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技術(shù)專題
嵌入式組件PCB設(shè)計(jì)
電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和密度增加了，部分原因是移動(dòng)行業(yè)的興起，給PCB設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。在電路板基板中嵌入組件可為一些問(wèn)題提供實(shí)用的解決方案，并且它正迅速成為制造商可行的生產(chǎn)步驟。
為什么要嵌入組件？
在討論向設(shè)計(jì)中添加嵌入式組件的方法之前，重要的是要了解它們提供的一些優(yōu)勢(shì)。除了對(duì)成本和產(chǎn)量的潛在影響之外，人們還必須考慮在開(kāi)始設(shè)計(jì)之前增加制造步驟的所有利弊。
尺寸和成本的減少推動(dòng)了PCB技術(shù)的創(chuàng)新。嵌入組件可以幫助減小電路板組件的尺寸。它還可以潛在地降低復(fù)雜產(chǎn)品的制造成本。
在處理高頻電路時(shí)，最小化電氣路徑長(zhǎng)度以減少寄生效應(yīng)至關(guān)重要。減少無(wú)源元件到IC的布線長(zhǎng)度可以減少寄生電容和電感，從而減少系統(tǒng)中的負(fù)載波動(dòng)和噪聲。通過(guò)嵌入無(wú)源元件，可以將它們直接放置在IC引腳的下面，從而很大程度地減少潛在的負(fù)面影響，包括過(guò)孔電感（圖1）。
（圖1）
一、最小化到IC的布線長(zhǎng)度是減少寄生效應(yīng)和改善器件性能的常見(jiàn)解決方案。在電路板基板中嵌入組件（頂部）可以在表面安裝（底部）上進(jìn)一步減少導(dǎo)線長(zhǎng)度。
集成電磁干擾（EMI）屏蔽可以直接在嵌入式IC周?chē)圃?。只需?span>IC周?chē)砑与婂兺祝涂梢詼p少電容性和電感性耦合噪聲。在某些應(yīng)用中，它還可以消除對(duì)額外的表面安裝屏蔽的需求。
導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)可以輕松地添加到嵌入式組件中，從而改善了熱管理。一種這樣的示例是將熱微通孔嵌入與嵌入式組件直接接觸，從而允許熱量散發(fā)到熱平面層。此外，減少熱量必須流過(guò)的PCB基板的數(shù)量會(huì)降低熱阻。
在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)嵌入式組件時(shí)，長(zhǎng)期可靠性是困難和擔(dān)憂的主要根源。將焊點(diǎn)放置在PCB的層壓框架內(nèi)時(shí)，其可持續(xù)性會(huì)受到后續(xù)焊接工藝（例如表面貼裝器件上的回流焊）的影響。嵌入式組件在制造后可能會(huì)引起其他問(wèn)題，因?yàn)闊o(wú)法在故障后對(duì)其進(jìn)行輕松測(cè)試或更換。
嵌入式組件的類型
嵌入式組件分為被動(dòng)和主動(dòng)兩大類，但是它們以不同的方式和不同的用途大量使用。被動(dòng)填充了大部分組件。因此，已經(jīng)對(duì)嵌入式電容和電阻進(jìn)行了全面的研究。
術(shù)語(yǔ)“嵌入式無(wú)源”通常不是指僅放置在板基板內(nèi)腔中的分立電阻器或電容器。而是，通過(guò)選擇特定的層材料以形成電阻性或電容性結(jié)構(gòu)來(lái)制造嵌入式無(wú)源器件。雖然這些類型的嵌入式組件在某一時(shí)刻被大量使用以節(jié)省空間，但較小的分立無(wú)源器件（例如01005封裝）的發(fā)展已使其在許多設(shè)計(jì)中均非必需。
嵌入式無(wú)源器件仍具有許多優(yōu)勢(shì)，包括減少寄生效應(yīng)和減小尺寸，并已成為分立式表面安裝無(wú)源器件的常見(jiàn)制造替代方案。這對(duì)于諸如串聯(lián)終端電阻器之類的應(yīng)用尤其有利，在該應(yīng)用中，數(shù)百條傳輸線進(jìn)入密集的球柵陣列（BGA）微處理器和存儲(chǔ)設(shè)備。
將IC放置在板基板中的制造步驟可能會(huì)有所不同，但必須為組件主體以空腔的形式留出空間。芯片嵌入技術(shù)有幾種值得注意的方法：
?集成模塊板（IMB）：將組件對(duì)齊并放置在空腔內(nèi)，該空腔通過(guò)控制深度的布線布線到核心層壓板?？涨惶畛溆心Ｖ凭酆衔?，以確保與基板的化學(xué)，機(jī)械和電氣兼容性。當(dāng)將嵌入式部件層壓到疊層中時(shí)，聚合物將各向同性焊料浸漬以形成可靠的焊點(diǎn)。
?嵌入式晶圓級(jí)封裝（EWLP）：所有技術(shù)步驟均在晶圓級(jí)執(zhí)行。始終需要扇入，這意味著可用于I / O的區(qū)域受限于芯片尺寸。
?嵌入式芯片構(gòu)建（ECBU）：將芯片安裝到聚酰亞胺膜上，并從那里構(gòu)建互連結(jié)構(gòu)。
?聚合物中的芯片（CIP）：薄芯片被嵌入到PCB的堆積電介質(zhì)層中，而不是將它們集成到芯層中。然后可以使用標(biāo)準(zhǔn)的層壓基板材料。
組件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
為嵌入式目的進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，考慮組件的物理方向和布局很重要。此外，正確選擇兼容的組件和基板材料有助于減少制造過(guò)程中發(fā)生故障的機(jī)會(huì)。
對(duì)于嵌入式無(wú)源器件，選擇特定材料最終決定了那些組件的電性能。嵌入式電阻器只是電阻膜片，其尺寸可實(shí)現(xiàn)一定的電阻值。電阻可以使用以下公式計(jì)算：
其中ρ是材料的電阻率，L是長(zhǎng)度，A是面積。（W和t分別是寬度和厚度。）每種電阻膜材料的電阻率都不同，并且與最終電阻值成正比，這意味著材料的選擇是設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的關(guān)鍵部分。
嵌入式電容器是通過(guò)將覆銅板布置和定尺寸為板來(lái)制造的，并在其間適當(dāng)選擇介電材料。然后可以使用以下方法計(jì)算電容：
其中ε - [R是材料的介電常數(shù)，ε 0是自由空間的介電常數(shù)，A是極板的面積，d是板之間的距離。
介電常數(shù)根據(jù)所選材料而變化，并且與最終電容值成正比。從該方程式可以明顯看出，通過(guò)減小板層中的平面間距離并通過(guò)使平面面積來(lái)增加電容?？梢允褂锰厥獠牧蟻?lái)保持介電強(qiáng)度，同時(shí)產(chǎn)生尺寸穩(wěn)定但非常薄的平面到平面介電層，以增加用于電源去耦的平面電容。
對(duì)于嵌入式IC和其他有源元件，主要選擇材料來(lái)考慮腔中元件的長(zhǎng)期可靠性以及基板的耐用性。熱膨脹系數(shù)（CTE）可以描述材料將如何改變并對(duì)高溫事件或過(guò)程做出反應(yīng)，例如對(duì)表面貼裝元件進(jìn)行的回流焊接。如果基板材料和用于填充型腔的聚合物之間的CTE（特別是z軸膨脹）不匹配，則可能會(huì)損害板的結(jié)構(gòu)和完整性。
在腔中對(duì)齊和放置嵌入式無(wú)源和有源組件時(shí)，使用兩個(gè)基本處理流程：面朝上和面朝下。通過(guò)面朝下地嵌入組件，僅需要在等于封裝高度的深度創(chuàng)建空腔，這意味著可以在同一層上嵌入多個(gè)厚度不同的芯片。面朝下的制造可實(shí)現(xiàn)良好的介電材料厚度控制，以及組裝過(guò)程中良好的組件放置精度。
制造過(guò)程
制造步驟將根據(jù)每個(gè)制造商決定的過(guò)程以及可用的制造設(shè)備而有所不同。通常，用于嵌入組件的制造過(guò)程可以分為兩類：對(duì)齊并放置在型腔內(nèi)的組件，以及模制到基板中的組件，并從那里構(gòu)建其他結(jié)構(gòu)。
可以使用不同的配置和制造技術(shù)來(lái)形成PCB腔。隨著用于嵌入有源元件的技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了更新和更有效的腔體開(kāi)發(fā)方法，具有更高的可靠性和更高的生產(chǎn)良率。
激光鉆孔腔可提供任何方法中的精度和位置精度。由于去除了介電材料，激光束受到精確控制，以實(shí)現(xiàn)均勻的深度控制和磨損。由于激光通常使用大波長(zhǎng)，因此它無(wú)法穿透銅層，從而為該過(guò)程建立了定義明確的“停止層”。在形成腔之后，添加各向異性導(dǎo)電粘合劑物質(zhì)，并將組件放置在空隙中。在特定壓力下將熱量施加到系統(tǒng)上，以熔化分散在粘合劑材料中的焊料顆粒并形成可靠的焊料鍵合。
銑削提供了一種更常規(guī)且更具成本效益的方法來(lái)制造型腔。銑刀的尺寸已減小到足以滿足大多數(shù)現(xiàn)代制造需求，但是加工技術(shù)存在實(shí)際限制。盡管如此，銑削和銑削技術(shù)比激光鉆孔技術(shù)更為完善，因此更容易用于創(chuàng)建型腔。
薄晶圓封裝可直接集成到堆積的電介質(zhì)層中，而無(wú)需利用在芯材中鉆孔或布線的空腔。然后可以使用標(biāo)準(zhǔn)的層壓基板材料，例如多層FR-4，從而降低了成本并降低了生產(chǎn)良率。首先，將薄芯片芯片接合到襯底上。接下來(lái)，液體環(huán)氧樹(shù)脂或?qū)訅簶?shù)脂涂層銅（RCC）膜均用作電介質(zhì)。通過(guò)優(yōu)化熱壓層壓工藝，可以嵌入芯片而沒(méi)有空隙。
推薦文件
正確記錄具有嵌入式組件的設(shè)計(jì)可以大大減少生產(chǎn)時(shí)間和成本。嵌入式組件過(guò)程將PCB制造，組件封裝和組件組裝結(jié)合到一個(gè)制造過(guò)程流中：
?層堆棧圖：粗略圖顯示嵌入式組件的型腔的位置和方向。
?NC鉆孔文件：應(yīng)生成一個(gè)單獨(dú)的文件以說(shuō)明腔。該信息比層堆疊圖更加詳細(xì)和準(zhǔn)確，將在裸板制造過(guò)程中用于布線或打孔。
?加工注意事項(xiàng)：應(yīng)注意任何有關(guān)加工過(guò)程的有用信息。這可能包括特定的基材材料選擇或用于填充型腔的聚合物和環(huán)氧樹(shù)脂材料。
?放置文件：應(yīng)為要嵌入的組件生成一個(gè)單獨(dú)的文件。它應(yīng)包括有關(guān)零部件位置，旋轉(zhuǎn)和層的信息。
?裝配注意事項(xiàng)：應(yīng)注意拾取和放置文件中未包含的其他裝配信息。這可能包括是否在層上翻轉(zhuǎn)了組件或任何特殊的組裝說(shuō)明。
嵌入式組件示例
隨著開(kāi)發(fā)越來(lái)越有效的制造工藝，利用嵌入組件的設(shè)備變得越來(lái)越普遍。通常采用無(wú)線模塊來(lái)減小電路板的外形（圖2）。
二、嵌入式組件在移動(dòng)設(shè)備行業(yè)尤為普遍，在這些行業(yè)中，低調(diào)設(shè)備至關(guān)重要。三星Galaxy S4具有一個(gè)Wi-Fi模塊板，其組件嵌入腔中。
模具也可以放置在型腔中（圖3）。
三、裸芯片或帶有經(jīng)過(guò)修改的封裝的芯片通常用于在嵌入時(shí)減小電路板的輪廓。
堆疊的芯片也可以在芯片內(nèi)使用（圖4）。
四、聚合物芯片技術(shù)使薄封裝可以直接嵌入到PCB的層壓框架中?？梢远询B多個(gè)管芯，而無(wú)需板腔，以進(jìn)一步提高組件密度。
這消除了將其放入空腔的需要，但是堆疊式芯片的價(jià)格更高。
結(jié)論
盡管將無(wú)源和有源組件嵌入板基板中的技術(shù)已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但直到最近才在制造過(guò)程中執(zhí)行這種步驟才在商業(yè)上可行。對(duì)高密度，薄型電子設(shè)備的市場(chǎng)需求已經(jīng)克服了潛在的缺點(diǎn)，例如可靠性問(wèn)題以及成本和生產(chǎn)良率的風(fēng)險(xiǎn)。