Wbudowane komponenty PCB przekształcają elektronikę dla wyższej wydajności

Ponieważ urządzenia elektroniczne stale się kurczą, inżynierowie stają przed wyzwaniem zintegrowania większej funkcjonalności w coraz bardziej ograniczonych przestrzeniach bez utraty wydajności i niezawodności. Technologia komponentów wbudowanych w płytki drukowane (PCB) oferuje przełomowe rozwiązanie tego dylematu, zmieniając tradycyjne paradygmaty projektowania i otwierając nowe możliwości.

Wbudowane elementy PCB obejmują integrowanie rezystorów, kondensatorów, a nawet układów scalonych (IC) bezpośrednio w wewnętrznych warstwach płytki PCB, zamiast umieszczać je na powierzchni przy użyciu tradycyjnej technologii montażu powierzchniowego (SMT) lub montażu przez otwór. To innowacyjne podejście umożliwia osadzanie komponentów we wcześniej przygotowanych wnękach w warstwach PCB podczas produkcji lub formowanie ich bezpośrednio w podłożu jako elementy pasywne.

Proces wdrażania zazwyczaj obejmuje tworzenie wgłębień lub wgłębień w warstwach PCB, osadzanie komponentów i łączenie ich za pomocą mikroprzelotek lub ścieżek miedzianych. Na przykład rezystory można formować poprzez osadzanie materiału oporowego pomiędzy warstwami miedzi, uzyskując wartości takie jak 50 omów z tolerancją ± 15%. Integracja ta zmniejsza potrzebę stosowania zewnętrznych połączeń lutowanych i znacząco obniża indukcyjność pasożytniczą — często nawet o 50% w porównaniu do SMT — co skutkuje lepszą wydajnością elektryczną.

Przejście od tradycyjnych projektów PCB do komponentów wbudowanych wynika z konieczności stawienia czoła krytycznym wyzwaniom inżynieryjnym. Kilka kluczowych zalet wyróżnia tę technologię:

• Wydajność przestrzenna:Wbudowane komponenty mogą zmniejszyć powierzchnię PCB nawet o 35%, umożliwiając bardziej kompaktowe konstrukcje. Jest to szczególnie cenne w przypadku urządzeń do noszenia, gdzie ograniczenia przestrzenne mają kluczowe znaczenie.
• Poprawiona integralność sygnału:Krótsze interkonekty minimalizują efekty pasożytnicze. W obwodach wysokiej częstotliwości (40–50 GHz) utrata sygnału z wbudowanych rezystorów może być znikoma – czasami poniżej 0,1 dB – co przewyższa alternatywy SMT.
• Zwiększona niezawodność:Bez odsłoniętych połączeń lutowanych wbudowane komponenty skuteczniej wytrzymują wstrząsy, wibracje i cykle termiczne. Ma to kluczowe znaczenie w przypadku elektroniki samochodowej, gdzie płytki PCB mogą wytrzymywać ekstremalne temperatury do 170°C.
• Lepsze zarządzanie temperaturą:Ciepło rozprowadza się bardziej równomiernie po całej płycie, zmniejszając liczbę gorących punktów. Przelotki termiczne w pobliżu wbudowanych układów scalonych mogą obniżyć opór cieplny o 20–30%, wydłużając żywotność urządzenia.

Korzyści te wiążą się jednak z kompromisami. Wbudowane projekty mogą zwiększać koszty produkcji o 15–25%, a komponentów nie można łatwo wymienić ani przetestować po montażu. Pomimo tych wad, zalety często przewyższają wyzwania związane z zastosowaniami o wysokiej wydajności lub ograniczonej przestrzeni.

Wiercenie laserowe i wielowarstwowa laminacja umożliwiają precyzyjne osadzenie komponentów. Lasery tworzą wnęki z kontrolą głębokości w granicach 10 mikronów, zapewniając ścisłe dopasowanie komponentów. Procesy takie jak „SOLDER.embedding” firmy Würth Elektronik lutują komponenty SMD na warstwach wewnętrznych przed wciśnięciem ich w struktury wielowarstwowe, zwiększając niezawodność w zastosowaniach motoryzacyjnych.

Mikroprzelotki — maleńkie otwory o średnicy zaledwie 50 mikronów — łączą osadzone komponenty z warstwami powierzchniowymi. Umożliwia to routing o dużej gęstości ze ścieżkami sygnału tak krótkimi jak 0,1 mm, redukując w niektórych przypadkach indukcyjność do wartości poniżej 1 nH, co jest idealne w przypadku projektów połączeń wzajemnych o dużej gęstości (HDI).

Rezystory i kondensatory można „formować” na płytkach PCB przy użyciu materiałów rezystancyjnych lub dielektrycznych. Uformowany rezystor może osiągnąć 100 omów z tolerancją ± 5%, skorygowaną podczas trawienia w celu zapewnienia precyzji. Zmniejsza to liczbę etapów montażu i poprawia spójność.

Osadzanie elementów z węglika krzemu (SiC) lub azotku galu (GaN) w płytkach PCB zyskuje na popularności w energoelektronice. Te półprzewodniki WBG przełączają się z częstotliwością do 100 kHz, a ich osadzenie może zmniejszyć indukcyjność pasożytniczą o 30–40%, jak wykazano w konstrukcji falownika o mocy 10 kW firmy Schweizer Electronic.

Osadzając rezystory i kondensatory pod mikrokontrolerami, rozmiar PCB może zmniejszyć się o 35%, jak widać w prototypie PCBOnline. Krótsze ścieżki sygnału zwiększają również niezawodność transmisji bezprzewodowej, umożliwiając stabilną łączność 2,4 GHz przy minimalnych stratach mocy.

Pojazdy elektryczne (EV) korzystają z wbudowanej elektroniki mocy. Tranzystory MOSFET CoolSiC™ firmy Infineon o napięciu 1200 V, wbudowane w technologię p2PACK® firmy Schweizer, zapewniają konstrukcję półmostkową o mocy 50 kW i niskim oporze cieplnym. Wynik? Wzrost wydajności o 35% w porównaniu z tradycyjnymi opakowaniami dzięki zmniejszonym stratom przełączania i ulepszonemu rozpraszaniu ciepła.

W tłumikach RF pracujących przy 60 GHz wbudowane rezystory wykazują utratę sygnału poniżej 0,2 dB. Umieszczenie rezystorów końcowych bezpośrednio pod pakietami BGA zmniejsza pojemność pasożytniczą, poprawiając integralność sygnału w zastosowaniach 5G.

Czujniki satelitarne z wbudowanymi komponentami pasywnymi osiągają redukcję masy o 20% i wytrzymują wibracje do 50 G, spełniając rygorystyczne normy UL i IPC. Ta zwartość ma kluczowe znaczenie tam, gdzie liczy się każdy gram.

• Dokładność umieszczenia:Niewspółosiowość wynosząca zaledwie 25 mikronów może zwiększyć opór o 10%. Używaj narzędzi CAD z wąskimi tolerancjami.
• Planowanie termiczne:Dodaj przelotki termiczne w pobliżu komponentów o dużej mocy. W przypadku rezystora o mocy 1 W 4–6 przelotek (o średnicy 0,3 mm) może obniżyć opór cieplny o 25%.
• Zarządzanie tolerancją:Wbudowane rezystory mają zazwyczaj tolerancję 15–20% ze względu na różnice w trawieniu. Projekt zapewniający stałą impedancję (np. 50 omów na ścieżkach), aby utrzymać wydajność.
• Produktywność:Skonsultuj się z producentami wcześniej. Projekty osadzone często wymagają dłuższego czasu realizacji (5–7 dni) w porównaniu z prototypami umożliwiającymi szybką realizację.

Pomimo swojego potencjału technologia komponentów wbudowanych napotyka przeszkody. Wyższe koszty początkowe (20% wyższe niż w przypadku projektów SMT) mogą zniechęcać do projektów wrażliwych budżetowo. Testowanie jest również trudniejsze, ponieważ wadliwych komponentów wbudowanych nie można wymienić. Skalowanie innowacji, takich jak osadzanie mikroprzelotek do produkcji masowej, wciąż jest w toku.

Patrząc w przyszłość, technologia osadzona będzie się rozwijać wraz z integracją 3D i wymaganiami IoT. Analitycy przewidują, że do 2030 r. 50% płytek drukowanych HDI będzie wykorzystywać komponenty wbudowane, co wynika z zapotrzebowania na inteligentniejsze i mniejsze urządzenia. Postępy w materiałach – takie jak zamienniki FR4 o przewodności cieplnej 0,5 W/mK – mogą jeszcze bardziej zwiększyć wydajność i obniżyć koszty.

Komponenty osadzone w projektowaniu płytek PCB to coś więcej niż tylko trend — na nowo definiują sposób projektowania elektroniki. Oszczędzając miejsce, poprawiając wydajność i umożliwiając nowe zastosowania, napędzają innowacje, od urządzeń do noszenia po pojazdy elektryczne. W miarę ewolucji technik produkcyjnych technologia wbudowana będzie nadal przesuwać granice, oferując inżynierom nowe narzędzia spełniające wymagania urządzeń jutra.