少寄生电容和电感

减少EMI的影响

改善热管理

PCB技术的创新主要来自尺寸和成本的减少。将组件嵌入PCB基板有助于减小电路板组件的尺寸。对于复杂产品，嵌入组件的PCB可以潜在地降低制造成本。

高频电路在PCB设计期间很容易受到长电气路径长度的寄生效应的影响。将组件嵌入PCB有助于最大程度地减少电气路径长度，从而在很大程度上减少寄生效应。

当将嵌入式无源元件连接到IC的引脚时，路径长度的这种减小可以减小寄生电容和电感，从而减少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引脚的下面。这不仅减少了过孔电感，而且使潜在的负面寄生效应最小化，并改善了器件性能。实际上，将组件嵌入电路板的基板中可以减少表面安装过程中的路径长度。

可以在嵌入式组件周围集成电磁干扰屏蔽。例如，简单地在整个组件周围添加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其他表面安装屏蔽的需求。

也可以将导热结构添加到嵌入式组件中以改善热管理。例如，将热微通孔嵌入使其直接与嵌入式组件接触可以帮助其将热量散发到外层的热平面上。随着通过PCB基板传播的热量减少，添加热微通孔还会降低热阻。

将组件嵌入PCB时，主要关注的问题之一是设计的长期可靠性。当PCB进行焊接过程（例如在表面安装器件的组装过程中进行回流焊）时，会影响到形成并放置在PCB层压板中的嵌入式组件上的焊点。嵌入式组件在制造后可能会成为一个额外的问题，因为一旦出现故障就无法轻松测试或更换嵌入式组件。

可以嵌入哪些组件？

认为适合嵌入PCB层压板的组件主要有两类：无源和有源。它们以不同的方式用于不同的应用程序。由于绝大多数嵌入式组件属于无源类别，因此嵌入式电阻器和电容器是最流行的。

但是，嵌入式无源组件并不意味着将分立的电阻器或电容器放置在板基板内的空腔内。而是，选择特定的层材料以形成嵌入式无源的电阻或电容结构。

如上所列的好处使嵌入式组件成为分立的表面安装无源组件的替代方案。串联终端电阻器等应用程序从该技术中受益匪浅，大量传输线在密集存储设备和球栅阵列（BGA）IC处终止。

嵌入芯片

可以在PCB内嵌入芯片，但是其他制造商的步骤可能有所不同。通常，制造商必须为IC的主体创造空间，并且采取空腔的形式。芯片嵌入技术的方法可以采用以下方法：

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，而不是将它们集成在芯层中。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：这涉及在聚酰亚胺膜上安装芯片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面积受限于芯片的占板面积，因为该技术本质上需要扇入。

IMB或集成模块板：这涉及到对齐组件并将它们放置在空腔中，并使用深度控制的路线将空腔放置在核心层压板中。用模制聚合物填充空腔可确保与基板的化学，电气和机械兼容性。聚合物中各向同性焊料的浸渍有助于形成可靠的焊点，同时将嵌入的零件层压到堆栈中。

嵌入的组件设计注意事项

在为嵌入式目的进行设计时，将组件的布局及其物理方向视为重要因素。还必须选择合适的基板材料和兼容的组件，因为这样可以减少PCB制造过程中发生故障的机会。

选择特定材料是确定嵌入式无源器件电性能的关键。例如，嵌入式电阻器只是一块电阻膜，其尺寸定义了电阻值。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，材料的选择对于设计和制造过程至关重要。

制造商通过安排适当尺寸的铜包层以充当极板，并在两者之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，极板之间的距离以及极板的面积来计算电容。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，并且随着板层中平面间距离的增加而减小。制造商使用特殊的材料来保持介电强度，并使用薄而尺寸稳定的介电层来制造用于电源去耦的嵌入式电容器。

为了制造诸如IC之类的其他有源元件，制造商和设计人员选择的材料应能提供基材耐用性以及腔体内组件的长期可靠性。CTE或热膨胀系数定义了材料在高温事件（例如表面贴装组件的回流焊接）过程中发生变化的方式。对于设计师来说，当务之急是选择具有匹配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。

有两种将嵌入式组件对准并放置在型腔中的方法-正面朝上和朝下，其中朝下是首选工艺。为了面朝下对齐，型腔深度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，并在组装过程中进行准确的组件放置。

嵌入组件的制造过程

各个制造商将根据PCB的类型和可使用的可用设备来改变其嵌入工艺。大致上，嵌入组件的制造过程遵循两种方法：一种是将组件对齐并将其放置在腔体中，另一种是将组件模制到基板中，从而在其上建立其他结构。

制造商使用不同的制造和配置技术在PCB上制造空腔。技术的进步已导致更好和更有效的方法来开发用于嵌入有源组件的腔体。新方法还具有其他优点，例如更高的产量和更高的可靠性。

激光钻孔可提供所有方法中最高的位置精度和精度，因为可以精确地控制激光束，以去除绝缘材料而获得均匀的深度和磨损。使用更长的波长可防止激光穿透铜层，从而形成独特的光阑层。在形成空腔之后，制造者在将部件放置在空腔内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。

由于铣削比激光更具成本效益，因此更传统的方法是使用铣削来创建空腔。尽管改进的技术允许制造微型铣削刀具，但在使用铣削和铣削进行型腔创建方面存在实际限制。即便如此，铣削比激光更受欢迎。

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，而不是在芯材中钻孔或布线空腔。制造商首先将薄芯片芯片粘合到基板上，然后在其上涂一层液态环氧树脂，或者使用层压的RCC或树脂涂层的铜膜作为电介质。然后，他应用了热压层压工艺，对其进行了优化以嵌入芯片而不会形成空隙。