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小體積大功效,實現(xiàn)高端產(chǎn)品設(shè)計的嵌入式元件技術(shù)

發(fā)布時間:2016-01-08 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】由于電子產(chǎn)品面臨著如何在更小體積的設(shè)備上,產(chǎn)生最大功效這一嚴峻挑戰(zhàn),因此為發(fā)明表面貼裝元件或研究半導(dǎo)體幾何學(xué)提供了動力;同時,也推動了新趨勢的產(chǎn)生,即在PCB基板內(nèi)嵌入無源元件和有源元件。
 
這一趨勢確實對整個電子供應(yīng)鏈影響頗深,也是每個環(huán)節(jié)的供應(yīng)商所面臨的挑戰(zhàn)。工程設(shè)計團隊要想充分利用這一發(fā)展趨勢,需要一款在構(gòu)思和創(chuàng)新PCB時更具靈活性的設(shè)計自動化工具。新標準下的設(shè)計規(guī)則也具有一定挑戰(zhàn),因此EDA工具供應(yīng)商正集中精力努力應(yīng)對這些問題,使更多OEM廠商采用這種極具競爭性和革命性的技術(shù)。
 
元件
 
將元件與基板連接主要有兩種方式:成型連接和嵌入式連接。前者有效地利用了鍍銅和阻性薄膜,在嵌入層(或表面層)產(chǎn)生無源(阻性、容性、感性)元件;后者是一個漸進的過程,可以把不連續(xù)的元件、裸芯片甚至模塊安裝在基板材料表層下。
 
此方式的優(yōu)點很多,最為重要的一點就是它的元件密度。值得一提的是,人們對于無源元件(尤其是可以應(yīng)對更高運行頻率和信號頻率的電容器)的需求增加,這也產(chǎn)生了一個新趨勢,即垂直堆棧元件,以最大程度降低走線長度。
 
元件制造商在推出新產(chǎn)品時必須要不斷滿足人們對于封裝變化的需求,以及廣泛應(yīng)用的表面貼裝技術(shù),尤其是在無源元件中,該技術(shù)可以更好地將元件嵌入PCB基板中。隨著SMT剖面結(jié)構(gòu)越來越小,這些部件可以直接安裝或與芯片一起嵌入PCB基板中。比如01005(0402)系列,尺寸僅為0.4mm長、0.22mm寬、0.15mm高。
 
然而,這種連接方式有進一步的要求,主要分兩種:利用傳統(tǒng)的焊接方式或者利用鍍銅孔。如果采用焊接方式,那就可以使用通用鍍錫多層陶瓷電容器,但是在嵌入時會有一定的風(fēng)險。二次加熱(如當(dāng)進行表面貼裝)時會導(dǎo)致焊膏與嵌入元件產(chǎn)生回流,并有可能最終導(dǎo)致操作失敗。
 
為了避免出現(xiàn)焊接回流問題,業(yè)內(nèi)正在用鍍銅孔替代焊接元件,但是要求元件的電極也是銅質(zhì)的(不是錫質(zhì)的),以便更好地連接。因此現(xiàn)在業(yè)內(nèi)也開始生產(chǎn)帶銅質(zhì)電極的SMT器件。
 
制造
 
在傳統(tǒng)的工作流程中,生產(chǎn)制造的各個階段往往是不連貫的:先行制造裸板,然后送到裝配工廠,由元件貼裝機進行PCB板的裝配。
 
嵌入式元件將改善這一現(xiàn)象:各個階段不再是分開的,元件在生產(chǎn)制造的同時就要與PCB板連接在一起。這對PCB行業(yè)以及設(shè)備制造商而言是嚴峻的挑戰(zhàn)。無論是在PCB基板裝配過程中還是完畢后,元件始終嵌入基板凹槽中。如果在PCB裝配之后再嵌入元件,凹槽就會顯露在表面。如果要把元件完全嵌入多層板中,只能通過PCB制造商來操作,這也為SMT元件貼片機制造商創(chuàng)造了新的市場機會。
 
相應(yīng)的,SMT貼片機制造商也要考慮嵌入元件鋪放問題。通常嵌入凹槽允許的最大生產(chǎn)公差僅為20um,這就要求SMT鋪放有較高的準確性。例如,焊膏的自動校對功能可以在一定程度上提高準確度,但對于嵌入式元件而言并不適用。
 
此外,元件鋪放時的力道也要準確把握,表面貼裝的元件在鋪放過程中出現(xiàn)的毀壞可以在外觀檢測時發(fā)現(xiàn);相比之下,嵌入式元件的毀壞情況則是肉眼檢測不到的,一旦發(fā)現(xiàn)破裂則會導(dǎo)致整個基板失效。突發(fā)性的熱事件(如在表面貼裝元件時產(chǎn)生回流)也會導(dǎo)致嵌入式元件的完整性大打折扣。
 
制造設(shè)備供應(yīng)商力臻達到元件嵌入時的標準和操作規(guī)范,以求為行業(yè)贏得功能和商業(yè)上的雙重收益。
 
EDA工具
 
電子行業(yè)已經(jīng)成功地引入了嵌入式有源元件概念,并將它視為主流趨勢。盡管大型OEM的目標鎖定在寸土寸金的消費設(shè)備上,但是隨著近年來小規(guī)模的設(shè)計團隊逐漸增多,各個規(guī)模的OEM都開始利用嵌入式元件的優(yōu)勢。
 
更多的PCB板制造流程可以通過切槽和激光鉆孔容納更多嵌入式元件,如圖1所示。
 
圖1:適用嵌入式元件的PCB制造流程。電路板通過堆疊技術(shù)制造而成,將嵌入式元件嵌入或包入其中。激光微鉆孔用于連接較低一側(cè)的嵌入式元件。
 
為了利用這一功能,Altium Designer 14 (AD14)支持名為Cavity Definition的Region屬性,可以將Height屬性與Region相聯(lián)系,允許在任意信號層鋪放元件。為了能夠完全嵌入,元件的凹槽必須延伸至PCB板邊緣,從而在側(cè)邊開放,這一點在嵌入貼片LED時尤為重要。如圖2所示,利用Altium Designer 14設(shè)計的在圓形PCB板上用于裝配貼片LED的凹槽。
 
圖2:在圓形PCB板上為SMT LED而設(shè)計的凹槽。
 
通過編輯元件屬性,該層可被視為內(nèi)層,嵌入式元件的方向也是根據(jù)該層的方向而定(可以通過勾選Fipped on Layer選項來覆蓋)。
 
如果用這種方式嵌入,Altium Designer 14可以自動產(chǎn)生托管堆棧Managed Stack,在Z平面定義基板結(jié)構(gòu)。
 
對于開發(fā)者來說目前有幾種嵌入有源元件的方式:模塊電路板(IMB)、嵌入式晶圓級封裝(EWCP)、嵌入式晶片堆層(ECBU)和高分子嵌芯片(CIP)。最后一種方法可以把薄片晶圓封裝直接嵌入到堆疊的介質(zhì)層上,而不是使用通過鉆孔或走線連接到核心材料的凹槽,這種方法也支持FR-4多層電路板。
 
在設(shè)計嵌入元件時,為了確保成功無誤,重要的一點是與PCB制造商充分的溝通,表1中羅列出了建議提供給PCB制造商的文檔以及設(shè)計文件。
 
 
總結(jié)
 
大型OEM廠商在大量消費應(yīng)用中使用嵌入式元件已經(jīng)有十來年的時間,它的可用性和技術(shù)支持也在電子供應(yīng)鏈中逐漸增大,這反過來也為各種規(guī)模的OEM廠商創(chuàng)造了新的機會,使他們能夠瞄準垂直市場,更好地開拓自身優(yōu)勢。設(shè)計工程師是連接到供應(yīng)鏈的接口,EDA供應(yīng)商提供工具,實現(xiàn)無縫、高效的接口連接。通過在PCB設(shè)計中支持嵌入式元件,Altium確保在各個層面都能執(zhí)行有效的電子產(chǎn)品設(shè)計。
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