Painettujen piirilevyjen suunnittelu sulautettuine komponentteina on nopeasti kehittyvä menetelmä, jonka avulla insinöörit voivat työntää pienoistuotannon ja suorituskyvyn rajoja. Integroimalla passiiviset ja aktiiviset komponentit suoraan alustaan suunnittelijat voivat vähentää piirilevyn pinta-alaa, parantaa sähköominaisuuksia ja parantaa luotettavuutta. Tämä lähestymistapa on kriittinen esimerkiksi kulutettavissa olevien, lääketieteellisten implanttien, IoT-laitteiden ja ilmailu- ja avaruuselektroniikan sovelluksille, joissa tila on korkealla ja signaalin eheys on ensiarvoisen tärkeää. Tässä oppaassa tarkastelemme kattavia suunnitteluohjeita, materiaalien valintaa, lämmönhallintaa, valmistusnäkökohtia ja todentamisstrategioita, jotta sulautettua komponenttiteknologiaa voidaan onnistuneesti toteuttaa.

Upotetun komponenttiteknologian ymmärtäminen

Upotetut komponentit ovat vastuksia, kondensaattoreita, induktoreita tai jopa aktiivisia muotteja, jotka sijoitetaan PCB:n kerroksiin sen sijaan, että ne olisi asennettu pinnalle. Teknologia hyödyntää standardiPCB:n valmistusprosesseja lisäaskelilla ontelon muodostumiseen, osien sijoittamiseen ja laminointiin. Tämä johtaa ohuempaan, kevyempään kokoonpanoon, jossa on lyhyemmät yhteydet, vähentää loisvaikutuksia ja parantaa korkeataajuista suorituskykyä. IPC-valkoisen paperin mukaan upotettujen komponenttien mukaan tämä tekniikka voi pienentää levyjen kokoa jopa 40% ja parantaa signaalin eheyttä vähentämällä induktanssia ja kapasitanssia.

Sulatettujen komponenttien keskeiset edut

  • Kokouksen pienentäminen:[ Upotuskomponentit säästävät tilaa käyttämällä muuten käyttämättömän substraatin paksuutta, jolloin laitteen jalanjäljet ja ohuemmat tuotteet ovat pienempiä.
  • Parempi suorituskyky:[ Lyhyemmät yhteydet vähentävät loisinduktanssia ja kapasitanssia, parantavat signaalin eheyttä ja mahdollistavat suuremman toimintataajuuden, jossa on vähemmän melua.
  • Enhanced Reliability:[] Vähemmän juotosliitoksia ja ulkoisia liitoksia vähentää mahdollisia vikapisteitä, erityisesti mekaanisen rasituksen tai lämpökierron aikana.
  • Suunnittele joustavuus:[ Mahdollistaa innovatiivisen muodon tekijät, kuten kaareva tai joustava alustat, ja mahdollistaa monimutkaiset kolmiulotteiset rakenteet, kuten pinotut moduulit.
  • ]Termaaliset edut:[ Komponentit voidaan sijoittaa lähemmäs lämpöä kautta tai jäähdytyslevyjä, parantaa lämmön hävikkiä suurtehoratkaisuissa.

Suunnittelu Työnkulku ja simulointi

Varhaissuunnittelu ja vaatimusanalyysi

Ennen kuin aloitat upotetun komponentin suunnittelun, määrittele selkeästi sähkö- ja mekaaniset vaatimukset. Määrittele, mitkä komponentit hyötyvät eniten upotettujen liitosten asentamisesta.Tyypillisesti korkean taajuuden passiiviset, kytkevät kondensaattorit tai pienet aktiiviset kappaleet. Käytä simulaatiotyökaluja kuten CST Studio Suite tai Ansys HSSS -ohjelmistoa mallintamaan sulautettujen yhdysyhteyksien sähkömagneettista käyttäytymistä ja varmista, että loiset pysyvät hyväksyttävissä rajoissa. Tämä etusimulaatio vähentää kalliita uudelleensuunnitteluja myöhemmin.

Osan valinta upottamiseen

Valitse osat, jotka on luokiteltu upotusprosessien, joissa on korkea lämpötila (jopa 200 °C aikana laminointi) ja mekaaninen paine. Ensisijaisilla komponenteilla on matala profiili korkeus (tyypillisesti alle 0,5 mm), vankka kapselointi (muovattu tai keraaminen), ja ovat saatavilla pienissä pakkauksissa, kuten 0201 tai 0402 passiivisille. Aktiivisille kuolemille, paljaat die tai piikki-tason siru-mittapakkaukset (WLCSP) ovat yleisiä. Konsultoi komponenttien toimittajien kanssa upotus-hyväksytyt osanumerot.

Substrate material valinnat

PCB-substraatin on oltava sulautettuja komponentteja samalla kun se säilyttää rakenteellisen eheyden. Korkean tiheyden liitosmateriaalit (HDI) kuten FR-4, korkea Tg (lasin siirtymislämpötila), polyimidi tai LCP (nestekidepolymeeri) ovat tyypillisiä. Korkeataajuisten sovellusten osalta suositellaan matalan häviön materiaaleja, kuten Rogers RO4000-sarjaa tai PTFE-komposiitteja. Materiaalin ... lämpölaajenemiskertoimen (CTE) pitäisi vastata sulautettuja komponentteja vähentää stressiä lämpökierron aikana.

Valmistusohje (DFM)

Asettelu ja pinosuunnittelu

Suunniteltaessa kerrospino, jakaa erityisiä kerroksia komponentin upotus, yleensä sisäkerrokset, joissa ne ovat suojattu prepreg ja kuparifolio. Käytä symmetrisiä pinoups estää warpage. Suunnittele ontelon mitat tarkasti. Niiden on oltava hieman suurempi kuin osa, jotta rekisteröintitoleranssit. Sisällytä fiducials linjauksen aikana osan sijoitus.

Strategiat ja yhteenliittäminen

Upotetut komponentit vaativat vertikaalisia yhteyksiä päästäkseen muihin kerroksiin. Käytä mikroviaa (laserporattua), jonka halkaisija on pieni (75.100 μm), jotta sulautettu komponenttityynyistä voidaan liittää viereisiin kuparikerroksiin. Suurempien virtateiden osalta kannattaa harkita läpireikiä läpiviennin kautta, mutta huomaa, että ne kuluttavat tilaa. Häiriölliset tai pinotut mikroviivot voivat vähentää signaalin reitin pituutta. Varmista, että tallennustyynyjen avulla on suunniteltu asennettavaksi väärin rekisteröitymiseen, tyypillisesti 50 μm:n rengasta käyttäen.

Testaus ja tarkastus

Sisällytä testipisteitä esteettömille kerroksille, jotta voidaan suorittaa laminoinnin jälkeen kehätestaus (ICT) tai lentoanturitestaus. Upotus voi hämärtää komponentteja, mikä vaikeuttaa silmämääräistä tarkastusta. Käytä röntgentarkastusta linjauksen ja juottajan nivellaadun todentamiseen. Jotkut valmistajat tarjoavat sulautettujen kerrosten automatisoidun optisen tarkastuksen (AOI) ennen lopullista laminointia. Suunnittelu, jossa on sisäänrakennettu itsetestaus (BIST) ominaisuudet, mikäli mahdollista, yksinkertaistaa vianetsintää.

Lämpötilojen hallintastrategiat

Upotus komponentit voivat keskittää lämpöä substraatin, nostaa paikallisia lämpötiloja. Lieventää ylikuumenemista, toteuttaa seuraavat strategiat:

  • Lämpöä käytetään suoraan sulautettujen komponenttien alla tai vieressä lämmön johtamiseen uloimmille kerroksille tai jäähdytyslevyille.
  • Käytetään metalliydin- tai eristettyjä metallialusmateriaaleja suurtehosuunnitteluun.
  • Sisällytä lämpölevittimet, kuten upotetut kuparikolikot tai grafiittilevyt pinoup.
  • Simulaation aikana on tehtävä lämpöanalyysi käyttäen esimerkiksi Flotherm- tai Icepak-työkaluja, jotta liitoslämpötilat pysyvät alle osien arvon.

Esimerkiksi National Institute of Standards and Technology -laitoksen tekemä tutkimus osoitti, että sulautettu lämpö voi vähentää lämpövastusta jopa 30 prosenttia pinta-asennuksiin verrattuna.

Kustannusten huomioon ottaminen ja välitystoimet

Upotettu komponenttiteknologia yleensä lisää valmistuskustannuksia lisäprosessivaiheiden (kahvireititys, osien sijoittaminen, laminointi ja tarkastus) vuoksi. Kokonaiskustannukset voivat kuitenkin olla pienemmät, jos se pienentää lautakokoa, poistaa liittimet tai parantaa tuottoa. Suorita kokonaiskustannukset omistajuusanalyysistä, johon sisältyy kokoonpano, asuminen ja testaus. Suuren volyymin tuotannon yksikkökohtaiset kustannukset voivat tulla kilpailukykyisiksi perinteisen pinta-asennusteknologian kanssa, erityisesti käytettäessä paneelitason asennusprosesseja. Yksityiskohtaista kustannusmallinnusohjetta on saatavilla IPC[].

Testaus ja laadunvarmistus

Sähköinen testaus

Tehkää valmistustyön jälkeen jatkuvuus- ja eristystestejä automaattisilla laitteilla. Upotettujen yhteenliitäntöjen resistenssi saattaa olla suurempi mikroviivojen rajapintojen vuoksi; varmistakaa, että mitatut arvot vastaavat simulaatioita. Käyttäkää aika-alueen heijastusmittaa (TDR) impedanssin todentamiseen kriittisillä suurnopeusradoilla.

Luotettavuustestaus

Lämpökiertoon (esim. -40 °C - +125 °C), kosteuden altistukseen (85 °C - 85% RH) ja mekaaniseen tärinäyn, jolla varmistetaan sulautettujen osien säilyminen. Tarkista delaminointi, halkeaminen tai juotosliitoksen väsyminen. Esimerkki luotettavuustestistandardeista on JEDEC JESD22 - A104 lämpötilan syklissä.

Laatumetrics

Työskentele valmistajan kanssa määrittääksesi tärkeimmät laatumittarit: komponenttien sijaintitarkkuus (tyypillisesti ±50 μm), joka on pyyhkiytymässä liimakerroksissa (< 20% pinta-ala) ja laminointi tyhjiövapaa. Käytä tilastollista prosessinohjausta (SPC) tuotannon aikana tapahtuvien muutosten seuraamiseen.

Yhteistyö valmistajien kanssa

Sulautettujen komponenttien onnistunut toteuttaminen vaatii tiivistä yhteistyötä tähän teknologiaan perehtyneen PCB-sekoittajan kanssa. Jaa suunnittelutiedostosi varhaisessa vaiheessa ja pyydä DFM-tarkistusta. Keskustele prosessiominaisuuksista: vähimmäisontelosyvyys, komponenttien paksuuden poikkeamat ja laminointipainerajat. Monet valmistajat tarjoavat suunnittelulistat. Esimerkiksi [Würth Elektronik tarjoaa ohjeet ohuiden kalvovastustensa asentamiseen.

Sulatettujen PCB-yhdisteiden tulevat suuntaukset

Ala etenee nopeasti substraatteja 3D-tulostuksen, sulautettujen johtimien additiivisen valmistuksen ja järjestelmänsisäistä kokoonpanoa (SiP) koskevien lähestymistapojen integroinnin kanssa. Tutkimus [TutkimusGate-julkaisu[ viittaa upotettuihin sirpaleihin seuraavana askeleena kohti heterogeenistä integraatiota. Lisäksi kehittyneiden dielektristen materiaalien käyttö lämmönjohtavuutta parantaen mahdollistaa sähkökomponenttien upottamisen. Suunnittelijoiden tulisi pysyä ajan tasalla teollisuuden konferenssien (esim. IPC APEX Expo) ja standardien päivitysten kautta.

Päätelmät

Integroitujen komponenttien suunnittelu on merkittävä edistysaskel elektronisessa pienoistuotannossa ja suorituskykyyn. Noudattamalla tässä artikkelissa esitettyjä ohjeita, optimaalisia materiaalivalintoja, tiukkoja simulointimenetelmiä, DFM-paras käytänteitä ja perusteellisia testejä.Teknologian kokopotentiaalin hyödyntäminen vaatii alkuvaiheen investointeja ja tiivistä yhteistyötä valmistajien kanssa, koon pienentämisestä, signaalin eheydestä ja luotettavuudesta saatavat edut ovat merkittäviä. Valmistuksen edetessä kypsäksi ja kustannusten pieneneessä sulautettujen komponenttien suunnittelusta tulee valtavirtaa seuraavan sukupolven sähkötuotteille.