Geïntegreerde PCB-componenten transformeren elektronica voor hogere prestaties

Nu elektronische apparaten steeds kleiner worden, staan ingenieurs voor de uitdaging om meer functionaliteit te integreren in steeds beperktere ruimtes zonder de prestaties of betrouwbaarheid in gevaar te brengen. Embedded componenttechnologie in printplaten (PCB's) biedt een baanbrekende oplossing voor dit dilemma, transformeert traditionele ontwerpparadigma's en ontsluit nieuwe mogelijkheden.

Embedded PCB-componenten omvatten het direct integreren van weerstanden, condensatoren en zelfs geïntegreerde circuits (IC's) in de interne lagen van een PCB, in plaats van ze op het oppervlak te plaatsen met behulp van traditionele surface-mount technology (SMT) of through-hole montage. Deze innovatieve aanpak maakt het mogelijk om componenten tijdens de productie in voorgevormde holtes binnen de PCB-lagen in te bedden of direct binnen het substraat te vormen als passieve elementen.

Het implementatieproces omvat doorgaans het creëren van holtes of uitsparingen binnen PCB-lagen, het inbedden van componenten en het verbinden ervan via microvias of koperbanen. Zo kunnen weerstanden worden gevormd door resistief materiaal tussen koperlagen af te zetten, waarbij waarden zoals 50 ohm met ±15% tolerantie worden bereikt. Deze integratie vermindert de behoefte aan externe soldeerverbindingen en verlaagt de parasitaire inductie aanzienlijk—vaak met wel 50% in vergelijking met SMT—wat resulteert in verbeterde elektrische prestaties.

De overstap van traditionele PCB-ontwerpen naar embedded componenten wordt gedreven door de behoefte om kritieke technische uitdagingen aan te pakken. Verschillende belangrijke voordelen maken deze technologie opvallend:

• Ruimte-efficiëntie:Embedded componenten kunnen het PCB-oppervlak met wel 35% verminderen, waardoor compactere ontwerpen mogelijk zijn. Dit is met name waardevol voor draagbare apparaten, waar ruimtebeperkingen cruciaal zijn.
• Verbeterde signaalintegriteit:Kortere interconnecties minimaliseren parasitaire effecten. In hoogfrequente circuits (40–50 GHz) kan signaalverlies van embedded weerstanden verwaarloosbaar zijn—soms minder dan 0,1 dB—wat beter presteert dan SMT-alternatieven.
• Verbeterde betrouwbaarheid:Zonder blootliggende soldeerverbindingen zijn embedded componenten beter bestand tegen schokken, trillingen en thermische cycli. Dit is cruciaal voor automotive elektronica, waar PCB's extreme temperaturen tot 170°C kunnen doorstaan.
• Betere thermische management:Warmte verdeelt zich gelijkmatiger over de printplaat, waardoor hotspots worden verminderd. Thermische vias in de buurt van embedded IC's kunnen de thermische weerstand met 20–30% verlagen, waardoor de levensduur van het apparaat wordt verlengd.

Deze voordelen gaan echter gepaard met afwegingen. Embedded ontwerpen kunnen de productiekosten met 15–25% verhogen en componenten kunnen na montage niet gemakkelijk worden vervangen of getest. Ondanks deze nadelen wegen de voordelen vaak op tegen de uitdagingen voor hoogwaardige of ruimtebeperkte toepassingen.

Laserboren en meerlaags lamineren maken nauwkeurige componentinbedding mogelijk. Lasers creëren holtes met dieptecontrole binnen 10 micron, wat zorgt voor een nauwkeurige pasvorm van de componenten. Processen zoals Würth Elektronik's "SOLDER.embedding" solderen SMD-componenten op binnenlagen voordat ze in meerlaagse structuren worden geperst, wat de betrouwbaarheid voor automotive toepassingen verbetert.

Microvias—kleine gaatjes met een diameter van slechts 50 micron—verbinden embedded componenten met oppervlaktelagen. Dit maakt routing met hoge dichtheid mogelijk met signaalpaden van slechts 0,1 mm, waardoor de inductie in sommige gevallen tot onder de 1 nH wordt verminderd, wat ideaal is voor HDI-ontwerpen (high-density interconnect).

Weerstanden en condensatoren kunnen binnen PCB's worden "gevormd" met behulp van resistieve of diëlektrische materialen. Een gevormde weerstand kan 100 ohm bereiken met ±5% tolerantie, aangepast tijdens het etsen voor precisie. Dit vermindert de montagestappen en verbetert de consistentie.

Het inbedden van siliciumcarbide (SiC) of galliumnitride (GaN) apparaten in PCB's wint aan populariteit in vermogenselektronica. Deze WBG-halfgeleiders schakelen met snelheden tot 100 kHz en het inbedden ervan kan de parasitaire inductie met 30–40% verminderen, zoals aangetoond in Schweizer Electronic's 10 kW omvormerontwerp.

Door weerstanden en condensatoren onder microcontrollers in te bedden, kan de PCB-grootte met 35% worden verkleind, zoals te zien is in een PCBOnline-prototype. Kortere signaalpaden verbeteren ook de betrouwbaarheid van draadloze transmissie, waardoor stabiele 2,4 GHz-connectiviteit met minimaal vermogensverlies mogelijk is.

Elektrische voertuigen (EV's) profiteren van embedded vermogenselektronica. Infineon's 1200 V CoolSiC™ MOSFET's, ingebed met behulp van Schweizer's p2PACK®-technologie, leveren een 50 kW half-bridge ontwerp met lage thermische weerstand. Het resultaat? Een prestatieverbetering van 35% ten opzichte van traditionele verpakkingen dankzij verminderde schakelverliezen en verbeterde warmteafvoer.

In RF-dempers die werken op 60 GHz, vertonen embedded weerstanden signaalverlies van minder dan 0,2 dB. Het plaatsen van afsluitweerstanden direct onder BGA-pakketten vermindert de parasitaire capaciteit, waardoor de signaalintegriteit voor 5G-toepassingen wordt verbeterd.

Satellietsensoren met embedded passieve componenten bereiken een gewichtsvermindering van 20% en zijn bestand tegen trillingen tot 50 G, wat voldoet aan strenge UL- en IPC-normen. Deze compactheid is cruciaal waar elke gram telt.

• Plaatsingsnauwkeurigheid:Verkeerde uitlijning met slechts 25 micron kan de weerstand met 10% verhogen. Gebruik CAD-tools met nauwe toleranties.
• Thermische planning:Voeg thermische vias toe in de buurt van componenten met hoog vermogen. Voor een weerstand van 1 W kunnen 4–6 vias (0,3 mm diameter) de thermische weerstand met 25% verlagen.
• Tolerantiemanagement:Embedded weerstanden hebben doorgaans een tolerantie van 15–20% als gevolg van etsvariaties. Ontwerp voor consistente impedantie (bijv. 50 ohm over sporen) om de prestaties te behouden.
• Produceerbaarheid:Raadpleeg fabrikanten vroegtijdig. Embedded ontwerpen vereisen vaak langere doorlooptijden (5–7 dagen) in vergelijking met snelle prototypes.

Ondanks het potentieel staat de embedded componenttechnologie voor hindernissen. Hogere initiële kosten (20% meer dan SMT-ontwerpen) kunnen budgetgevoelige projecten afschrikken. Testen is ook uitdagender, omdat defecte embedded componenten niet kunnen worden vervangen. Het opschalen van innovaties zoals microvia-inbedding voor massaproductie is nog in ontwikkeling.

Vooruitkijkend zal de embedded technologie naar verwachting groeien met 3D-integratie en IoT-eisen. Analisten voorspellen dat in 2030 50% van de HDI-PCB's embedded componenten zal gebruiken, gedreven door de behoefte aan slimmere, kleinere apparaten. Verbeteringen in materialen—zoals FR4-alternatieven met een thermische geleidbaarheid van 0,5 W/mK—kunnen de prestaties verder verbeteren en de kosten verlagen.

Embedded componenten in PCB-ontwerp vertegenwoordigen meer dan een trend—ze herdefiniëren hoe elektronica wordt ontworpen. Door ruimte te besparen, de prestaties te verbeteren en nieuwe toepassingen mogelijk te maken, stimuleren ze innovaties van wearables tot EV's. Naarmate de productietechnieken evolueren, zal de embedded technologie grenzen blijven verleggen en ingenieurs nieuwe tools bieden om te voldoen aan de eisen van de apparaten van morgen.