Технология встроенных компонентов печатной платы

Представление CAD встроенных компонентов печатной платы

Производство печатных плат начиналось как простая подложка с отверстиями для проводов, соединяющих компоненты. Затем к подложке были добавлены проводящие дорожки, чтобы исключить необходимость в пайке проводов, и вскоре компоненты были припаяны к обеим сторонам платы. Детали с выводами эволюционировали до деталей поверхностного монтажа, которые становились все меньше и меньше, а количество контактов и плотность размещения увеличивались. Это развитие естественным образом привело к вопросу: «Каким будет следующее достижение в технологии печатных плат?» Ответ: встроенные компоненты печатных плат.

Идея встраивания компонентов в подложку печатной платы существует уже давно. Что нового, так это технология массового производства печатных плат со встроенными компонентами и требования рынка, побуждающие разработчиков использовать эти компоненты. В этой статье будет рассмотрена технология встроенных компонентов печатных плат и то, как вы можете использовать ее в своих собственных проектах.

Каковы преимущества использования встроенных компонентов печатной платы?

Использование технологии встроенных компонентов печатных плат несет ряд преимуществ, вот некоторые из них:

Миниатюризация

Встроенные компоненты используются как в жестких, так и в гибких конструкциях. За счет уменьшения количества компонентов, которые должны быть установлены на поверхностных слоях, встроенные детали могут уменьшить общий размер печатной платы. Или, в зависимости от ваших потребностей, встроенные компоненты могут помочь вам разместить больше деталей на плате того же размера. Например, согласующие резисторы, которые обычно размещают рядом или на противоположной стороне BGA с большим числом выводов, можно встроить непосредственно под корпус микросхемы.

Электрические характеристики

Благодаря возможности размещать части на пути прохождения сигнала непосредственно под их контактными площадками, поэтому длина соединения между ними может быть уменьшена по длине, улучшая целостность сигнала. Меньшая длина соединения уменьшит паразитные эффекты в высокочастотных цепях и уменьшит емкость и индуктивность в цепях подачи питания, уменьшая паразитный шум. Кроме того, экранирование электромагнитных помех становится намного эффективнее, если просто окружить встроенный компонент сквозными заземляющими переходными отверстиями.

Механическая надежность

За счет встраивания компонентов, которые раньше припаивались к поверхностным слоям, уменьшается количество паяных соединений, которые могут выйти из строя, что повышает механическую надежность платы. Теплоотвод от закладных деталей, также, легче обеспечить благодаря возможности прямого контакта детали с переходными отверстиями для обеспечения теплообмена.

Расходы

Использование встроенных компонентов вместо деталей для поверхностного монтажа или выводных компонентов уменьшит объем работ по сборке платы. Это также может сэкономить средства, особенно для сложных плат высокой плотности, которые требуют сложной ручной сборки, которая необходима при окончательной сборке изделия.

Тем не менее, есть несколько негативных аспектов встроенных компонентов, о которых следует знать:

• На встроенные компоненты могут повлиять обычные процессы пайки, через которые проходит плата во время монтажа электронных компонентов;
• Встроенные компоненты не могут быть легко протестированы после изготовления;
• Встроенные компоненты не могут быть легко заменены в случае дооснащения платы или ее ремонта;

Размещение встроенного компонента в проекте с использованием параметра размещения на слое в системе САПР для печатных плат

Как компоненты встраиваются в печатную плату?

Как пассивные, так и активные компоненты могут быть встроены в печатную плату с использованием одного из двух методов:

• Размещение компонентов во внутренних полостях, созданных на печатной плате.
• Заливка компонентов в основу.

Полости, необходимые для размещения встроенных компонентов в структуре платы, могут быть сформированы с помощью различных производственных технологий. Одним из таких методов является освобождение полости лазером для удаления диэлектрического материала на заданную глубину. Компонент в полости фиксируется на проводящий клей. Токопроводящий клей оплавляется при нагревании и образует хорошее припойное соединение с деталью, подобно паяльной пасте. Полости также можно создавать с помощью фрезерования, но их размер ограничен из-за физического размера и формы используемых фрез. Некоторые тонкие компоненты могут быть изготовлены непосредственно в диэлектрических материалах платы, минуя необходимость сверления или фрезерования полости и встраиваются в плату в процессе ламинирования.

Таким образом, большинство пассивных компонентов формируются в виде печатной платы с использованием различных токопроводящих чернил, медной фольги и диэлектрических материалов. Компоненты встраиваются в плату во время трассировки, и проектировщик должен указать материалы, необходимые для каждого встроенного компонента. Резистивные материалы можно либо напечатать на шаблоне резистора на плате, либо создать из листов тонкопленочного резистивного материала. Конденсаторы создаются путем ламинирования диэлектрического материала между медными проводниками встроенного компонента. Спиральная или изогнутая форма индуктивных компонентов создается травлением меди или ее гальванопокрытием.

Полупроводники обычно встраиваются в полость. Конструкторы должны обеспечить выравнивание соединения кристаллов для наиболее прямого соединения между встроенной деталью и внешней частью схемы, к которой она подключается. Существуют различные методы изготовления встроенной интегральной схемы. В некоторых случаях полость заполняется полимерным материалом для прилегания чипа к подложке. В других случаях чип предварительно устанавливается на материалы для включения в печатную плату.

Как вы понимаете, работа со встроенными компонентами требует от инженера больших усилий. Необходимо соблюдать допуски на размещение, и об этом поговорим подробнее.

Редактор поперечных сечений предоставляет интуитивно понятные советы по настройке правил расчета полости

Рекомендации по проектированию при работе со встроенными компонентами

При работе со встроенными компонентами печатной платы дизайнеры должны помнить об обычных аспектах размещения и разводки компонента на печатной плате. Во-первых, необходимо учитывать расположение компонентов для кратчайших путей соединения и наиболее оптимальное позиционирование (поворот) детали при трассировке. Помимо расположения, есть еще две момента, требующие внимания инженеров: материалы и полости.

Материалы

Очень важно выбрать правильные материалы для встроенных компонентов. В случае пассивных компонентов, таких как резисторы, материалы в конечном итоге будут определять стоимость детали. Конденсаторы потребуют использования соответствующего диэлектрического материала между тщательно спроектированными медными пластинами. При встраивании активных компонентов выбор материалов для заполнения полостей имеет решающее значение для долгосрочной надежности используемых встроенных ИС. Чтобы избежать производственного брака печатных плат со встроенными деталями, конструкторы должны выбирать материалы компонентов и подложек, совместимые друг с другом.

Полости

Проектировщики должны учитывать размер компонентов, чтобы создать правильные полости, соответствующие правилам DFM платы. Обычно эти значения контролируются системами САПР для печатных плат, такими как Allegro PCB Editor от Cadence, в редакторе поперечных сечений, как показано на рисунке. Дизайнеры также должны выбирать между размещением компонентов внутри полостей к верхней или нижней поверхности платы. Направление их к нижней поверхности дает лучший контроль над толщиной диэлектрика и точностью размещения.

Constraint Manager Allegro позволит разработчику настраивать встроенные компоненты с помощью правил проектирования.

Настройка Allegro Cadence для встроенных компонентов печатных плат

В Allegro от Cadence есть два основных инструмента для настройки ограничений для работы со встроенными компонентами печатных плат. Редактор поперечных сечений дает разработчику контроль над тем, какие слои можно использовать для встроенных компонентов. Он также обеспечивает механизм для установки ограничений расстояния для размера полости и ее близости к другим полостям.

Вторая утилита, которую необходимо настроить дизайнеру, — Constraint Manager . Этот инструмент упрощает настройку каждого отдельного компонента или классов компонентов с их встроенными правилами и ограничениями. С помощью этого инструмента у вас есть возможность настроить компоненты для размещения на внешних или внутренних слоях. Независимо от того, какая конфигурация вам нужна для ваших встроенных компонентов, Allegro от Cadence может предоставить вам функции и функциональные возможности, необходимые для вашего проекта.

 

Источник: www.cadence.com