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用嵌入式元件技术实现高端产品设计

作者:angelazhang时间:2015-06-04浏览次数:1892

由于电子产品面临着如何在更小体积的设备上,产生最大功效这一严峻挑战,因此为发明表面贴装元件或研究半导体几何学提供了动力;同时,也推动了新趋势的产生,即在PCB基板内嵌入无源元件和有源元件。

这一趋势确实对整个电子供应链影响颇深,也是每个环节的供应商所面临的挑战。工程设计团队要想充分利用这一发展趋势,需要一款在构思和创新PCB时更具灵活性的设计自动化工具。新标准下的设计规则也具有一定挑战,因此EDA工具供应商正集中精力努力应对这些问题,使更多OEM厂商采用这种极具竞争性和革命性的技术。

元件

将元件与基板连接主要有两种方式:成型连接和嵌入式连接。前者有效地利用了镀铜和阻性薄膜,在嵌入层(或表面层)产生无源(阻性、容性、感性)元件;后者是一个渐进的过程,可以把不连续的元件、裸芯片甚至模块安装在基板材料表层下。

此方式的优点很多,最为重要的一点就是它的元件密度。值得一提的是,人们对于无源元件(尤其是可以应对更高运行频率和信号频率的电容器)的需求增加,这也产生了一个新趋势,即垂直堆栈元件,以最大程度降低走线长度。德州仪器公司最近推出了500mA的DC-DC降压转换器,尺寸仅为2.3mm长、2.0mm宽、1.0mm高。

元件制造商在推出新产品时必须要不断满足人们对于封装变化的需求,以及广泛应用的表面贴装技术,尤其是在无源元件中,该技术可以更好地将元件嵌入PCB基板中。随着SMT剖面结构越来越小,这些部件可以直接安装或与芯片一起嵌入PCB基板中。比如01005(0402)系列,尺寸仅为0.4mm长、0.22mm宽、0.15mm高。

然而,这种连接方式有进一步的要求,主要分两种:利用传统的焊接方式或者利用镀铜孔。如果采用焊接方式,那就可以使用通用镀锡多层陶瓷电容器,但是在嵌入时会有一定的风险。二次加热(如当进行表面贴装)时会导致焊膏与嵌入元件产生回流,并有可能最终导致操作失败。

为了避免出现焊接回流问题,业内正在用镀铜孔替代焊接元件,但是要求元件的电极也是铜质的(不是锡质的),以便更好地连接。因此现在业内也开始生产带铜质电极的SMT器件。例如,日本村田公司专门为嵌入元件设计的GRU系列嵌入式电容。

制造

在传统的工作流程中,生产制造的各个阶段往往是不连贯的:先行制造裸板,然后送到装配工厂,由元件贴装机进行PCB板的装配。

嵌入式元件将改善这一现象:各个阶段不再是分开的,元件在生产制造的同时就要与PCB板连接在一起。这对PCB行业以及设备制造商而言是严峻的挑战。无论是在PCB基板装配过程中还是完毕后,元件始终嵌入基板凹槽中。如果在PCB装配之后再嵌入元件,凹槽就会显露在表面。如果要把元件完全嵌入多层板中,只能通过PCB制造商来操作,这也为SMT元件贴片机制造商创造了新的市场机会。

相应的,SMT贴片机制造商也要考虑嵌入元件铺放问题。通常嵌入凹槽允许的最大生产公差仅为20um,这就要求SMT铺放有较高的准确性。例如,焊膏的自动校对功能可以在一定程度上提高准确度,但对于嵌入式元件而言并不适用。

此外,元件铺放时的力道也要准确把握,表面贴装的元件在铺放过程中出现的毁坏可以在外观检测时发现;相比之下,嵌入式元件的毁坏情况则是肉眼检测不到的,一旦发现破裂则会导致整个基板失效。突发性的热事件(如在表面贴装元件时产生回流)也会导致嵌入式元件的完整性大打折扣。

制造设备供应商力臻达到元件嵌入时的标准和操作规范,以求为行业赢得功能和商业上的双重收益。

EDA工具

电子行业已经成功地引入了嵌入式有源元件概念,并将它视为主流趋势。尽管大型OEM的目标锁定在寸土寸金的消费设备上,但是随着近年来小规模的设计团队逐渐增多,各个规模的OEM都开始利用嵌入式元件的优势。

这些支持主要来自EDA供应商。例如最新发布的Altium Designer 14利用领先的板级设计环境创建带有凹槽的PCB板,以支持嵌入式元件。

更多的PCB板制造流程可以通过切槽和激光钻孔容纳更多嵌入式元件,如图1所示。


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图1:适用嵌入式元件的PCB制造流程。电路板通过堆叠技术制造而成,将嵌入式元件嵌入或包入其中。激光微钻孔用于连接较低一侧的嵌入式元件。


为了利用这一功能,Altium Designer 14 (AD14)支持名为Cavity Definition的Region属性,可以将Height属性与Region相联系,允许在任意信号层铺放元件。为了能够完全嵌入,元件的凹槽必须延伸至PCB板边缘,从而在侧边开放,这一点在嵌入贴片LED时尤为重要。如图2所示,利用Altium Designer 14设计的在圆形PCB板上用于装配贴片LED的凹槽。

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图2:在圆形PCB板上为SMT LED而设计的凹槽。

通过编辑元件属性,该层可被视为内层,嵌入式元件的方向也是根据该层的方向而定(可以通过勾选Fipped on Layer选项来覆盖)。


如果用这种方式嵌入,Altium Designer 14可以自动产生托管堆栈Managed Stack,在Z平面定义基板结构。

对于开发者来说目前有几种嵌入有源元件的方式:模块电路板(IMB)、嵌入式晶圆级封装(EWCP)、嵌入式晶片堆层(ECBU)和高分子嵌芯片(CIP)。最后一种方法可以把薄片晶圆封装直接嵌入到堆叠的介质层上,而不是使用通过钻孔或走线连接到核心材料的凹槽,这种方法也支持FR-4多层电路板。

在设计嵌入元件时,为了确保成功无误,重要的一点是与PCB制造商充分的沟通,表1中罗列出了建议提供给PCB制造商的文档以及设计文件。

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总结

大型OEM厂商在大量消费应用中使用嵌入式元件已经有十来年的时间,它的可用性和技术支持也在电子供应链中逐渐增大,这反过来也为各种规模的OEM厂商创造了新的机会,使他们能够瞄准垂直市场,更好地开拓自身优势。设计工程师是连接到供应链的接口,EDA供应商提供工具,实现无缝、高效的接口连接。通过在PCB设计中支持嵌入式元件,Altium确保在各个层面都能执行有效的电子产品设计。





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