ส่วนประกอบ PCB แบบฝังตัวเปลี่ยนโฉมอิเล็กทรอนิกส์เพื่อประสิทธิภาพที่สูงขึ้น

เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยังคงมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ วิศวกรจึงต้องเผชิญกับความท้าทายในการรวมฟังก์ชันการทำงานให้มากขึ้นในพื้นที่ที่จำกัดมากขึ้นโดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพหรือความน่าเชื่อถือ เทคโนโลยีส่วนประกอบแบบฝังตัวในแผงวงจรพิมพ์ (PCB) นำเสนอโซลูชันที่ก้าวล้ำสำหรับภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกนี้ เปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์การออกแบบแบบดั้งเดิมและปลดล็อกความเป็นไปได้ใหม่ๆ

ส่วนประกอบ PCB แบบฝังตัวเกี่ยวข้องกับการรวมตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และแม้แต่วงจรรวม (IC) โดยตรงภายในชั้นในของ PCB แทนที่จะวางไว้บนพื้นผิวโดยใช้เทคโนโลยีติดตั้งบนพื้นผิว (SMT) หรือการติดตั้งแบบทะลุรูแบบดั้งเดิม แนวทางที่เป็นนวัตกรรมนี้ช่วยให้สามารถฝังส่วนประกอบต่างๆ ลงในช่องว่างที่ทำไว้ล่วงหน้าภายในชั้น PCB ในระหว่างการผลิต หรือก่อตัวโดยตรงภายในพื้นผิวเป็นองค์ประกอบแบบพาสซีฟ

กระบวนการใช้งานโดยทั่วไปประกอบด้วยการสร้างช่องว่างหรือร่องภายในชั้น PCB การฝังส่วนประกอบ และเชื่อมต่อส่วนประกอบเหล่านั้นผ่านไมโครเวียหรือร่องทองแดง ตัวอย่างเช่น ตัวต้านทานสามารถสร้างขึ้นได้โดยการฝากวัสดุต้านทานระหว่างชั้นทองแดง ทำให้ได้ค่าต่างๆ เช่น 50 โอห์ม โดยมีความคลาดเคลื่อน ±15% การรวมนี้ช่วยลดความจำเป็นในการเชื่อมต่อบัดกรีภายนอกและลดการเหนี่ยวนำปรสิตลงอย่างมาก ซึ่งมักจะลดลงถึง 50% เมื่อเทียบกับ SMT ส่งผลให้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าดีขึ้น

การเปลี่ยนจากการออกแบบ PCB แบบดั้งเดิมไปเป็นส่วนประกอบแบบฝังตัวนั้นขับเคลื่อนด้วยความจำเป็นในการจัดการกับความท้าทายทางวิศวกรรมที่สำคัญ ข้อได้เปรียบที่สำคัญหลายประการทำให้เทคโนโลยีนี้โดดเด่น:

• ประสิทธิภาพด้านพื้นที่: ส่วนประกอบแบบฝังตัวสามารถลดพื้นที่ผิว PCB ได้ถึง 35% ทำให้สามารถออกแบบได้กะทัดรัดยิ่งขึ้น สิ่งนี้มีคุณค่าอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์สวมใส่ได้ ซึ่งข้อจำกัดด้านพื้นที่เป็นสิ่งสำคัญ
• ความสมบูรณ์ของสัญญาณที่ดีขึ้น: การเชื่อมต่อที่สั้นลงช่วยลดผลกระทบจากปรสิต ในวงจรความถี่สูง (40–50 GHz) การสูญเสียสัญญาณจากตัวต้านทานแบบฝังตัวอาจน้อยมาก ซึ่งบางครั้งต่ำกว่า 0.1 dB ซึ่งเหนือกว่าทางเลือก SMT
• ความน่าเชื่อถือที่เพิ่มขึ้น: หากไม่มีข้อต่อบัดกรีที่เปิดออก ส่วนประกอบแบบฝังตัวจะทนต่อแรงกระแทก การสั่นสะเทือน และการหมุนเวียนความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ ซึ่ง PCB อาจต้องทนต่ออุณหภูมิสูงถึง 170°C
• การจัดการความร้อนที่ดีขึ้น: ความร้อนกระจายอย่างสม่ำเสมอมากขึ้นทั่วทั้งบอร์ด ลดจุดร้อน วิธีกระจายความร้อนใกล้กับ IC แบบฝังตัวสามารถลดความต้านทานความร้อนได้ 20–30% ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์

อย่างไรก็ตาม ข้อดีเหล่านี้มาพร้อมกับการแลกเปลี่ยน การออกแบบแบบฝังตัวอาจเพิ่มต้นทุนการผลิต 15–25% และไม่สามารถเปลี่ยนหรือทดสอบส่วนประกอบได้ง่ายหลังจากการประกอบ แม้จะมีข้อเสียเหล่านี้ แต่ข้อดีมักจะมากกว่าความท้าทายสำหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูงหรือพื้นที่จำกัด

การเจาะด้วยเลเซอร์และการเคลือบหลายชั้นช่วยให้สามารถฝังส่วนประกอบได้อย่างแม่นยำ เลเซอร์สร้างช่องว่างพร้อมการควบคุมความลึกภายใน 10 ไมครอน ทำให้มั่นใจได้ถึงความพอดีของส่วนประกอบที่แน่นหนา กระบวนการต่างๆ เช่น การใช้ "SOLDER.embedding" ของ Würth Elektronik บัดกรีส่วนประกอบ SMD ลงบนชั้นในก่อนที่จะกดลงในโครงสร้างหลายชั้น ซึ่งช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือสำหรับการใช้งานในยานยนต์

Microvias—รูเล็กๆ ที่มีขนาดเล็กถึง 50 ไมครอนในเส้นผ่านศูนย์กลาง—เชื่อมต่อส่วนประกอบแบบฝังตัวกับชั้นพื้นผิว สิ่งนี้ช่วยให้สามารถกำหนดเส้นทางความหนาแน่นสูงด้วยเส้นทางสัญญาณที่สั้นเพียง 0.1 มม. ลดการเหนี่ยวนำให้ต่ำกว่า 1 nH ในบางกรณี ซึ่งเหมาะสำหรับการออกแบบการเชื่อมต่อความหนาแน่นสูง (HDI)

ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุสามารถ "ก่อตัว" ภายใน PCB ได้โดยใช้วัสดุต้านทานหรือไดอิเล็กทริก ตัวต้านทานที่เกิดขึ้นอาจได้ 100 โอห์ม โดยมีความคลาดเคลื่อน ±5% ปรับระหว่างการกัดเพื่อให้ได้ความแม่นยำ ซึ่งช่วยลดขั้นตอนการประกอบและปรับปรุงความสม่ำเสมอ

การฝังอุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) หรือแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ใน PCB กำลังได้รับความสนใจในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ WBG เหล่านี้สลับด้วยความเร็วสูงถึง 100 kHz และการฝังอุปกรณ์เหล่านี้สามารถลดการเหนี่ยวนำปรสิตได้ 30–40% ดังที่แสดงให้เห็นในการออกแบบอินเวอร์เตอร์ 10 kW ของ Schweizer Electronic

ด้วยการฝังตัวต้านทานและตัวเก็บประจุไว้ใต้ไมโครคอนโทรลเลอร์ ขนาด PCB สามารถลดลงได้ 35% ดังที่เห็นในต้นแบบ PCBOnline เส้นทางสัญญาณที่สั้นลงยังช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือในการส่งสัญญาณไร้สาย ทำให้สามารถเชื่อมต่อ 2.4 GHz ที่เสถียรโดยมีการสูญเสียพลังงานน้อยที่สุด

ยานยนต์ไฟฟ้า (EV) ได้รับประโยชน์จากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังแบบฝังตัว MOSFETs CoolSiC™ 1200 V ของ Infineon ซึ่งฝังโดยใช้เทคโนโลยี p2PACK® ของ Schweizer ให้การออกแบบ half-bridge 50 kW ที่มีความต้านทานความร้อนต่ำ ผลลัพธ์? ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น 35% เมื่อเทียบกับการบรรจุภัณฑ์แบบดั้งเดิมเนื่องจากการสูญเสียการสลับที่ลดลงและการกระจายความร้อนที่ดีขึ้น

ในตัวลดทอน RF ที่ทำงานที่ 60 GHz ตัวต้านทานแบบฝังตัวจะแสดงการสูญเสียสัญญาณต่ำกว่า 0.2 dB การวางตัวต้านทานการสิ้นสุดโดยตรงใต้แพ็คเกจ BGA ช่วยลดความจุปรสิต ปรับปรุงความสมบูรณ์ของสัญญาณสำหรับการใช้งาน 5G

เซ็นเซอร์ดาวเทียมที่มีส่วนประกอบแบบพาสซีฟแบบฝังตัวช่วยลดน้ำหนักได้ 20% และทนต่อการสั่นสะเทือนได้ถึง 50 G เป็นไปตามมาตรฐาน UL และ IPC ที่เข้มงวด ความกะทัดรัดนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อทุกกรัมมีความสำคัญ

• ความแม่นยำในการวาง: การวางแนวที่ไม่ถูกต้องเพียง 25 ไมครอนสามารถเพิ่มความต้านทานได้ 10% ใช้เครื่องมือ CAD ที่มีความคลาดเคลื่อนที่แน่นหนา
• การวางแผนความร้อน: เพิ่มวิธีกระจายความร้อนใกล้กับส่วนประกอบกำลังสูง สำหรับตัวต้านทาน 1 W วิธีกระจายความร้อน 4–6 (เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.3 มม.) สามารถลดความต้านทานความร้อนได้ 25%
• การจัดการความคลาดเคลื่อน: ตัวต้านทานแบบฝังตัวโดยทั่วไปมีความคลาดเคลื่อน 15–20% เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของการกัด ออกแบบสำหรับอิมพีแดนซ์ที่สอดคล้องกัน (เช่น 50 โอห์มทั่วร่องรอย) เพื่อรักษาประสิทธิภาพ
• ความสามารถในการผลิต: ปรึกษาผู้ผลิตตั้งแต่เนิ่นๆ การออกแบบแบบฝังตัวมักต้องใช้เวลานำนานกว่า (5–7 วัน) เมื่อเทียบกับต้นแบบแบบรวดเร็ว

แม้จะมีศักยภาพ แต่เทคโนโลยีส่วนประกอบแบบฝังตัวต้องเผชิญกับอุปสรรค ต้นทุนล่วงหน้าที่สูงขึ้น (มากกว่าการออกแบบ SMT 20%) อาจยับยั้งโครงการที่คำนึงถึงงบประมาณ การทดสอบก็เป็นเรื่องที่ท้าทายเช่นกัน เนื่องจากไม่สามารถเปลี่ยนส่วนประกอบแบบฝังตัวที่ผิดพลาดได้ การขยายขนาดนวัตกรรม เช่น การฝังไมโครเวียสำหรับการผลิตจำนวนมากยังคงเป็นงานที่กำลังดำเนินการอยู่

เมื่อมองไปข้างหน้า เทคโนโลยีแบบฝังตัวพร้อมที่จะเติบโตไปพร้อมกับการรวม 3 มิติและความต้องการ IoT นักวิเคราะห์คาดการณ์ว่าภายในปี 2030 PCB HDI 50% จะใช้ส่วนประกอบแบบฝังตัว ซึ่งขับเคลื่อนด้วยความต้องการอุปกรณ์ที่ชาญฉลาดและมีขนาดเล็กลง ความก้าวหน้าในด้านวัสดุ เช่น ทางเลือก FR4 ที่มีความนำความร้อน 0.5 W/mK อาจช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและลดต้นทุนได้

ส่วนประกอบแบบฝังตัวในการออกแบบ PCB แสดงถึงมากกว่าแนวโน้ม พวกเขากำลังกำหนดนิยามใหม่ว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้รับการออกแบบอย่างไร ด้วยการประหยัดพื้นที่ ปรับปรุงประสิทธิภาพ และเปิดใช้งานแอปพลิเคชันใหม่ๆ พวกเขากำลังขับเคลื่อนนวัตกรรมตั้งแต่เครื่องแต่งกายไปจนถึง EV ในขณะที่เทคนิคการผลิตพัฒนาขึ้น เทคโนโลยีแบบฝังตัวจะยังคงผลักดันขอบเขต มอบเครื่องมือใหม่ๆ ให้กับวิศวกรเพื่อตอบสนองความต้องการของอุปกรณ์ในวันพรุ่งนี้