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小體積大功效,實(shí)現(xiàn)高端產(chǎn)品設(shè)計(jì)的嵌入式元件技術(shù)

發(fā)布時(shí)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(yán)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(dòng)力;同時(shí),也推動(dòng)了新趨勢(shì)的產(chǎn)生,即在PCB基板內(nèi)嵌入無(wú)源元件和有源元件。
 
這一趨勢(shì)確實(shí)對(duì)整個(gè)電子供應(yīng)鏈影響頗深,也是每個(gè)環(huán)節(jié)的供應(yīng)商所面臨的挑戰(zhàn)。工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)要想充分利用這一發(fā)展趨勢(shì),需要一款在構(gòu)思和創(chuàng)新PCB時(shí)更具靈活性的設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具。新標(biāo)準(zhǔn)下的設(shè)計(jì)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(duì)這些問(wèn)題,使更多OEM廠(chǎng)商采用這種極具競(jìng)爭(zhēng)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(wú)源(阻性、容性、感性)元件;后者是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)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(diǎn)很多,最為重要的一點(diǎn)就是它的元件密度。值得一提的是,人們對(duì)于無(wú)源元件(尤其是可以應(yīng)對(duì)更高運(yùn)行頻率和信號(hào)頻率的電容器)的需求增加,這也產(chǎn)生了一個(gè)新趨勢(shì),即垂直堆棧元件,以最大程度降低走線(xiàn)長(zhǎng)度。
 
元件制造商在推出新產(chǎn)品時(shí)必須要不斷滿(mǎn)足人們對(duì)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(wú)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(lái)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(zhǎng)、0.22mm寬、0.15mm高。
 
然而,這種連接方式有進(jìn)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(shí)會(huì)有一定的風(fēng)險(xiǎn)。二次加熱(如當(dāng)進(jìn)行表面貼裝)時(shí)會(huì)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(wèn)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(kāi)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(gè)階段往往是不連貫的:先行制造裸板,然后送到裝配工廠(chǎng),由元件貼裝機(jī)進(jìn)行PCB板的裝配。
 
嵌入式元件將改善這一現(xiàn)象:各個(gè)階段不再是分開(kāi)的,元件在生產(chǎn)制造的同時(shí)就要與PCB板連接在一起。這對(duì)PCB行業(yè)以及設(shè)備制造商而言是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。無(wú)論是在PCB基板裝配過(guò)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(huì)顯露在表面。如果要把元件完全嵌入多層板中,只能通過(guò)PCB制造商來(lái)操作,這也為SMT元件貼片機(jī)制造商創(chuàng)造了新的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。
 
相應(yīng)的,SMT貼片機(jī)制造商也要考慮嵌入元件鋪放問(wèn)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(zhǔn)確性。例如,焊膏的自動(dòng)校對(duì)功能可以在一定程度上提高準(zhǔn)確度,但對(duì)于嵌入式元件而言并不適用。
 
此外,元件鋪放時(shí)的力道也要準(zhǔn)確把握,表面貼裝的元件在鋪放過(guò)程中出現(xiàn)的毀壞可以在外觀(guān)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn);相比之下,嵌入式元件的毀壞情況則是肉眼檢測(cè)不到的,一旦發(fā)現(xiàn)破裂則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)基板失效。突發(fā)性的熱事件(如在表面貼裝元件時(shí)產(chǎn)生回流)也會(huì)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(dá)到元件嵌入時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)范,以求為行業(yè)贏(yíng)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(shì)。盡管大型OEM的目標(biāo)鎖定在寸土寸金的消費(fèi)設(shè)備上,但是隨著近年來(lái)小規(guī)模的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)逐漸增多,各個(gè)規(guī)模的OEM都開(kāi)始利用嵌入式元件的優(yōu)勢(shì)。
 
更多的PCB板制造流程可以通過(guò)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(guò)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(hào)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(kāi)放,這一點(diǎn)在嵌入貼片LED時(shí)尤為重要。如圖2所示,利用Altium Designer 14設(shè)計(jì)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(jì)的凹槽。
 
通過(guò)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(guò)勾選Fipped on Layer選項(xiàng)來(lái)覆蓋)。
 
如果用這種方式嵌入,Altium Designer 14可以自動(dòng)產(chǎn)生托管堆棧Managed Stack,在Z平面定義基板結(jié)構(gòu)。
 
對(duì)于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)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(jí)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(guò)鉆孔或走線(xiàn)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(jì)嵌入元件時(shí),為了確保成功無(wú)誤,重要的一點(diǎn)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(jì)文件。
 
 
總結(jié)
 
大型OEM廠(chǎng)商在大量消費(fèi)應(yīng)用中使用嵌入式元件已經(jīng)有十來(lái)年的時(shí)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(guò)來(lái)也為各種規(guī)模的OEM廠(chǎng)商創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì),使他們能夠瞄準(zhǔn)垂直市場(chǎng),更好地開(kāi)拓自身優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)工程師是連接到供應(yīng)鏈的接口,EDA供應(yīng)商提供工具,實(shí)現(xiàn)無(wú)縫、高效的接口連接。通過(guò)在PCB設(shè)計(jì)中支持嵌入式元件,Altium確保在各個(gè)層面都能執(zhí)行有效的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
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