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作者: Max Clemons，Altium公司應用工程師 由于電子產(chǎn)品面臨著(zhù)如何在更小體積的設備上，產(chǎn)生最大功效這一嚴峻挑戰，因此為發(fā)明表面貼裝元件或研究半導體幾何學(xué)提供了動(dòng)力；同時(shí)，也推動(dòng)了新趨勢的產(chǎn)生，即在PCB基板內嵌入無(wú)源元件和有源元件。 這一趨勢確實(shí)對整個(gè)電子供應鏈影響頗深，也是每個(gè)環(huán)節的供應商所面臨的挑戰。工程設計團隊要想充分利用這一發(fā)展趨勢，需要一款在構思和創(chuàng )新PCB時(shí)更具靈活性的設計自動(dòng)化工具。新標準下的設計規則也具有一定挑戰，因此EDA工具供應商正集中精力努力應對這些問(wèn)題，使更多OEM廠(chǎng)商采用這種極具競爭性和革命性的技術(shù)。 元件 將元件與基板連接主要有兩種方式：成型連接和嵌入式連接。前者有效地利用了鍍銅和阻性薄膜，在嵌入層(或表面層)產(chǎn)生無(wú)源(阻性、容性、感性)元件；后者是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，可以把不連續的元件、裸芯片甚至模塊安裝在基板材料表層下。 此方式的優(yōu)點(diǎn)很多，最為重要的一點(diǎn)就是它的元件密度。值得一提的是，人們對于無(wú)源元件(尤其是可以應對更高運行頻率和信號頻率的電容器)的需求增加，這也產(chǎn)生了一個(gè)新趨勢，即垂直堆棧元件，以最大程度降低走線(xiàn)長(cháng)度。德州儀器公司最近推出了500mA的DC-DC降壓轉換器，尺寸僅為2.3mm長(cháng)、2.0mm寬、1.0mm高。 元件制造商在推出新產(chǎn)品時(shí)必須要不斷滿(mǎn)足人們對于封裝變化的需求，以及廣泛應用的表面貼裝技術(shù)，尤其是在無(wú)源元件中，該技術(shù)可以更好地將元件嵌入PCB基板中。隨著(zhù)SMT剖面結構越來(lái)越小，這些部件可以直接安裝或與芯片一起嵌入PCB基板中。比如01005(0402)系列，尺寸僅為0.4mm長(cháng)、0.22mm寬、0.15mm高。 然而，這種連接方式有進(jìn)一步的要求，主要分兩種：利用傳統的焊接方式或者利用鍍銅孔。如果采用焊接方式，那就可以使用通用鍍錫多層陶瓷電容器，但是在嵌入時(shí)會(huì )有一定的風(fēng)險。二次加熱(如當進(jìn)行表面貼裝)時(shí)會(huì )導致焊膏與嵌入元件產(chǎn)生回流，并有可能最終導致操作失敗。 為了避免出現焊接回流問(wèn)題，業(yè)內正在用鍍銅孔替代焊接元件，但是要求元件的電極也是銅質(zhì)的(不是錫質(zhì)的)，以便更好地連接。因此現在業(yè)內也開(kāi)始生產(chǎn)帶銅質(zhì)電極的SMT器件。例如，日本村田公司專(zhuān)門(mén)為嵌入元件設計的GRU系列嵌入式電容。 制造 在傳統的工作流程中，生產(chǎn)制造的各個(gè)階段往往是不連貫的：先行制造裸板，然后送到裝配工廠(chǎng)，由元件貼裝機進(jìn)行PCB板的裝配。 嵌入式元件將改善這一現象：各個(gè)階段不再是分開(kāi)的，元件在生產(chǎn)制造的同時(shí)就要與PCB板連接在一起。這對PCB行業(yè)以及設備制造商而言是嚴峻的挑戰。無(wú)論是在PCB基板裝配過(guò)程中還是完畢后，元件始終嵌入基板凹槽中。如果在PCB裝配之后再嵌入元件，凹槽就會(huì )顯露在表面。如果要把元件完全嵌入多層板中，只能通過(guò)PCB制造商來(lái)操作，這也為SMT元件貼片機制造商創(chuàng )造了新的市場(chǎng)機會(huì )。 相應的，SMT貼片機制造商也要考慮嵌入元件鋪放問(wèn)題。通常嵌入凹槽允許的最大生產(chǎn)公差僅為20um，這就要求SMT鋪放有較高的準確性。例如，焊膏的自動(dòng)校對功能可以在一定程度上提高準確度，但對于嵌入式元件而言并不適用。 此外，元件鋪放時(shí)的力道也要準確把握，表面貼裝的元件在鋪放過(guò)程中出現的毀壞可以在外觀(guān)檢測時(shí)發(fā)現；相比之下，嵌入式元件的毀壞情況則是肉眼檢測不到的，一旦發(fā)現破裂則會(huì )導致整個(gè)基板失效。突發(fā)性的熱事件(如在表面貼裝元件時(shí)產(chǎn)生回流)也會(huì )導致嵌入式元件的完整性大打折扣。 制造設備供應商力臻達到元件嵌入時(shí)的標準和操作規范，以求為行業(yè)贏(yíng)得功能和商業(yè)上的雙重收益。 EDA工具 電子行業(yè)已經(jīng)成功地引入了嵌入式有源元件概念，并將它視為主流趨勢。盡管大型OEM的目標鎖定在寸土寸金的消費設備上，但是隨著(zhù)近年來(lái)小規模的設計團隊逐漸增多，各個(gè)規模的OEM都開(kāi)始利用嵌入式元件的優(yōu)勢。 這些支持主要來(lái)自EDA供應商。例如最新發(fā)布的Altium Designer 14利用領(lǐng)先的板級設計環(huán)境創(chuàng )建帶有凹槽的PCB板，以支持嵌入式元件。 更多的PCB板制造流程可以通過(guò)切槽和激光鉆孔容納更多嵌入式元件，如圖1所示。 
圖1：適用嵌入式元件的PCB制造流程。電路板通過(guò)堆疊技術(shù)制造而成，將嵌入式元件嵌入或包入其中。激光微鉆孔用于連接較低一側的嵌入式元件。 為了利用這一功能，Altium Designer 14 (AD14)支持名為Cavity Definition的Region屬性，可以將Height屬性與Region相聯(lián)系，允許在任意信號層鋪放元件。為了能夠完全嵌入，元件的凹槽必須延伸至PCB板邊緣，從而在側邊開(kāi)放，這一點(diǎn)在嵌入貼片LED時(shí)尤為重要。如圖2所示，利用Altium Designer 14設計的在圓形PCB板上用于裝配貼片 LED的凹槽。
圖2：在圓形PCB板上為SMT LED而設計的凹槽。 通過(guò)編輯元件屬性，該層可被視為內層，嵌入式元件的方向也是根據該層的方向而定(可以通過(guò)勾選Fipped on Layer選項來(lái)覆蓋)。 如果用這種方式嵌入，Altium Designer 14可以自動(dòng)產(chǎn)生托管堆棧Managed Stack，在Z平面定義基板結構。 對于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)目前有幾種嵌入有源元件的方式：模塊電路板(IMB)、嵌入式晶圓級封裝(EWCP)、嵌入式晶片堆層(ECBU)和高分子嵌芯片(CIP)。最后一種方法可以把薄片晶圓封裝直接嵌入到堆疊的介質(zhì)層上，而不是使用通過(guò)鉆孔或走線(xiàn)連接到核心材料的凹槽，這種方法也支持FR-4多層電路板。 在設計嵌入元件時(shí)，為了確保成功無(wú)誤，重要的一點(diǎn)是與PCB制造商充分的溝通，表1中羅列出了建議提供給PCB制造商的文檔以及設計文件。
總結 大型OEM廠(chǎng)商在大量消費應用中使用嵌入式元件已經(jīng)有十來(lái)年的時(shí)間，它的可用性和技術(shù)支持也在電子供應鏈中逐漸增大，這反過(guò)來(lái)也為各種規模的OEM廠(chǎng)商創(chuàng )造了新的機會(huì )，使他們能夠瞄準垂直市場(chǎng)，更好地開(kāi)拓自身優(yōu)勢。設計工程師是連接到供應鏈的接口，EDA供應商提供工具，實(shí)現無(wú)縫、高效的接口連接。通過(guò)在PCB設計中支持嵌入式元件，Altium確保在各個(gè)層面都能執行有效的電子產(chǎn)品設計。 |
