Principali vantaggi e pratiche nella progettazione di PCB incorporati

Dato che i dispositivi elettronici continuano a ridursi di dimensioni, mentre richiedono prestazioni più elevate, la tecnologia di montaggio superficiale tradizionale (SMT) deve affrontare sfide crescenti nell'utilizzo dello spazio, nell'integrità del segnale,e gestione termicaLa progettazione di PCB integrati è emersa come soluzione, integrando componenti passivi e attivi direttamente negli strati interni dei circuiti stampati.Rompere i limiti della SMT convenzionale e aprire nuove possibilità di innovazione dei prodotti elettronici.

I PCB a componente incorporato, come suggerisce il nome, incorporano componenti elettronici (in genere elementi passivi come resistori, condensatori e induttori,ma anche componenti attivi come i circuiti integrati) direttamente negli strati interni delle schede a circuiti stampatiRispetto alla SMT tradizionale, questa tecnologia di produzione avanzata migliora significativamente l'utilizzo dello spazio della scheda, migliora le prestazioni elettriche e termiche e aumenta l'affidabilità del prodotto.

I componenti incorporati sono elementi che non sono più montati come parti discrete sulla superficie del PCB, ma sono invece fabbricati o assemblati all'interno della scheda tramite processi specializzati.Questi possono includere componenti passivi come resistoriI metodi di implementazione includono la tecnologia a film sottile, la tecnologia a film spesso, le tecniche di co-firing e i processi di laminazione.

• di una lunghezza superiore a 50 mmCreato utilizzando materiali resistivi specializzati (come leghe di nichel-cromo o pellicole di carbonio) all'interno degli strati interni del PCB.e spessore.
• con una tensione di potenza superiore a 50 WFormata utilizzando materiali dielettrici ad alta permeabilità negli strati interni del PCB. La capacità è controllata regolando la superficie dielettrica e lo spessore,con strutture comuni, compresi i condensatori impilati e planari.
• di una lunghezza superiore a 50 mmI valori di induttanza vengono regolati modificando il numero di giri, la larghezza del conduttore e la spaziatura.
• IC incorporate:I chip nudi sono incorporati direttamente nel PCB e collegati elettricamente attraverso tecnologie di micro-interconnessione come flip-chip o chip stacking,riducendo significativamente le dimensioni e il peso del prodotto migliorando al contempo le prestazioni elettriche.

Sebbene siano simili nella costruzione di base ai PCB tradizionali (con substrato, strati conduttivi e isolamento), i PCB a componenti incorporati integrano elementi elettronici all'interno dei loro strati interni.Questo richiede in genere la creazione di cavità o finestre negli strati interni per ospitare i componenti, che vengono quindi fissati attraverso processi di laminazione, riempimento o incapsulamento.

Rispetto alla SMT convenzionale, i PCB integrati offrono vantaggi significativi:

Integrando i componenti all'interno, questi PCB liberano superficie,consentendo più funzionalità nella stessa dimensione della scheda o schede più piccole per funzionalità equivalenti, particolarmente utili per le schede ad alta densità, elettronica miniaturizzata.

• Effetti parassitari ridotti:I percorsi di connessione più brevi riducono al minimo la capacità e l'induttanza parasitaria, migliorando la velocità e la qualità della trasmissione del segnale, particolarmente critica per i circuiti ad alta frequenza.
• Integrità del segnale migliorata:Un migliore controllo dell'impedenza riduce la riflessione e la distorsione del segnale, fondamentali per i circuiti digitali e RF ad alta velocità.
• EMI più basso:L'area di radiazione ridotta riduce le interferenze elettromagnetiche, con una protezione aggiuntiva possibile attraverso strati di PCB.

Il contatto diretto con gli strati termici del PCB migliora la dissipazione del calore, mentre gli strati interni di rame aiutano a distribuire il calore, abbassando le temperature dei componenti e migliorando l'affidabilità.

• Meno giunti di saldatura:I punti di saldatura ridotti riducono i rischi di guasto in questi punti deboli comuni.
• Miglioramento della resistenza alle vibrazioni:I componenti fissati internamente resistono a maggiori sollecitazioni meccaniche.
• Migliore resistenza ambientale:Migliore protezione contro l'umidità, la corrosione e altri fattori ambientali.

Mentre i costi di produzione sono in genere più elevati rispetto ai PCB SMT, i progetti incorporati possono ridurre le spese complessive attraverso un minor numero di componenti, dimensioni più piccole delle schede,e una maggiore longevità che riduce i costi di manutenzione e sostituzione.

I materiali chiave comprendono i materiali di substrato (considerando le proprietà elettriche, termiche e meccaniche), i materiali di resistenza (concentrandosi sulla resistività e sulla stabilità),e materiali per condensatori (prioritando le proprietà dielettriche).

L'organizzazione ottimale dei strati deve tenere conto del posizionamento dei componenti (vicino agli strati di segnale), della prossimità del piano di potenza/terra, dei requisiti di schermatura e dello spessore dell'isolamento.

Gli elementi critici devono essere posizionati vicino ai connettori, alle fonti di calore vicino alle soluzioni termiche, ai componenti ad alta frequenza vicino ai piani di terra e agli elementi di alimentazione adiacenti ai carichi.

Le linee di segnale dovrebbero essere corte e dirette, le linee elettriche larghe per la capacità corrente, i piani di terra continui e le vie ridotte al minimo per ridurre gli effetti dei parassiti.

Una gestione efficace del calore include dissipatori di calore, vie termiche, materiali di interfaccia conduttivi e possibilmente raffreddamento forzato.

• Preparazione del substrato
• Modello dello strato interno
• Incorporazione di componenti
• Laminatura in condizioni precise
• Perforazione e rivestimento
• Modello dello strato esterno
• Finitura superficiale
• Test completi

I PCB integrati stanno trasformando molteplici industrie:

• Comunicazioni mobili:Riduzione dimensione/peso migliorando le prestazioni di smartphone e tablet
• Aerospaziale:Migliorare l'affidabilità in ambienti difficili
• elettronica medica:Fornire precisione e stabilità per le applicazioni sanitarie
• Automotive:Rispetto di rigorosi standard di affidabilità
• Controllo industriale:Resistenza a condizioni di funzionamento complesse

La tecnologia si sta evolvendo verso:

• Integrazione di densità superiore
• Miglioramento delle prestazioni grazie a materiali avanzati
• Riduzione dei costi di produzione
• Maggiore funzionalità con sensori e attuatori integrati

Tra le raccomandazioni principali figurano:

• Selezione dei materiali in base ai requisiti applicativi
• Ottimizzazione degli stackup di livello per ridurre al minimo i problemi di segnale
• Posizionamento strategico dei componenti tenendo conto dei fattori termici ed elettrici
• Appropriate tecniche di routing
• Test completi prima e dopo la fabbricazione

La tecnologia dei componenti integrati per PCB rappresenta un significativo progresso nella produzione elettronica, offrendo un'efficienza spaziale, prestazioni elettriche, gestione termica e affidabilità superiori.Mentre la tecnologia continua a maturare, le sue applicazioni si espanderanno in tutti i settori, consentendo lo sviluppo di dispositivi elettronici più piccoli, veloci e robusti.