Designing a PCB with Embedded Components

Tradycyjne podejście do projektowania płytek drukowanych polega na umieszczaniu komponentów na górnej i dolnej powierzchni płytki. Proces ten jest dobrze obsługiwany przez zakłady montażu PCB, które zazwyczaj wykorzystują automaty typu pick and place do rozmieszczania komponentów przed ich przylutowaniem do powierzchni. Stale rosnące zapotrzebowanie na mniejsze i bardziej zintegrowane produkty elektroniczne, w połączeniu z wyższymi częstotliwościami sygnałów w tych urządzeniach, napędza ciągłe badania nad lepszymi sposobami wytwarzania i montażu obwodów.

Jedną z technik zapewniających zarówno większą gęstość upakowania, jak i lepszą obsługę sygnałów o wyższych częstotliwościach jest embed komponentów wewnątrz warstw struktury obwodu. Na przykład osadzenie komponentów dyskretnych bezpośrednio pod układem scalonym pozwala skrócić ścieżki sygnałowe, zmniejszyć rezystancję i indukcyjność pasożytniczą, a tym samym ograniczyć szumy i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) oraz poprawić integralność sygnałów w obwodzie. Usprawnienia te umożliwiają tworzenie mniejszych i bardziej niezawodnych produktów, obsługujących szybsze sygnały i szersze pasma. W połączeniu z ciągłym doskonaleniem procesów i technologii produkcji mogą również prowadzić do zmniejszenia rozmiarów produktu oraz obniżenia kosztów produkcji i montażu płytki.

Osadzanie komponentów wewnątrz płytki stawia szereg nietypowych wymagań na każdym etapie procesu — od projektowania, przez produkcję i montaż, po testowanie i konserwację gotowego produktu.

Jak można osadzić komponent wewnątrz płytki?

Osadzanie komponentów wewnątrz płytki wprowadza istotną zmianę w procesie jej produkcji — znika wyraźny podział na wytwarzanie nieobsadzonej płytki, a następnie umieszczanie na niej komponentów podczas montażu. Te dwa zadania często realizowały różne firmy ze względu na znacząco odmienne wymagania dotyczące procesów i technologii. Jeśli stosowane są komponenty osadzone wewnątrz płytki, należy je zamontować już w trakcie jej produkcji. Choć kiedyś było to domeną wysoce wyspecjalizowanych zakładów, obecnie procesy te są dobrze znane, a wielu producentów potrafi wytwarzać płytki z komponentami osadzonymi wewnątrz.

Komponent można osadzić na dwa sposoby: utworzyć otwartą wnękę, w której komponent będzie umieszczony i pozostanie widoczny na gotowej płytce, albo umieścić go na warstwie wewnętrznej podczas produkcji, a następnie zakryć kolejnymi warstwami, tak aby nie był widoczny na gotowej płytce.

Istnieje wiele sposobów wytwarzania płytek z komponentami osadzonymi wewnątrz. Poniższy opis i ilustracja przedstawiają jeden z nich.

1. Punktem wyjścia jest sztywny rdzeń pokryty obustronnie miedzią. Warstwy miedzi są trawione, a otwory wiercone zgodnie z wymaganiami.
2. Po obu stronach nakładana jest warstwa prepregu i miedzi, po czym wykonywane są trawienie i wiercenie laserowe zgodnie z wymaganiami.
3. Na tej warstwie, po jednej lub obu stronach, montowane są komponenty przeznaczone do osadzenia wewnątrz płytki, na przykład z wykorzystaniem naniesionej pasty lutowniczej i lutowania rozpływowego.
4. Dodawana jest warstwa prepregu z wycięciami tworzącymi wnękę dla każdego osadzanego komponentu.
5. Po obu stronach nakładana jest zewnętrzna warstwa prepregu i miedzi, po czym wykonywane są trawienie, wiercenie laserowe oraz wiercenie otworów przelotowych zgodnie z wymaganiami.

  Płytka jest wytwarzana w technologii sekwencyjnego nabudowywania warstw (build-up), a komponenty są umieszczane i zamykane w jej wnętrzu w trakcie tego procesu.
Zwróć uwagę na mikrop rzelotki wykonywane laserowo, które zapewniają połączenie z komponentem osadzonym od dolnej strony płytki.

Projektowanie z komponentami osadzonymi wewnątrz płytki

W edytorze PCB komponenty można umieszczać na dowolnej warstwie sygnałowej, a nie tylko na tradycyjnych zewnętrznych warstwach sygnałowych — górnej lub dolnej. Jeśli zostaną umieszczone na zakrytej wewnętrznej warstwie miedzi, nazywa się je komponentami osadzonymi wewnątrz płytki. Istnieją dwa podejścia do osadzania komponentów:

• wnęka zdefiniowana przez użytkownika zapewnia wymagany odstęp wokół komponentu,
• w przypadku małych obudów, takich jak 0201, nie stosuje się wnęki — komponent jest po prostu otaczany kolejnymi dodawanymi warstwami, co powoduje powstanie wybrzuszenia w miejscu każdego komponentu na gotowej płytce.

Jeśli komponent wymaga wnęki, może ona być całkowicie zamknięta wewnątrz płytki lub sięgać jednej z jej powierzchni, tworząc otwór. Poniższa ilustracja przedstawia trzy osadzone komponenty. Dwa skrajne mają zdefiniowane wnęki otwarte od górnej strony płytki. Środkowy komponent znajduje się na niższej warstwie i jest całkowicie zamknięty wewnątrz płytki. Z punktu widzenia projektanta proces rozmieszczania komponentów jest taki sam zarówno dla komponentów we wnękach otwartych, jak i zamkniętych.

Trzy komponenty osadzone wewnątrz płytki. Wnęki dwóch skrajnych komponentów są otwarte na powierzchnię płytki, a środkowy komponent jest całkowicie osadzony w jej wnętrzu.

Ten komponent jest całkowicie osadzony wewnątrz płytki. Aby ułatwić interpretację ilustracji, komponent wyróżniono niebieskimi obrysami, a wnękę — pomarańczowymi.

Definiowanie wnęki w komponencie biblioteki PCB

Jeśli komponent ma zostać osadzony wewnątrz płytki i wymaga wnęki, definiuje się ją jako część footprintu komponentu w edytorze bibliotek PCB. Dodanie wnęki nie uniemożliwia użycia tego komponentu na warstwie zewnętrznej — w takiej sytuacji oprogramowanie zignoruje wnękę.

Aby zdefiniować wnękę:

1. Umieść obiekt Region na warstwie mechanicznej. Umieść go tak, aby otaczał bryłę 3D komponentu, zachowując odpowiedni odstęp z każdej strony. Skonsultuj z producentem płytki wymagany odstęp.
2. Edytuj obiekt Region i ustaw atrybut Kind na Cavity.
3. Upewnij się, że atrybut Layer wskazuje odpowiednią warstwę mechaniczną.
4. Ustaw atrybut Cavity Height na odpowiednią wysokość. Zazwyczaj będzie to wysokość bryły 3D powiększona o odstęp zalecany przez producenta płytki.

Poniższa ilustracja przedstawia edytor bibliotek PCB, w którym widoczne są:

• zaznaczona na zielono definicja wnęki na warstwie Mechanical 15,
• czerwone obrysy pól lutowniczych komponentu,
• fioletowe cieniowanie obiektów brył 3D definiujących dwa wyprowadzenia i korpus kondensatora.

Wnękę definiuje się przez umieszczenie obiektu Region na warstwie mechanicznej, ustawienie jego parametru Rodzaj na Wnęka oraz parametru Cavity Height na wymaganą głębokość wnęki.
Zwróć uwagę na obszar z fioletowym cieniowaniem — jest to bryła 3D znajdująca się we wnęce.

Umieszczanie i orientowanie komponentu osadzonego wewnątrz płytki

Aby osadzić komponent wewnątrz płytki, edytuj jego właściwości i ustaw Layer na wymaganą wewnętrzną warstwę miedzi. Kierunek orientacji komponentu (w górę lub w dół) jest określany przez parametr Orientation zdefiniowany dla danej warstwy miedzi w oknie Menedżer stosu warstw.

Ustaw parametr Warstwa komponentu w panelu Properties.

Ustaw orientację komponentów na każdej warstwie sygnałowej w menedżerze stosu warstw.

Wzajemne oddziaływanie wnęki i stosu warstw

Related article: Zarządzanie stosem warstw PCB

Wnęka definiowana w edytorze bibliotek PCB ma atrybut wysokości. Wysokość ta określa odległość, na której oprogramowanie usunie wszystkie warstwy ponad powierzchnią warstwy miedzi, na której umieszczono komponent.

Aby uprościć zależności między wnęką a warstwami, które ona przecina, oprogramowanie nie dopuszcza do częściowego wycięcia warstwy. Jeśli wnęka wchodzi w warstwę, na przykład dielektryczną, ale nie przechodzi przez całą jej grubość, oprogramowanie automatycznie wydłuża wnękę tak, aby przechodziła przez całą tę warstwę.

Ilustruje to poniższy obraz. Dodano na nim ciemniejsze linie, aby pokazać narożniki wnęki oraz sposób, w jaki komponent jest osadzony poniżej powierzchni ostatniej wycinanej warstwy, mimo że wycięcie przechodzi przez całą jej grubość. Zachowanie to dotyczy zarówno wnęk wewnętrznych, jak i otwartych.

Jeśli wnęka nie przechodzi całkowicie przez warstwę, oprogramowanie automatycznie wykonuje ją przez całą grubość tej warstwy.

Komponenty osadzone wewnątrz płytki, podstosy i stosy zarządzane

Poniższy obraz po najechaniu kursorem przedstawia menedżer stosu warstw dla projektu sztywno-elastycznego zawierającego komponenty osadzone wewnątrz płytki. Każda oddzielna strefa lub obszar projektu sztywno-elastycznego może składać się z innej liczby warstw. W tym celu trzeba mieć możliwość zdefiniowania wielu stosów, określanych jako substacks.

 Po włączeniu opcji Rigid/Flex pojawia się przycisk wyboru podstosu. Kliknij go, aby wybrać i skonfigurować poszczególne podstosy. Najedź kursorem na obraz, aby zobaczyć podstos części elastycznej.

Gdy komponent zostaje osadzony wewnątrz płytki, edytor PCB musi uwzględnić jego wpływ na stos warstw — nie tylko pod względem wyświetlania, ale także obliczanych danych, takich jak otwarcia w masce lutowniczej, oraz sprawdzania reguł projektowych. W tym celu tworzy stos dla każdej unikalnej kombinacji warstw, na których umieszczono komponent, i warstw wyciętych, wymaganej przez poszczególne komponenty osadzone wewnątrz płytki w danym projekcie. Stosy te są określane jako Managed Stacks.

Stos zarządzany jest tworzony automatycznie po osadzeniu komponentu wewnątrz warstw płytki. Ponieważ stosy zarządzane powstają automatycznie, ich tworzenie i obsługa nie wymagają ingerencji użytkownika. Edytor PCB sprawdza obecność komponentów osadzonych wewnątrz płytki i weryfikuje, czy któryś z istniejących stosów zarządzanych jest odpowiedni, a jeśli nie — tworzy nowy. Podobnie dzieje się po usunięciu takich komponentów: jeśli stos zarządzany nie jest już potrzebny, zostaje automatycznie usunięty. Aby wymusić sprawdzenie przez edytor PCB, czy potrzebne są nowe stosy zarządzane, przełącz się między trybami projektowania 2D i 3D.

Podobnie jak stosy użytkownika, stosy zarządzane są widoczne w PCB panelu po ustawieniu go w tryb Layer Stack Regions. Poniższy obraz przedstawia stosy zarządzane dla dwóch komponentów osadzonych wewnątrz płytki: R1 i C15. Użyj tej funkcji, aby sprawdzić zasięg każdego stosu zarządzanego w płaszczyźnie X, Y.

Przegląd stosów warstw — dwa stosy zarządzane są widoczne po prawej stronie.

Co dalej?

• Gerber X2 i ODB++ to formaty wymiany danych między systemami CAD i CAM, które obsługują komponenty osadzone wewnątrz płytki.

• Norma IPC, IPC-7092A - Design and Assembly Process Implementation for Embedded Circuitry, szczegółowo opisuje zalecane techniki projektowania z użyciem komponentów osadzonych wewnątrz płytki. 

• Producenci PCB są doskonałym źródłem informacji o technologiach produkcyjnych, takich jak osadzanie komponentów wewnątrz płytki. Na przykład firma Wurth Electronik udostępnia na swojej stronie internetowej sekcję poświęconą osadzaniu komponentów, zawierającą informacje o regułach projektowania dotyczących komponentów i miedzi oraz poradnik projektowania z wykorzystaniem tej technologii. Jeśli Twoja płytka PCB zawiera komponenty osadzone wewnątrz jej struktury, zawsze uzgodnij wymagania z producentem.