Designing a PCB with Embedded Components
传统的电路板设计方法，是将元器件放置在电路板的顶层和底层表面。电路板装配厂通常对这一流程有很好的支持，它们一般使用自动贴片机（pick and place）将每个元器件放置到位，准备进行表面焊接。对更小型、更高集成度电子产品的持续需求，再加上这些设备内部信号频率不断升高，推动了人们持续研究更好的电路制造与装配方式。
一种既能实现更高密度、又能更好支持更高信号频率的技术，是将embed元器件嵌入到电路结构的层内。例如，将分立器件直接嵌入到集成电路下方，可以缩短信号路径长度，降低电阻与寄生电感，从而降低噪声与 EMI，并提升电路信号完整性。这些改进可带来更小、更可靠的产品，支持更快的信号速度与更高带宽。结合制造工艺与技术的持续进步，还可能进一步减小产品尺寸，并降低制造与板级装配成本。
嵌入式元器件会对从设计到制造、从装配到测试以及成品维护的各个阶段提出一些不同寻常的要求。
元器件如何实现嵌入？
嵌入元器件会给电路板制造带来显著变化——不再是先制造裸板，再在装配阶段把元器件装到裸板上这么简单。这两项工作由于工艺与技术要求差异明显，过去常由不同公司分别完成。如果使用嵌入式元器件，就必须在制造过程中将其装入电路板。虽然这曾经是高度专业化板厂的领域，但如今相关工艺已相当成熟，能够生产嵌入式元器件电路板的制造商也越来越多。
元器件嵌入有两种方式：一种是开设开放式腔体，使嵌入元器件位于腔体内，并在成品板上仍可见；另一种是在制造过程中将其放置在内层上，随后在叠加上层时将其覆盖，使其在成品板上不可见。
制造带嵌入式元器件的电路板有多种方法，下面的说明与图片展示了其中一种方案。
- 电路板从双面覆铜的刚性芯板开始，按需要对铜层进行蚀刻与钻孔。
- 在两侧各压合一层 prepreg+铜层，并按需要进行蚀刻与激光钻孔。
- 在该层（单面或双面）贴装嵌入式元器件，例如使用印刷焊膏并进行回流工艺。
- 再叠加一层带开窗的 prepreg，在每个嵌入元器件位置开窗以形成腔体。
- 在两侧各压合一层外层 prepreg+铜层，并按需要进行蚀刻、激光钻孔与通孔钻孔。
电路板采用逐层构建（build-up）技术制造，嵌入式元器件在过程中被放置并封装在板内。
注意用于访问电路板下侧嵌入元器件的激光微孔（micro via）。
使用嵌入式元器件进行设计
在 PCB 编辑器中，元器件可以放置在任意信号层上，而不仅限于传统的顶层或底层信号层。如果将元器件放置在被覆盖的内层铜层上，这些元器件就称为嵌入式元器件。嵌入元器件有两种方式：
- 用户自定义腔体，为元器件周围提供所需的净空，
- 或者对于 0201 等小封装，不需要腔体，元器件会在后续叠层过程中被直接包封，最终在成品板的每个器件位置形成一个凸起。
当元器件需要腔体时，该腔体可以完全封闭在板内，也可以延伸到电路板一侧形成开口。下图展示了 3 个嵌入式元器件：外侧两个定义了腔体，因此在电路板顶面是开口可见的；中间的元器件位于更低的层，因此被完全封闭。对设计人员而言，无论是开放式腔体还是封闭式腔体，元器件放置流程是相同的。
三个嵌入式元器件，外侧两个元器件的腔体开口通向电路板表面，中间的元器件则完全嵌入。
该元器件为完全嵌入。为便于解读图片，元器件用蓝色轮廓高亮，腔体用橙色轮廓标示。
在 PCB 库元器件中定义腔体
如果元器件需要嵌入且需要腔体，则腔体作为元器件封装的一部分在 PCB Library 编辑器中定义。注意：添加腔体并不会阻止该元器件用于表层；在这种情况下，软件会忽略腔体。
定义腔体的方法：
- 在某个机械层上放置一个 Region 对象。放置时应使其包围元器件的 3D Body，并在各边留出足够净空。所需净空请与制造商确认。
- 编辑该 Region 对象，并将 Kind 属性设置为 Cavity。
- 确认 Layer 属性为合适的机械层。
- 将 Cavity Height 属性设置为合适的高度，通常为 3D Body 的高度加上制造商建议的净空。
下图展示了 PCB 库编辑器，其中包括：
- 位于 Mechanical 15 层上的绿色、被选中的腔体定义，
- 元器件焊盘的红色轮廓，
- 用于定义电容两端焊盘与本体的 3D Body 对象的紫色阴影区域。
腔体通过在机械层上放置 region 对象来定义，将其 Kind 设置为 Cavity，并将 Cavity Height 设置为所需的腔体深度。
注意紫色阴影区域，这是位于腔体中的 3D Body。
放置并设置嵌入式元器件的朝向
要嵌入一个元器件，请编辑元器件属性并将 Layer 设置为所需的内层铜层。嵌入式元器件的朝向（向上或向下）由 Orientation 决定，该属性在 Layer Stack Manager 中为该铜层指定。
在 Properties 面板中为元器件设置 Layer。
在 Layer Stack Manager 中为每个信号层上的元器件设置 Orientation。
腔体与层叠结构之间的交互
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你在 PCB Library 编辑器中定义的腔体具有 Height 属性。该高度定义了软件将从元器件所在铜层表面向上移除（切除）所有层的距离。
为简化腔体与其穿过的各层之间的交互，软件会确保不会只切掉某一层的一部分。如果腔体进入某一层（例如介质层），但没有贯穿该介质层，软件会自动将腔体延伸至贯穿该层。
下图展示了这一点：较深的绘图线用于标示腔体的角以及元器件如何位于最后一个被切除层的表面之下，但该层的开窗会一直贯穿整层。此行为对内嵌腔体与开放式腔体都适用。
如果腔体未完全贯穿某一层，软件会自动将腔体在该层中补齐贯穿。
嵌入式元器件、子叠层与受管叠层
下方的悬停图片展示了包含嵌入式元器件的刚挠结合设计的 Layer Stack Manager。刚挠结合设计中的每个独立区域（zone/region）可以由不同数量的层构成。为实现这一点，需要能够定义多个叠层，称为 substacks。
启用 Rigid/Flex 选项后，会出现 Substack Selector 按钮，点击即可选择并配置每个子叠层。将光标悬停在图片上可查看 Flex 子叠层。
当你嵌入元器件时，PCB 编辑器必须管理该嵌入元器件对层叠结构的影响——不仅体现在显示方式上，也体现在焊阻开窗、设计规则检查等计算数据上。为此，软件会针对设计中各个嵌入式元器件所需的“已放置层 + 被切除层”的每一种独特组合创建一个叠层。这些叠层称为 Managed Stacks。
当元件被嵌入到电路板层叠结构中时，系统会自动创建“受管层叠（Managed Stack）”。由于受管层叠是自动生成的，因此在其创建与管理过程中不需要用户输入。PCB 编辑器会检查是否存在嵌入式元件，测试当前已有的受管层叠是否适用；如果不适用，则会创建新的受管层叠。同样地，当移除嵌入式元件时，如果某个受管层叠不再需要，也会被自动移除。若要强制 PCB 编辑器检查是否需要新的受管层叠，请在 2D 与 3D 布局模式之间切换。
与用户层叠（User Stacks）类似，当PCB 面板设置为Layer Stack Regions时，受管层叠会在其中列出。下图显示了两个嵌入式元件 R1 和 C15 的受管层叠。使用此功能可查看每个受管层叠在 X、Y 平面上的覆盖范围。
查看层叠结构（Layer Stacks）时，右侧可以看到这两个受管层叠。
接下来去哪？
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IPC 标准（IPC-7092A - Design and Assembly Process Implementation for Embedded Circuitry）详细说明了嵌入式元件的推荐设计技术。
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PCB 制造厂（Fab house）是获取工艺技术信息（例如嵌入式元件）的极佳来源。例如，Wurth Electronik 在其网站上设有专门的Embedding 栏目，提供器件设计规则、铜箔设计规则以及嵌入式设计指南等信息。如果你的 PCB 使用了嵌入式元件，请务必与制造厂确认其具体要求。
AI 翻译