Designing a PCB with Embedded Components

Der traditionelle Ansatz beim Leiterplattendesign bestand darin, die Komponenten auf den Ober- und Unterseiten der Leiterplatte zu platzieren. Dieser Prozess wird von Leiterplattenbestückern gut unterstützt, die typischerweise automatisierte Pick-and-Place-Maschinen verwenden, um jede Komponente zu positionieren, damit sie anschließend auf die Oberfläche gelötet werden kann. Die stetig steigende Nachfrage nach kleineren und stärker integrierten elektronischen Produkten, kombiniert mit den höheren Signalfrequenzen innerhalb dieser Geräte, treibt die fortlaufende Forschung nach besseren Verfahren zur Herstellung und Montage einer Schaltung voran.

Eine Technik, die sowohl eine höhere Packungsdichte als auch eine bessere Unterstützung für höhere Signalfrequenzen bietet, besteht darin, embedKomponenten innerhalb der Lagenstruktur der Schaltung einzubetten. Beispielsweise kann das direkte Einbetten diskreter Komponenten unter einem integrierten Schaltkreis zu kürzeren Signallängen, geringerem Widerstand und parasitärer Induktivität führen, was wiederum geringeres Rauschen und weniger EMI sowie eine verbesserte Signalintegrität zur Folge hat. Diese Verbesserungen ermöglichen kleinere und zuverlässigere Produkte und unterstützen höhere Signalgeschwindigkeiten sowie größere Bandbreiten. In Kombination mit den fortlaufenden Verbesserungen bei Fertigungsprozessen und -technologien können sie außerdem zu einer Verringerung der Produktgröße sowie zu niedrigeren Fertigungs- und Bestückungskosten auf Leiterplattenebene führen.

Das Einbetten von Komponenten stellt in jeder Phase des Prozesses – vom Design über die Fertigung und Montage bis hin zu Test und Wartung des fertigen Produkts – eine Reihe ungewöhnlicher Anforderungen.

Wie kann eine Komponente eingebettet werden?

Das Einbetten von Komponenten bringt einen wesentlichen Unterschied bei der Herstellung einer Leiterplatte mit sich – es gibt nicht länger eine einfache Trennung zwischen der Fertigung der unbestückten Leiterplatte und dem anschließenden Bestücken dieser Leiterplatte während der Montage. Diese beiden Aufgaben wurden aufgrund ihrer deutlich unterschiedlichen Prozess- und Technologieanforderungen häufig von verschiedenen Unternehmen übernommen. Wenn eingebettete Komponenten verwendet werden, müssen sie während des Fertigungsprozesses in die Leiterplatte eingebracht werden. Während dies früher der Bereich hochspezialisierter Fertigungsbetriebe war, sind die Prozesse heute gut verstanden, und es gibt viele Hersteller, die Schaltungen mit eingebetteten Komponenten fertigen können.

Es gibt zwei Möglichkeiten, eine Komponente einzubetten: Es wird eine offene Kavität erzeugt, sodass die eingebettete Komponente innerhalb dieser Kavität sitzt und auf der fertigen Leiterplatte sichtbar bleibt, oder sie wird während der Fertigung auf einer Innenlage platziert und anschließend beim Hinzufügen der oberen Lagen im Fertigungsprozess überdeckt, sodass sie auf der fertigen Leiterplatte nicht sichtbar ist.

Es gibt zahlreiche Ansätze zur Fertigung einer Leiterplatte mit eingebetteten Komponenten; die folgende Beschreibung und Abbildung zeigen einen solchen Ansatz.

1. Die Leiterplatte beginnt als doppelseitig kupferkaschierter starrer Kern; diese Kupferlagen werden nach Bedarf geätzt und gebohrt.
2. Auf jede Seite wird eine Prepreg+Kupfer-Lage aufgebracht, die nach Bedarf geätzt und lasergebohrt wird.
3. Eingebettete Komponenten werden auf dieser Lage montiert (auf einer oder beiden Seiten), beispielsweise mithilfe aufgetragener Lötpaste und Reflow-Prozess.
4. Eine ausgesparte Prepreg-Lage wird hinzugefügt, mit einer Aussparung zur Bildung einer Kavität für jede eingebettete Komponente.
5. Auf jede Seite wird eine äußere Prepreg+Kupfer-Lage aufgebracht, die nach Bedarf geätzt, lasergebohrt und durchkontaktiert gebohrt wird.

  Die Leiterplatte wird mit Build-up-Technologie gefertigt; eingebettete Komponenten werden dabei als Teil des Prozesses platziert und eingeschlossen.
Hinweis auf die lasergebohrten Microvias, die verwendet werden, um auf eine eingebettete Komponente auf der Unterseite der Leiterplatte zuzugreifen.

Design mit eingebetteten Komponenten

Im PCB-Editor können Komponenten auf jeder Signallage platziert werden, nicht nur auf den traditionellen Signallagen der Ober- oder Unterseite. Wenn sie auf einer abgedeckten inneren Kupferlage platziert werden, werden diese Komponenten als eingebettete Komponenten bezeichnet. Es gibt zwei Ansätze zum Einbetten von Komponenten:

• eine benutzerdefinierte Kavität erzeugt den erforderlichen Freiraum um die Komponente,
• oder bei kleinen Gehäusen wie 0201 gibt es keine Kavität; die Komponente wird beim Hinzufügen der nachfolgenden Lagen einfach eingeschlossen, was in der fertigen Leiterplatte an jeder Komponentenposition zu einer Erhebung führt.

Wenn eine Komponente eine Kavität benötigt, kann diese Kavität vollständig innerhalb der Leiterplatte eingeschlossen sein oder sich bis zu einer Seite der Leiterplatte erstrecken, um eine Öffnung zu erzeugen. Die folgende Abbildung zeigt 3 eingebettete Komponenten; die beiden äußeren haben eine definierte Kavität, wodurch sie auf der Oberseite der Leiterplatte offen sind. Die mittlere Komponente befindet sich auf einer tieferen Lage und ist daher vollständig eingeschlossen. Aus Sicht des Designers ist der Platzierungsprozess für Komponenten bei offenen und geschlossenen Kavitäten identisch.

Drei eingebettete Komponenten: Die Kavitäten der beiden äußeren Komponenten sind zur Leiterplattenoberfläche hin offen, die mittlere ist vollständig eingebettet.

Diese Komponente ist vollständig eingebettet. Zur besseren Interpretation der Abbildung wurde die Komponente mit blauen Konturen und die Kavität mit orangefarbenen Konturen hervorgehoben.

Definieren der Kavität in der PCB-Bibliothekskomponente

Wenn eine Komponente eingebettet werden soll und dafür eine Kavität benötigt, wird die Kavität als Teil des Komponenten-Footprints im PCB Library-Editor definiert. Beachten Sie, dass das Hinzufügen einer Kavität nicht verhindert, dass diese Komponente auf einer Oberflächenlage verwendet wird; in diesem Fall ignoriert die Software die Kavität.

So definieren Sie eine Kavität:

1. Platzieren Sie ein Region-Objekt auf einer mechanischen Lage. Das Objekt wird so platziert, dass es den 3D-Körper der Komponente mit ausreichendem Freiraum auf jeder Seite umschließt. Klären Sie mit dem Hersteller, wie viel Freiraum erforderlich ist.
2. Bearbeiten Sie das Region-Objekt und setzen Sie das Attribut KindKind auf CavityCavity.
3. Bestätigen Sie, dass das Attribut LayerLayer auf eine geeignete mechanische Lage gesetzt ist.
4. Setzen Sie das Attribut Cavity HeightHeight auf eine geeignete Höhe; typischerweise ist dies die Höhe des 3D-Körpers plus der vom Hersteller empfohlene Freiraum.

Die folgende Abbildung zeigt den PCB-Bibliothekseditor mit:

• der grünen, ausgewählten Kavitätsdefinition auf der Lage Mechanical 15,
• den roten Konturen der Komponentenpads,
• der violett schattierten Darstellung der 3D-Körperobjekte, die die beiden Pads und den Körper des Kondensators definieren.

Die Kavität wird definiert, indem ein Region-Objekt auf einer mechanischen Lage platziert wird, sein Kind auf Cavity und das Cavity HeightHeight auf die erforderliche Kavitätstiefe gesetzt wird.
Beachten Sie die violett schattierte Fläche; dies ist der 3D-Körper, der in der Kavität sitzt.

Platzieren und Ausrichten einer eingebetteten Komponente

Um eine Komponente einzubetten, bearbeiten Sie die Komponenteneigenschaften und setzen Sie das LayerLayer auf die gewünschte innere Kupferlage. Die Ausrichtung der eingebetteten Komponente (nach oben oder unten) wird durch die für diese Kupferlage im Layer Stack Manager angegebene OrientationOrientation definiert.

Setzen Sie das Layer für die Komponente im PropertiesProperties-Panel.

Setzen Sie die Orientation für Komponenten auf jeder Signallage im Layer Stack Manager.

Das Zusammenspiel zwischen Kavität und Lagenaufbau

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Die Kavität, die Sie im PCB Library-Editor definieren, besitzt ein Height-Attribut. Diese Höhe definiert den Abstand, über den die Software alle Lagen oberhalb der Oberfläche der Kupferlage entfernt, auf der die Komponente platziert ist.

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

Die folgende Abbildung zeigt dies; die dunkleren Zeichnungslinien wurden hinzugefügt, um die Ecken der Kavität und die Lage der Komponente unterhalb der Oberfläche der zuletzt ausgeschnittenen Lage zu verdeutlichen, wobei der Lagenausschnitt jedoch durch die gesamte Lage hindurch fortgesetzt wird. Dieses Verhalten gilt sowohl für interne als auch für offene Kavitäten.

Wenn eine Kavität eine Lage nicht vollständig durchdringt, vervollständigt die Software die Erzeugung der Kavität durch diese Lage automatisch.

Eingebettete Komponenten, SubStacks und Managed Stacks

Das folgende Hover-Bild zeigt den Layer Stack Manager für ein Rigid-Flex-Design mit eingebetteten Komponenten. Jede separate Zone oder Region eines Rigid-Flex-Designs kann aus einer unterschiedlichen Anzahl von Lagen bestehen. Um dies zu erreichen, müssen mehrere Stacks definiert werden, die als substacksSubStacks bezeichnet werden.

 Wenn die Option Rigid/Flex aktiviert wurde, erscheint die Schaltfläche Substack Selector; klicken Sie darauf, um jeden SubStack auszuwählen und zu konfigurieren. Bewegen Sie den Cursor über das Bild, um den Flex-SubStack zu sehen.

Wenn Sie eine Komponente einbetten, muss der PCB-Editor verwalten, wie diese eingebettete Komponente den Lagenaufbau beeinflusst – nicht nur hinsichtlich der Darstellung, sondern auch in Bezug auf berechnete Daten wie Lötstoppmaskenöffnungen und Design Rule Checking. Dies geschieht, indem für jede eindeutige Kombination aus platzierten + ausgeschnittenen Lagen, die von den verschiedenen im Design enthaltenen eingebetteten Komponenten benötigt wird, ein eigener Stack erzeugt wird. Diese Stacks werden als Managed StacksManaged Stacks bezeichnet.

Der Managed Stack wird automatisch erstellt, wenn eine Komponente in die Lagen der Leiterplatte eingebettet wird. Da Managed Stacks automatisch erstellt werden, ist für ihre Erstellung und Verwaltung keine Benutzereingabe erforderlich. Der PCB-Editor prüft auf eingebettete Komponenten, testet, ob einer der aktuell verwalteten Stacks geeignet ist, und erstellt andernfalls einen neuen. Dasselbe gilt, wenn eingebettete Komponenten entfernt werden: Wird ein Managed Stack nicht mehr benötigt, wird er automatisch entfernt. Um den PCB-Editor zu zwingen zu prüfen, ob neue Managed Stacks benötigt werden, wechseln Sie zwischen dem 2D- und dem 3D-Layoutmodus.

Wie User Stacks werden auch Managed Stacks im PCB Bereich aufgeführt, wenn dieser auf Layer Stack Regions eingestellt ist. Das folgende Bild zeigt die Managed Stacks für zwei eingebettete Komponenten, R1 und C15. Verwenden Sie diese Funktion, um die Ausdehnung jedes Managed Stack in der X/Y-Ebene zu untersuchen.

Bei der Untersuchung der Layer Stacks sind die beiden Managed Stacks auf der rechten Seite sichtbar.

Wie geht es weiter?

• Gerber X2 und ODB++ CAD-zu-CAM-Datenaustauschformate unterstützen beide eingebettete Komponenten.

• Der IPC-Standard, IPC-7092A - Design and Assembly Process Implementation for Embedded Circuitry, beschreibt die empfohlenen Designtechniken für eingebettete Komponenten. 

• PCB-Fertiger sind ausgezeichnete Informationsquellen zu Prozesstechnologien wie eingebetteten Komponenten. Wurth Electronik hat beispielsweise auf seiner Website einen eigenen Bereich zum Embedding mit Informationen zu Device-Designregeln, Kupfer-Designregeln und einem Embedding-Designleitfaden. Prüfen Sie immer die Anforderungen Ihres Fertigers, wenn Ihre Leiterplatte eingebettete Komponenten verwendet.