设计带有嵌入式元件的 PCB

传统的电路板设计方法是将元件放置在电路板的顶面和底面。电路板组装厂对这一流程的支持已十分成熟，通常使用自动贴片机将各个元件放置到位，以便焊接到板面上。市场对更小型、集成度更高的电子产品的需求不断增长，加之这些设备内部的信号频率越来越高，推动着业界持续研究更好的电路制造和组装方法。

一种既能提高密度，又能更好地支持高频信号的技术，是将元件embed在电路结构的各层内部。例如，将分立元件直接嵌入集成电路下方，可以缩短信号路径长度、 降低电阻和寄生电感，从而减少噪声和 EMI， 并提高电路的信号完整性。这些改进可使产品更小巧、更可靠，并支持更高的信号速率和更大的带宽。结合制造工艺和技术的持续进步，还可以进一步缩小产品尺寸，降低制造和板级组装成本。

嵌入式元件对从设计、制造、组装，到成品测试和维护的各个环节 都提出了一系列特殊要求。

如何嵌入元件？

嵌入式元件使电路板的制造方式发生了显著变化——裸板制造与随后在组装阶段将元件安装到裸板上这两个环节之间，不再有明确的界限。由于工艺和技术要求截然不同，这两项工作过去通常由不同的公司完成。如果使用嵌入式元件，就必须在制造过程中将其安装到板内。虽然这曾经是高度专业化的电路板制造厂才具备的能力，但如今相关工艺已相当成熟，许多制造商都能够制造带嵌入式元件的电路板。

嵌入元件有两种方式：一种是创建开放式腔体，将嵌入式元件置于其中，使其在成品电路板上仍然可见；另一种是在制造过程中将元件放置到内层，随后随着上方各层的叠加而将其覆盖，使其在成品电路板上不可见。

制造带嵌入式元件的电路板有多种方法，以下说明和图片展示了其中一种。

1. 首先使用双面覆铜的刚性芯板，并根据需要对这些铜层进行蚀刻和钻孔。
2. 在两侧各压合一层半固化片和铜箔，并根据需要进行蚀刻和激光钻孔。
3. 在该层的一侧或两侧安装嵌入式元件，例如采用锡膏沉积和回流焊工艺。
4. 添加一层带开口的半固化片，通过开口为每个嵌入式元件形成腔体。
5. 在两侧各压合由半固化片和铜箔组成的外层，并根据需要进行蚀刻、激光钻孔和通孔钻孔。

  电路板采用积层技术制造，嵌入式元件的放置和包封也是该工艺的一部分。
请注意，用于连接电路板下侧嵌入式元件的微孔采用激光钻孔制成。

使用嵌入式元件进行设计

在 PCB 编辑器中，元件可以放置在任意信号层上，而不局限于传统的顶层或底层表面信号层。如果元件放置在被覆盖的内层铜层上，就称为嵌入式元件。嵌入元件有两种方式：

• 通过用户定义的腔体，在元件周围留出所需间隙；
• 对于 0201 等小型封装，则无需腔体，只需在后续叠层时将元件包封，这会使成品板上每个元件所在的位置形成凸起。

当元件需要腔体时，腔体可以完全封闭在板内，也可以延伸至电路板的一侧表面，形成开口。下图展示了 3 个嵌入式元件，外侧两个元件所定义的腔体在电路板顶面开口。中间的元件位于更低的层上，因此被完全封闭。从设计人员的角度来看，开放式腔体元件与封闭式腔体元件的放置过程相同。

三个嵌入式元件中，外侧两个元件的腔体开口位于电路板表面，中间的元件则完全嵌入板内。

此元件完全嵌入板内。为便于理解图示，元件以蓝色轮廓突出显示，腔体以橙色轮廓突出显示。

在 PCB 库元件中定义腔体

如果元件需要嵌入板内且需要腔体，则应在 PCB 库编辑器中将腔体定义为元件封装的一部分。请注意，添加腔体并不妨碍将该元件用于表面层；在这种情况下，软件会忽略该腔体。

定义腔体的步骤如下：

1. 在机械层上放置一个区域对象。放置时，应使该对象包围元件的 3D 实体，并在各侧留出足够的间隙。请咨询制造商，确认所需的间隙大小。
2. 编辑区域对象，将 Kind 属性设置为 Cavity。
3. 确认 Layer 属性设置为合适的机械层。
4. 将 Cavity Height 属性设置为合适的高度，通常为 3D 实体的高度加上制造商建议的间隙。

下图展示了 PCB 库编辑器，其中包括：

• Mechanical 15 层上已选中的绿色腔体定义；
• 元件焊盘的红色轮廓；
• 以紫色阴影显示的 3D 实体对象，用于定义电容器的两个焊盘和本体。

要定义腔体，可在机械层上放置一个区域对象，将其 类型 设置为 腔体，并将 Cavity Height 设置为所需的腔体深度。
请注意紫色阴影区域，它就是位于腔体中的 3D 实体。

放置嵌入式元件并设置其朝向

要嵌入元件，请编辑元件属性，并将 Layer 设置为所需的内部铜层。嵌入式元件的朝向（向上或向下）由 层叠管理器中为该铜层指定的 Orientation 决定。

在 Properties 面板中设置元件的 层。

在层叠管理器中设置各信号层上元件的朝向。

腔体与层叠之间的相互作用

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您在 PCB 库编辑器中定义的腔体具有高度属性。此高度定义了软件从元件所在铜层表面向上移除所有层的距离。

为简化腔体与其所切穿各层之间的相互作用，软件会确保任何层都不会仅被部分切除。如果腔体进入某一层（例如介质层），但未完全贯穿该介质层，软件会自动延伸腔体，使其完全贯穿该层。

下图展示了这一点。图中添加了较深的绘图线条，以显示腔体的边角，以及元件如何位于最后一个被切除层的表面下方，而该层的切口仍会贯穿整个层。此行为适用于内部腔体和开放式腔体。

如果腔体未完全贯穿某一层，软件会自动将腔体延伸至贯穿该层。

嵌入式元件、子层叠和受管层叠

下方的悬停图像展示了包含嵌入式元件的刚柔结合设计的层叠管理器。刚柔结合设计中的每个独立区或区域可以由不同数量的层组成。为此，您需要能够定义多个层叠，称为 substacks。

 启用刚性/柔性选项后，将显示子层叠选择器按钮，单击该按钮即可选择并配置各个子层叠。将光标悬停在图像上可查看柔性子层叠。

嵌入元件时，PCB 编辑器必须管理该嵌入式元件对层叠的影响，不仅涉及显示方式，还涉及阻焊开窗和设计规则检查等计算数据。为此，编辑器会针对设计中各个嵌入式元件所需的放置层与切除层的每一种独特组合，创建一个层叠。这些层叠称为 Managed Stacks。

将元件嵌入电路板各层内部时，会自动创建受管层叠。由于受管层叠是自动创建的，因此其创建和管理无需用户干预。PCB 编辑器会检查嵌入式元件，判断当前是否有适用的受管层叠，如果没有，则创建一个新的受管层叠。移除嵌入式元件时也是如此：如果某个受管层叠不再需要，便会被自动移除。要强制 PCB 编辑器检查是否需要新的受管层叠，请在 2D 和 3D 布局模式之间切换。

与用户层叠一样，当PCB 面板设置为 Layer Stack Regions 时，其中会列出受管层叠。下图展示了两个嵌入式元件 R1 和 C15 的受管层叠。使用此功能可以查看每个受管层叠在 X、Y 平面内的范围。

查看层叠，右侧可见两个受管层叠。

下一步？

• Gerber X2 和 ODB++ CAD 到 CAM 数据交换格式 均支持嵌入式元件。

• IPC 标准 IPC-7092A - Design and Assembly Process Implementation for Embedded Circuitry 详细介绍了嵌入式元件的推荐设计技术。 

• PCB 制造商是获取嵌入式元件等工艺技术信息的绝佳来源。例如，Wurth Electronik 在其网站上设有专门的嵌入式技术专区，提供器件设计规则、铜设计规则以及嵌入式设计指南。如果您的 PCB 使用了嵌入式元件，请务必向制造商确认其要求。