Gömülü PCB Bileşenleri Daha Yüksek Performans İçin Elektroniği Dönüştürüyor

Elektronik cihazların boyutları küçülmeye devam ettikçe mühendisler, performans veya güvenilirlikten ödün vermeden giderek daha sınırlı alanlara daha fazla işlevsellik entegre etme zorluğuyla karşı karşıya kalıyor. Baskılı devre kartlarına (PCB) gömülü bileşen teknolojisi, bu ikileme çığır açan bir çözüm sunarak geleneksel tasarım paradigmalarını dönüştürüyor ve yeni olanakların kilidini açıyor.

Gömülü PCB bileşenleri, dirençleri, kapasitörleri ve hatta entegre devreleri (IC'leri) geleneksel yüzeye montaj teknolojisi (SMT) veya delikli montaj kullanarak yüzeye yerleştirmek yerine doğrudan PCB'nin iç katmanlarına entegre etmeyi içerir. Bu yenilikçi yaklaşım, bileşenlerin üretim sırasında PCB katmanları içindeki önceden hazırlanmış boşluklara gömülmesine veya doğrudan alt tabakanın içinde pasif elemanlar olarak oluşturulmasına olanak tanır.

Uygulama süreci tipik olarak PCB katmanları içinde boşluklar veya girintiler oluşturmayı, bileşenleri yerleştirmeyi ve bunları mikro kanallar veya bakır izleri yoluyla bağlamayı içerir. Örneğin dirençler, bakır katmanlar arasına dirençli malzeme yerleştirilerek ±%15 toleransla 50 ohm gibi değerler elde edilerek oluşturulabilir. Bu entegrasyon, harici lehim bağlantılarına olan ihtiyacı azaltır ve parazitik endüktansı önemli ölçüde azaltır (genellikle SMT'ye kıyasla %50'ye kadar) ve bu da gelişmiş elektrik performansı sağlar.

Geleneksel PCB tasarımlarından gömülü bileşenlere geçiş, kritik mühendislik zorluklarının üstesinden gelme ihtiyacından kaynaklanmaktadır. Birkaç önemli avantaj bu teknolojiyi öne çıkarıyor:

• Alan Verimliliği:Gömülü bileşenler PCB yüzey alanını %35'e kadar azaltarak daha kompakt tasarımlara olanak sağlar. Bu, alan kısıtlamalarının kritik olduğu giyilebilir cihazlar için özellikle değerlidir.
• Geliştirilmiş Sinyal Bütünlüğü:Daha kısa ara bağlantılar parazit etkilerini en aza indirir. Yüksek frekanslı devrelerde (40-50 GHz), gömülü dirençlerden kaynaklanan sinyal kaybı ihmal edilebilir düzeyde olabilir (bazen 0,1 dB'nin altında) ve SMT alternatiflerinden daha iyi performans gösterir.
• Gelişmiş Güvenilirlik:Açıkta kalan lehim bağlantıları olmadan, gömülü bileşenler şoklara, titreşimlere ve termal döngüye daha etkili bir şekilde dayanır. Bu, PCB'lerin 170°C'ye kadar aşırı sıcaklıklara dayanabileceği otomotiv elektroniği için çok önemlidir.
• Daha İyi Termal Yönetim:Isı panel boyunca daha eşit bir şekilde dağılarak sıcak noktaları azaltır. Gömülü IC'lerin yakınındaki termal yollar, termal direnci %20-30 oranında azaltarak cihazın ömrünü uzatabilir.

Ancak bu faydalar ödünleşimlerle birlikte gelir. Gömülü tasarımlar üretim maliyetlerini %15-25 artırabilir ve bileşenler montajdan sonra kolayca değiştirilemez veya test edilemez. Bu dezavantajlara rağmen, yüksek performanslı veya yer kısıtlamalı uygulamalarda avantajlar çoğu zaman zorluklara ağır basmaktadır.

Lazer delme ve çok katmanlı laminasyon hassas bileşen yerleştirmeyi mümkün kılar. Lazerler, 10 mikron dahilinde derinlik kontrolüne sahip boşluklar oluşturarak bileşenlerin sıkı oturmasını sağlar. Würth Elektronik'in lehim SMD bileşenlerini çok katmanlı yapılara basmadan önce iç katmanlara "SOLDER.embedding" uygulaması gibi işlemler, otomotiv uygulamaları için güvenilirliği artırır.

Mikrovialar (çapı 50 mikron kadar küçük olan küçük delikler) gömülü bileşenleri yüzey katmanlarına bağlar. Bu, 0,1 mm kadar kısa sinyal yollarıyla yüksek yoğunluklu yönlendirmeye olanak tanır ve bazı durumlarda endüktansı 1 nH'nin altına düşürür; bu da yüksek yoğunluklu ara bağlantı (HDI) tasarımları için idealdir.

Dirençler ve kapasitörler, dirençli veya dielektrik malzemeler kullanılarak PCB'lerin içinde "oluşturulabilir". Oluşturulan bir direnç, aşındırma sırasında hassasiyet için ayarlanan ±%5 toleransla 100 ohm'a ulaşabilir. Bu, montaj adımlarını azaltır ve tutarlılığı artırır.

Silisyum karbür (SiC) veya galyum nitrür (GaN) cihazlarının PCB'lere yerleştirilmesi, güç elektroniğinde ilgi kazanıyor. Bu WBG yarı iletkenleri 100 kHz'e kadar hızlarda anahtarlanır ve bunların yerleştirilmesi, Schweizer Electronic'in 10 kW'lık invertör tasarımında gösterildiği gibi parazitik endüktansı %30-40 oranında azaltabilir.

Mikrodenetleyicilerin altına dirençler ve kapasitörler yerleştirildiğinde, PCBOnline prototipinde görüldüğü gibi PCB boyutu %35 oranında küçültülebilir. Daha kısa sinyal yolları aynı zamanda kablosuz iletim güvenilirliğini de artırarak minimum güç kaybıyla istikrarlı 2,4 GHz bağlantı sağlar.

Elektrikli araçlar (EV'ler) gömülü güç elektroniklerinden yararlanır. Infineon'un Schweizer'in p2PACK® teknolojisi kullanılarak gömülü 1200 V CoolSiC™ MOSFET'leri, düşük termal dirençli 50 kW'lık bir yarım köprü tasarımı sunar. Sonuç? Azaltılmış anahtarlama kayıpları ve iyileştirilmiş ısı dağıtımı nedeniyle geleneksel paketlemeye göre %35 performans artışı.

60 GHz hızında çalışan RF zayıflatıcılarda gömülü dirençler 0,2 dB'nin altında sinyal kaybı göstermektedir. Sonlandırma dirençlerinin doğrudan BGA paketlerinin altına yerleştirilmesi parazitik kapasitansı azaltır ve 5G uygulamaları için sinyal bütünlüğünü artırır.

Gömülü pasif bileşenlere sahip uydu sensörleri, ağırlıkta %20 azalma sağlar ve 50 G'ye kadar titreşimlere dayanarak sıkı UL ve IPC standartlarını karşılar. Bu kompaktlık, her gramın önemli olduğu durumlarda kritik öneme sahiptir.

• Yerleştirme Doğruluğu:Sadece 25 mikronluk bir yanlış hizalama, direnci %10 oranında artırabilir. Dar toleranslara sahip CAD araçlarını kullanın.
• Termal Planlama:Yüksek güçlü bileşenlerin yanına termal yollar ekleyin. 1 W'luk bir direnç için 4-6 yol (0,3 mm çap) termal direnci %25 azaltabilir.
• Tolerans Yönetimi:Gömülü dirençler, aşındırma varyasyonlarından dolayı genellikle %15-20 toleransa sahiptir. Performansı korumak için tutarlı empedans (örneğin, izler boyunca 50 ohm) için tasarım yapın.
• Üretilebilirlik:Üreticilere erkenden danışın. Gömülü tasarımlar, hızlı dönüşlü prototiplerle karşılaştırıldığında genellikle daha uzun teslim süreleri (5-7 gün) gerektirir.

Potansiyeline rağmen gömülü bileşen teknolojisi engellerle karşı karşıyadır. Daha yüksek ön maliyetler (SMT tasarımlarından %20 daha fazla), bütçeye duyarlı projeleri caydırabilir. Arızalı gömülü bileşenler değiştirilemediğinden test yapmak da daha zordur. Seri üretim için mikrovia yerleştirme gibi yeniliklerin ölçeklendirilmesi devam eden bir çalışmadır.

İleriye baktığımızda, gömülü teknoloji, 3D entegrasyon ve IoT talepleriyle büyümeye hazırlanıyor. Analistler, 2030 yılına kadar HDI PCB'lerin %50'sinin daha akıllı, daha küçük cihazlara duyulan ihtiyaç nedeniyle gömülü bileşenler kullanacağını öngörüyor. 0,5 W/mK termal iletkenliğe sahip FR4 alternatifleri gibi malzemelerdeki ilerlemeler performansı daha da artırabilir ve maliyetleri azaltabilir.

PCB tasarımındaki gömülü bileşenler bir trendden daha fazlasını temsil ediyor; elektroniğin nasıl tasarlandığını yeniden tanımlıyorlar. Yerden tasarruf ederek, performansı artırarak ve yeni uygulamaları mümkün kılarak giyilebilir cihazlardan elektrikli araçlara kadar yeniliklere güç veriyorlar. Üretim teknikleri geliştikçe, gömülü teknoloji sınırları zorlamaya devam edecek ve mühendislere yarının cihazlarının taleplerini karşılayacak yeni araçlar sunacak.