組み込みPCBコンポーネントが、より高い性能のためにエレクトロニクスを変革します

電子機器のサイズが縮小し続ける中、エンジニアは、パフォーマンスや信頼性を損なうことなく、ますます限られたスペースにさらに多くの機能を統合するという課題に直面しています。プリント基板 (PCB) の組み込みコンポーネント技術は、このジレンマに対する画期的な解決策を提供し、従来の設計パラダイムを変革し、新たな可能性を解き放ちます。

組み込み PCB コンポーネントでは、抵抗器、コンデンサ、さらには集積回路 (IC) を、従来の表面実装技術 (SMT) やスルーホール実装を使用して表面に配置するのではなく、PCB の内部層内に直接統合します。この革新的なアプローチにより、コンポーネントを製造中に PCB 層内の事前に作成されたキャビティに埋め込んだり、受動素子として基板内に直接形成したりすることが可能になります。

通常、実装プロセスには、PCB 層内にキャビティまたは凹部を作成し、コンポーネントを埋め込み、マイクロビアまたは銅配線を介してそれらを接続することが含まれます。たとえば、抵抗器は、銅層の間に抵抗材料を堆積することによって形成でき、±15% の許容差で 50 オームなどの値を実現できます。この統合により、外部のはんだ接合の必要性が減り、寄生インダクタンスが大幅に低下し (多くの場合、SMT と比較して最大 50%)、電気的性能が向上します。

従来の PCB 設計から組み込みコンポーネントへの移行は、重要なエンジニアリング上の課題に対処する必要性によって推進されています。このテクノロジーを際立たせる重要な利点がいくつかあります。

• スペース効率:埋め込みコンポーネントにより PCB 表面積が最大 35% 削減され、よりコンパクトな設計が可能になります。これは、スペースの制約が重要なウェアラブル デバイスにとって特に有益です。
• シグナルインテグリティの向上:相互接続を短くすると、寄生効果が最小限に抑えられます。高周波回路 (40 ～ 50 GHz) では、埋め込み抵抗による信号損失は無視できる程度 (場合によっては 0.1 dB 未満) であり、SMT 代替回路よりも優れた性能を発揮します。
• 信頼性の向上:はんだ接合部が露出しないため、埋め込みコンポーネントは衝撃、振動、熱サイクルに効果的に耐えることができます。これは、PCB が最大 170°C の極端な温度に耐える可能性がある自動車エレクトロニクスにとって非常に重要です。
• より優れた熱管理:熱が全体に均一に分散され、ホットスポットが減少します。埋め込み IC の近くにサーマル ビアを配置すると、熱抵抗が 20 ～ 30% 低下し、デバイスの寿命が延びます。

ただし、これらの利点にはトレードオフが伴います。組み込み設計では製造コストが 15 ～ 25% 増加する可能性があり、組み立て後にコンポーネントを簡単に交換したりテストしたりすることはできません。これらの欠点にもかかわらず、高性能アプリケーションやスペースに制約のあるアプリケーションでは、利点が課題を上回ることがよくあります。

レーザー穴あけ加工と多層積層により、正確な部品の埋め込みが可能になります。レーザーは 10 ミクロン以内の深さ制御でキャビティを作成し、コンポーネントの密着性を確保します。 Würth Elektronik の「SOLDER.embedding」のようなプロセスでは、SMD コンポーネントを多層構造に圧入する前に内層にはんだ付けし、自動車用途の信頼性を高めます。

マイクロビア (直径 50 ミクロンほどの小さな穴) は、埋め込まれたコンポーネントを表面層に接続します。これにより、最短 0.1 mm の信号パスで高密度配線が可能になり、場合によってはインダクタンスが 1 nH 未満に低減され、高密度相互接続 (HDI) 設計に最適です。

抵抗とコンデンサは、抵抗材料または誘電材料を使用して PCB 内に「形成」できます。形成された抵抗器は、精度を高めるためにエッチング中に調整され、許容誤差 ±5% で 100 オームを達成する可能性があります。これにより、組み立て手順が減り、一貫性が向上します。

パワーエレクトロニクスでは、炭化ケイ素 (SiC) または窒化ガリウム (GaN) デバイスを PCB に埋め込むことが注目を集めています。これらの WBG 半導体は最大 100 kHz の速度でスイッチングし、Schweizer Electronic の 10 kW インバータ設計で実証されているように、WBG 半導体を組み込むことで寄生インダクタンスを 30 ～ 40% 削減できます。

PCBOnline プロトタイプで見られるように、マイクロコントローラーの下に抵抗とコンデンサーを埋め込むことにより、PCB サイズを 35% 縮小できます。信号経路が短いことでワイヤレス伝送の信頼性も向上し、電力損失を最小限に抑えながら安定した 2.4 GHz 接続が可能になります。

電気自動車 (EV) は、組み込みパワー エレクトロニクスの恩恵を受けます。インフィニオンの1200 V CoolSiC™ MOSFETは、シュバイザーのp2PACK®テクノロジーを使用して組み込まれており、熱抵抗が低い50 kWのハーフブリッジ設計を実現します。結果？スイッチング損失の低減と熱放散の改善により、従来のパッケージと比べてパフォーマンスが 35% 向上します。

60 GHz で動作する RF 減衰器では、埋め込み抵抗による信号損失は 0.2 dB 未満です。 BGA パッケージの直下に終端抵抗を配置すると、寄生容量が減少し、5G アプリケーションの信号の整合性が向上します。

受動部品が組み込まれた衛星センサーは 20% の軽量化を達成し、最大 50 G の振動に耐え、厳しい UL および IPC 規格を満たしています。 1 グラム単位が重要な場合、このコンパクトさは非常に重要です。

• 配置精度:わずか 25 ミクロンの位置ずれにより、抵抗が 10% 増加する可能性があります。公差が厳しい CAD ツールを使用してください。
• 熱計画:高電力コンポーネントの近くにサーマルビアを追加します。 1 W の抵抗の場合、ビア (直径 0.3 mm) を 4 ～ 6 個使用すると、熱抵抗を 25% 下げることができます。
• 公差管理:埋め込み抵抗器には通常、エッチングのばらつきにより 15 ～ 20% の許容誤差があります。パフォーマンスを維持するために、一貫したインピーダンス (たとえば、配線間で 50 オーム) になるように設計します。
• 製造可能性:早めにメーカーにご相談ください。組み込み設計は、クイックターン プロトタイプと比較して長いリード タイム (5 ～ 7 日) を必要とすることがよくあります。

その可能性にもかかわらず、組み込みコンポーネント技術はハードルに直面しています。初期費用が高い (SMT 設計より 20% 高い) と、予算重視のプロジェクトが妨げられる可能性があります。欠陥のある組み込みコンポーネントは交換できないため、テストもより困難になります。大量生産に向けたマイクロビア埋め込みなどのイノベーションの拡張は、まだ進行中です。

将来を見据えると、組み込みテクノロジーは 3D 統合と IoT の需要に伴って成長する見込みです。アナリストは、よりスマートで小型のデバイスのニーズにより、2030 年までに HDI PCB の 50% が組み込みコンポーネントを使用すると予測しています。熱伝導率 0.5 W/mK の FR4 代替品などの材料の進歩により、性能がさらに向上し、コストが削減される可能性があります。

PCB 設計における組み込みコンポーネントは単なるトレンドではなく、エレクトロニクスの設計方法を再定義しています。スペースを節約し、パフォーマンスを向上させ、新しいアプリケーションを可能にすることで、ウェアラブルから EV までのイノベーションを推進しています。製造技術が進化するにつれて、組み込み技術は限界を押し広げ続け、将来のデバイスの要求を満たす新しいツールをエンジニアに提供します。