Diseño de una PCB con componentes embebidos

El enfoque tradicional para el diseño de placas de circuito ha sido colocar los componentes en las superficies superior e inferior de la placa. Este proceso está bien respaldado por las casas de ensamblaje de placas de circuito, que normalmente utilizan máquinas automatizadas de pick and place para posicionar cada componente, listo para ser soldado sobre la superficie. La demanda cada vez mayor de productos electrónicos más pequeños y más integrados, combinada con las frecuencias más altas de las señales dentro de estos dispositivos, impulsa la investigación continua de mejores formas de fabricar y ensamblar un circuito.

Una técnica que ofrece tanto mayor densidad como mejor soporte para frecuencias de señal más altas, es embed componentes dentro de las capas de la estructura del circuito. Por ejemplo, incrustar componentes discretos directamente debajo de un circuito integrado puede dar como resultado longitudes de señal más cortas, menor resistencia e inductancia parásita, lo que conduce a menos ruido y EMI, y una mejor integridad de las señales del circuito. Estas mejoras permiten productos más pequeños y más confiables, compatibles con mayores velocidades de señal y anchos de banda más altos. Combinadas con las mejoras continuas que se están logrando en los procesos y tecnologías de fabricación, también pueden conducir a una reducción del tamaño del producto y a menores costos de fabricación y ensamblaje a nivel de placa.

La incrustación de componentes impone una serie de exigencias poco habituales en cada etapa del proceso, desde el diseño hasta la fabricación, el ensamblaje, las pruebas y el mantenimiento del producto terminado.

¿Cómo se puede incrustar un componente?

La incrustación de componentes introduce una diferencia significativa en la fabricación de una placa de circuito: ya no existe una separación simple entre fabricar la placa desnuda y luego cargar componentes sobre esa placa durante el ensamblaje. Estas dos tareas a menudo eran realizadas por distintas empresas, debido a sus requisitos claramente diferentes de proceso y tecnología. Si se utilizan componentes incrustados, deben montarse en la placa durante el proceso de fabricación. Aunque esto antes era dominio de casas de fabricación altamente especializadas, hoy los procesos se entienden bien y hay muchos fabricantes que pueden producir circuitos con componentes incrustados.

Hay dos formas en que se puede incrustar un componente: se crea una cavidad abierta de modo que el componente incrustado quede dentro de esa cavidad y permanezca visible en la placa terminada, o puede colocarse en una capa interna durante la fabricación y luego cubrirse a medida que se agregan las capas superiores a la placa durante el proceso de fabricación, de modo que no sea visible en la placa terminada.

Existen numerosos enfoques para fabricar una placa con componentes incrustados; la descripción y la imagen a continuación muestran uno de ellos.

1. La placa comienza como un núcleo rígido revestido de cobre por ambas caras; estas capas de cobre se graban y perforan según sea necesario.
2. Se aplica una capa de prepreg+cobre a cada lado, que se graba y se perfora con láser según sea necesario.
3. Los componentes incrustados se montan sobre esta capa (en uno o ambos lados), utilizando, por ejemplo, pasta de soldadura depositada y procesamiento por reflow.
4. Se agrega una capa de prepreg recortada, con un recorte para crear una cavidad para cada componente incrustado.
5. Se aplica una capa exterior de prepreg+cobre a cada lado, que se graba, se perfora con láser y se perfora con agujeros pasantes según sea necesario.

  La placa se fabrica utilizando tecnología build-up; los componentes incrustados se colocan y encapsulan como parte del proceso.
Obsérvense las microvías perforadas con láser utilizadas para acceder a un componente incrustado en la cara inferior de la placa.

Diseño con componentes incrustados

En el editor de PCB, los componentes se pueden colocar en cualquier capa de señal, no solo en las capas de señal tradicionales de superficie superior o inferior. Si se colocan en una capa interna de cobre que queda cubierta, los componentes se denominan componentes incrustados. Hay dos enfoques para incrustar componentes:

• una cavidad definida por el usuario crea el despeje necesario alrededor del componente,
• o, para encapsulados pequeños como 0201, no hay cavidad; el componente simplemente queda encapsulado a medida que se agregan capas posteriores, lo que produce un relieve en cada ubicación del componente en la placa terminada.

Cuando un componente requiere una cavidad, esta cavidad puede quedar completamente encerrada dentro de la placa, o puede extenderse hacia un lado de la placa para crear una abertura. La imagen a continuación muestra 3 componentes incrustados; los 2 exteriores tienen definida una cavidad que hace que queden abiertos en la cara superior de la placa. El componente del medio está en una capa inferior, por lo que queda completamente encerrado. Desde la perspectiva del diseñador, el proceso de colocación de componentes es el mismo tanto para componentes con cavidad abierta como con cavidad cerrada.

Tres componentes incrustados; las cavidades de los dos componentes exteriores están abiertas hacia la superficie de la placa, el del medio está completamente incrustado.

Este componente está completamente incrustado. Para facilitar la interpretación de la imagen, el componente se ha resaltado con contornos azules y la cavidad con contornos naranjas.

Definición de la cavidad en el componente de la biblioteca PCB

Si un componente se va a incrustar y requiere una cavidad, la cavidad se define como parte de la huella del componente en el editor de bibliotecas PCB. Tenga en cuenta que agregar una cavidad no impide que ese componente se utilice en una capa de superficie; en esa situación, el software ignorará la cavidad.

Para definir una cavidad:

1. Coloque un objeto Region en una capa mecánica. El objeto se coloca de modo que encierre el cuerpo 3D del componente, con suficiente despeje en cada lado. Consulte con el fabricante para averiguar cuánto despeje se requiere.
2. Edite el objeto Region y establezca el atributo Kind en Cavity.
3. Confirme que el atributo Layer sea una capa mecánica adecuada.
4. Establezca el atributo Cavity Height en una altura adecuada; normalmente será la altura del cuerpo 3D más el despeje recomendado por el fabricante.

La imagen a continuación muestra el editor de bibliotecas PCB, con:

• la definición de cavidad seleccionada en verde en la capa Mechanical 15,
• los contornos rojos de los pads del componente,
• el sombreado púrpura de los objetos de cuerpo 3D que definen los dos pads y el cuerpo del condensador.

La cavidad se define colocando un objeto region en una capa mecánica, estableciendo su Kind en Cavity y el Cavity Height en la profundidad de cavidad requerida.
Tenga en cuenta la región púrpura sombreada; este es el cuerpo 3D que se asienta en la cavidad.

Colocación y orientación de un componente incrustado

Para incrustar un componente, edite las propiedades del componente y establezca Layer en la capa interna de cobre requerida. La dirección en la que se orienta el componente incrustado (hacia arriba o hacia abajo) está definida por la Orientation especificada para esa capa de cobre en el Layer Stack Manager.

Establezca la Layer del componente en el panel Properties.

Establezca la Orientation para los componentes en cada capa de señal en el Layer Stack Manager.

La interacción entre la cavidad y la pila de capas

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La cavidad que define en el editor de bibliotecas PCB tiene un atributo Height. Esta altura define la distancia en la que el software eliminará todas las capas por encima de la superficie de la capa de cobre en la que se coloca el componente.

Para simplificar la interacción entre la cavidad y las capas que atraviesa, el software garantiza que una capa no se corte parcialmente. Si una cavidad entra en una capa, como una capa dieléctrica, pero no se extiende completamente a través de esa capa dieléctrica, entonces el software extiende automáticamente la cavidad a través de toda esa capa.

La imagen a continuación muestra esto; se han agregado líneas de dibujo más oscuras para mostrar las esquinas de la cavidad y cómo el componente se asienta por debajo de la superficie de la última capa cortada, pero el recorte de la capa continúa a través de toda esa capa. Este comportamiento se aplica tanto a cavidades internas como abiertas.

Si una cavidad no atraviesa completamente una capa, el software completa automáticamente la creación de la cavidad a través de esa capa.

Componentes incrustados, SubStacks y Managed Stacks

La imagen emergente a continuación muestra el Layer Stack Manager para un diseño rígido-flexible que incluye componentes incrustados. Cada zona o región separada de un diseño rígido-flexible puede estar compuesta por un número diferente de capas. Para lograrlo, debe poder definir múltiples pilas, denominadas substacks.

 Cuando se ha habilitado la opción Rigid/Flex, aparece el botón Substack Selector; haga clic para seleccionar y configurar cada substack. Pase el cursor sobre la imagen para ver el substack Flex.

Cuando incrusta un componente, el editor de PCB tiene que gestionar cómo ese componente incrustado afecta a la pila de capas, no solo en términos de cómo se muestra, sino también en términos de datos calculados como las aperturas de máscara de soldadura y la verificación de reglas de diseño. Lo hace creando una pila para cada combinación única de capas colocadas + cortadas necesaria para los distintos componentes incrustados incluidos en el diseño. Estas pilas se denominan Managed Stacks.

La pila administrada se crea automáticamente cuando un componente se inserta dentro de las capas de la placa. Como las pilas administradas se crean de forma automática, no se requiere ninguna intervención del usuario para su creación ni administración. El editor de PCB comprueba si hay componentes embebidos, verifica si alguna de las pilas administradas actuales es adecuada y, si no lo es, crea una nueva. Lo mismo sucede cuando se eliminan componentes embebidos: si una pila administrada ya no es necesaria, se elimina automáticamente. Para forzar al editor de PCB a comprobar si se necesitan nuevas pilas administradas, cambie entre los modos de diseño 2D y 3D.

Al igual que las pilas de usuario, las pilas administradas aparecen en el PCB panel cuando está configurado en Layer Stack Regions. La imagen de abajo muestra las pilas administradas para dos componentes embebidos, R1 y C15. Use esta función para examinar la extensión de cada pila administrada en el plano X, Y.

Al examinar las pilas de capas, las dos pilas administradas son visibles a la derecha.

¿Qué sigue?

• Gerber X2 y ODB++ formatos de intercambio de datos CAD a CAM admiten componentes embebidos.

• La norma IPC, IPC-7092A - Design and Assembly Process Implementation for Embedded Circuitry, detalla las técnicas de diseño recomendadas para componentes embebidos. 

• Las casas de fabricación de PCB son excelentes fuentes de información sobre tecnologías de proceso, como los componentes embebidos. Por ejemplo, Wurth Electronik tiene una sección dedicada de Embedding en su sitio web, con información sobre reglas de diseño de dispositivos, reglas de diseño de cobre y una guía de diseño para embebidos. Verifique siempre con su fabricante cuáles son sus requisitos si su PCB utiliza componentes embebidos.