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技術(shù)專(zhuān)題
將組件嵌入PCB
將組件嵌入PCB
一方面，移動(dòng)行業(yè)的興起，另一方面，對(duì)可穿戴設(shè)備的需求不斷增長(zhǎng)，再加上該行業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的越來(lái)越多的使用，導(dǎo)致電子設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和密度在過(guò)去的二十年中大幅增加。同時(shí)，這些需求也極大地增加了印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)人員的挑戰(zhàn)。PCB設(shè)計(jì)人員解決此問(wèn)題的方法之一是將電子組件嵌入PCB基板中。對(duì)于著名的電路板制造商而言，這正迅速成為可行的步驟。
嵌入的優(yōu)點(diǎn)
在開(kāi)始設(shè)計(jì)之前，必須先了解嵌入組件所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還要考慮增加導(dǎo)致嵌入的制造步驟的弊端。實(shí)際上，在考慮將元件嵌入PCB內(nèi)時(shí)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須考慮對(duì)成本和生產(chǎn)良率的潛在影響。其中一些優(yōu)點(diǎn)是：
減少尺寸和成本
最小化電氣路徑長(zhǎng)度
減少寄生電容和電感
減少EMI的影響
改善熱管理
PCB技術(shù)的創(chuàng)新主要來(lái)自尺寸和成本的減少。將組件嵌入PCB基板有助于減小電路板組件的尺寸。對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品，嵌入組件的PCB可以潛在地降低制造成本。
高頻電路在PCB設(shè)計(jì)期間很容易受到長(zhǎng)電氣路徑長(zhǎng)度的寄生效應(yīng)的影響。將組件嵌入PCB有助于最大程度地減少電氣路徑長(zhǎng)度，從而在很大程度上減少寄生效應(yīng)。
當(dāng)將嵌入式無(wú)源元件連接到IC的引腳時(shí)，路徑長(zhǎng)度的這種減小可以減小寄生電容和電感，從而減少系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)載波動(dòng)和噪聲。例如，可以將嵌入式無(wú)源元件直接放置在IC引腳的下面。這不僅減少了過(guò)孔電感，而且使?jié)撛诘呢?fù)面寄生效應(yīng)最小化，并改善了器件性能。實(shí)際上，將組件嵌入電路板的基板中可以減少表面安裝過(guò)程中的路徑長(zhǎng)度。
可以在嵌入式組件周?chē)呻姶鸥蓴_屏蔽。例如，簡(jiǎn)單地在整個(gè)組件周?chē)砑?span lang="EN-US">PTH可以減少來(lái)自外部的噪聲耦合。在某些應(yīng)用中，這甚至可以消除對(duì)任何其他表面安裝屏蔽的需求。
也可以將導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)添加到嵌入式組件中以改善熱管理。例如，將熱微通孔嵌入使其直接與嵌入式組件接觸可以幫助其將熱量散發(fā)到外層的熱平面上。隨著通過(guò)PCB基板傳播的熱量減少，添加熱微通孔還會(huì)降低熱阻。
將組件嵌入PCB時(shí)，主要關(guān)注的問(wèn)題之一是設(shè)計(jì)的長(zhǎng)期可靠性。當(dāng)PCB進(jìn)行焊接過(guò)程（例如在表面安裝器件的組裝過(guò)程中進(jìn)行回流焊）時(shí)，會(huì)影響到形成并放置在PCB層壓板中的嵌入式組件上的焊點(diǎn)。嵌入式組件在制造后可能會(huì)成為一個(gè)額外的問(wèn)題，因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)故障就無(wú)法輕松測(cè)試或更換嵌入式組件。
可以嵌入哪些組件？
認(rèn)為適合嵌入PCB層壓板的組件主要有兩類(lèi)：無(wú)源和有源。它們以不同的方式用于不同的應(yīng)用程序。由于絕大多數(shù)嵌入式組件屬于無(wú)源類(lèi)別，因此嵌入式電阻器和電容器是最流行的。
但是，嵌入式無(wú)源組件并不意味著將分立的電阻器或電容器放置在板基板內(nèi)的空腔內(nèi)。而是，選擇特定的層材料以形成嵌入式無(wú)源的電阻或電容結(jié)構(gòu)。
如上所列的好處使嵌入式組件成為分立的表面安裝無(wú)源組件的替代方案。串聯(lián)終端電阻器等應(yīng)用程序從該技術(shù)中受益匪淺，大量傳輸線(xiàn)在密集存儲(chǔ)設(shè)備和球柵陣列（BGA）IC處終止。
嵌入芯片
可以在PCB內(nèi)嵌入芯片，但是其他制造商的步驟可能有所不同。通常，制造商必須為IC的主體創(chuàng)造空間，并且采取空腔的形式。芯片嵌入技術(shù)的方法可以采用以下方法：
CIP或聚合物中的芯片：這涉及在構(gòu)建PCB的介電層時(shí)嵌入薄芯片，而不是將它們集成在芯層中。制造商可以使用標(biāo)準(zhǔn)的層壓基板材料。
ECBU或嵌入式芯片構(gòu)建：這涉及在聚酰亞胺膜上安裝芯片并在其上構(gòu)建互連結(jié)構(gòu)。
EWLP或嵌入式晶圓級(jí)封裝：這涉及在晶圓級(jí)執(zhí)行所有技術(shù)步驟。可用的IO面積受限于芯片的占板面積，因?yàn)樵摷夹g(shù)本質(zhì)上需要扇入。
IMB或集成模塊板：這涉及到對(duì)齊組件并將它們放置在空腔中，并使用深度控制的路線(xiàn)將空腔放置在核心層壓板中。用模制聚合物填充空腔可確保與基板的化學(xué)，電氣和機(jī)械兼容性。聚合物中各向同性焊料的浸漬有助于形成可靠的焊點(diǎn)，同時(shí)將嵌入的零件層壓到堆棧中。
嵌入的組件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
在為嵌入式目的進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將組件的布局及其物理方向視為重要因素。還必須選擇合適的基板材料和兼容的組件，因?yàn)檫@樣可以減少PCB制造過(guò)程中發(fā)生故障的機(jī)會(huì)。
選擇特定材料是確定嵌入式無(wú)源器件電性能的關(guān)鍵。例如，嵌入式電阻器只是一塊電阻膜，其尺寸定義了電阻值。這種材料的電阻取決于材料的電阻率，長(zhǎng)度和橫截面積。電阻膜材料的電阻率不同，這直接影響最終電阻值。因此，材料的選擇對(duì)于設(shè)計(jì)和制造過(guò)程至關(guān)重要。
制造商通過(guò)安排適當(dāng)尺寸的銅包層以充當(dāng)極板，并在兩者之間放置合適的介電材料，來(lái)制造嵌入式電容器。設(shè)計(jì)人員根據(jù)材料的介電常數(shù)，自由空間的介電常數(shù)，極板之間的距離以及極板的面積來(lái)計(jì)算電容。最終電容值隨著所選材料的介電常數(shù)的增加，平面面積的增加而增加，并且隨著板層中平面間距離的增加而減小。制造商使用特殊的材料來(lái)保持介電強(qiáng)度，并使用薄而尺寸穩(wěn)定的介電層來(lái)制造用于電源去耦的嵌入式電容器。
為了制造諸如IC之類(lèi)的其他有源元件，制造商和設(shè)計(jì)人員選擇的材料應(yīng)能提供基材耐用性以及腔體內(nèi)組件的長(zhǎng)期可靠性。CTE或熱膨脹系數(shù)定義了材料在高溫事件（例如表面貼裝組件的回流焊接）過(guò)程中發(fā)生變化的方式。對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，當(dāng)務(wù)之急是選擇具有匹配CTE的基板材料和聚合物來(lái)填充空腔，以保持電路板結(jié)構(gòu)的完整性。
有兩種將嵌入式組件對(duì)準(zhǔn)并放置在型腔中的方法-正面朝上和朝下，其中朝下是首選工藝。為了面朝下對(duì)齊，型腔深度需要與封裝高度匹配，因此，制造商可以在同一層上嵌入不同厚度的芯片。這允許對(duì)介電材料進(jìn)行良好的厚度控制，并在組裝過(guò)程中進(jìn)行準(zhǔn)確的組件放置。
嵌入組件的制造過(guò)程
各個(gè)制造商將根據(jù)PCB的類(lèi)型和可使用的可用設(shè)備來(lái)改變其嵌入工藝。大致上，嵌入組件的制造過(guò)程遵循兩種方法：一種是將組件對(duì)齊并將其放置在腔體中，另一種是將組件模制到基板中，從而在其上建立其他結(jié)構(gòu)。
制造商使用不同的制造和配置技術(shù)在PCB上制造空腔。技術(shù)的進(jìn)步已導(dǎo)致更好和更有效的方法來(lái)開(kāi)發(fā)用于嵌入有源組件的腔體。新方法還具有其他優(yōu)點(diǎn)，例如更高的產(chǎn)量和更高的可靠性。
激光鉆孔可提供所有方法中最高的位置精度和精度，因?yàn)榭梢跃_地控制激光束，以去除絕緣材料而獲得均勻的深度和磨損。使用更長(zhǎng)的波長(zhǎng)可防止激光穿透銅層，從而形成獨(dú)特的光闌層。在形成空腔之后，制造者在將部件放置在空腔內(nèi)之前添加各向異性導(dǎo)電粘合劑。施加熱量和一定量的壓力有助于熔化粘合劑材料中的焊料顆粒，從而形成可靠的焊料結(jié)合。
由于銑削比激光更具成本效益，因此更傳統(tǒng)的方法是使用銑削來(lái)創(chuàng)建空腔。盡管改進(jìn)的技術(shù)允許制造微型銑削刀具，但在使用銑削和銑削進(jìn)行型腔創(chuàng)建方面存在實(shí)際限制。即便如此，銑削比激光更受歡迎。
一些制造商更喜歡使用薄晶圓封裝，在構(gòu)建過(guò)程中將它們直接集成到介電層中，而不是在芯材中鉆孔或布線(xiàn)空腔。制造商首先將薄芯片芯片粘合到基板上，然后在其上涂一層液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂，或者使用層壓的RCC或樹(shù)脂涂層的銅膜作為電介質(zhì)。然后，他應(yīng)用了熱壓層壓工藝，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化以嵌入芯片而不會(huì)形成空隙。