اجزای تعبیه‌شده‌ی PCB، الکترونیک را برای عملکرد بالاتر متحول می‌کنند.

با کوچک‌تر شدن مداوم دستگاه‌های الکترونیکی، مهندسان با چالش ادغام عملکردهای بیشتر در فضاهای فزاینده محدود، بدون به خطر انداختن عملکرد یا قابلیت اطمینان، مواجه هستند. فناوری اجزای تعبیه‌شده در بردهای مدار چاپی (PCB) راه‌حلی پیشگامانه برای این معضل ارائه می‌دهد، پارادایم‌های طراحی سنتی را متحول می‌کند و امکانات جدیدی را باز می‌کند.

اجزای PCB تعبیه‌شده شامل ادغام مقاومت‌ها، خازن‌ها و حتی مدارهای مجتمع (IC) مستقیماً در لایه‌های داخلی یک PCB است، به جای قرار دادن آنها روی سطح با استفاده از فناوری سنتی نصب سطحی (SMT) یا نصب از طریق سوراخ. این رویکرد نوآورانه به اجزا اجازه می‌دهد تا در حفره‌های از پیش ساخته شده در داخل لایه‌های PCB در طول تولید تعبیه شوند یا مستقیماً در داخل بستر به عنوان عناصر غیرفعال شکل بگیرند.

فرآیند پیاده‌سازی معمولاً شامل ایجاد حفره‌ها یا فرورفتگی‌ها در داخل لایه‌های PCB، تعبیه اجزا و اتصال آنها از طریق میکروویاها یا ردیابی‌های مسی است. به عنوان مثال، مقاومت‌ها را می‌توان با رسوب مواد مقاومتی بین لایه‌های مسی تشکیل داد و به مقادیری مانند 50 اهم با تلرانس 15%± رسید. این ادغام نیاز به اتصالات لحیم‌کاری خارجی را کاهش می‌دهد و به طور قابل توجهی اندوکتانس انگلی را کاهش می‌دهد—اغلب تا 50% در مقایسه با SMT—که منجر به بهبود عملکرد الکتریکی می‌شود.

تغییر از طرح‌های PCB سنتی به اجزای تعبیه‌شده ناشی از نیاز به رسیدگی به چالش‌های مهندسی حیاتی است. چندین مزیت کلیدی این فناوری را متمایز می‌کند:

• بهره‌وری فضا:اجزای تعبیه‌شده می‌توانند سطح PCB را تا 35% کاهش دهند و امکان طراحی‌های فشرده‌تر را فراهم کنند. این امر به ویژه برای دستگاه‌های پوشیدنی که محدودیت‌های فضا حیاتی هستند، ارزشمند است.
• یکپارچگی سیگنال بهبود یافته:اتصالات کوتاهتر اثرات انگلی را به حداقل می‌رساند. در مدارهای با فرکانس بالا (40–50 گیگاهرتز)، تلفات سیگنال از مقاومت‌های تعبیه‌شده می‌تواند ناچیز باشد—گاهی اوقات کمتر از 0.1 دسی‌بل—که از جایگزین‌های SMT بهتر عمل می‌کند.
• قابلیت اطمینان افزایش یافته:بدون اتصالات لحیم‌کاری در معرض دید، اجزای تعبیه‌شده در برابر ضربه، لرزش و چرخه حرارتی مقاومت بیشتری دارند. این امر برای الکترونیک خودرو که در آن PCBها ممکن است دماهای شدید تا 170 درجه سانتی‌گراد را تحمل کنند، بسیار مهم است.
• مدیریت حرارتی بهتر:گرما به طور مساوی‌تری در سراسر برد توزیع می‌شود و نقاط داغ را کاهش می‌دهد. ویاهای حرارتی در نزدیکی ICهای تعبیه‌شده می‌توانند مقاومت حرارتی را 20 تا 30 درصد کاهش دهند و عمر دستگاه را افزایش دهند.

با این حال، این مزایا با مبادله‌هایی همراه است. طرح‌های تعبیه‌شده ممکن است هزینه‌های تولید را 15 تا 25 درصد افزایش دهند و اجزا را نمی‌توان به راحتی پس از مونتاژ تعویض یا آزمایش کرد. با وجود این معایب، مزایا اغلب بر چالش‌ها برای برنامه‌های با عملکرد بالا یا محدودیت فضا غلبه می‌کنند.

حفاری لیزری و لمیناسیون چند لایه، تعبیه دقیق اجزا را امکان‌پذیر می‌کند. لیزرها حفره‌هایی با کنترل عمق در 10 میکرون ایجاد می‌کنند و از تناسب محکم اجزا اطمینان حاصل می‌کنند. فرآیندهایی مانند «SOLDER.embedding» Würth Elektronik اجزای SMD لحیم‌کاری را روی لایه‌های داخلی قبل از فشار دادن آنها به ساختارهای چند لایه انجام می‌دهند و قابلیت اطمینان را برای کاربردهای خودرو افزایش می‌دهند.

میکروویاها—سوراخ‌های ریز به قطر 50 میکرون—اجزای تعبیه‌شده را به لایه‌های سطحی متصل می‌کنند. این امر مسیریابی با چگالی بالا را با مسیرهای سیگنال به کوتاهی 0.1 میلی‌متر امکان‌پذیر می‌کند و اندوکتانس را در برخی موارد به زیر 1 نانو هانری کاهش می‌دهد که برای طرح‌های اتصال متقابل با چگالی بالا (HDI) ایده‌آل است.

مقاومت‌ها و خازن‌ها را می‌توان با استفاده از مواد مقاومتی یا دی‌الکتریک در داخل PCBها «شکل داد». یک مقاومت شکل‌گرفته ممکن است 100 اهم با تلرانس 5%± به دست آورد که در طول اچینگ برای دقت تنظیم می‌شود. این امر مراحل مونتاژ را کاهش می‌دهد و سازگاری را بهبود می‌بخشد.

تعبیه دستگاه‌های کاربید سیلیکون (SiC) یا نیترید گالیوم (GaN) در PCBها در الکترونیک قدرت در حال افزایش است. این نیمه‌رساناهای WBG با سرعت تا 100 کیلوهرتز سوئیچ می‌شوند و تعبیه آنها می‌تواند اندوکتانس انگلی را 30 تا 40 درصد کاهش دهد، همانطور که در طراحی اینورتر 10 کیلووات Schweizer Electronic نشان داده شده است.

با تعبیه مقاومت‌ها و خازن‌ها در زیر میکروکنترلرها، اندازه PCB می‌تواند 35 درصد کاهش یابد، همانطور که در نمونه اولیه PCBOnline مشاهده می‌شود. مسیرهای سیگنال کوتاه‌تر نیز قابلیت اطمینان انتقال بی‌سیم را افزایش می‌دهند و اتصال 2.4 گیگاهرتز پایدار را با حداقل تلفات توان امکان‌پذیر می‌کنند.

وسایل نقلیه الکتریکی (EV) از الکترونیک قدرت تعبیه‌شده بهره‌مند می‌شوند. MOSFETهای 1200 ولت CoolSiC™ Infineon که با استفاده از فناوری p2PACK® Schweizer تعبیه شده‌اند، یک طراحی نیمه‌پل 50 کیلوواتی با مقاومت حرارتی کم ارائه می‌دهند. نتیجه؟ افزایش 35 درصدی عملکرد نسبت به بسته‌بندی سنتی به دلیل کاهش تلفات سوئیچینگ و بهبود اتلاف گرما.

در تضعیف‌کننده‌های RF که در 60 گیگاهرتز کار می‌کنند، مقاومت‌های تعبیه‌شده تلفات سیگنال زیر 0.2 دسی‌بل را نشان می‌دهند. قرار دادن مقاومت‌های ترمینال مستقیماً در زیر بسته‌های BGA، ظرفیت انگلی را کاهش می‌دهد و یکپارچگی سیگنال را برای برنامه‌های 5G بهبود می‌بخشد.

سنسورهای ماهواره‌ای با اجزای غیرفعال تعبیه‌شده، 20 درصد کاهش وزن را به دست می‌آورند و در برابر لرزش تا 50 G مقاومت می‌کنند و استانداردهای سختگیرانه UL و IPC را برآورده می‌کنند. این فشرده‌سازی در جایی که هر گرم مهم است، حیاتی است.

• دقت قرارگیری:عدم هم‌ترازی فقط 25 میکرون می‌تواند مقاومت را 10 درصد افزایش دهد. از ابزارهای CAD با تلرانس‌های محکم استفاده کنید.
• برنامه‌ریزی حرارتی:ویاهای حرارتی را در نزدیکی اجزای پرقدرت اضافه کنید. برای یک مقاومت 1 واتی، 4 تا 6 ویا (قطر 0.3 میلی‌متر) می‌تواند مقاومت حرارتی را 25 درصد کاهش دهد.
• مدیریت تلرانس:مقاومت‌های تعبیه‌شده معمولاً دارای تلرانس 15 تا 20 درصد به دلیل تغییرات اچینگ هستند. برای امپدانس ثابت (به عنوان مثال، 50 اهم در سراسر ردیابی‌ها) طراحی کنید تا عملکرد حفظ شود.
• قابلیت ساخت:زودتر با تولیدکنندگان مشورت کنید. طرح‌های تعبیه‌شده اغلب به زمان‌های تحویل طولانی‌تری (5 تا 7 روز) در مقایسه با نمونه‌های اولیه سریع نیاز دارند.

با وجود پتانسیل آن، فناوری اجزای تعبیه‌شده با موانعی مواجه است. هزینه‌های اولیه بالاتر (20 درصد بیشتر از طرح‌های SMT) ممکن است پروژه‌های حساس به بودجه را منصرف کند. آزمایش نیز چالش‌برانگیزتر است، زیرا اجزای تعبیه‌شده معیوب را نمی‌توان تعویض کرد. مقیاس‌بندی نوآوری‌هایی مانند تعبیه میکروویا برای تولید انبوه همچنان در حال پیشرفت است.

با نگاهی به آینده، فناوری تعبیه‌شده قرار است با ادغام سه‌بعدی و تقاضای IoT رشد کند. تحلیلگران پیش‌بینی می‌کنند که تا سال 2030، 50 درصد از PCBهای HDI از اجزای تعبیه‌شده استفاده خواهند کرد که ناشی از نیاز به دستگاه‌های هوشمندتر و کوچکتر است. پیشرفت‌ها در مواد—مانند جایگزین‌های FR4 با هدایت حرارتی 0.5 وات بر متر کلوین—می‌تواند عملکرد را بیشتر بهبود بخشد و هزینه‌ها را کاهش دهد.

اجزای تعبیه‌شده در طراحی PCB بیش از یک روند را نشان می‌دهند—آنها نحوه مهندسی الکترونیک را دوباره تعریف می‌کنند. با صرفه‌جویی در فضا، بهبود عملکرد و فعال کردن برنامه‌های جدید، آنها نوآوری‌ها را از دستگاه‌های پوشیدنی گرفته تا EVها تقویت می‌کنند. با تکامل تکنیک‌های تولید، فناوری تعبیه‌شده به مرزها ادامه خواهد داد و ابزارهای جدیدی را برای مهندسان ارائه می‌دهد تا نیازهای دستگاه‌های فردا را برآورده کنند.