Entwurf einer Leiterplatte mit eingebetteten Bauteilen

Beim herkömmlichen Leiterplattendesign werden die Bauteile auf der Ober- und Unterseite der Leiterplatte platziert. Dieser Prozess wird von Leiterplattenbestückern umfassend unterstützt, die in der Regel automatische Bestückungsmaschinen einsetzen, um jedes Bauteil für das anschließende Auflöten auf die Oberfläche zu positionieren. Die stetig steigende Nachfrage nach kleineren und stärker integrierten elektronischen Produkten sowie die höheren Signalfrequenzen in diesen Geräten treiben die kontinuierliche Erforschung besserer Verfahren zur Herstellung und Bestückung von Schaltungen voran.

Eine Technik, die sowohl eine höhere Packungsdichte als auch eine bessere Eignung für höhere Signalfrequenzen bietet, besteht darin, Bauteile innerhalb der Lagen der Schaltungsstruktur zu embed. Werden beispielsweise diskrete Bauteile direkt unter einer integrierten Schaltung eingebettet, können kürzere Signalwege, ein geringerer Widerstand und eine geringere parasitäre Induktivität erzielt werden. Dies führt zu weniger Rauschen und elektromagnetischen Störungen (EMI) sowie zu einer verbesserten Signalintegrität. Diese Verbesserungen ermöglichen kleinere und zuverlässigere Produkte, die höhere Signalgeschwindigkeiten und Bandbreiten unterstützen. Zusammen mit den kontinuierlichen Fortschritten bei Fertigungsverfahren und -technologien können sie außerdem die Produktgröße sowie die Kosten für die Herstellung und Bestückung der Leiterplatte reduzieren.

Das Einbetten von Bauteilen stellt eine Reihe besonderer Anforderungen an jede Phase des Prozesses – vom Design über die Fertigung und Bestückung bis hin zur Prüfung und Wartung des fertigen Produkts.

Wie lässt sich ein Bauteil einbetten?

Das Einbetten von Bauteilen verändert die Herstellung einer Leiterplatte grundlegend: Die klare Trennung zwischen der Fertigung der unbestückten Leiterplatte und ihrer anschließenden Bestückung entfällt. Diese beiden Aufgaben wurden aufgrund ihrer deutlich unterschiedlichen Prozess- und Technologieanforderungen häufig von verschiedenen Unternehmen übernommen. Werden eingebettete Bauteile verwendet, müssen diese bereits während der Fertigung in die Leiterplatte eingesetzt werden. Während dies früher hoch spezialisierten Leiterplattenherstellern vorbehalten war, sind die Verfahren inzwischen gut etabliert, und viele Hersteller können Leiterplatten mit eingebetteten Bauteilen fertigen.

Ein Bauteil kann auf zwei Arten eingebettet werden: Entweder wird eine offene Kavität erzeugt, in der das eingebettete Bauteil sitzt und auf der fertigen Leiterplatte sichtbar bleibt, oder das Bauteil wird während der Fertigung auf einer Innenlage platziert und beim anschließenden Aufbringen der oberen Lagen abgedeckt, sodass es auf der fertigen Leiterplatte nicht sichtbar ist.

Für die Fertigung einer Leiterplatte mit eingebetteten Bauteilen gibt es zahlreiche Ansätze. Die folgende Beschreibung und Abbildung zeigen einen davon.

1. Die Ausgangsbasis ist ein beidseitig kupferkaschierter, starrer Kern. Die Kupferlagen werden nach Bedarf geätzt und gebohrt.
2. Auf jede Seite wird eine Prepreg- und Kupferlage aufgebracht, die nach Bedarf geätzt und lasergebohrt wird.
3. Die einzubettenden Bauteile werden auf dieser Lage montiert (ein- oder beidseitig), beispielsweise mittels aufgetragener Lotpaste und Reflow-Löten.
4. Eine Prepreg-Lage mit Ausschnitten wird hinzugefügt, wobei für jedes eingebettete Bauteil ein Ausschnitt eine Kavität bildet.
5. Auf jede Seite wird eine äußere Prepreg- und Kupferlage aufgebracht. Anschließend werden nach Bedarf Ätzungen, Laserbohrungen und durchgehende Bohrungen vorgenommen.

  Die Leiterplatte wird in Aufbautechnik gefertigt. Dabei werden die eingebetteten Bauteile im Verlauf des Prozesses platziert und eingeschlossen.
Beachten Sie die lasergebohrten Microvias, über die ein eingebettetes Bauteil auf der Unterseite der Leiterplatte kontaktiert wird.

Design mit eingebetteten Bauteilen

Im PCB-Editor können Bauteile auf jeder Signallage platziert werden, nicht nur auf den herkömmlichen äußeren Signallagen an der Ober- oder Unterseite. Werden sie auf einer abgedeckten inneren Kupferlage platziert, bezeichnet man sie als eingebettete Bauteile. Es gibt zwei Ansätze zum Einbetten von Bauteilen:

• Eine benutzerdefinierte Kavität schafft den erforderlichen Freiraum um das Bauteil.
• Bei kleinen Gehäusen wie 0201 wird hingegen keine Kavität vorgesehen. Das Bauteil wird beim Hinzufügen der nachfolgenden Lagen einfach eingeschlossen, wodurch an jeder Bauteilposition eine Erhebung auf der fertigen Leiterplatte entsteht.

Wenn ein Bauteil eine Kavität benötigt, kann diese vollständig innerhalb der Leiterplatte eingeschlossen sein oder sich bis zu einer Leiterplattenoberfläche erstrecken, sodass eine Öffnung entsteht. Die folgende Abbildung zeigt drei eingebettete Bauteile. Für die beiden äußeren Bauteile sind Kavitäten definiert, die zur Oberseite der Leiterplatte hin offen sind. Das mittlere Bauteil befindet sich auf einer tieferen Lage und ist dadurch vollständig eingeschlossen. Aus Sicht des Entwicklers ist der Platzierungsprozess für Bauteile in offenen und geschlossenen Kavitäten identisch.

Drei eingebettete Bauteile: Die Kavitäten der beiden äußeren Bauteile sind zur Leiterplattenoberfläche hin offen, das mittlere Bauteil ist vollständig eingebettet.

Dieses Bauteil ist vollständig eingebettet. Zur besseren Verständlichkeit der Abbildung ist das Bauteil mit blauen und die Kavität mit orangefarbenen Konturen hervorgehoben.

Definieren der Kavität im PCB-Bibliotheksbauteil

Wenn ein Bauteil eingebettet werden soll und eine Kavität benötigt, wird diese im PCB-Bibliothekseditor als Teil des Bauteil-Footprints definiert. Beachten Sie, dass das Hinzufügen einer Kavität die Verwendung des Bauteils auf einer Außenlage nicht verhindert. In diesem Fall ignoriert die Software die Kavität.

So definieren Sie eine Kavität:

1. Platzieren Sie ein Region-Objekt auf einer mechanischen Lage. Positionieren Sie das Objekt so, dass es den 3D-Körper des Bauteils mit ausreichend Freiraum auf jeder Seite umschließt. Klären Sie mit dem Leiterplattenhersteller, wie viel Freiraum erforderlich ist.
2. Bearbeiten Sie das Region-Objekt und setzen Sie das Attribut Kind auf Cavity.
3. Vergewissern Sie sich, dass für das Attribut Layer eine geeignete mechanische Lage festgelegt ist.
4. Setzen Sie das Attribut Cavity Height auf eine geeignete Höhe. In der Regel entspricht diese der Höhe des 3D-Körpers zuzüglich des vom Leiterplattenhersteller empfohlenen Freiraums.

Die folgende Abbildung zeigt den PCB-Bibliothekseditor mit:

• der grün dargestellten, ausgewählten Kavitätsdefinition auf der Lage Mechanical 15,
• den roten Konturen der Bauteil-Pads,
• den violett schattierten 3D-Körperobjekten, die die beiden Anschlussflächen und den Körper des Kondensators definieren.

Die Kavität wird definiert, indem Sie ein Region-Objekt auf einer mechanischen Lage platzieren, dessen Typ auf Kavität setzen und Cavity Height auf die erforderliche Kavitätstiefe einstellen.
Beachten Sie den violett schattierten Bereich: Dies ist der 3D-Körper, der in der Kavität sitzt.

Platzieren und Ausrichten eines eingebetteten Bauteils

Um ein Bauteil einzubetten, bearbeiten Sie die Bauteileigenschaften und setzen Sie Layer auf die gewünschte innere Kupferlage. Die Ausrichtung des eingebetteten Bauteils (nach oben oder unten) wird durch Orientation bestimmt, die für diese Kupferlage im Lagenaufbau-Manager festgelegt ist.

Legen Sie die Lage für das Bauteil im Bedienfeld Properties fest.

Legen Sie im Layer Stack Manager die Ausrichtung der Bauteile auf jeder Signallage fest.

Das Zusammenspiel zwischen Kavität und Lagenaufbau

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Die Kavität, die Sie im PCB-Bibliothekseditor definieren, besitzt ein Höhenattribut. Diese Höhe legt fest, über welchen Abstand die Software alle Lagen oberhalb der Oberfläche der Kupferlage entfernt, auf der das Bauteil platziert ist.

Um das Zusammenspiel zwischen der Kavität und den von ihr durchdrungenen Lagen zu vereinfachen, stellt die Software sicher, dass keine Lage nur teilweise ausgeschnitten wird. Wenn eine Kavität in eine Lage, beispielsweise eine dielektrische Lage, hineinragt, diese jedoch nicht vollständig durchdringt, erweitert die Software die Kavität automatisch durch die gesamte Lage hindurch.

Die folgende Abbildung veranschaulicht dies. Die dunkleren Zeichnungslinien wurden hinzugefügt, um die Ecken der Kavität und die Position des Bauteils unterhalb der Oberfläche der zuletzt ausgeschnittenen Lage zu zeigen. Der Lagenausschnitt erstreckt sich jedoch durch die gesamte Lage. Dieses Verhalten gilt sowohl für interne als auch für offene Kavitäten.

Wenn eine Kavität eine Lage nicht vollständig durchdringt, erweitert die Software die Kavität automatisch durch die gesamte Lage hindurch.

Eingebettete Bauteile, Teillagenaufbauten und verwaltete Lagenaufbauten

Die folgende Abbildung mit Hover-Effekt zeigt den Layer Stack Manager für ein Starrflex-Design mit eingebetteten Bauteilen. Jede einzelne Zone bzw. jeder Bereich eines Starrflex-Designs kann aus einer unterschiedlichen Anzahl von Lagen bestehen. Dafür müssen Sie mehrere Lagenaufbauten definieren können, die als substacks bezeichnet werden.

 Wenn die Option „Rigid/Flex“ aktiviert ist, wird die Schaltfläche zur Auswahl des Teillagenaufbaus angezeigt. Klicken Sie darauf, um die einzelnen Teillagenaufbauten auszuwählen und zu konfigurieren. Bewegen Sie den Mauszeiger über die Abbildung, um den flexiblen Teillagenaufbau anzuzeigen.

Wenn Sie ein Bauteil einbetten, muss der PCB-Editor dessen Auswirkungen auf den Lagenaufbau berücksichtigen – nicht nur bei der Darstellung, sondern auch bei berechneten Daten wie Lötstoppmaskenöffnungen und der Designregelprüfung. Dazu erstellt er für jede eindeutige Kombination aus Platzierungslagen und ausgeschnittenen Lagen, die für die verschiedenen eingebetteten Bauteile im Design benötigt wird, einen eigenen Lagenaufbau. Diese Lagenaufbauten werden als Managed Stacks bezeichnet.

Ein verwalteter Lagenaufbau wird automatisch erstellt, wenn ein Bauteil in die Lagen der Leiterplatte eingebettet wird. Da verwaltete Lagenaufbauten automatisch erstellt werden, sind für ihre Erstellung und Verwaltung keine Benutzereingaben erforderlich. Der PCB-Editor sucht nach eingebetteten Bauteilen und prüft, ob einer der vorhandenen verwalteten Lagenaufbauten geeignet ist. Ist dies nicht der Fall, erstellt er einen neuen. Dasselbe gilt beim Entfernen eingebetteter Bauteile: Wird ein verwalteter Lagenaufbau nicht mehr benötigt, wird er automatisch entfernt. Um den PCB-Editor zu einer Prüfung auf neue erforderliche verwaltete Lagenaufbauten zu veranlassen, wechseln Sie zwischen dem 2D- und dem 3D-Layoutmodus.

Wie benutzerdefinierte Lagenaufbauten werden auch verwaltete Lagenaufbauten im PCB Panel aufgelistet, wenn es auf Layer Stack Regions eingestellt ist. Die folgende Abbildung zeigt die verwalteten Lagenaufbauten für zwei eingebettete Bauteile, R1 und C15. Mit dieser Funktion können Sie die Ausdehnung jedes verwalteten Lagenaufbaus in der X-Y-Ebene untersuchen.

Bei der Betrachtung der Lagenaufbauten sind rechts die beiden verwalteten Lagenaufbauten zu sehen.

Wie geht es weiter?

• Die CAD-CAM-Datenaustauschformate Gerber X2 und ODB++ unterstützen beide eingebettete Bauteile.

• Die IPC-Norm, IPC-7092A - Design and Assembly Process Implementation for Embedded Circuitry, beschreibt die empfohlenen Designtechniken für eingebettete Bauteile. 

• Leiterplattenhersteller sind hervorragende Informationsquellen zu Fertigungstechnologien, beispielsweise für eingebettete Bauteile. Würth Elektronik bietet etwa einen eigenen Bereich zum Thema Einbetten auf seiner Website mit Informationen zu Designregeln für Bauteile und Kupferstrukturen sowie einem Designleitfaden für das Einbetten. Klären Sie die Anforderungen stets mit Ihrem Leiterplattenhersteller ab, wenn Ihre Leiterplatte eingebettete Bauteile verwendet.