用嵌入式元件技術(shù)實(shí)現(xiàn)高端產(chǎn)品設(shè)計(jì)

由于電子產(chǎn)品面臨著如何在更小體積的設(shè)備上，產(chǎn)生最大功效這一嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此為發(fā)明表面貼裝元件或研究半導(dǎo)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(nèi)嵌入無源元件和有源元件。

這一趨勢確實(shí)對整個(gè)電子供應(yīng)鏈影響頗深，也是每個(gè)環(huán)節(jié)的供應(yīng)商所面臨的挑戰(zhàn)。工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)要想充分利用這一發(fā)展趨勢，需要一款在構(gòu)思和創(chuàng)新PCB時(shí)更具靈活性的設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具。新標(biāo)準(zhǔn)下的設(shè)計(jì)規(guī)則也具有一定挑戰(zhàn)，因此EDA工具供應(yīng)商正集中精力努力應(yīng)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(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)生無源(阻性、容性、感性)元件;后者是一個(gè)漸進(jìn)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(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，人們對于無源元件(尤其是可以應(yīng)對更高運(yùn)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長度。德州儀器公司最近推出了500mA的DC-DC降壓轉(zhuǎn)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(shí)必須要不斷滿足人們對于封裝變化的需求，以及廣泛應(yīng)用的表面貼裝技術(shù)，尤其是在無源元件中，該技術(shù)可以更好地將元件嵌入PCB基板中。隨著SMT剖面結(jié)構(gòu)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(jìn)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(shí)會(huì)有一定的風(fēng)險(xiǎn)。二次加熱(如當(dāng)進(jìn)行表面貼裝)時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊膏與嵌入元件產(chǎn)生回流，并有可能最終導(dǎo)致操作失敗。

為了避免出現(xiàn)焊接回流問題，業(yè)內(nèi)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(xiàn)在業(yè)內(nèi)也開始生產(chǎn)帶銅質(zhì)電極的SMT器件。例如，日本村田公司專門為嵌入元件設(shè)計(jì)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(gè)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(jī)進(jìn)行PCB板的裝配。

嵌入式元件將改善這一現(xiàn)象：各個(gè)階段不再是分開的，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(shè)備制造商而言是嚴(yán)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(huì)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(jī)制造商創(chuàng)造了新的市場機(jī)會(huì)。

相應(yīng)的，SMT貼片機(jī)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)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(huì)導(dǎo)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(dǎo)致嵌入式元件的完整性大打折扣。

制造設(shè)備供應(yīng)商力臻達(dá)到元件嵌入時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)鎖定在寸土寸金的消費(fèi)設(shè)備上，但是隨著近年來小規(guī)模的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)逐漸增多，各個(gè)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(yīng)商。例如最新發(fā)布的Altium Designer 14利用領(lǐng)先的板級設(shè)計(jì)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(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(cè)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(cè)邊開放，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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的凹槽。

通過編輯元件屬性，該層可被視為內(nèi)層，嵌入式元件的方向也是根據(jù)該層的方向而定(可以通過勾選Fipped on Layer選項(xiàng)來覆蓋)。

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(jié)構(gòu)。

對于開發(fā)者來說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，而不是使用通過鉆孔或走線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(shè)計(jì)嵌入元件時(shí)，為了確保成功無誤，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(shè)計(jì)文件。

總結(jié)

大型OEM廠商在大量消費(fèi)應(yīng)用中使用嵌入式元件已經(jīng)有十來年的時(shí)間，它的可用性和技術(shù)支持也在電子供應(yīng)鏈中逐漸增大，這反過來也為各種規(guī)模的OEM廠商創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)，使他們能夠瞄準(zhǔn)垂直市場，更好地開拓自身優(yōu)勢。設(shè)計(jì)工程師是連接到供應(yīng)鏈的接口，EDA供應(yīng)商提供工具，實(shí)現(xiàn)無縫、高效的接口連接。通過在PCB設(shè)計(jì)中支持嵌入式元件，Altium確保在各個(gè)層面都能執(zhí)行有效的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)。