Linh kiện PCB nhúng biến đổi ngành điện tử để đạt hiệu suất cao hơn

Khi các thiết bị điện tử tiếp tục thu nhỏ kích thước, các kỹ sư phải đối mặt với thách thức là tích hợp nhiều chức năng hơn vào không gian ngày càng hạn chế mà không ảnh hưởng đến hiệu suất hoặc độ tin cậy. Công nghệ linh kiện nhúng trong bảng mạch in (PCB) mang đến một giải pháp đột phá cho tình thế tiến thoái lưỡng nan này, thay đổi các mô hình thiết kế truyền thống và mở ra những khả năng mới.

Linh kiện PCB nhúng liên quan đến việc tích hợp điện trở, tụ điện và thậm chí cả mạch tích hợp (IC) trực tiếp vào các lớp bên trong của PCB, thay vì đặt chúng trên bề mặt bằng công nghệ gắn trên bề mặt (SMT) hoặc gắn xuyên lỗ truyền thống. Cách tiếp cận sáng tạo này cho phép các linh kiện được nhúng vào các khoang được tạo sẵn trong các lớp PCB trong quá trình sản xuất hoặc được tạo trực tiếp trong chất nền dưới dạng các phần tử thụ động.

Quá trình triển khai thường bao gồm việc tạo các khoang hoặc rãnh trong các lớp PCB, nhúng các linh kiện và kết nối chúng thông qua các microvia hoặc đường dẫn đồng. Ví dụ, điện trở có thể được tạo ra bằng cách lắng đọng vật liệu điện trở giữa các lớp đồng, đạt được các giá trị như 50 ohms với dung sai ±15%. Việc tích hợp này làm giảm nhu cầu về các mối nối hàn bên ngoài và giảm đáng kể độ tự cảm ký sinh—thường giảm tới 50% so với SMT—dẫn đến hiệu suất điện được cải thiện.

Sự chuyển đổi từ các thiết kế PCB truyền thống sang các linh kiện nhúng được thúc đẩy bởi nhu cầu giải quyết các thách thức kỹ thuật quan trọng. Một số ưu điểm chính làm cho công nghệ này nổi bật:

• Hiệu quả không gian:Linh kiện nhúng có thể giảm diện tích bề mặt PCB lên đến 35%, cho phép thiết kế nhỏ gọn hơn. Điều này đặc biệt có giá trị đối với các thiết bị đeo được, nơi các ràng buộc về không gian là rất quan trọng.
• Tính toàn vẹn tín hiệu được cải thiện:Các kết nối liên kết ngắn hơn giảm thiểu các hiệu ứng ký sinh. Trong các mạch tần số cao (40–50 GHz), tổn thất tín hiệu từ điện trở nhúng có thể không đáng kể—đôi khi dưới 0,1 dB—vượt trội hơn các lựa chọn thay thế SMT.
• Độ tin cậy nâng cao:Không có các mối nối hàn lộ ra ngoài, các linh kiện nhúng chịu được va đập, rung động và chu kỳ nhiệt hiệu quả hơn. Điều này rất quan trọng đối với thiết bị điện tử ô tô, nơi PCB có thể chịu được nhiệt độ khắc nghiệt lên đến 170°C.
• Quản lý nhiệt tốt hơn:Nhiệt phân bố đều hơn trên bảng, giảm các điểm nóng. Các lỗ thông nhiệt gần các IC nhúng có thể làm giảm điện trở nhiệt từ 20–30%, kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Tuy nhiên, những lợi ích này đi kèm với sự đánh đổi. Thiết kế nhúng có thể làm tăng chi phí sản xuất từ 15–25% và các linh kiện không thể dễ dàng thay thế hoặc kiểm tra sau khi lắp ráp. Mặc dù có những nhược điểm này, những lợi thế thường lớn hơn những thách thức đối với các ứng dụng hiệu suất cao hoặc bị hạn chế về không gian.

Khoan laser và cán nhiều lớp cho phép nhúng linh kiện chính xác. Tia laser tạo ra các khoang với khả năng kiểm soát độ sâu trong vòng 10 micron, đảm bảo độ vừa vặn chặt chẽ của linh kiện. Các quy trình như "SOLDER.embedding" của Würth Elektronik hàn các linh kiện SMD vào các lớp bên trong trước khi ép chúng vào các cấu trúc nhiều lớp, tăng cường độ tin cậy cho các ứng dụng ô tô.

Microvia—các lỗ nhỏ có đường kính nhỏ tới 50 micron—kết nối các linh kiện nhúng với các lớp bề mặt. Điều này cho phép định tuyến mật độ cao với các đường dẫn tín hiệu ngắn tới 0,1 mm, giảm độ tự cảm xuống dưới 1 nH trong một số trường hợp, lý tưởng cho các thiết kế kết nối mật độ cao (HDI).

Điện trở và tụ điện có thể được "tạo hình" bên trong PCB bằng vật liệu điện trở hoặc điện môi. Một điện trở được tạo hình có thể đạt 100 ohms với dung sai ±5%, được điều chỉnh trong quá trình khắc để có độ chính xác. Điều này làm giảm các bước lắp ráp và cải thiện tính nhất quán.

Việc nhúng các thiết bị silicon carbide (SiC) hoặc gallium nitride (GaN) trong PCB đang ngày càng được ưa chuộng trong lĩnh vực điện tử công suất. Các chất bán dẫn WBG này chuyển mạch ở tốc độ lên đến 100 kHz và việc nhúng chúng có thể làm giảm độ tự cảm ký sinh từ 30–40%, như đã được chứng minh trong thiết kế bộ biến tần 10 kW của Schweizer Electronic.

Bằng cách nhúng điện trở và tụ điện bên dưới bộ vi điều khiển, kích thước PCB có thể giảm 35%, như đã thấy trong nguyên mẫu PCBOnline. Các đường dẫn tín hiệu ngắn hơn cũng tăng cường độ tin cậy truyền không dây, cho phép kết nối 2,4 GHz ổn định với tổn thất điện năng tối thiểu.

Xe điện (EV) được hưởng lợi từ thiết bị điện tử công suất nhúng. MOSFET CoolSiC™ 1200 V của Infineon, được nhúng bằng công nghệ p2PACK® của Schweizer, cung cấp thiết kế nửa cầu 50 kW với điện trở nhiệt thấp. Kết quả? Hiệu suất tăng 35% so với bao bì truyền thống do giảm tổn thất chuyển mạch và cải thiện khả năng tản nhiệt.

Trong các bộ suy giảm RF hoạt động ở 60 GHz, điện trở nhúng thể hiện tổn thất tín hiệu dưới 0,2 dB. Việc đặt điện trở kết thúc trực tiếp bên dưới các gói BGA làm giảm điện dung ký sinh, cải thiện tính toàn vẹn tín hiệu cho các ứng dụng 5G.

Cảm biến vệ tinh với các linh kiện thụ động nhúng đạt được mức giảm trọng lượng 20% và chịu được rung động lên đến 50 G, đáp ứng các tiêu chuẩn UL và IPC nghiêm ngặt. Sự nhỏ gọn này là rất quan trọng khi từng gam đều có giá trị.

• Độ chính xác vị trí:Sự sai lệch chỉ 25 micron có thể làm tăng điện trở lên 10%. Sử dụng các công cụ CAD với dung sai chặt chẽ.
• Lập kế hoạch nhiệt:Thêm các lỗ thông nhiệt gần các linh kiện công suất cao. Đối với điện trở 1 W, 4–6 lỗ thông (đường kính 0,3 mm) có thể làm giảm điện trở nhiệt 25%.
• Quản lý dung sai:Điện trở nhúng thường có dung sai 15–20% do các biến thể khắc. Thiết kế để có trở kháng nhất quán (ví dụ: 50 ohms trên các đường dẫn) để duy trì hiệu suất.
• Khả năng sản xuất:Tham khảo ý kiến nhà sản xuất sớm. Thiết kế nhúng thường yêu cầu thời gian giao hàng lâu hơn (5–7 ngày) so với các nguyên mẫu quay vòng nhanh.

Mặc dù có tiềm năng, công nghệ linh kiện nhúng phải đối mặt với những trở ngại. Chi phí trả trước cao hơn (hơn 20% so với thiết kế SMT) có thể cản trở các dự án nhạy cảm về ngân sách. Việc thử nghiệm cũng khó khăn hơn, vì các linh kiện nhúng bị lỗi không thể thay thế được. Việc mở rộng các cải tiến như nhúng microvia để sản xuất hàng loạt vẫn đang trong quá trình hoàn thiện.

Nhìn về phía trước, công nghệ nhúng được dự đoán sẽ phát triển cùng với sự tích hợp 3D và nhu cầu của IoT. Các nhà phân tích dự đoán rằng đến năm 2030, 50% PCB HDI sẽ sử dụng các linh kiện nhúng, được thúc đẩy bởi nhu cầu về các thiết bị thông minh hơn, nhỏ hơn. Những tiến bộ trong vật liệu—chẳng hạn như các lựa chọn thay thế FR4 với độ dẫn nhiệt 0,5 W/mK—có thể tăng cường hơn nữa hiệu suất và giảm chi phí.

Linh kiện nhúng trong thiết kế PCB đại diện cho nhiều hơn một xu hướng—chúng đang xác định lại cách thức kỹ thuật điện tử được thiết kế. Bằng cách tiết kiệm không gian, cải thiện hiệu suất và cho phép các ứng dụng mới, chúng đang thúc đẩy những đổi mới từ thiết bị đeo được đến EV. Khi các kỹ thuật sản xuất phát triển, công nghệ nhúng sẽ tiếp tục vượt qua các ranh giới, cung cấp cho các kỹ sư những công cụ mới để đáp ứng nhu cầu của các thiết bị trong tương lai.