Встроенные компоненты печатных плат преобразуют электронику для повышения производительности

По мере того, как электронные устройства продолжают уменьшаться в размерах, инженеры сталкиваются с проблемой интеграции большего количества функциональности в все более ограниченное пространство без ущерба для производительности или надежности. Технология встроенных компонентов в печатных платах (PCB) предлагает революционное решение этой дилеммы, преобразуя традиционные парадигмы проектирования и открывая новые возможности.

Встроенные компоненты печатных плат включают в себя интеграцию резисторов, конденсаторов и даже интегральных схем (ИС) непосредственно во внутренние слои печатной платы, а не размещение их на поверхности с использованием традиционной технологии поверхностного монтажа (SMT) или сквозного монтажа. Этот инновационный подход позволяет встраивать компоненты в предварительно изготовленные полости внутри слоев печатной платы во время производства или формировать их непосредственно внутри подложки в качестве пассивных элементов.

Процесс реализации обычно включает создание полостей или углублений внутри слоев печатной платы, встраивание компонентов и их соединение с помощью микропереходов или медных трасс. Например, резисторы могут быть сформированы путем нанесения резистивного материала между медными слоями, достигая значений, таких как 50 Ом с допуском ±15%. Такая интеграция снижает потребность во внешних паяных соединениях и значительно снижает паразитарную индуктивность — часто до 50% по сравнению с SMT — что приводит к повышению электрических характеристик.

Переход от традиционных конструкций печатных плат к встроенным компонентам обусловлен необходимостью решения критических инженерных задач. Несколько ключевых преимуществ выделяют эту технологию:

• Эффективность использования пространства:Встроенные компоненты могут уменьшить площадь поверхности печатной платы до 35%, что позволяет создавать более компактные конструкции. Это особенно ценно для носимых устройств, где ограничения пространства имеют решающее значение.
• Улучшенная целостность сигнала:Более короткие межсоединения минимизируют паразитные эффекты. В высокочастотных цепях (40–50 ГГц) потери сигнала от встроенных резисторов могут быть незначительными — иногда ниже 0,1 дБ — превосходя альтернативы SMT.
• Повышенная надежность:Без открытых паяных соединений встроенные компоненты более эффективно выдерживают удары, вибрации и температурные циклы. Это имеет решающее значение для автомобильной электроники, где печатные платы могут выдерживать экстремальные температуры до 170°C.
• Лучшее управление тепловым режимом:Тепло распределяется более равномерно по плате, уменьшая горячие точки. Тепловые переходы рядом со встроенными ИС могут снизить тепловое сопротивление на 20–30%, продлевая срок службы устройства.

Однако эти преимущества имеют свои компромиссы. Встроенные конструкции могут увеличить производственные затраты на 15–25%, а компоненты нельзя легко заменить или протестировать после сборки. Несмотря на эти недостатки, преимущества часто перевешивают проблемы для высокопроизводительных или ограниченных по пространству приложений.

Лазерное сверление и многослойное ламинирование обеспечивают точное встраивание компонентов. Лазеры создают полости с контролем глубины в пределах 10 микрон, обеспечивая плотную посадку компонентов. Такие процессы, как «SOLDER.embedding» компании Würth Elektronik, припаивают компоненты SMD к внутренним слоям перед их прессованием в многослойные структуры, повышая надежность для автомобильных применений.

Микропереходы — крошечные отверстия диаметром всего 50 микрон — соединяют встроенные компоненты с поверхностными слоями. Это обеспечивает маршрутизацию высокой плотности с путями сигнала длиной всего 0,1 мм, снижая индуктивность до менее 1 нГн в некоторых случаях, что идеально подходит для конструкций с высокой плотностью межсоединений (HDI).

Резисторы и конденсаторы могут быть «сформированы» внутри печатных плат с использованием резистивных или диэлектрических материалов. Сформированный резистор может достигать 100 Ом с допуском ±5%, который регулируется во время травления для обеспечения точности. Это сокращает этапы сборки и повышает согласованность.

Встраивание устройств из карбида кремния (SiC) или нитрида галлия (GaN) в печатные платы набирает обороты в силовой электронике. Эти полупроводники WBG переключаются со скоростью до 100 кГц, а их встраивание может снизить паразитарную индуктивность на 30–40%, как продемонстрировано в конструкции инвертора Schweizer Electronic мощностью 10 кВт.

Встраивая резисторы и конденсаторы под микроконтроллеры, размер печатной платы можно уменьшить на 35%, как видно на прототипе PCBOnline. Более короткие пути сигнала также повышают надежность беспроводной передачи, обеспечивая стабильное подключение на частоте 2,4 ГГц с минимальными потерями мощности.

Электрические транспортные средства (EV) выигрывают от встроенной силовой электроники. MOSFET CoolSiC™ 1200 В от Infineon, встроенные с использованием технологии p2PACK® от Schweizer, обеспечивают конструкцию полумоста мощностью 50 кВт с низким тепловым сопротивлением. Результат? Повышение производительности на 35% по сравнению с традиционной упаковкой за счет снижения потерь при переключении и улучшения рассеивания тепла.

В радиочастотных аттенюаторах, работающих на частоте 60 ГГц, встроенные резисторы демонстрируют потери сигнала ниже 0,2 дБ. Размещение оконечных резисторов непосредственно под корпусами BGA снижает паразитарную емкость, улучшая целостность сигнала для приложений 5G.

Спутниковые датчики со встроенными пассивными компонентами обеспечивают снижение веса на 20% и выдерживают вибрации до 50 G, соответствуют строгим стандартам UL и IPC. Эта компактность имеет решающее значение там, где важен каждый грамм.

• Точность размещения:Несоосность всего на 25 микрон может увеличить сопротивление на 10%. Используйте инструменты CAD с жесткими допусками.
• Тепловое планирование:Добавьте тепловые переходы рядом с компонентами высокой мощности. Для резистора мощностью 1 Вт 4–6 переходов (диаметр 0,3 мм) могут снизить тепловое сопротивление на 25%.
• Управление допусками:Встроенные резисторы обычно имеют допуск 15–20% из-за вариаций травления. Проектируйте для постоянного импеданса (например, 50 Ом по трассам) для поддержания производительности.
• Технологичность:Проконсультируйтесь с производителями заранее. Встроенные конструкции часто требуют более длительного времени выполнения (5–7 дней) по сравнению с быстрыми прототипами.

Несмотря на свой потенциал, технология встроенных компонентов сталкивается с препятствиями. Более высокие первоначальные затраты (на 20% больше, чем у конструкций SMT) могут отпугнуть проекты, чувствительные к бюджету. Тестирование также является более сложной задачей, поскольку неисправные встроенные компоненты нельзя заменить. Масштабирование инноваций, таких как встраивание микропереходов для массового производства, остается в процессе разработки.

Заглядывая в будущее, встроенная технология готова к росту с учетом требований 3D-интеграции и IoT. Аналитики прогнозируют, что к 2030 году 50% печатных плат HDI будут использовать встроенные компоненты, что обусловлено потребностью в более умных и компактных устройствах. Достижения в области материалов — таких как альтернативы FR4 с теплопроводностью 0,5 Вт/мК — могут еще больше повысить производительность и снизить затраты.

Встроенные компоненты в конструкции печатных плат представляют собой больше, чем просто тенденцию — они переопределяют то, как разрабатывается электроника. Экономя место, улучшая производительность и обеспечивая новые приложения, они обеспечивают инновации от носимых устройств до электромобилей. По мере развития технологий производства встроенная технология будет продолжать расширять границы, предлагая инженерам новые инструменты для удовлетворения потребностей устройств завтрашнего дня.