Designing a PCB with Embedded Components

L’approccio tradizionale alla progettazione delle schede a circuito stampato consiste nel posizionare i componenti sulle superfici superiore e inferiore della scheda. Questo processo è ben supportato dalle aziende di assemblaggio di circuiti stampati, che in genere utilizzano macchine pick-and-place automatizzate per posizionare ciascun componente, pronto per essere saldato sulla superficie. La domanda sempre crescente di prodotti elettronici più piccoli e più integrati, unita alle frequenze più elevate dei segnali all’interno di questi dispositivi, spinge la ricerca continua verso metodi migliori per fabbricare e assemblare un circuito.

Una tecnica che offre sia una maggiore densità sia un migliore supporto per frequenze di segnale più elevate consiste nell’incorporare embed componenti all’interno degli strati della struttura del circuito. Ad esempio, incorporare componenti discreti direttamente sotto un circuito integrato può comportare lunghezze di segnale più corte, resistenza e induttanza parassita ridotte, con conseguente minore rumore ed EMI, e una migliore integrità dei segnali del circuito. Questi miglioramenti consentono di realizzare prodotti più piccoli e più affidabili, supportando velocità di segnale più elevate e larghezze di banda maggiori. In combinazione con i continui miglioramenti ottenuti nei processi e nelle tecnologie di fabbricazione, possono anche portare a una riduzione delle dimensioni del prodotto e a costi inferiori di fabbricazione e assemblaggio a livello di scheda.

L’incorporazione dei componenti impone una serie di requisiti insoliti in ogni fase del processo, dalla progettazione alla fabbricazione, dall’assemblaggio al collaudo e alla manutenzione del prodotto finito.

Come può essere incorporato un componente?

L’incorporazione dei componenti introduce una differenza significativa nella produzione di una scheda a circuito stampato: non esiste più una semplice distinzione tra la fabbricazione della scheda nuda e il successivo caricamento dei componenti su quella scheda durante l’assemblaggio. Queste due attività erano spesso gestite da aziende diverse, a causa dei requisiti di processo e tecnologia nettamente differenti. Se vengono utilizzati componenti incorporati, questi devono essere montati sulla scheda durante il processo di fabbricazione. Sebbene un tempo questo fosse il dominio di fabbriche altamente specializzate, oggi i processi sono ben compresi e vi sono molti produttori in grado di realizzare circuiti con componenti incorporati.

Esistono due modi per incorporare un componente: si crea una cavità aperta in modo che il componente incorporato si trovi all’interno di tale cavità e rimanga visibile sulla scheda completata, oppure il componente può essere posizionato su uno strato interno durante la fabbricazione e poi coperto man mano che gli strati superiori vengono aggiunti alla scheda durante il processo di fabbricazione, così da non essere visibile sulla scheda completata.

Esistono numerosi approcci alla fabbricazione di una scheda con componenti incorporati; la descrizione e l’immagine seguenti mostrano uno di questi approcci.

1. La scheda inizia come un nucleo rigido ramato su entrambi i lati; questi strati di rame vengono incisi e forati secondo necessità.
2. Su ciascun lato viene applicato uno strato prepreg+rame, che viene inciso e forato al laser secondo necessità.
3. I componenti incorporati vengono montati su questo strato (su uno o entrambi i lati), utilizzando, ad esempio, pasta saldante depositata e processo di rifusione.
4. Viene aggiunto uno strato di prepreg con intaglio, con un’apertura per creare una cavità per ciascun componente incorporato.
5. Su ciascun lato viene applicato uno strato esterno prepreg+rame, che viene inciso, forato al laser e forato passante secondo necessità.

  La scheda viene fabbricata utilizzando tecnologia build-up; i componenti incorporati vengono posizionati e inglobati come parte del processo.
Si notino le microvie forate al laser utilizzate per accedere a un componente incorporato sul lato inferiore della scheda.

Progettazione con componenti incorporati

Nell’editor PCB, i componenti possono essere posizionati su qualsiasi strato di segnale, non solo sui tradizionali strati di segnale superficiali superiore o inferiore. Se vengono posizionati su uno strato interno di rame che viene coperto, i componenti sono detti componenti incorporati. Esistono due approcci all’incorporazione dei componenti:

• una cavità definita dall’utente crea lo spazio libero necessario attorno al componente,
• oppure, per package piccoli come 0201, non è presente alcuna cavità: il componente viene semplicemente inglobato man mano che vengono aggiunti gli strati successivi, con il risultato di una protuberanza in corrispondenza di ciascun sito componente nella scheda finita.

Quando un componente richiede una cavità, questa cavità può essere completamente racchiusa all’interno della scheda oppure può estendersi fino a un lato della scheda per creare un’apertura. L’immagine seguente mostra 3 componenti incorporati: i 2 esterni hanno una cavità definita che fa sì che risultino aperti sul lato superiore della scheda. Il componente centrale si trova su uno strato inferiore, risultando quindi completamente racchiuso. Dal punto di vista del progettista, il processo di posizionamento del componente è lo stesso sia per i componenti con cavità aperta sia per quelli con cavità chiusa.

Tre componenti incorporati: le cavità dei due componenti esterni sono aperte verso la superficie della scheda, quello centrale è completamente incorporato.

Questo componente è completamente incorporato. Per rendere l’immagine più facile da interpretare, il componente è stato evidenziato con contorni blu e la cavità con contorni arancioni.

Definizione della cavità nel componente della libreria PCB

Se un componente deve essere incorporato e richiede una cavità, la cavità viene definita come parte dell’impronta del componente nell’editor PCB Library. Si noti che l’aggiunta di una cavità non impedisce l’uso di quel componente su uno strato superficiale; in questa situazione il software ignorerà la cavità.

Per definire una cavità:

1. Posizionare un oggetto Region su uno strato meccanico. L’oggetto viene posizionato in modo da racchiudere il corpo 3D del componente, con spazio libero sufficiente su ciascun lato. Verificare con il fabbricante quanto spazio libero sia richiesto.
2. Modificare l’oggetto Region e impostare l’attributo Kind su Cavity.
3. Confermare che l’attributo Layer sia uno strato meccanico adatto.
4. Impostare l’attributo Cavity Height su un’altezza adeguata; in genere sarà l’altezza del corpo 3D più lo spazio libero raccomandato dal fabbricante.

L’immagine seguente mostra l’editor della libreria PCB, con:

• la definizione di cavità verde selezionata sul layer Mechanical 15,
• i contorni rossi dei pad del componente,
• il viola ombreggiato degli oggetti body 3D che definiscono i due pad e il corpo del condensatore.

La cavità viene definita posizionando un oggetto region su uno strato meccanico, impostando il suo Kind su Cavity e il Cavity Height sulla profondità della cavità richiesta.
Si noti la regione viola ombreggiata: questo è il body 3D che si trova nella cavità.

Posizionamento e orientamento di un componente incorporato

Per incorporare un componente, modificare le proprietà del componente e impostare il Layer sullo strato interno di rame richiesto. La direzione in cui il componente incorporato si orienta (verso l’alto o verso il basso) è definita dall’Orientation specificato per quello strato di rame nel Layer Stack Manager.

Impostare il Layer del componente nel pannello Properties.

Impostare l’Orientation dei componenti su ciascuno strato di segnale nel Layer Stack Manager.

L’interazione tra la cavità e il layer stack

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La cavità definita nell’editor PCB Library ha un attributo Height. Questa altezza definisce la distanza per cui il software rimuoverà tutti gli strati sopra la superficie dello strato di rame su cui è posizionato il componente.

Per semplificare l’interazione tra la cavità e gli strati che essa attraversa, il software garantisce che uno strato non venga tagliato parzialmente. Se una cavità entra in uno strato, ad esempio uno strato dielettrico, ma non lo attraversa completamente, il software estende automaticamente la cavità fino a farla passare interamente attraverso quello strato.

L’immagine seguente mostra questo comportamento; sono state aggiunte linee di disegno più scure per mostrare gli angoli della cavità e come il componente si trovi sotto la superficie dell’ultimo strato tagliato, ma l’apertura dello strato continua comunque attraverso l’intero strato. Questo comportamento si applica sia alle cavità interne sia a quelle aperte.

Se una cavità non attraversa completamente uno strato, il software completa automaticamente la creazione della cavità attraverso quello strato.

Componenti incorporati, SubStacks e Managed Stacks

L’immagine al passaggio del mouse qui sotto mostra il Layer Stack Manager per un progetto rigid-flex che include componenti incorporati. Ogni zona o regione separata di un progetto rigid-flex può essere composta da un numero diverso di strati. Per ottenere questo risultato è necessario poter definire stack multipli, denominati substacks.

 Quando l’opzione Rigid/Flex è stata abilitata compare il pulsante Substack Selector; fare clic per selezionare e configurare ciascun substack. Passare il cursore sopra l’immagine per vedere il substack Flex.

Quando si incorpora un componente, l’editor PCB deve gestire il modo in cui quel componente incorporato influisce sul layer stack, non solo in termini di visualizzazione ma anche in termini di dati calcolati, come le aperture della solder mask e il controllo delle regole di progettazione. Lo fa creando uno stack per ogni combinazione univoca di strati posizionati + tagliati richiesta dai vari componenti incorporati inclusi nel progetto. Questi stack sono denominati Managed Stacks.

Lo Stack gestito viene creato automaticamente quando un componente è incorporato all’interno degli strati della scheda. Poiché gli stack gestiti vengono creati automaticamente, non è necessario alcun intervento dell’utente per la loro creazione e gestione. L’editor PCB verifica la presenza di componenti incorporati, controlla se uno degli stack gestiti attualmente è adatto e, in caso contrario, ne crea uno nuovo. Lo stesso vale quando i componenti incorporati vengono rimossi: se uno stack gestito non è più necessario, viene eliminato automaticamente. Per forzare l’editor PCB a verificare se sono necessari nuovi stack gestiti, passa tra le modalità di layout 2D e 3D.

Come gli stack utente, gli stack gestiti sono elencati nel PCB pannello quando è impostato su Layer Stack Regions. L’immagine seguente mostra gli stack gestiti per due componenti incorporati, R1 e C15. Usa questa funzione per esaminare l’estensione di ciascuno stack gestito nel piano X, Y.

Esaminando gli stack di layer, i due stack gestiti sono visibili sulla destra.

Dove andare dopo?

• Gerber X2 e ODB++, formati di scambio dati CAD-to-CAM, supportano entrambi i componenti incorporati.

• Lo standard IPC, IPC-7092A - Design and Assembly Process Implementation for Embedded Circuitry, descrive in dettaglio le tecniche di progettazione consigliate per i componenti incorporati. 

• I produttori PCB sono ottime fonti di informazioni sulle tecnologie di processo, come i componenti incorporati. Ad esempio, Wurth Electronik ha una sezione dedicata Embedding sul proprio sito web, con informazioni sulle regole di progettazione dei dispositivi, sulle regole di progettazione del rame e una guida alla progettazione per l’embedding. Verifica sempre con il tuo produttore i requisiti richiesti se il tuo PCB utilizza componenti incorporati.