내장형 PCB 부품, 고성능 전자 제품으로 변환

전자 장치의 크기가 계속 작아짐에 따라 엔지니어는 성능이나 신뢰성을 저하시키지 않고 점점 더 제한된 공간에 더 많은 기능을 통합해야 하는 과제에 직면해 있습니다. 인쇄 회로 기판(PCB)의 임베디드 구성 요소 기술은 이러한 딜레마에 대한 획기적인 솔루션을 제공하여 기존 설계 패러다임을 변화시키고 새로운 가능성을 열어줍니다.

내장형 PCB 구성 요소에는 기존 표면 실장 기술(SMT)이나 스루홀 실장을 사용하여 표면에 배치하는 대신 저항기, 커패시터, 심지어 집적 회로(IC)까지 PCB 내부 레이어에 직접 통합하는 작업이 포함됩니다. 이 혁신적인 접근 방식을 통해 구성 요소를 제조 중에 PCB 레이어 내의 미리 만들어진 공동에 내장하거나 수동 요소로 기판 내에 직접 형성할 수 있습니다.

구현 프로세스에는 일반적으로 PCB 레이어 내에 캐비티 또는 오목한 부분을 만들고, 구성 요소를 내장하고, 마이크로비아 또는 구리 트레이스를 통해 연결하는 작업이 포함됩니다. 예를 들어, 저항기는 구리 층 사이에 저항성 재료를 증착하여 형성할 수 있으며 ±15% 허용 오차로 50Ω과 같은 값을 달성할 수 있습니다. 이러한 통합으로 외부 솔더 조인트의 필요성이 줄어들고 기생 인덕턴스가 SMT에 비해 최대 50%까지 크게 낮아져 전기적 성능이 향상됩니다.

전통적인 PCB 설계에서 내장형 구성 요소로의 전환은 중요한 엔지니어링 문제를 해결해야 하는 필요성에 의해 주도됩니다. 이 기술을 돋보이게 하는 몇 가지 주요 장점은 다음과 같습니다.

• 공간 효율성:내장형 구성 요소는 PCB 표면적을 최대 35%까지 줄여 보다 컴팩트한 설계를 가능하게 합니다. 이는 공간 제약이 중요한 웨어러블 장치에 특히 유용합니다.
• 향상된 신호 무결성:상호 연결이 짧을수록 기생 효과가 최소화됩니다. 고주파수 회로(40~50GHz)에서 내장 저항기의 신호 손실은 무시할 수 있으며 때로는 0.1dB 미만으로 SMT 대안보다 성능이 뛰어납니다.
• 향상된 신뢰성:노출된 솔더 조인트가 없으면 내장된 구성 요소는 충격, 진동 및 열 순환을 보다 효과적으로 견딜 수 있습니다. 이는 PCB가 최대 170°C의 극한 온도를 견딜 수 있는 자동차 전자 장치에 매우 중요합니다.
• 더 나은 열 관리:열이 보드 전체에 더욱 고르게 분산되어 핫스팟이 줄어듭니다. 내장형 IC 근처의 열 비아는 열 저항을 20~30% 낮춰 장치 수명을 연장할 수 있습니다.

그러나 이러한 이점에는 장단점이 있습니다. 임베디드 설계로 인해 제조 비용이 15~25% 증가할 수 있으며 조립 후 구성 요소를 쉽게 교체하거나 테스트할 수 없습니다. 이러한 단점에도 불구하고 고성능 또는 공간이 제한된 애플리케이션의 문제점보다 장점이 더 큰 경우가 많습니다.

레이저 드릴링 및 다층 적층으로 정밀한 부품 내장이 가능합니다. 레이저는 10미크론 이내의 깊이 제어로 캐비티를 생성하여 부품이 꼭 맞도록 보장합니다. Wurth Elektronik의 "SOLDER.embedding"과 같은 프로세스는 SMD 부품을 다층 구조로 압착하기 전에 내부 층에 납땜하여 자동차 애플리케이션의 신뢰성을 향상시킵니다.

마이크로비아(직경이 50미크론만큼 작은 작은 구멍)는 내장된 구성 요소를 표면 레이어에 연결합니다. 이를 통해 0.1mm만큼 짧은 신호 경로로 고밀도 라우팅이 가능하며 경우에 따라 인덕턴스를 1nH 미만으로 줄여 HDI(고밀도 상호 연결) ​​설계에 이상적입니다.

저항기 및 커패시터는 저항성 또는 유전체 재료를 사용하여 PCB 내에서 "형성"될 수 있습니다. 형성된 저항기는 정밀도를 위해 에칭 중에 조정된 허용 오차 ±5%로 100Ω을 달성할 수 있습니다. 이는 조립 단계를 줄이고 일관성을 향상시킵니다.

PCB에 탄화규소(SiC) 또는 질화갈륨(GaN) 장치를 내장하는 것이 전력 전자 분야에서 주목을 받고 있습니다. 이러한 WBG 반도체는 최대 100kHz의 속도로 전환되며 이를 내장하면 Schweizer Electronic의 10kW 인버터 설계에서 입증된 것처럼 기생 인덕턴스를 30~40%까지 줄일 수 있습니다.

PCBOnline 프로토타입에서 볼 수 있듯이 마이크로컨트롤러 아래에 저항기와 커패시터를 내장하면 PCB 크기를 35%까지 줄일 수 있습니다. 신호 경로가 짧아지면 무선 전송 신뢰성이 향상되어 전력 손실을 최소화하면서 안정적인 2.4GHz 연결이 가능해집니다.

전기 자동차(EV)는 내장형 전력 전자 장치의 이점을 활용합니다. Schweizer의 p2PACK® 기술을 사용하여 내장된 Infineon의 1200V CoolSiC™ MOSFET은 낮은 열 저항으로 50kW 하프 브리지 설계를 제공합니다. 결과는? 스위칭 손실 감소 및 열 방출 개선으로 인해 기존 패키징에 비해 성능이 35% 향상되었습니다.

60GHz에서 작동하는 RF 감쇠기에서 내장된 저항기는 0.2dB 미만의 신호 손실을 나타냅니다. BGA 패키지 바로 아래에 종단 저항을 배치하면 기생 용량이 감소하여 5G 애플리케이션의 신호 무결성이 향상됩니다.

수동 부품이 내장된 위성 센서는 무게를 20% 줄이고 최대 50G의 진동을 견디며 엄격한 UL 및 IPC 표준을 충족합니다. 이러한 컴팩트함은 모든 그램이 중요한 경우에 매우 중요합니다.

• 배치 정확도:25미크론만 오정렬해도 저항이 10% 증가할 수 있습니다. 공차가 엄격한 CAD 도구를 사용하십시오.
• 열 계획:고전력 구성 요소 근처에 열 비아를 추가합니다. 1W 저항기의 경우 4~6개의 비아(0.3mm 직경)로 열 저항을 25% 낮출 수 있습니다.
• 공차 관리:내장된 저항기는 에칭 변형으로 인해 일반적으로 15~20%의 허용 오차를 갖습니다. 성능을 유지하려면 일관된 임피던스(예: 트레이스 전체에서 50옴)를 설계하세요.
• 제조 가능성:제조업체에 조기에 문의하십시오. 임베디드 설계는 빠른 회전 프로토타입에 비해 더 긴 리드 타임(5~7일)이 필요한 경우가 많습니다.

잠재력에도 불구하고 임베디드 구성 요소 기술은 장애물에 직면해 있습니다. 초기 비용이 높으면(SMT 설계보다 20% 높음) 예산에 민감한 프로젝트가 방해받을 수 있습니다. 결함이 있는 내장 구성 요소를 교체할 수 없기 때문에 테스트도 더욱 어렵습니다. 대량 생산을 위한 마이크로비아 임베딩과 같은 혁신을 확장하는 작업은 여전히 ​​진행 중입니다.

앞으로 임베디드 기술은 3D 통합 및 IoT 수요와 함께 성장할 준비가 되어 있습니다. 분석가들은 더 스마트하고 작은 장치에 대한 요구로 인해 2030년까지 HDI PCB의 50%가 임베디드 구성 요소를 사용할 것으로 예측합니다. 0.5W/mK 열전도율을 갖춘 FR4 대안과 같은 재료의 발전으로 성능이 더욱 향상되고 비용이 절감될 수 있습니다.

PCB 설계에 내장된 구성 요소는 추세 그 이상을 나타내며 전자 장치 엔지니어링 방식을 재정의하고 있습니다. 공간을 절약하고, 성능을 개선하고, 새로운 애플리케이션을 활성화함으로써 웨어러블부터 EV까지 혁신을 주도하고 있습니다. 제조 기술이 발전함에 따라 임베디드 기술은 계속해서 한계를 뛰어넘어 엔지니어에게 미래 장치의 요구 사항을 충족할 수 있는 새로운 도구를 제공할 것입니다.