Progettazione di un PCB con componenti integrati

L'approccio tradizionale alla progettazione dei circuiti stampati prevede il posizionamento dei componenti sulle superfici superiore e inferiore della scheda. Questo processo è ampiamente 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 integrati, unita alle frequenze più elevate dei segnali all'interno di questi dispositivi, stimola la continua ricerca di metodi migliori per fabbricare e assemblare un circuito.

Una tecnica che consente di ottenere sia una maggiore densità sia un migliore supporto per segnali a frequenze più elevate consiste nell'incorporare embed componenti negli strati della struttura del circuito. Ad esempio, incorporare componenti discreti direttamente sotto un circuito integrato può ridurre la lunghezza dei percorsi dei segnali, la resistenza e l'induttanza parassita, con conseguente diminuzione del rumore e delle interferenze elettromagnetiche (EMI), e migliorare l'integrità dei segnali del circuito. Questi miglioramenti consentono di realizzare prodotti più piccoli e affidabili, in grado di supportare segnali più veloci e larghezze di banda maggiori. Insieme ai continui progressi nei processi e nelle tecnologie di fabbricazione, possono inoltre contribuire a ridurre le dimensioni del prodotto e i costi di fabbricazione e assemblaggio della scheda.

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

Come si può incorporare un componente?

L'incorporamento dei componenti introduce una differenza significativa nella produzione di un circuito stampato: non esiste più una netta separazione tra la fabbricazione della scheda nuda e il successivo montaggio dei componenti durante l'assemblaggio. Queste due attività sono state spesso gestite da aziende diverse, a causa dei requisiti di processo e tecnologici nettamente differenti. Se si utilizzano componenti incorporati, questi devono essere montati sulla scheda durante il processo di fabbricazione. Sebbene un tempo questa tecnica fosse appannaggio di produttori altamente specializzati, oggi i processi sono ben consolidati e molti produttori sono in grado di realizzare circuiti con componenti incorporati.

Un componente può essere incorporato in due modi: creando una cavità aperta in cui alloggiarlo, lasciandolo visibile sulla scheda finita, oppure posizionandolo su uno strato interno durante la fabbricazione e ricoprendolo man mano che vengono aggiunti gli strati superiori, in modo che non sia visibile sulla scheda finita.

Esistono numerosi metodi per fabbricare una scheda con componenti incorporati; la descrizione e l'immagine seguenti ne illustrano uno.

1. Si parte da un nucleo rigido rivestito di rame su entrambi i lati; questi strati di rame vengono incisi e forati secondo necessità.
2. Su ciascun lato viene applicato uno strato di prepreg e rame, che viene inciso e forato al laser secondo necessità.
3. I componenti da incorporare vengono montati su questo strato, su uno o entrambi i lati, utilizzando ad esempio pasta saldante depositata e un processo di saldatura a rifusione.
4. Viene aggiunto uno strato di prepreg con aperture sagomate per creare una cavità per ciascun componente incorporato.
5. Su ciascun lato viene applicato uno strato esterno di prepreg e rame, che viene inciso e sottoposto a foratura laser e passante secondo necessità.

  La scheda viene fabbricata con tecnologia build-up; il posizionamento e l'inglobamento dei componenti incorporati sono parte integrante del processo.
Si notino le microvie realizzate al laser per collegare un componente incorporato sul lato inferiore della scheda.

Progettare con componenti incorporati

Nell'editor PCB, i componenti possono essere posizionati su qualsiasi strato di segnale, non soltanto sui tradizionali strati di segnale delle superfici superiore o inferiore. Se vengono posizionati su uno strato di rame interno che viene ricoperto, vengono definiti componenti incorporati. Esistono due approcci all'incorporamento dei componenti:

• una cavità definita dall'utente crea lo spazio libero necessario intorno al componente;
• oppure, per package di piccole dimensioni come gli 0201, non viene creata alcuna cavità: il componente viene semplicemente inglobato man mano che si aggiungono gli strati successivi, producendo un rigonfiamento in corrispondenza di ciascun componente sulla scheda finita.

Quando un componente richiede una cavità, questa può essere completamente racchiusa all'interno della scheda oppure estendersi fino a uno dei lati della scheda, creando un'apertura. L'immagine seguente mostra 3 componenti incorporati: per i 2 esterni è stata definita una cavità aperta sul lato superiore della scheda. Il componente centrale si trova su uno strato più basso ed è quindi completamente racchiuso. Dal punto di vista del progettista, il processo di posizionamento dei componenti è identico sia per quelli in cavità aperte sia per quelli in cavità chiuse.

Tre componenti incorporati: le cavità dei due componenti esterni sono aperte sulla superficie della scheda, mentre il componente centrale è completamente incorporato.

Questo componente è completamente incorporato. Per facilitare l'interpretazione dell'immagine, il componente è stato evidenziato con contorni blu e la cavità con contorni arancioni.

Definire la cavità nel componente della libreria PCB

Se un componente deve essere incorporato e richiede una cavità, questa viene definita come parte del footprint del componente nell'editor della libreria PCB. Si noti che l'aggiunta di una cavità non impedisce l'utilizzo del componente su uno strato superficiale: in questo caso, il software ignora la cavità.

Per definire una cavità:

1. Posizionare un oggetto Regione su uno strato meccanico. L'oggetto deve racchiudere il corpo 3D del componente, lasciando uno spazio libero sufficiente su ogni lato. Consultare il produttore per conoscere lo spazio libero richiesto.
2. Modificare l'oggetto Regione e impostare l'attributo Kind su Cavity.
3. Verificare che l'attributo Layer corrisponda a uno strato meccanico appropriato.
4. Impostare l'attributo Cavity Height su un'altezza adeguata, in genere pari all'altezza del corpo 3D più lo spazio libero consigliato dal produttore.

L'immagine seguente mostra l'editor della libreria PCB con:

• la definizione della cavità selezionata, in verde, sullo strato Mechanical 15;
• i contorni rossi delle piazzole del componente;
• le aree ombreggiate viola degli oggetti corpo 3D che definiscono le due piazzole e il corpo del condensatore.

La cavità viene definita posizionando un oggetto Regione su uno strato meccanico, impostandone il Tipo su Cavità e il Cavity Height sulla profondità richiesta per la cavità.
Si noti la regione ombreggiata in viola: è il corpo 3D alloggiato nella cavità.

Posizionare e orientare un componente incorporato

Per incorporare un componente, modificarne le proprietà e impostare il Layer sullo strato di rame interno desiderato. L'orientamento del componente incorporato, verso l'alto o verso il basso, è definito dal Orientation specificato per quello strato di rame nel Gestore dello stack dei layer.

Impostare lo Strato del componente nel pannello Properties.

Imposta l'orientamento dei componenti su ciascun layer di segnale nel Layer Stack Manager.

Interazione tra la cavità e lo stack dei layer

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La cavità definita nell'editor delle librerie PCB dispone di un attributo Altezza. Questa altezza definisce la distanza entro la quale il software rimuoverà tutti i layer al di sopra della superficie del layer di rame su cui è posizionato il componente.

Per semplificare l'interazione tra la cavità e i layer che attraversa, il software fa in modo che nessun layer venga tagliato parzialmente. Se una cavità penetra in un layer, ad esempio un layer dielettrico, ma non lo attraversa per tutto il suo spessore, il software estende automaticamente la cavità attraverso l'intero layer.

L'immagine seguente illustra questo comportamento: sono state aggiunte linee di disegno più scure per mostrare gli angoli della cavità e come il componente si trovi al di sotto della superficie dell'ultimo layer tagliato, mentre l'apertura prosegue attraverso l'intero spessore di quel layer. Questo comportamento si applica sia alle cavità interne sia a quelle aperte.

Se una cavità non attraversa completamente un layer, il software ne completa automaticamente la creazione attraverso l'intero layer.

Componenti integrati, sottostack e stack gestiti

L'immagine seguente, che cambia al passaggio del puntatore, mostra il Layer Stack Manager per un progetto rigido-flessibile che include componenti integrati. Ogni zona o regione distinta di un progetto rigido-flessibile può essere composta da un numero diverso di layer. Per ottenere questo risultato è necessario poter definire più stack, denominati substacks.

 Quando l'opzione Rigido/Flessibile è abilitata, viene visualizzato il pulsante Selettore sottostack: fai clic per selezionare e configurare ciascun sottostack. Passa il puntatore sull'immagine per visualizzare il sottostack flessibile.

Quando integri un componente, l'editor PCB deve gestire il modo in cui tale componente influisce sullo stack dei layer, non solo in termini di visualizzazione, ma anche di dati calcolati, come le aperture della maschera di saldatura e la verifica delle regole di progettazione. A tale scopo, crea uno stack per ogni combinazione univoca di layer di posizionamento e layer tagliati richiesta dai vari componenti integrati inclusi nel progetto. Questi stack sono denominati Managed Stacks.

Lo stack gestito viene creato automaticamente quando un componente viene integrato nei layer della scheda. Poiché gli stack gestiti vengono creati automaticamente, non è richiesto alcun intervento dell'utente per crearli e gestirli. L'editor PCB verifica la presenza di componenti integrati, controlla se uno degli stack attualmente gestiti è adatto e, in caso contrario, ne crea uno nuovo. Lo stesso vale quando i componenti integrati vengono rimossi: se uno stack gestito non è più necessario, viene rimosso automaticamente. Per forzare l'editor PCB a verificare se sono necessari nuovi stack gestiti, passa dalla modalità Layout 2D alla modalità Layout 3D o viceversa.

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 integrati, R1 e C15. Utilizza questa funzione per esaminare l'estensione di ciascuno stack gestito nel piano X, Y.

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

Come proseguire?

• Gerber X2 e ODB++, i formati di scambio dati da CAD a CAM, supportano entrambi i componenti integrati.

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

• I produttori di PCB sono ottime fonti di informazioni sulle tecnologie di processo, come quelle per l'integrazione dei componenti. Ad esempio, Wurth Electronik dispone di una sezione dedicata all'integrazione dei componenti sul proprio sito web, con informazioni sulle regole di progettazione dei dispositivi e del rame e una guida alla progettazione con componenti integrati. Se il tuo PCB utilizza componenti integrati, verifica sempre con il produttore quali siano i suoi requisiti.