Встраивание радиодеталей между слоями несёт массу плюсов, причем сборка электронных компонентов внутри печатных плат была технически возможна ещё много лет назад, но это была пока ещё дорогая технология. Сегодня же, за счет постоянно прогрессирующей миниатюризации компонентов, вынуждавшей к еще большему совершенствованию технологических процессов, применяемых производителями печатных плат, значительно снизились затраты на внедрение встраиваемых компонентов.

В настоящее время эта технология внедряется во все большее число проектов из различных отраслей. Для того чтобы иметь возможность размещать компоненты не только сверху и снизу плат, но и внутри текстолита, программы проектирования печатных плат должны реализовывать необходимые для такого способа размещения элементов функции и иметь специализированные правила проектирования, которые помогут избежать ошибок.

Высокая миатюризация

Миниатюризация крайне важна для производителей электроники, поскольку позволяет реализовать больше функций и усложнить их, дает возможность оптимизировать энергоэффективность и качество обработки сигналов. Требуемое пространство и, следовательно, размеры плат в доступном монтажном пространстве определяются количеством компонентов, которые должны быть размещены с обеих сторон печатной платы. Рассматривается любой потенциальный способ увеличения упаковки. Поэтому полезно также уменьшить площадь поверхности за счет расположения элементов в третьем измерении, например, за счет использования плат расширения с краевыми разъемами, создания стопок плат (стеков) с использованием жестко-гибких плат. Однако эти решения не всегда можно реализовать, поскольку они увеличивают высоту и удлиняют время распространения сигнала между отдельными слоями.

По всем этим причинам разработчики обращаются к технологии встроенных компонентов, ранее использовавшейся производителями мобильных устройств, поскольку они имеют множество преимуществ. Первые элементы этого типа были реализованы в виде печатных компонентов, таких как резистивные пасты и катушки на внутренних слоях. Однако современные производственные процессы позволяют собирать настоящие детали внутри такой платы.

Создание её требует использования специализированного процесса прессования, но на практике технология аналогична той, что известна для многослойных плат. Помимо экономии места, эта сборка также имеет преимущества, которые не могут быть достигнуты никаким другим типом миниатюризации. Чем ближе электрические компоненты друг к другу, тем короче могут быть соединения. В результате они вызывают меньше проблем с сохранением целостности сигналов и питания, а также легче обеспечить электромагнитную совместимость при высоких скоростях передачи. Таким образом, печатная плата становится более надежной как электрически, так и механически. Печатные платы со скрытыми компонентами в настоящее время являются стандартным процессом, предлагаемым в массовом производстве передовых промышленных устройств.

Если посмотреть на уже запущенные в серийное производство проекты можно увидеть, что более высокая цена печатной платы — это лишь один из факторов, а для получения полной картины нужно еще учитывать габариты, вес и электрические параметры. Тогда естественно расчет другой. Отсутствие разъемов и дополнительных креплений делает все это дело легче и жестче, а значит, и надежнее. В приложениях IoT, аэрокосмическом оборудовании это куда важнее цены. Заглубленные компоненты также более защищены от воздействия окружающей среды. Резисторы от 10 Ом до 10 МОм и конденсаторы до 100 нФ в корпусах 0402 и 0201 с высотой элементов от 100 до 300 мкм могут быть использованы для интеграции с печатными платами в случае пассивных компонентов. В случае активных – сборка распространяется на незамкнутые конструкции высотой от 100 до 150 мкм, содержащие до 50 выводов.

Типы соединения скрытых компонентов

Скрытые компоненты могут быть электрически соединены с дорожками печатной платы двумя способами.

1. Первый предполагает что компоненты могут быть припаяны в более поздних операциях внутреннего ядра печатной платы с использованием классического процесса SMD. Вначале обычная печатная плата изготавливается без защитного покрытия и рассматривается как ядро всей будущей конструкции платы. Затем на эту сердцевину наслаиваются последующие слои, и вырезаются фрагменты в нанесенных последовательных слоях, где компоненты припаиваются к основе. Этот метод называется прямым подключением.
2. Второй метод — однослойный по технологии, когда компонент приклеивается выводами к медной фольге, которая впоследствии становится электрическим слоем печатной платы. В прилегающем слое субстрата также необходимо подготовить соответствующие полости. Затем луч УФ-лазера прожигает медную фольгу и клейкий слой, образуя сквозное отверстие. Далее элемент соединяется через отверстие с медным слоем в процессе металлизации (как однослойное сквозное соединение). Еще позже лазер СО2 удаляет ненужный монтажный клей, используя тот факт, что не воздействует на медные поверхности. Его длина волны и плотность энергии подобраны таким образом, чтобы излучение блокировалось медными структурами и воздействовало только на органический материал.

Традиционные версии ПО для печатных плат не позволяют размещать компоненты во внутренних слоях текстолита и не обеспечивают контроля правил проектирования. Поэтому требуется специальный софт.

В полях конфигурации для скрытых компонентов можно ввести множество полезных параметров для завода печатных плат, чтобы оптимизировать процесс сборки. В описании слоев указывается, например, обращен ли элемент, припаянный к внутреннему слою 6, вверх или вниз. Если его высота больше толщины изолирующего слоя между другими слоями и этот элемент проникает через соседний слой, то такое выступание должно быть разрешено в соседнем слое. В противном случае во время проектирования появится сообщение об ошибке.

Если прокалывание разрешено, необходимо позаботиться о том, чтобы в соседнем слое появилась область, в которой проектирование путей не допускается. Во время укладки в основании вокруг элемента создаются полости. Изначально они пустые, но при производстве их заливают смолой, которая заливает элемент после сборки.

Редактор различает расстояния до путей (маршрут исключен), расстояния до переходных отверстий (переход запрещен) и минимальное расстояние до следующего скрытого компонента. Если два заглубленных элемента размещаются рядом или друг над другом, геометрия полости должна быть рассчитана таким образом, чтобы смола могла затекать в углубления для обоих элементов. Этого можно добиться, оставив большую общую полость для них обоих.

Поэтому для монтажа компонентов на печатной плате необходимо создать последовательную структуру слоев, в соответствии с отдельными последующими этапами производства. Их следует рассматривать как производственные спецификации в проекте. Разумеется, в проектных данных должны быть учтены все ограничения технологии производства. Окончательное производственное досье определяет проект таким образом, что производитель получает описание рабочих этапов из программы eCAD.

Особые требования к документации

Группировка внутренних слоев в так называемые ядра также описывает, какие типы переходных отверстий могут использоваться в многослойной структуре. Эти подробные параметры также можно экспортировать в виде контейнера данных IPC-2581.

Правила проектирования для размещения компонентов должны быть четко определены в программе печатной платы. Специальное ПО постоянно проверяет и указывает на нарушения. При размещении компонента в качестве встроенного, отображается выбор возможных внутренних слоев. После размещения элемента автоматически проверяется его высота и, при необходимости, соседний слой «прошивается» по введенным ранее условиям. Вокруг детали создается углубление, которое при необходимости стыкуется с соседним для создания общего контура. Соблюдаются все правила соблюдения дистанции, а также соблюдаются запретные зоны.

Как и в случае с внешними слоями, внутренние также имеют минимальное расстояние между компонентами, чтобы впоследствии их можно было должным образом зафиксировать с помощью сборочно-разборной машины. Как видите, данная технология выступает очень важным шагом на пути развития радиоэлектроники и схемотехники.