Designing a PCB with Embedded Components

Tradycyjne podejście do projektowania płytek drukowanych polegało na umieszczaniu elementów na górnej i dolnej powierzchni płytki. Proces ten jest dobrze wspierany przez zakłady montażu PCB, które zazwyczaj używają zautomatyzowanych maszyn pick-and-place do pozycjonowania każdego elementu, gotowego do przylutowania 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 układów.

Jedną z technik, która zapewnia zarówno większą gęstość upakowania, jak i lepsze wsparcie dla wyższych częstotliwości sygnałów, jest embed osadzanie komponentów w warstwach struktury obwodu. Na przykład osadzenie elementów dyskretnych bezpośrednio pod układem scalonym może skutkować krótszymi długościami ścieżek sygnałowych, zmniejszoną rezystancją i pasożytniczą indukcyjnością, co prowadzi do niższego poziomu szumów i EMI, oraz lepszej integralności sygnałów w obwodzie. Ulepszenia te pozwalają tworzyć mniejsze i bardziej niezawodne produkty, obsługujące większe prędkości sygnałów i wyższe przepustowości. W połączeniu z ciągłymi usprawnieniami procesów i technologii wytwarzania mogą one również prowadzić do zmniejszenia rozmiaru produktu oraz obniżenia kosztów produkcji i montażu na poziomie płytki.

Osadzanie komponentów stawia szereg nietypowych wymagań na każdym etapie procesu — od projektu, przez wytwarzanie, montaż, aż po testowanie i utrzymanie gotowego produktu.

Jak można osadzić komponent?

Osadzanie komponentów wprowadza istotną różnicę w wytwarzaniu płytki — nie ma już prostego podziału na produkcję „gołej” płytki, a następnie montaż komponentów na tej płytce w procesie montażu. Te dwa zadania były często realizowane przez różne firmy ze względu na wyraźnie odmienne wymagania procesowe i technologiczne. Jeśli stosuje się komponenty osadzane, muszą one zostać zamontowane na płytce w trakcie procesu produkcji. Choć kiedyś było to domeną wysoce wyspecjalizowanych fabryk, dziś procesy są dobrze poznane i istnieje wielu producentów, którzy potrafią wytwarzać obwody z komponentami osadzanymi.

Istnieją dwa sposoby osadzania komponentu: tworzy się otwartą wnękę, tak aby osadzony komponent znajdował się w tej wnęce i pozostawał widoczny na gotowej płytce, albo umieszcza się go na warstwie wewnętrznej podczas produkcji, a następnie przykrywa w miarę dodawania kolejnych warstw, tak że nie jest widoczny na gotowej płytce.

Istnieje wiele podejść do wytwarzania płytki z komponentami osadzanymi; poniższy opis i obraz przedstawiają jedno z nich.

1. Płytka zaczyna jako sztywny rdzeń dwustronnie laminowany miedzią; warstwy miedzi są trawione i wiercone zgodnie z wymaganiami.
2. Na każdą stronę nakłada się warstwę prepreg+miedź, które są trawione i nawiercane laserowo zgodnie z wymaganiami.
3. Na tej warstwie montuje się komponenty osadzane (po jednej lub obu stronach), stosując na przykład naniesioną pastę lutowniczą i proces rozpływu (reflow).
4. Dodaje się warstwę prepreg z wycięciem, tworząc wnękę dla każdego osadzanego komponentu.
5. Na każdą stronę nakłada się zewnętrzną warstwę prepreg+miedź, które są trawione, nawiercane laserowo oraz wiercone przelotowo zgodnie z wymaganiami.

  Płytka jest wytwarzana w technologii build-up; komponenty osadzane są umieszczane i zalewane/otaczane w ramach procesu.
Zwróć uwagę na mikrootwory (microvia) wiercone laserowo, użyte do uzyskania dostępu do osadzanego komponentu po dolnej stronie płytki.

Projektowanie z komponentami osadzanymi

W edytorze PCB komponenty można umieszczać na dowolnej warstwie sygnałowej, nie tylko na tradycyjnych warstwach sygnałowych górnej lub dolnej powierzchni. Jeśli zostaną umieszczone na wewnętrznej warstwie miedzi, która jest przykryta, komponenty te nazywa się komponentami osadzanymi. Istnieją dwa podejścia do osadzania komponentów:

• wnęka zdefiniowana przez użytkownika tworzy wymagany luz wokół komponentu,
• lub w przypadku małych obudów, takich jak 0201, nie ma wnęki — komponent jest po prostu zalewany/otaczany, gdy dodawane są kolejne warstwy, co skutkuje powstaniem „garbu” w miejscu każdego komponentu w gotowej płytce.

Gdy komponent wymaga wnęki, może ona być całkowicie zamknięta wewnątrz płytki albo może sięgać do jednej strony płytki, tworząc otwór. Poniższy obraz pokazuje 3 komponenty osadzane: dwa zewnętrzne mają zdefiniowaną wnękę, co powoduje, że są otwarte od strony górnej powierzchni płytki. Środkowy komponent znajduje się na niższej warstwie, przez co jest całkowicie zamknięty. Z perspektywy projektanta proces rozmieszczania komponentów jest taki sam zarówno dla komponentów z wnęką otwartą, jak i zamkniętą.

Trzy komponenty osadzane; wnęki dla dwóch zewnętrznych komponentów są otwarte do powierzchni płytki, środkowy jest całkowicie osadzony.

Ten komponent jest całkowicie osadzony. Aby ułatwić interpretację obrazu, komponent został wyróżniony niebieskimi obrysami, a wnęka — pomarańczowymi obrysami.

Definiowanie wnęki w komponencie biblioteki PCB

Jeśli komponent ma być osadzony i wymaga wnęki, wnękę definiuje się jako część footprintu komponentu w edytorze biblioteki PCB. Zwróć uwagę, że dodanie wnęki nie uniemożliwia użycia tego komponentu na warstwie powierzchniowej — w takiej sytuacji oprogramowanie zignoruje wnękę.

Aby zdefiniować wnękę:

1. Umieść obiekt Region na warstwie mechanicznej. Obiekt należy umieścić tak, aby obejmował bryłę 3D komponentu, z wystarczającym luzem z każdej strony. Skonsultuj z producentem, jaki luz jest wymagany.
2. Edytuj obiekt Region i ustaw atrybut Kind na Cavity.
3. Potwierdź, że atrybut Layer wskazuje odpowiednią warstwę mechaniczną.
4. Ustaw atrybut Cavity Height na odpowiednią wysokość; zazwyczaj będzie to wysokość bryły 3D plus zalecany przez producenta luz.

Poniższy obraz pokazuje edytor biblioteki PCB, z:

• zieloną, zaznaczoną definicją wnęki na warstwie Mechanical 15,
• czerwonymi obrysami padów komponentu,
• fioletowym cieniowaniem obiektów bryły 3D, które definiują dwa pady kondensatora i jego korpus.

Wnękę definiuje się przez umieszczenie obiektu region na warstwie mechanicznej, ustawienie jego Kind na Cavity oraz Cavity Height na wymaganą głębokość wnęki.
Zwróć uwagę na fioletowy zacieniowany obszar — to bryła 3D, która znajduje się we wnęce.

Umieszczanie i orientowanie komponentu osadzanego

Aby osadzić komponent, edytuj właściwości komponentu i ustaw Layer na wymaganą wewnętrzną warstwę miedzi. Kierunek orientacji komponentu osadzanego (w górę lub w dół) jest definiowany przez Orientation określone dla tej warstwy miedzi w Layer Stack Manager.

Ustaw Layer dla komponentu w panelu Properties.

Ustaw Orientation dla komponentów na każdej warstwie sygnałowej w Layer Stack Manager.

Interakcja między wnęką a stosem warstw

Related article: Zarządzanie stosem warstw PCB

Wnęka zdefiniowana w edytorze biblioteki PCB ma atrybut Height. Ta wysokość określa odległość, na jaką oprogramowanie usunie wszystkie warstwy powyżej powierzchni warstwy miedzi, na której umieszczono komponent.

Aby uprościć interakcję między wnęką a warstwami, przez które ona przechodzi, oprogramowanie zapewnia, że warstwa nie zostanie przecięta częściowo. Jeśli wnęka wchodzi w warstwę, na przykład dielektryczną, ale nie przechodzi przez nią na wylot, oprogramowanie automatycznie wydłuża wnękę tak, aby przechodziła przez całą tę warstwę.

Poniższy obraz to pokazuje: ciemniejsze linie rysunku zostały dodane, aby pokazać narożniki wnęki i to, jak komponent znajduje się poniżej powierzchni ostatniej przeciętej warstwy, ale wycięcie warstwy biegnie przez całą grubość tej warstwy. To zachowanie dotyczy zarówno wnęk wewnętrznych, jak i otwartych.

Jeśli wnęka nie przechodzi całkowicie przez warstwę, oprogramowanie automatycznie kończy tworzenie wnęki przez tę warstwę.

Komponenty osadzane, SubStacks i Managed Stacks

Obraz po najechaniu poniżej pokazuje Layer Stack Manager dla projektu rigid-flex, który zawiera komponenty osadzane. Każda oddzielna strefa lub region projektu rigid-flex może składać się z innej liczby warstw. Aby to osiągnąć, trzeba móc zdefiniować wiele stosów, określanych jako substacks.

 Po włączeniu opcji Rigid/Flex pojawia się przycisk Substack Selector — kliknij, aby wybrać i skonfigurować każdy substack. Najedź kursorem na obraz, aby zobaczyć substack Flex.

Gdy osadzasz komponent, edytor PCB musi zarządzać tym, jak taki komponent wpływa na stos warstw — nie tylko pod kątem sposobu wyświetlania, ale także w odniesieniu do danych obliczanych, takich jak otwarcia solder mask oraz sprawdzanie reguł projektowych. Realizuje to poprzez utworzenie stosu dla każdej unikalnej kombinacji warstw umieszczonych + wyciętych, wymaganej przez różne komponenty osadzane uwzględnione w projekcie. Stosy te są określane jako Managed Stacks.

Stos zarządzany (Managed Stack) jest tworzony automatycznie, gdy komponent zostanie osadzony w warstwach płytki. Ponieważ stosy zarządzane są tworzone automatycznie, nie jest wymagany żaden udział użytkownika w ich tworzeniu ani zarządzaniu. Edytor PCB sprawdza obecność komponentów osadzonych, weryfikuje, czy którykolwiek z aktualnie zarządzanych stosów jest odpowiedni, a jeśli nie — tworzy nowy. To samo dotyczy sytuacji, gdy komponenty osadzone są usuwane: jeśli dany 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 układu 2D i 3D.

Podobnie jak stosy użytkownika (User Stacks), stosy zarządzane (Managed Stacks) są wyświetlane w PCB panelu, gdy jest on ustawiony na Layer Stack Regions. Poniższy obraz pokazuje stosy zarządzane dla dwóch komponentów osadzonych: R1 i C15. Użyj tej funkcji, aby sprawdzić zasięg każdego stosu zarządzanego w płaszczyźnie X, Y.

Po przeanalizowaniu stosów warstw (Layer Stacks) widać po prawej dwa stosy zarządzane.

Co dalej?

• Formaty wymiany danych CAD-to-CAM Gerber X2 oraz ODB++ obsługują komponenty osadzone.

• Standard IPC, IPC-7092A - Design and Assembly Process Implementation for Embedded Circuitry, opisuje zalecane techniki projektowe dla komponentów osadzonych. 

• Zakłady produkcji PCB (PCB Fab houses) są doskonałym źródłem informacji o technologiach procesowych, takich jak komponenty osadzone. Przykładowo Wurth Electronik ma na swojej stronie dedykowaną sekcję Embedding, zawierającą informacje o regułach projektowych dla elementów, regułach projektowych dla miedzi oraz przewodnik po projektowaniu pod osadzanie. Jeśli Twoja płytka PCB wykorzystuje komponenty osadzone, zawsze skonsultuj z fabryką ich wymagania.