Projetando uma PCB com Componentes Embarcados

A abordagem tradicional de projeto de placas de circuito consiste em posicionar os componentes nas superfícies superior e inferior da placa. Esse processo é amplamente atendido pelas empresas de montagem de placas de circuito, que normalmente utilizam máquinas automatizadas de pick and place para posicionar cada componente, deixando-o pronto para ser soldado à superfície. A demanda cada vez maior por produtos eletrônicos menores e mais integrados, combinada com as frequências mais altas dos sinais nesses dispositivos, impulsiona a pesquisa contínua por melhores maneiras de fabricar e montar um circuito.

Uma técnica que proporciona maior densidade e melhor suporte a frequências de sinal mais altas consiste em embed componentes nas camadas da estrutura do circuito. Por exemplo, incorporar componentes discretos diretamente sob um circuito integrado pode resultar em trajetos de sinal mais curtos, menor resistência e indutância parasita, levando à redução do ruído e da EMI, e à melhoria da integridade dos sinais do circuito. Essas melhorias proporcionam produtos menores e mais confiáveis, que suportam sinais mais rápidos e maiores larguras de banda. Combinadas com os avanços contínuos nos processos e nas tecnologias de fabricação, também podem levar à redução do tamanho do produto e dos custos de fabricação e montagem da placa.

A incorporação de componentes impõe uma série de requisitos incomuns a cada etapa do processo, desde o projeto até a fabricação, a montagem, os testes e a manutenção do produto acabado.

Como um componente pode ser embutido?

A incorporação de componentes introduz uma diferença significativa na fabricação de uma placa de circuito: deixa de existir uma separação simples entre fabricar a placa nua e depois instalar os componentes nessa placa durante a montagem. Essas duas tarefas costumavam ser realizadas por empresas diferentes, devido aos seus requisitos de processos e tecnologias bastante distintos. Se forem utilizados componentes embutidos, eles deverão ser instalados na placa durante o processo de fabricação. Embora isso antes fosse restrito a fabricantes altamente especializados, hoje os processos são bem conhecidos e há muitos fabricantes capazes de produzir circuitos com componentes embutidos.

Há duas maneiras de embutir um componente: criar uma cavidade aberta na qual o componente é alojado e permanece visível na placa acabada; ou posicioná-lo em uma camada interna durante a fabricação e depois cobri-lo à medida que as camadas superiores são adicionadas à placa, de modo que ele não fique visível na placa acabada.

Existem diversas abordagens para fabricar uma placa com componentes embutidos. A descrição e a imagem abaixo mostram uma delas.

1. A placa começa como um núcleo rígido revestido de cobre nas duas faces; essas camadas de cobre são corroídas e perfuradas conforme necessário.
2. Uma camada de prepreg+cobre é aplicada a cada face, sendo corroída e perfurada a laser conforme necessário.
3. Os componentes embutidos são montados nessa camada (em uma ou em ambas as faces), utilizando, por exemplo, deposição de pasta de solda e processo de refusão.
4. É adicionada uma camada de prepreg com recortes para criar uma cavidade para cada componente embutido.
5. Uma camada externa de prepreg+cobre é aplicada a cada face, sendo corroída e perfurada a laser e com furos passantes conforme necessário.

  A placa é fabricada utilizando tecnologia de construção sequencial (build-up); os componentes embutidos são posicionados e encapsulados como parte do processo.
Observe as microvias perfuradas a laser utilizadas para acessar um componente embutido na parte inferior da placa.

Projetando com componentes embutidos

No editor de PCB, os componentes podem ser posicionados em qualquer camada de sinal, não apenas nas tradicionais camadas de sinal das superfícies superior ou inferior. Se forem posicionados em uma camada interna de cobre que será coberta, esses componentes são chamados de componentes embutidos. Há duas abordagens para embutir componentes:

• uma cavidade definida pelo usuário cria a folga necessária ao redor do componente;
• ou, para encapsulamentos pequenos, como o 0201, não há cavidade: o componente é simplesmente encapsulado à medida que as camadas subsequentes são adicionadas, resultando em uma saliência no local de cada componente na placa acabada.

Quando um componente exige uma cavidade, ela pode ficar completamente fechada dentro da placa ou se estender até uma das faces para criar uma abertura. A imagem abaixo mostra três componentes embutidos; os dois componentes das extremidades têm cavidades definidas que os deixam expostos na face superior da placa. O componente central está em uma camada inferior, ficando completamente fechado. Do ponto de vista do projetista, o processo de posicionamento é o mesmo tanto para componentes em cavidades abertas quanto em cavidades fechadas.

Três componentes embutidos: as cavidades dos dois componentes das extremidades são abertas para a superfície da placa, enquanto o componente central está completamente embutido.

Este componente está completamente embutido. Para facilitar a interpretação da imagem, o componente foi destacado com contornos azuis e a cavidade com contornos laranja.

Definindo a cavidade no componente da biblioteca de PCB

Se um componente for embutido e exigir uma cavidade, ela será definida como parte do footprint do componente no editor de bibliotecas de PCB. Observe que adicionar uma cavidade não impede que esse componente seja utilizado em uma camada de superfície; nessa situação, o software ignorará a cavidade.

Para definir uma cavidade:

1. Posicione um objeto de região em uma camada mecânica. O objeto deve envolver o corpo 3D do componente, com folga suficiente em cada lado. Consulte o fabricante para saber qual é a folga necessária.
2. Edite o objeto de região e defina o atributo Kind como Cavity.
3. Confirme se o atributo Layer corresponde a uma camada mecânica adequada.
4. Defina o atributo Cavity Height com uma altura adequada; normalmente, ela será a altura do corpo 3D somada à folga recomendada pelo fabricante.

A imagem abaixo mostra o editor de bibliotecas de PCB, com:

• a definição de cavidade selecionada, em verde, na camada Mechanical 15;
• os contornos vermelhos dos pads do componente;
• o sombreado roxo dos objetos de corpo 3D que definem os dois terminais e o corpo do capacitor.

A cavidade é definida posicionando um objeto de região em uma camada mecânica, definindo seu Tipo como Cavidade e o Cavity Height com a profundidade necessária para a cavidade.
Observe a região sombreada em roxo: ela é o corpo 3D que fica alojado na cavidade.

Posicionando e orientando um componente embutido

Para embutir um componente, edite suas propriedades e defina o Layer como a camada interna de cobre desejada. A orientação do componente embutido (para cima ou para baixo) é definida pelo Orientation especificado para essa camada de cobre no Gerenciador de empilhamento de camadas.

Defina a Camada do componente no painel Properties.

Defina a Orientação dos componentes em cada camada de sinal no Gerenciador de empilhamento de camadas.

A interação entre a cavidade e o empilhamento de camadas

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A cavidade que você define no editor de bibliotecas de PCB tem um atributo Altura. Essa altura define a distância ao longo da qual o software removerá todas as camadas acima da superfície da camada de cobre na qual o componente está posicionado.

Para simplificar a interação entre a cavidade e as camadas que ela atravessa, o software garante que nenhuma camada seja cortada parcialmente. Se uma cavidade penetrar em uma camada, como uma camada dielétrica, mas não atravessá-la completamente, o software estenderá automaticamente a cavidade por toda a espessura dessa camada.

A imagem abaixo ilustra isso. As linhas de desenho mais escuras foram adicionadas para mostrar os cantos da cavidade e como o componente fica abaixo da superfície da última camada cortada, embora o recorte atravesse toda a espessura dessa camada. Esse comportamento se aplica tanto a cavidades internas quanto abertas.

Se uma cavidade não atravessar completamente uma camada, o software concluirá automaticamente a criação da cavidade por toda a espessura dessa camada.

Componentes embutidos, subempilhamentos e empilhamentos gerenciados

A imagem abaixo, que muda ao passar o cursor sobre ela, mostra o Gerenciador de empilhamento de camadas de um projeto rígido-flexível que inclui componentes embutidos. Cada zona ou região de um projeto rígido-flexível pode ser composta por um número diferente de camadas. Para isso, é necessário poder definir vários empilhamentos, chamados de substacks.

 Quando a opção Rígido/Flexível está ativada, o botão Seletor de subempilhamento é exibido; clique nele para selecionar e configurar cada subempilhamento. Passe o cursor sobre a imagem para ver o subempilhamento flexível.

Ao embutir um componente, o editor de PCB precisa gerenciar como esse componente afeta o empilhamento de camadas, não apenas em termos de exibição, mas também em termos de dados calculados, como aberturas da máscara de solda e verificação de regras de projeto. Para isso, ele cria um empilhamento para cada combinação exclusiva de camada de posicionamento + camadas cortadas necessária aos diversos componentes embutidos incluídos no projeto. Esses empilhamentos são chamados de Managed Stacks.

O empilhamento gerenciado é criado automaticamente quando um componente é embutido nas camadas da placa. Como os empilhamentos gerenciados são criados automaticamente, não é necessária nenhuma intervenção do usuário para criá-los e gerenciá-los. O editor de PCB verifica a existência de componentes embutidos, testa se algum dos empilhamentos gerenciados existentes é adequado e, caso nenhum seja, cria um novo. O mesmo se aplica quando componentes embutidos são removidos: se um empilhamento gerenciado deixar de ser necessário, ele será removido automaticamente. Para forçar o editor de PCB a verificar se novos empilhamentos gerenciados são necessários, alterne entre os modos de layout 2D e 3D.

Assim como os empilhamentos do usuário, os empilhamentos gerenciados são listados no PCB painel quando ele está definido como Layer Stack Regions. A imagem abaixo mostra os empilhamentos gerenciados de dois componentes embutidos, R1 e C15. Use esse recurso para examinar a extensão de cada empilhamento gerenciado no plano X, Y.

Ao examinar os empilhamentos de camadas, os dois empilhamentos gerenciados ficam visíveis à direita.

Próximos passos

• Os formatos de intercâmbio de dados CAD-CAM Gerber X2 e ODB++ oferecem suporte a componentes embutidos.

• A norma IPC, IPC-7092A - Design and Assembly Process Implementation for Embedded Circuitry, detalha as técnicas de projeto recomendadas para componentes embutidos. 

• Os fabricantes de PCB são excelentes fontes de informação sobre tecnologias de processo, como componentes embutidos. Por exemplo, a Wurth Electronik tem uma seção dedicada à incorporação de componentes em seu site, com informações sobre regras de projeto para dispositivos, regras de projeto para cobre e um guia de projeto para incorporação de componentes. Sempre consulte o fabricante sobre os requisitos dele se sua PCB usar componentes embutidos.