مكونات PCB المدمجة تحول الإلكترونيات لتحقيق أداء أعلى

بينما تستمر الأجهزة الإلكترونية في الانكماش في الحجم، يواجه المهندسون تحدي دمج المزيد من الوظائف في مساحات محدودة بشكل متزايد دون المساس بالأداء أو الموثوقية. تقدم تقنية المكونات المضمنة في لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) حلاً رائدًا لهذه المعضلة، مما يحول نماذج التصميم التقليدية ويفتح إمكانيات جديدة.

تتضمن مكونات PCB المضمنة دمج المقاومات والمكثفات وحتى الدوائر المتكاملة (ICs) مباشرة داخل الطبقات الداخلية لـ PCB، بدلاً من وضعها على السطح باستخدام تقنية التركيب السطحي (SMT) التقليدية أو التركيب من خلال الثقوب. يسمح هذا النهج المبتكر بدمج المكونات في تجاويف مسبقة الصنع داخل طبقات PCB أثناء التصنيع أو تشكيلها مباشرة داخل الركيزة كعناصر سلبية.

تتضمن عملية التنفيذ عادةً إنشاء تجاويف أو تجاويف داخل طبقات PCB، وتضمين المكونات، وتوصيلها من خلال الثقوب الدقيقة أو مسارات النحاس. على سبيل المثال، يمكن تشكيل المقاومات عن طريق إيداع مادة مقاومة بين طبقات النحاس، وتحقيق قيم مثل 50 أومًا مع تفاوت ±15٪. يقلل هذا التكامل من الحاجة إلى وصلات لحام خارجية ويقلل بشكل كبير من الحث الطفيلي - غالبًا بنسبة تصل إلى 50٪ مقارنة بـ SMT - مما يؤدي إلى تحسين الأداء الكهربائي.

إن التحول من تصميمات PCB التقليدية إلى المكونات المضمنة مدفوع بالحاجة إلى معالجة تحديات هندسية حرجة. العديد من المزايا الرئيسية تجعل هذه التكنولوجيا متميزة:

• كفاءة المساحة: يمكن للمكونات المضمنة تقليل مساحة سطح PCB بنسبة تصل إلى 35٪، مما يتيح تصميمات أكثر إحكاما. هذا مهم بشكل خاص للأجهزة القابلة للارتداء، حيث تكون قيود المساحة حاسمة.
• تحسين سلامة الإشارة: تعمل التوصيلات البينية الأقصر على تقليل التأثيرات الطفيلية. في الدوائر عالية التردد (40-50 جيجاهرتز)، يمكن أن تكون فقدان الإشارة من المقاومات المضمنة ضئيلاً - في بعض الأحيان أقل من 0.1 ديسيبل - متجاوزًا بدائل SMT.
• تعزيز الموثوقية: بدون وصلات لحام مكشوفة، تتحمل المكونات المضمنة الصدمات والاهتزازات والدورات الحرارية بشكل أكثر فعالية. هذا أمر بالغ الأهمية بالنسبة للإلكترونيات السيارات، حيث قد تتحمل لوحات PCB درجات حرارة قصوى تصل إلى 170 درجة مئوية.
• إدارة حرارية أفضل: تتوزع الحرارة بشكل أكثر توازناً عبر اللوحة، مما يقلل من النقاط الساخنة. يمكن أن تقلل الثقوب الحرارية بالقرب من الدوائر المتكاملة المضمنة المقاومة الحرارية بنسبة 20-30٪، مما يطيل عمر الجهاز.

ومع ذلك، تأتي هذه الفوائد مع المفاضلات. قد تزيد التصميمات المضمنة من تكاليف التصنيع بنسبة 15-25٪، ولا يمكن استبدال المكونات أو اختبارها بسهولة بعد التجميع. على الرغم من هذه العيوب، غالبًا ما تفوق المزايا التحديات بالنسبة للتطبيقات عالية الأداء أو المقيدة بالمساحة.

يتيح الحفر بالليزر والتصفيح متعدد الطبقات تضمين المكونات بدقة. تخلق الليزرات تجاويف مع التحكم في العمق في حدود 10 ميكرون، مما يضمن ملاءمة المكونات بإحكام. عمليات مثل "SOLDER.embedding" لشركة Würth Elektronik تلحم مكونات SMD على الطبقات الداخلية قبل ضغطها في هياكل متعددة الطبقات، مما يعزز الموثوقية لتطبيقات السيارات.

الثقوب الدقيقة - ثقوب صغيرة يبلغ قطرها 50 ميكرون - تربط المكونات المضمنة بالطبقات السطحية. يتيح ذلك التوجيه عالي الكثافة بمسارات إشارة قصيرة تصل إلى 0.1 مم، مما يقلل من الحث إلى أقل من 1 نانوهرى في بعض الحالات، وهو أمر مثالي لتصميمات التوصيل البيني عالية الكثافة (HDI).

يمكن "تشكيل" المقاومات والمكثفات داخل لوحات PCB باستخدام مواد مقاومة أو عازلة. قد يحقق المقاوم المشكل 100 أوم مع تفاوت ±5٪، يتم تعديله أثناء النقش لتحقيق الدقة. هذا يقلل من خطوات التجميع ويحسن الاتساق.

اكتسب تضمين أجهزة كربيد السيليكون (SiC) أو نتريد الغاليوم (GaN) في لوحات PCB زخمًا في إلكترونيات الطاقة. تتبدل أشباه الموصلات WBG هذه بسرعات تصل إلى 100 كيلو هرتز، ويمكن أن يؤدي تضمينها إلى تقليل الحث الطفيلي بنسبة 30-40٪، كما هو موضح في تصميم العاكس بقدرة 10 كيلو واط لشركة Schweizer Electronic.

عن طريق تضمين المقاومات والمكثفات أسفل المتحكمات الدقيقة، يمكن تقليل حجم PCB بنسبة 35٪، كما هو موضح في النموذج الأولي لـ PCBOnline. تعمل مسارات الإشارة الأقصر أيضًا على تحسين موثوقية الإرسال اللاسلكي، مما يتيح اتصالًا مستقرًا بتردد 2.4 جيجاهرتز مع الحد الأدنى من فقدان الطاقة.

تستفيد السيارات الكهربائية (EVs) من الإلكترونيات الكهربائية المضمنة. توفر Infineon's 1200 V CoolSiC™ MOSFETs، المضمنة باستخدام تقنية p2PACK® لشركة Schweizer، تصميمًا نصف جسري بقدرة 50 كيلو واط مع مقاومة حرارية منخفضة. النتيجة؟ زيادة في الأداء بنسبة 35٪ مقارنة بالتغليف التقليدي بسبب تقليل خسائر التحويل وتحسين تبديد الحرارة.

في المخففات الترددات الراديوية التي تعمل عند 60 جيجاهرتز، تُظهر المقاومات المضمنة فقدان إشارة أقل من 0.2 ديسيبل. يؤدي وضع مقاومات الإنهاء مباشرة أسفل حزم BGA إلى تقليل السعة الطفيلية، مما يحسن سلامة الإشارة لتطبيقات الجيل الخامس.

تحقق أجهزة استشعار الأقمار الصناعية المزودة بمكونات سلبية مضمنة انخفاضًا في الوزن بنسبة 20٪ وتتحمل الاهتزازات حتى 50 جي، وتفي بمعايير UL و IPC الصارمة. هذه الضآلة مهمة للغاية حيث تهم كل جرام.

• دقة التنسيب: يمكن أن يؤدي عدم المحاذاة بمقدار 25 ميكرون فقط إلى زيادة المقاومة بنسبة 10٪. استخدم أدوات CAD ذات التفاوتات الضيقة.
• التخطيط الحراري: أضف ثقوبًا حرارية بالقرب من المكونات عالية الطاقة. بالنسبة لمقاوم 1 واط، يمكن لـ 4-6 ثقوب (قطرها 0.3 مم) أن تقلل المقاومة الحرارية بنسبة 25٪.
• إدارة التسامح: عادةً ما يكون للمقاومات المضمنة تفاوت بنسبة 15-20٪ بسبب اختلافات النقش. صمم للحصول على معاوقة متسقة (على سبيل المثال، 50 أومًا عبر المسارات) للحفاظ على الأداء.
• قابلية التصنيع: استشر الشركات المصنعة في وقت مبكر. غالبًا ما تتطلب التصميمات المضمنة أوقاتًا أطول للتسليم (5-7 أيام) مقارنة بالنماذج الأولية سريعة الدوران.

على الرغم من إمكاناتها، تواجه تكنولوجيا المكونات المضمنة عقبات. قد تثني التكاليف الأولية المرتفعة (أكثر بنسبة 20٪ من تصميمات SMT) المشاريع الحساسة للميزانية. يعد الاختبار أيضًا أكثر صعوبة، حيث لا يمكن استبدال المكونات المضمنة المعيبة. لا يزال توسيع الابتكارات مثل تضمين الثقوب الدقيقة للإنتاج الضخم قيد التنفيذ.

بالنظر إلى المستقبل، من المتوقع أن تنمو التكنولوجيا المضمنة مع متطلبات التكامل ثلاثي الأبعاد وإنترنت الأشياء. يتوقع المحللون أنه بحلول عام 2030، ستستخدم 50٪ من لوحات PCB HDI مكونات مضمنة، مدفوعة بالحاجة إلى أجهزة أكثر ذكاءً وأصغر حجمًا. يمكن أن تؤدي التطورات في المواد - مثل بدائل FR4 مع توصيل حراري يبلغ 0.5 واط/متر كلفن - إلى تعزيز الأداء وتقليل التكاليف بشكل أكبر.

تمثل المكونات المضمنة في تصميم PCB أكثر من مجرد اتجاه - فهي تعيد تعريف كيفية تصميم الإلكترونيات. من خلال توفير المساحة وتحسين الأداء وتمكين التطبيقات الجديدة، فإنها تعمل على تشغيل الابتكارات من الأجهزة القابلة للارتداء إلى السيارات الكهربائية. مع تطور تقنيات التصنيع، ستستمر التكنولوجيا المضمنة في تجاوز الحدود، مما يوفر للمهندسين أدوات جديدة لتلبية متطلبات أجهزة الغد.