Проектирование печатной платы со встроенными компонентами

Традиционный подход к проектированию печатных плат предполагает размещение компонентов на верхней и нижней поверхностях платы. Этот процесс хорошо освоен предприятиями, выполняющими монтаж печатных плат: обычно они используют автоматические установщики компонентов, которые размещают каждый компонент для последующей пайки на поверхность платы. Постоянно растущий спрос на более компактные электронные изделия с высокой степенью интеграции в сочетании с повышением частот сигналов в этих устройствах стимулирует непрерывные исследования более эффективных способов изготовления и сборки электронных схем.

Один из способов, позволяющих повысить плотность компоновки и улучшить работу с высокочастотными сигналами, — embed компоненты внутри слоев печатной платы. Например, встраивание дискретных компонентов непосредственно под интегральной схемой позволяет сократить длину сигнальных цепей, уменьшить сопротивление и паразитную индуктивность, снизить уровень шумов и электромагнитных помех, а также улучшить целостность сигналов. Эти усовершенствования позволяют создавать более компактные и надежные изделия, обеспечивающие более высокие скорости передачи сигналов и более широкую полосу пропускания. В сочетании с непрерывным совершенствованием производственных процессов и технологий они также позволяют уменьшить размеры изделия и снизить затраты на изготовление и монтаж печатных плат.

Встраивание компонентов предъявляет ряд нетипичных требований ко всем этапам процесса — от проектирования и изготовления до монтажа, испытаний и обслуживания готового изделия.

Как можно встроить компонент?

Встраивание компонентов существенно меняет процесс производства печатной платы: привычного четкого разделения на изготовление самой платы и последующую установку на нее компонентов при монтаже больше нет. Эти две задачи часто выполняли разные компании, поскольку требования к процессам и технологиям заметно различались. При использовании встраиваемых компонентов их необходимо устанавливать на плату в процессе ее изготовления. Раньше это было под силу лишь узкоспециализированным производствам, однако теперь эти процессы хорошо освоены, и многие производители могут изготавливать платы со встроенными компонентами.

Встроить компонент можно двумя способами: создать открытую полость, в которой компонент будет размещаться и останется видимым на готовой плате, либо установить его на внутренний слой в процессе изготовления и затем закрыть последующими слоями платы, так что на готовой плате он не будет виден.

Существует множество подходов к изготовлению плат со встроенными компонентами. Ниже приведены описание и иллюстрация одного из них.

1. Основой платы служит жесткий сердечник с двусторонним медным покрытием; на этих медных слоях выполняют необходимое травление и сверление.
2. На каждую сторону наносят слой препрега и медной фольги, после чего выполняют необходимое травление и лазерное сверление.
3. На этот слой с одной или обеих сторон устанавливают встраиваемые компоненты, например с нанесением паяльной пасты и последующей пайкой оплавлением.
4. Добавляют слой препрега с вырезами, образующими полости для каждого встраиваемого компонента.
5. На каждую сторону наносят наружный слой препрега и медной фольги, после чего выполняют необходимое травление, лазерное сверление и сверление сквозных отверстий.

  Плата изготавливается по технологии последовательного наращивания слоев; установка и заключение встраиваемых компонентов внутрь платы выполняются в рамках этого процесса.
Обратите внимание на микропереходные отверстия, выполненные лазерным сверлением: они обеспечивают подключение к встроенному компоненту с нижней стороны платы.

Проектирование со встраиваемыми компонентами

В редакторе печатных плат компоненты можно размещать на любом сигнальном слое, а не только на традиционных верхнем и нижнем сигнальных слоях. Если компоненты размещены на внутреннем медном слое, закрытом другими слоями, они называются встроенными. Существует два подхода к встраиванию компонентов:

• заданная пользователем полость обеспечивает необходимый зазор вокруг компонента;
• для небольших корпусов, например 0201, полость не создается: компонент просто заключается внутрь платы при добавлении последующих слоев, в результате чего на готовой плате в месте установки каждого такого компонента образуется выступ.

Если компоненту требуется полость, она может быть полностью закрыта внутри платы либо выходить на одну из ее сторон, образуя отверстие. На рисунке ниже показаны три встроенных компонента. Для двух крайних компонентов заданы полости, открытые с верхней стороны платы. Средний компонент расположен на более низком слое и полностью заключен внутри платы. С точки зрения проектировщика процесс размещения одинаков как для компонентов в открытых полостях, так и для компонентов в закрытых полостях.

Три встроенных компонента: полости двух крайних компонентов выходят на поверхность платы, средний компонент полностью заключен внутри платы.

Этот компонент полностью заключен внутри платы. Для наглядности контуры компонента выделены синим цветом, а контуры полости — оранжевым.

Задание полости в библиотечном компоненте печатной платы

Если компонент предполагается встроить и ему требуется полость, ее задают как часть посадочного места компонента в редакторе библиотек печатных плат. Обратите внимание: наличие полости не мешает использовать этот компонент на наружном слое — в таком случае программа проигнорирует полость.

Чтобы задать полость:

1. Разместите объект Region на механическом слое. Расположите его так, чтобы он охватывал 3D-тело компонента с достаточным зазором с каждой стороны. Уточните необходимый зазор у производителя платы.
2. Откройте свойства объекта Region и задайте для атрибута Kind значение Cavity.
3. Убедитесь, что для атрибута Layer выбран подходящий механический слой.
4. Задайте для атрибута Cavity Height подходящую высоту. Обычно это высота 3D-тела плюс зазор, рекомендованный производителем платы.

На рисунке ниже показан редактор библиотек печатных плат, в котором видны:

• выделенный зеленым цветом контур полости на слое Mechanical 15;
• красные контуры контактных площадок компонента;
• фиолетовая заливка объектов 3D-тел, задающих два вывода и корпус конденсатора.

Чтобы задать полость, разместите объект Region на механическом слое, установите для его параметра Тип значение Полость, а для параметра Cavity Height — требуемую глубину полости.
Обратите внимание на область с фиолетовой заливкой: это 3D-тело, расположенное в полости.

Размещение и ориентация встраиваемого компонента

Чтобы встроить компонент, откройте его свойства и задайте для параметра Layer требуемый внутренний медный слой. Направление ориентации встроенного компонента — вверх или вниз — определяется значением Orientation, заданным для этого медного слоя в диспетчере стека слоев.

Задайте слой компонента на панели Properties.

Задайте ориентацию компонентов на каждом сигнальном слое в Layer Stack Manager.

Взаимодействие полости со стеком слоев

Related article: Управление стеком слоев печатной платы

Полость, задаваемая в редакторе библиотек посадочных мест PCB Library, имеет атрибут Height (высота). Эта высота определяет расстояние, на котором программа удалит все слои над поверхностью медного слоя, на котором размещен компонент.

Чтобы упростить взаимодействие полости со слоями, через которые она проходит, программа не допускает частичного вырезания слоя. Если полость заходит в слой, например диэлектрический, но не проходит через него насквозь, программа автоматически продлевает полость на всю толщину этого слоя.

Это показано на изображении ниже. Более темные линии добавлены, чтобы обозначить углы полости и показать, как компонент располагается ниже поверхности последнего вырезаемого слоя, при этом вырез проходит через всю толщину этого слоя. Это поведение распространяется как на внутренние, так и на открытые полости.

Если полость не проходит через слой насквозь, программа автоматически продлевает ее на всю толщину этого слоя.

Встроенные компоненты, подстеки и управляемые стеки

На изображении ниже, которое меняется при наведении указателя, показан Layer Stack Manager для проекта гибко-жесткой платы со встроенными компонентами. Каждая отдельная зона или область гибко-жесткой платы может состоять из разного количества слоев. Для этого необходимо иметь возможность задавать несколько стеков, называемых substacks.

 При включении опции Rigid/Flex появляется кнопка выбора подстека (Substack Selector). Нажмите ее, чтобы выбрать и настроить каждый подстек. Наведите указатель на изображение, чтобы увидеть подстек гибкой части.

При встраивании компонента редактор печатных плат должен учитывать его влияние на стек слоев — не только при отображении, но и при расчете таких данных, как окна в паяльной маске, и при проверке правил проектирования. Для этого он создает стек для каждой уникальной комбинации слоев размещения и вырезаемых слоев, необходимой для встроенных компонентов проекта. Эти стеки называются Managed Stacks.

Управляемый стек создается автоматически при встраивании компонента в слои платы. Поскольку управляемые стеки создаются автоматически, участие пользователя в их создании и управлении не требуется. Редактор печатных плат проверяет наличие встроенных компонентов и определяет, подходит ли какой-либо из существующих управляемых стеков. Если подходящего стека нет, редактор создает новый. То же самое происходит при удалении встроенных компонентов: если управляемый стек больше не нужен, он автоматически удаляется. Чтобы принудительно запустить проверку необходимости новых управляемых стеков, переключитесь между режимами 2D- и 3D-компоновки.

Как и пользовательские стеки, управляемые стеки отображаются на PCB панели, когда она находится в режиме Layer Stack Regions. На изображении ниже показаны управляемые стеки для двух встроенных компонентов — R1 и C15. Используйте эту возможность, чтобы определить границы каждого управляемого стека в плоскости X, Y.

Просмотр стеков слоев: справа видны два управляемых стека.

Что дальше?

• Форматы обмена данными между CAD и CAM Gerber X2 и ODB++ поддерживают встроенные компоненты.

• В стандарте IPC, IPC-7092A - Design and Assembly Process Implementation for Embedded Circuitry, подробно описаны рекомендуемые методы проектирования со встроенными компонентами. 

• Производители печатных плат — отличный источник информации о технологических процессах, в том числе о встраивании компонентов. Например, на сайте Wurth Electronik есть специальный раздел о встраивании компонентов, содержащий правила проектирования устройств, правила проектирования медных элементов и руководство по проектированию со встроенными компонентами. Если на вашей печатной плате используются встроенные компоненты, обязательно уточните требования у ее производителя.