设计带有嵌入式组件的印刷电路板(PCB)是一种快速演变的方法,使工程师能够推动微型化和性能的界限。 通过将被动和主动组件直接纳入底物,设计者可以减少板面积,改善电能特性,提高可靠性。 这种方法对于可穿戴性、医学植入性、IOT装置以及空间具有高度和信号完整性的航空航天电子等应用至关重要。 在本指南中,我们将探索全面设计指南、材料选择、热管理、制造考虑和验证战略,以成功实施嵌入式组件技术。

理解嵌入式组件技术

嵌入式组件是位于多氯联苯层内而非挂在表面的电阻器、电容器、导管甚至活性死亡。技术利用标准的多氯联苯制造工艺,增加了腔积、组件布置和叠加步骤。这导致一个更薄、更轻的组装,并缩短连接,减少寄生效应,提高高频性能。 根据嵌入式组件的IPC白纸,这一技术可以在降低导管和电容的同时,将板体积降低40%,同时提高信号完整性。

嵌入部分的关键惠益

  • 缩小:[] 嵌入组件通过利用原本未使用的底层厚度,使设备脚印更小,产品更薄,从而节省空间.
  • 改进性能:[] 缩短互联减少寄生导电和电容,增强信号完整性,使高运行频率的噪音更低.
  • 增强可靠性: 变压器关节和外部连接减少潜在故障点,特别是在机械应力或热循环下.
  • 设计灵活性:[允许曲线或弹性底板等创新形式因素,并允许堆叠模块等复杂的三维结构.
  • 热功率优势: 部件可以放在更靠近热力通过或热汇的地方,改善高功率设计中的热散热.

设计工作流程和模拟

早期规划和需求分析

在开始嵌入式组件设计之前, 明确定义电气和机械要求。 确定哪些组件将最能受益于嵌入式的高频被动、 脱钩电容器或小型主动死亡。 使用 CST Studio 套件或 Ansys HFSS 等模拟工具模拟嵌入式互联的电磁行为, 并核实寄生虫是否仍然在可接受的限度内。 这种前置模拟降低了以后的重新设计成本 。

嵌入组件选择

选择被评为嵌入过程的组件,这些组件涉及高温(在压载过程中最高200°C)和机械压力. 首选组件具有低可视度高度(通常在0.5毫米以下),坚固封装(嵌入或陶瓷),并且可以使用小型包件,如0201或0402等,供被动者使用. 对于主动死亡,赤死或华氏级芯片尺寸包件(WLCSP)是常见的. 与组件供应商协商嵌入合格部分号.

底物物质选择

PCB底物必须容纳嵌入式组件,同时保持结构完整性。 高密度的间接(HDI)材料,如具有高Tg(玻璃过渡温度)的FR-4、聚米德或液晶聚合物(液晶聚合物)是典型的。 对于高频应用,建议采用Rogers RO4000系列或PTFE复合材料等低损耗材料。 材料的热膨胀系数(CTE)应当与嵌入式组件相匹配,以减少热循环过程中的应力。

制造能力(DFM)准则的设计

版式和堆放规划

在设计层堆栈时, 分配特定层用于组件嵌入, 通常位于内层中, 由预置和铜制的铜制保护。 使用对称堆栈来防止页面。 精确规划腔积维度 — 它们必须略大于组件, 以便允许注册容限 。 在组件放置时包含对齐的精度 。

战略与互联

嵌入式组件需要垂直连接才能到达其他层。 使用小直径( 75–100 μm) 的微通道( 激光钻) 从嵌入式组件垫连接到相邻的铜层。 对于更高的流道, 请考虑通过孔径通道, 但注意它们消耗空间。 错开或堆积式的微通道可以缩短信号路径长度。 确保通过捕获垫的设计能够容纳错误的注册, 通常使用50 μm 的废环 。

测试和检查

在可访问层上加入测试点,以便在加压后允许进行电路内测试(ICT)或飞行探针测试. 嵌入可以遮蔽组件,使视觉检查变得困难. 使用X射线检查来验证校正和焊接机联合质量. 一些制造商在最终加压前对嵌入层提供自动光学检查(AOI). 设计时,在可能情况下,采用内置自测试(BIST)特性来简化调试.

热管理战略

嵌入组件可以在底物中集中热量,提高局部温度. 为缓解过热,实施以下策略: 1.

  • 使用直接在嵌入部件下或相邻的热路进行外层或热汇的热导.
  • 使用金属核或隔热金属底物材料进行大功率设计。
  • 将嵌入式铜币或石墨板等热散热器纳入堆积.
  • 在模拟期间,利用FloTHERM或Icepak等工具进行热分析,以确保交叉温度保持在组件评级以下.

例如,国家标准和技术研究所的一项研究证明,与表面装配的组件相比,嵌入式热电路可降低30%的热阻。

成本考虑和权衡

嵌入式组件技术一般会由于额外的工艺步骤(cavity routing, 组件布置, 叠加层, 和检查)而增加制造成本, 但是, 如果它能减少板块大小, 消除连接器, 或提高产量, 系统总成本可能会降低. 进行包括组装, 住房和测试在内的所有权分析的总成本. 对于高容量生产, 单位成本可以与传统的地表架技术竞争, 特别是在使用面板层嵌入工艺时. IPC[[FLT: 0]] 有关成本模型的详细指南 IPC[[[FLT: 1]].

测试和质量保证

电气测试

制造后,使用自动固定装置进行连续性和隔离测试. 嵌入式互联由于微通道接口,可能具有更高的阻力; 确保测量值与模拟匹配. 使用时间域反射(TDR)来阻碍在关键高速线上的校验.

可靠性测试

主体原型板可进行热循环(例如-40°C至+125°C)、湿度暴露(85°C/85 % RH)和机械振动,以验证嵌入式组件的生存。检查是否发生脱膜、裂缝或焊接器联合疲劳。JEDEC JESD22-A104是温度循环的可靠性测试标准。

质量计量

与您的制造商合作定义关键质量度量:组件位置精度(通常为±50μm),在粘附层中无效(<20%面积),以及无层叠加。使用统计过程控制(SPC)来监控生产过程中的变化。

与制造商的合作

成功实施嵌入式组件需要与这个技术中有经验的PCB 编织器密切合作。 尽早共享您的设计文件, 并要求进行 DFM 检查。 讨论过程能力: 最小腔深度、 组件厚度耐力和升降压限制。 许多制造商提供设计清单 — — 例如, [[FLT: 0]] Würth Elektronik [[FLT: 1] 提供了嵌入薄膜阻抗器的指南 。

嵌入式多氯联苯的未来趋势

随着底物3D打印、嵌入式导体的添加剂制造以及系统内集成方法的发展,该领域正在迅速发展。来自研究出版物[的研究指出嵌入式芯片是走向多样化集成的下一步。此外,使用高热导率的高级二电材料将使得能嵌入动力组件。设计者应通过工业会议(例如IPC APEX Expo)和标准更新不断了解情况。

结论

设计含有嵌入式组件的多氯联苯,是电子微型化和性能方面的一个重大进步。 遵循本条概述的准则——谨慎的组件选择、最佳材料选择、严格的模拟、DFM最佳做法和彻底测试——工程师可以充分利用这一技术的全部潜力。 实施需要先期投资并与制造商密切合作,但缩小体积、信号完整性和可靠性的回报是巨大的。 随着制造过程的成熟和成本的降低,嵌入式组件设计将成为下一代电子产品的主流方法。