Komponen PCB Tertanam Mengubah Elektronik untuk Kinerja Lebih Tinggi

Seiring dengan terus menyusutnya ukuran perangkat elektronik, para insinyur menghadapi tantangan untuk mengintegrasikan lebih banyak fungsi ke dalam ruang yang semakin terbatas tanpa mengorbankan kinerja atau keandalan. Teknologi komponen tertanam dalam papan sirkuit cetak (PCB) menawarkan solusi terobosan untuk dilema ini, mengubah paradigma desain tradisional dan membuka kemungkinan baru.

Komponen PCB tertanam melibatkan pengintegrasian resistor, kapasitor, dan bahkan sirkuit terpadu (IC) langsung di dalam lapisan internal PCB, alih-alih menempatkannya di permukaan menggunakan teknologi pemasangan permukaan (SMT) tradisional atau pemasangan melalui lubang. Pendekatan inovatif ini memungkinkan komponen untuk ditanamkan ke dalam rongga pra-buat di dalam lapisan PCB selama manufaktur atau dibentuk langsung di dalam substrat sebagai elemen pasif.

Proses implementasi biasanya mencakup pembuatan rongga atau reses di dalam lapisan PCB, penanaman komponen, dan menghubungkannya melalui microvia atau jejak tembaga. Misalnya, resistor dapat dibentuk dengan mengendapkan bahan resistif di antara lapisan tembaga, mencapai nilai seperti 50 ohm dengan toleransi ±15%. Integrasi ini mengurangi kebutuhan akan sambungan solder eksternal dan secara signifikan menurunkan induktansi parasit—seringkali hingga 50% dibandingkan dengan SMT—menghasilkan peningkatan kinerja listrik.

Pergeseran dari desain PCB tradisional ke komponen tertanam didorong oleh kebutuhan untuk mengatasi tantangan rekayasa yang kritis. Beberapa keunggulan utama membuat teknologi ini menonjol:

• Efisiensi Ruang: Komponen tertanam dapat mengurangi luas permukaan PCB hingga 35%, memungkinkan desain yang lebih ringkas. Hal ini sangat berharga untuk perangkat yang dapat dikenakan, di mana batasan ruang sangat penting.
• Integritas Sinyal yang Ditingkatkan: Interkoneksi yang lebih pendek meminimalkan efek parasit. Dalam sirkuit frekuensi tinggi (40–50 GHz), hilangnya sinyal dari resistor tertanam dapat diabaikan—terkadang di bawah 0,1 dB—mengungguli alternatif SMT.
• Keandalan yang Ditingkatkan: Tanpa sambungan solder yang terbuka, komponen tertanam tahan terhadap guncangan, getaran, dan siklus termal secara lebih efektif. Hal ini sangat penting untuk elektronik otomotif, di mana PCB dapat bertahan pada suhu ekstrem hingga 170°C.
• Manajemen Termal yang Lebih Baik: Panas didistribusikan lebih merata di seluruh papan, mengurangi titik panas. Vias termal di dekat IC tertanam dapat menurunkan resistansi termal sebesar 20–30%, memperpanjang umur perangkat.

Namun, manfaat ini datang dengan trade-off. Desain tertanam dapat meningkatkan biaya manufaktur sebesar 15–25%, dan komponen tidak dapat dengan mudah diganti atau diuji setelah perakitan. Terlepas dari kekurangan ini, keunggulannya seringkali lebih besar daripada tantangan untuk aplikasi berkinerja tinggi atau terbatas ruang.

Pengeboran laser dan laminasi multilayer memungkinkan penanaman komponen yang presisi. Laser membuat rongga dengan kontrol kedalaman dalam 10 mikron, memastikan kesesuaian komponen yang ketat. Proses seperti "SOLDER.embedding" Würth Elektronik menyolder komponen SMD ke lapisan dalam sebelum menekannya ke dalam struktur multilayer, meningkatkan keandalan untuk aplikasi otomotif.

Microvia—lubang kecil berdiameter hanya 50 mikron—menghubungkan komponen tertanam ke lapisan permukaan. Hal ini memungkinkan perutean kepadatan tinggi dengan jalur sinyal sekecil 0,1 mm, mengurangi induktansi menjadi di bawah 1 nH dalam beberapa kasus, yang ideal untuk desain interkoneksi kepadatan tinggi (HDI).

Resistor dan kapasitor dapat "dibentuk" di dalam PCB menggunakan bahan resistif atau dielektrik. Resistor yang terbentuk dapat mencapai 100 ohm dengan toleransi ±5%, disesuaikan selama etsa untuk presisi. Hal ini mengurangi langkah perakitan dan meningkatkan konsistensi.

Penanaman perangkat silikon karbida (SiC) atau galium nitrida (GaN) di PCB semakin populer dalam elektronika daya. Semikonduktor WBG ini beralih pada kecepatan hingga 100 kHz, dan penanamannya dapat mengurangi induktansi parasit sebesar 30–40%, seperti yang ditunjukkan dalam desain inverter 10 kW Schweizer Electronic.

Dengan menanamkan resistor dan kapasitor di bawah mikrokontroler, ukuran PCB dapat menyusut hingga 35%, seperti yang terlihat pada prototipe PCBOnline. Jalur sinyal yang lebih pendek juga meningkatkan keandalan transmisi nirkabel, memungkinkan konektivitas 2,4 GHz yang stabil dengan kehilangan daya minimal.

Kendaraan listrik (EV) mendapat manfaat dari elektronik daya tertanam. MOSFET CoolSiC™ 1200 V Infineon, tertanam menggunakan teknologi p2PACK® Schweizer, memberikan desain setengah jembatan 50 kW dengan resistansi termal rendah. Hasilnya? Peningkatan kinerja 35% dibandingkan dengan pengemasan tradisional karena pengurangan kerugian switching dan peningkatan pembuangan panas.

Dalam peredam RF yang beroperasi pada 60 GHz, resistor tertanam menunjukkan hilangnya sinyal di bawah 0,2 dB. Penempatan resistor terminasi langsung di bawah paket BGA mengurangi kapasitansi parasit, meningkatkan integritas sinyal untuk aplikasi 5G.

Sensor satelit dengan komponen pasif tertanam mencapai pengurangan berat 20% dan tahan terhadap getaran hingga 50 G, memenuhi standar UL dan IPC yang ketat. Kekompakan ini sangat penting di mana setiap gram berarti.

• Akurasi Penempatan: Kesalahan penyelarasan hanya 25 mikron dapat meningkatkan resistansi sebesar 10%. Gunakan alat CAD dengan toleransi yang ketat.
• Perencanaan Termal: Tambahkan vias termal di dekat komponen berdaya tinggi. Untuk resistor 1 W, 4–6 vias (diameter 0,3 mm) dapat menurunkan resistansi termal sebesar 25%.
• Manajemen Toleransi: Resistor tertanam biasanya memiliki toleransi 15–20% karena variasi etsa. Rancang untuk impedansi yang konsisten (misalnya, 50 ohm di seluruh jejak) untuk mempertahankan kinerja.
• Kemampuan Manufaktur: Konsultasikan dengan produsen sejak dini. Desain tertanam seringkali membutuhkan waktu tunggu yang lebih lama (5–7 hari) dibandingkan dengan prototipe cepat.

Terlepas dari potensinya, teknologi komponen tertanam menghadapi rintangan. Biaya di muka yang lebih tinggi (20% lebih banyak daripada desain SMT) dapat menghalangi proyek yang sensitif terhadap anggaran. Pengujian juga lebih menantang, karena komponen tertanam yang rusak tidak dapat diganti. Peningkatan inovasi seperti penanaman microvia untuk produksi massal masih dalam pengerjaan.

Ke depan, teknologi tertanam siap untuk berkembang dengan integrasi 3D dan tuntutan IoT. Analis memprediksi bahwa pada tahun 2030, 50% PCB HDI akan menggunakan komponen tertanam, didorong oleh kebutuhan akan perangkat yang lebih cerdas dan lebih kecil. Kemajuan dalam bahan—seperti alternatif FR4 dengan konduktivitas termal 0,5 W/mK—dapat lebih meningkatkan kinerja dan mengurangi biaya.

Komponen tertanam dalam desain PCB mewakili lebih dari sekadar tren—mereka mendefinisikan ulang bagaimana elektronik direkayasa. Dengan menghemat ruang, meningkatkan kinerja, dan memungkinkan aplikasi baru, mereka memberdayakan inovasi dari perangkat yang dapat dikenakan hingga EV. Seiring dengan berkembangnya teknik manufaktur, teknologi tertanam akan terus mendorong batasan, menawarkan kepada para insinyur alat baru untuk memenuhi tuntutan perangkat masa depan.