Designing a PCB with Embedded Components

A abordagem tradicional ao desenho de placas de circuito consiste em colocar os componentes nas superfícies superior e inferior da placa. Este processo é bem suportado pelas empresas de montagem de placas de circuito, que normalmente utilizam máquinas automáticas de pick-and-place para posicionar cada componente, pronto para ser soldado à superfície. A procura cada vez maior por produtos eletrónicos mais pequenos e mais integrados, combinada com as frequências mais elevadas dos sinais no interior destes dispositivos, impulsiona a investigação contínua de melhores formas de fabricar e montar um circuito.

Uma técnica que oferece simultaneamente maior densidade e melhor suporte para frequências de sinal mais elevadas, é incorporar embed componentes nas camadas da estrutura do circuito. Por exemplo, incorporar componentes discretos diretamente por baixo de um circuito integrado pode resultar em comprimentos de sinal mais curtos, resistência e indutância parasita reduzidas, conduzindo a menor ruído e EMI, e melhor integridade dos sinais do circuito. Estas melhorias permitem produtos mais pequenos e mais fiáveis, suportando velocidades de sinal mais rápidas e larguras de banda mais elevadas. Em conjunto com as melhorias contínuas que têm vindo a ser alcançadas nos processos e tecnologias de fabrico, também podem conduzir a uma redução do tamanho do produto, e a custos mais baixos de fabrico e montagem da placa.

A incorporação de componentes coloca um conjunto de exigências invulgares em cada fase do processo desde o desenho ao fabrico, passando pela montagem, até ao teste e manutenção do produto final.

Como pode um Componente ser Incorporado?

A incorporação de componentes introduz uma diferença significativa no fabrico de uma placa de circuito - deixa de existir uma separação simples entre o fabrico da placa nua e a colocação de componentes nessa placa nua durante a montagem. Estas duas tarefas eram frequentemente tratadas por empresas diferentes, devido aos seus requisitos de processo e tecnologia claramente distintos. Se forem utilizados componentes incorporados, estes têm de ser montados na placa durante o processo de fabrico. Embora isto tenha sido em tempos domínio de casas de fabrico altamente especializadas, os processos são agora bem compreendidos e existem muitos fabricantes capazes de produzir circuitos com componentes incorporados.

Existem duas formas de incorporar um componente: é criada uma cavidade aberta, de forma a que o componente incorporado fique dentro dessa cavidade e permaneça visível na placa concluída, ou pode ser colocado numa camada interna durante o fabrico e depois coberto à medida que as camadas superiores são adicionadas à placa durante o processo de fabrico, de modo a não ficar visível na placa concluída.

Existem inúmeras abordagens para fabricar uma placa com componentes incorporados; a descrição e a imagem abaixo mostram uma dessas abordagens.

1. A placa começa como um núcleo rígido revestido a cobre em ambas as faces; estas camadas de cobre são gravadas e perfuradas conforme necessário.
2. É aplicada uma camada de prepreg+cobre em cada lado, sendo estas gravadas e perfuradas a laser conforme necessário.
3. Os componentes incorporados são montados nesta camada (num ou em ambos os lados), utilizando, por exemplo, pasta de solda depositada e processamento por refluxo.
4. É adicionada uma camada de prepreg recortada, com um recorte para criar uma cavidade para cada componente incorporado.
5. É aplicada uma camada exterior de prepreg+cobre em cada lado, sendo gravada, perfurada a laser e perfurada com furos metalizados conforme necessário.

  A placa é fabricada utilizando tecnologia build-up; os componentes incorporados são colocados e encapsulados como parte do processo.
Note os microvias perfurados a laser usados para aceder a um componente incorporado na face inferior da placa.

Desenhar com Componentes Incorporados

No editor de PCB, os componentes podem ser colocados em qualquer camada de sinal, não apenas nas tradicionais camadas de sinal de superfície superior ou inferior. Se forem colocados numa camada interna de cobre que seja coberta, os componentes são designados por componentes incorporados. Existem duas abordagens para incorporar componentes:

• uma cavidade definida pelo utilizador cria o espaço livre necessário em torno do componente,
• ou, no caso de encapsulamentos pequenos como 0201, não existe cavidade; o componente é simplesmente encapsulado à medida que são adicionadas camadas subsequentes, resultando numa saliência em cada posição de componente na placa final.

Quando um componente requer uma cavidade, esta cavidade pode ficar totalmente encerrada no interior da placa, ou pode estender-se até um dos lados da placa para criar uma abertura. A imagem abaixo mostra 3 componentes incorporados; os 2 exteriores têm uma cavidade definida que faz com que fiquem abertos no lado superior da placa. O componente do meio está numa camada inferior, ficando assim completamente encerrado. Do ponto de vista do projetista, o processo de colocação do componente é o mesmo quer para componentes em cavidade aberta quer para componentes em cavidade fechada.

Três componentes incorporados; as cavidades dos dois componentes exteriores estão abertas à superfície da placa, o do meio está completamente incorporado.

Este componente está completamente incorporado. Para tornar a imagem mais fácil de interpretar, o componente foi destacado com contornos azuis, e a cavidade com contornos laranja.

Definir a Cavidade no Componente da Biblioteca PCB

Se um componente for incorporado e necessitar de uma cavidade, a cavidade é definida como parte da pegada do componente no editor da Biblioteca PCB. Note que adicionar uma cavidade não impede que esse componente seja usado numa camada de superfície; nesta situação, o software irá ignorar a cavidade.

Para definir uma cavidade:

1. Coloque um objeto Region numa camada mecânica. O objeto é colocado de forma a envolver o corpo 3D do componente, com espaço livre suficiente de cada lado. Confirme junto do fabricante qual a folga necessária.
2. Edite o objeto Region e defina o atributo Kind para Cavity.
3. Confirme que o atributo Layer é uma camada mecânica adequada.
4. Defina o atributo Cavity Height para uma altura adequada; normalmente será a altura do corpo 3D mais a folga recomendada pelo fabricante.

A imagem abaixo mostra o editor da biblioteca PCB, com:

• a definição de cavidade verde e selecionada na camada Mechanical 15,
• os contornos vermelhos das pads do componente,
• o roxo sombreado dos objetos de corpo 3D que definem as duas pads e o corpo do condensador.

A cavidade é definida colocando um objeto region numa camada mecânica, definindo o seu Kind para Cavity e o Cavity Height para a profundidade de cavidade necessária.
Note a região roxa sombreada; este é o corpo 3D que fica dentro da cavidade.

Colocar e Orientar um Componente Incorporado

Para incorporar um componente, edite as propriedades do componente e defina o Layer para a camada interna de cobre pretendida. A direção em que o componente incorporado fica orientado (para cima ou para baixo) é definida pela Orientation especificada para essa camada de cobre no Layer Stack Manager.

Defina a Layer do componente no painel Properties.

Defina a Orientation dos componentes em cada camada de sinal no Layer Stack Manager.

A Interação Entre a Cavidade e o Empilhamento de Camadas

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A cavidade que define no editor da Biblioteca PCB tem um atributo Height. Esta altura define a distância à qual o software irá remover todas as camadas acima da superfície da camada de cobre onde o componente está colocado.

Para simplificar a interação entre a cavidade e as camadas que esta atravessa, o software garante que uma camada não seja cortada parcialmente. Se uma cavidade entrar numa camada, como uma camada dielétrica, mas não se estender completamente através dessa camada dielétrica, então o software prolonga automaticamente a cavidade até atravessar totalmente essa camada.

A imagem abaixo mostra isto; foram adicionadas linhas de desenho mais escuras para mostrar os cantos da cavidade e como o componente fica abaixo da superfície da última camada cortada, mas o recorte da camada continua ao longo de toda essa camada. Este comportamento aplica-se tanto a cavidades internas como a cavidades abertas.

Se uma cavidade não atravessar completamente uma camada, o software completa automaticamente a criação da cavidade ao longo dessa camada.

Componentes Incorporados, SubStacks e Managed Stacks

A imagem em destaque abaixo mostra o Layer Stack Manager para um desenho rigid-flex que inclui componentes incorporados. Cada zona ou região separada de um desenho rigid-flex pode ser composta por um número diferente de camadas. Para o conseguir, é necessário poder definir vários empilhamentos, designados por substacks.

 Quando a opção Rigid/Flex foi ativada, aparece o botão Substack Selector; clique para selecionar e configurar cada substack. Passe o cursor sobre a imagem para ver o substack Flex.

Quando incorpora um componente, o editor de PCB tem de gerir a forma como esse componente incorporado afeta o empilhamento de camadas, não apenas em termos de apresentação, mas também em termos de dados calculados, como aberturas da solder mask e verificação de regras de desenho. Faz isso criando um stack para cada combinação única de camadas colocadas + cortadas necessária pelos vários componentes incorporados incluídos no desenho. Estes stacks são designados por Managed Stacks.

A Stack Gerida é criada automaticamente quando um componente é incorporado nas camadas da placa. Como as stacks geridas são criadas automaticamente, não é necessária qualquer intervenção do utilizador na sua criação e gestão. O editor de PCB verifica se existem componentes incorporados, testa se alguma das stacks geridas atualmente é adequada e, caso contrário, cria uma nova. O mesmo se aplica quando os componentes incorporados são removidos: se uma stack gerida deixar de ser necessária, é removida automaticamente. Para forçar o editor de PCB a verificar se são necessárias novas stacks geridas, alterne entre os modos de layout 2D e 3D.

Tal como as Stacks do Utilizador, as Stacks Geridas são listadas no PCB painel quando este está definido para Layer Stack Regions. A imagem abaixo mostra as stacks geridas para dois componentes incorporados, R1 e C15. Utilize esta funcionalidade para examinar a extensão de cada Stack Gerida no plano X, Y.

Ao examinar as Layer Stacks, as duas Stacks Geridas são visíveis à direita.

O que se segue?

• Gerber X2 e ODB++ — formatos de intercâmbio de dados CAD-para-CAM — suportam ambos componentes incorporados.

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

• As casas de fabrico de PCB são excelentes fontes de informação sobre tecnologias de processo, como os componentes incorporados. Por exemplo, a Wurth Electronik tem uma secção Embedding dedicada no seu website, com informações sobre regras de conceção de dispositivos, regras de conceção de cobre e um guia de conceção para embedding. Confirme sempre junto da sua casa de fabrico quais são os requisitos, caso a sua PCB utilize componentes incorporados.