用嵌入式元件技術在PCB基板內嵌入無源元件和有源元件

　由于電子產(chǎn)品面臨著如何在更小體積的設備上，產(chǎn)生最大功效這一嚴峻挑戰(zhàn)，因此為發(fā)明表面貼裝元件或研究半導體幾何學提供了動力；同時，也推動了新趨勢的產(chǎn)生，即在PCB基板內嵌入無源元件和有源元件。
　　這一趨勢確實對整個電子供應鏈影響頗深，也是每個環(huán)節(jié)的供應商所面臨的挑戰(zhàn)。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時更具靈活性的設計自動化工具。新標準下的設計規(guī)則也具有一定挑戰(zhàn)，因此EDA工具供應商正集中精力努力應對這些問題，使更多OEM廠商采用這種極具競爭性和革命性的技術。
　　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)生無源（阻性、容性、感性）元件；后者是一個漸進的過程，可以把不連續(xù)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)點很多，最為重要的一點就是它的元件密度。值得一提的是，人們對于無源元件（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)生了一個新趨勢，即垂直堆棧元件，以最大程度降低走線長度。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、2.0mm寬、1.0mm高。
　　元件制造商在推出新產(chǎn)品時必須要不斷滿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，尤其是在無源元件中，該技術可以更好地將元件嵌入PCB基板中。隨著SMT剖面結構越來越小，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、0.22mm寬、0.15mm高。
　　然而，這種連接方式有進一步的要求，主要分兩種：利用傳統(tǒng)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，但是在嵌入時會有一定的風險。二次加熱（如當進行表面貼裝）時會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(xiàn)焊接回流問題，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的（不是錫質的），以便更好地連接。因此現(xiàn)在業(yè)內也開始生產(chǎn)帶銅質電極的SMT器件。例如，日本村田公司專門為嵌入元件設計的GRU系列嵌入式電容。
　　制造
　　在傳統(tǒng)的工作流程中，生產(chǎn)制造的各個階段往往是不連貫的：先行制造裸板，然后送到裝配工廠，由元件貼裝機進行PCB板的裝配。
　　嵌入式元件將改善這一現(xiàn)象：各個階段不再是分開的，元件在生產(chǎn)制造的同時就要與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(zhàn)。無論是在PCB基板裝配過程中還是完畢后，元件始終嵌入基板凹槽中。如果在PCB裝配之后再嵌入元件，凹槽就會顯露在表面。如果要把元件完全嵌入多層板中，只能通過PCB制造商來操作，這也為SMT元件貼片機制造商創(chuàng)造了新的市場機會。
　　相應的，SMT貼片機制造商也要考慮嵌入元件鋪放問題。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，元件鋪放時的力道也要準確把握，表面貼裝的元件在鋪放過程中出現(xiàn)的毀壞可以在外觀檢測時發(fā)現(xiàn)；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(xiàn)破裂則會導致整個基板失效。突發(fā)性的熱事件（如在表面貼裝元件時產(chǎn)生回流）也會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的標準和操作規(guī)范，以求為行業(yè)贏得功能和商業(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，但是隨著近年來小規(guī)模的設計團隊逐漸增多，各個規(guī)模的OEM都開始利用嵌入式元件的優(yōu)勢。
　　這些支持主要來自EDA供應商。例如最新發(fā)布的Altium Designer 14利用領先的板級設計環(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。電路板通過堆疊技術制造而成，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。