Thiết kế PCB với linh kiện nhúng

Cách tiếp cận truyền thống trong thiết kế bo mạch là bố trí linh kiện trên bề mặt trên và dưới của bo mạch. Quy trình này được các đơn vị lắp ráp bo mạch hỗ trợ tốt; họ thường sử dụng máy gắp đặt tự động để định vị từng linh kiện, sẵn sàng hàn lên bề mặt. Nhu cầu ngày càng tăng đối với các sản phẩm điện tử nhỏ gọn và tích hợp cao hơn, kết hợp với tần số tín hiệu ngày càng cao trong các thiết bị này, thúc đẩy hoạt động nghiên cứu liên tục nhằm tìm ra những phương pháp chế tạo và lắp ráp mạch tốt hơn.

Một kỹ thuật vừa mang lại mật độ cao hơn vừa hỗ trợ tốt hơn cho tín hiệu tần số cao là embed linh kiện bên trong các lớp của cấu trúc mạch. Ví dụ, việc nhúng các linh kiện rời ngay bên dưới một mạch tích hợp có thể rút ngắn đường truyền tín hiệu, giảm điện trở và điện cảm ký sinh, từ đó giảm nhiễu và nhiễu điện từ (EMI), đồng thời cải thiện tính toàn vẹn tín hiệu của mạch. Những cải tiến này tạo ra các sản phẩm nhỏ gọn và đáng tin cậy hơn, hỗ trợ tốc độ tín hiệu nhanh hơn và băng thông cao hơn. Kết hợp với những cải tiến liên tục trong quy trình và công nghệ chế tạo, chúng còn có thể giúp giảm kích thước sản phẩm cũng như chi phí chế tạo và lắp ráp bo mạch.

Việc nhúng linh kiện đặt ra một số yêu cầu đặc thù ở từng giai đoạn của quy trình, từ thiết kế, chế tạo, lắp ráp cho đến kiểm thử và bảo trì thành phẩm.

Có thể nhúng linh kiện bằng cách nào?

Việc nhúng linh kiện tạo ra một khác biệt đáng kể trong quá trình sản xuất bo mạch: không còn sự phân chia đơn giản giữa công đoạn chế tạo bo mạch trần và công đoạn gắn linh kiện lên bo mạch trần khi lắp ráp. Hai công việc này thường do các công ty khác nhau đảm nhiệm vì yêu cầu về quy trình và công nghệ của chúng rất khác nhau. Nếu sử dụng linh kiện nhúng, các linh kiện này phải được gắn vào bo mạch ngay trong quá trình chế tạo. Mặc dù trước đây chỉ các nhà máy chế tạo chuyên biệt mới thực hiện được công việc này, hiện nay các quy trình đã được nắm vững và có nhiều nhà sản xuất có thể chế tạo mạch với linh kiện nhúng.

Có hai cách nhúng linh kiện: tạo một khoang hở để linh kiện nhúng nằm trong khoang đó và vẫn nhìn thấy được trên bo mạch hoàn thiện; hoặc đặt linh kiện trên một lớp bên trong trong quá trình chế tạo, sau đó phủ kín khi bổ sung các lớp phía trên, khiến linh kiện không còn nhìn thấy được trên bo mạch hoàn thiện.

Có nhiều phương pháp chế tạo bo mạch có linh kiện nhúng. Phần mô tả và hình ảnh bên dưới minh họa một phương pháp.

1. Bo mạch bắt đầu từ một lõi cứng phủ đồng hai mặt; các lớp đồng này được khắc và khoan theo yêu cầu.
2. Mỗi mặt được bổ sung một lớp prepreg+đồng, sau đó được khắc và khoan laser theo yêu cầu.
3. Các linh kiện nhúng được gắn lên lớp này (ở một hoặc cả hai mặt), chẳng hạn bằng cách phủ kem hàn rồi hàn nóng chảy lại.
4. Một lớp prepreg có phần khoét được bổ sung, với phần khoét tạo thành khoang cho từng linh kiện nhúng.
5. Mỗi mặt được bổ sung một lớp ngoài prepreg+đồng, sau đó được khắc, khoan laser và khoan lỗ xuyên theo yêu cầu.

  Bo mạch được chế tạo bằng công nghệ bồi lớp; việc đặt và bao kín linh kiện nhúng là một phần của quy trình này.
Lưu ý các vi lỗ nối được khoan bằng laser dùng để kết nối tới linh kiện nhúng ở phía dưới bo mạch.

Thiết kế với linh kiện nhúng

Trong trình biên tập PCB, có thể đặt linh kiện trên bất kỳ lớp tín hiệu nào, không chỉ trên các lớp tín hiệu bề mặt trên hoặc dưới như cách truyền thống. Nếu được đặt trên một lớp đồng bên trong rồi phủ kín, các linh kiện này được gọi là linh kiện nhúng. Có hai cách tiếp cận để nhúng linh kiện:

• một khoang do người dùng xác định tạo ra khoảng hở cần thiết xung quanh linh kiện,
• hoặc với các kiểu đóng gói nhỏ như 0201, không cần tạo khoang; linh kiện chỉ được bao kín khi các lớp tiếp theo được bổ sung, tạo thành một chỗ nhô tại mỗi vị trí linh kiện trên bo mạch hoàn thiện.

Khi linh kiện cần có khoang, khoang này có thể nằm kín hoàn toàn bên trong bo mạch hoặc kéo dài tới một mặt của bo mạch để tạo lỗ hở. Hình bên dưới cho thấy 3 linh kiện nhúng; 2 linh kiện ngoài cùng có khoang được xác định sao cho chúng hở ra mặt trên của bo mạch. Linh kiện ở giữa nằm trên một lớp thấp hơn nên được bao kín hoàn toàn. Xét từ góc độ của người thiết kế, quy trình bố trí linh kiện là như nhau đối với cả linh kiện trong khoang hở và khoang kín.

Ba linh kiện nhúng: khoang của hai linh kiện ngoài cùng hở ra bề mặt bo mạch, còn linh kiện ở giữa được nhúng kín hoàn toàn.

Linh kiện này được nhúng kín hoàn toàn. Để dễ quan sát hình ảnh hơn, linh kiện được làm nổi bật bằng đường viền màu xanh lam, còn khoang được đánh dấu bằng đường viền màu cam.

Xác định khoang trong linh kiện thư viện PCB

Nếu một linh kiện sẽ được nhúng và cần có khoang, khoang đó được xác định như một phần của footprint linh kiện trong trình biên tập PCB Library. Lưu ý rằng việc thêm khoang không ngăn linh kiện đó được sử dụng trên lớp bề mặt; trong trường hợp này, phần mềm sẽ bỏ qua khoang.

Để xác định khoang:

1. Đặt một đối tượng Region trên một lớp cơ khí. Định vị đối tượng sao cho nó bao quanh thân 3D của linh kiện, với khoảng hở đủ lớn ở mỗi phía. Hãy trao đổi với nhà sản xuất để biết khoảng hở cần thiết.
2. Chỉnh sửa đối tượng Region và đặt thuộc tính Kind thành Cavity.
3. Xác nhận rằng thuộc tính Layer là một lớp cơ khí phù hợp.
4. Đặt thuộc tính Cavity Height thành một chiều cao phù hợp, thường là chiều cao của thân 3D cộng với khoảng hở do nhà sản xuất khuyến nghị.

Hình bên dưới cho thấy trình biên tập thư viện PCB, với:

• đối tượng xác định khoang đang được chọn có màu xanh lá trên lớp Mechanical 15,
• các đường viền màu đỏ của pad linh kiện,
• các vùng tô màu tím của các đối tượng thân 3D xác định hai pad và thân của tụ điện.

Khoang được xác định bằng cách đặt một đối tượng Region trên lớp cơ khí, đặt Loại của đối tượng thành Khoang và đặt Cavity Height thành độ sâu khoang cần thiết.
Lưu ý vùng tô màu tím; đây là thân 3D nằm trong khoang.

Đặt và định hướng linh kiện nhúng

Để nhúng một linh kiện, hãy chỉnh sửa các thuộc tính của linh kiện và đặt Layer thành lớp đồng bên trong mong muốn. Hướng của linh kiện nhúng (lên hoặc xuống) được xác định bởi Orientation được chỉ định cho lớp đồng đó trong Trình quản lý xếp chồng lớp.

Đặt Lớp cho linh kiện trong bảng Properties.

Đặt Hướng cho các linh kiện trên từng lớp tín hiệu trong Trình quản lý cấu trúc lớp.

Tương tác giữa khoang và cấu trúc lớp

Related article: Quản lý cấu trúc lớp PCB

Khoang mà bạn xác định trong trình biên tập thư viện PCB có thuộc tính Chiều cao. Chiều cao này xác định khoảng cách mà phần mềm sẽ loại bỏ tất cả các lớp phía trên bề mặt lớp đồng nơi đặt linh kiện.

Để đơn giản hóa tương tác giữa khoang và các lớp mà khoang cắt qua, phần mềm đảm bảo không có lớp nào chỉ bị cắt một phần. Nếu khoang đi vào một lớp, chẳng hạn như lớp điện môi, nhưng không xuyên hết lớp điện môi đó, phần mềm sẽ tự động mở rộng khoang xuyên hết lớp đó.

Hình bên dưới minh họa điều này. Các nét vẽ đậm hơn được thêm vào để thể hiện các góc của khoang và cách linh kiện nằm bên dưới bề mặt của lớp cuối cùng bị cắt, trong khi phần khoét vẫn xuyên hết lớp đó. Cách xử lý này áp dụng cho cả khoang bên trong và khoang hở.

Nếu khoang không xuyên hoàn toàn qua một lớp, phần mềm sẽ tự động hoàn tất việc tạo khoang xuyên qua lớp đó.

Linh kiện nhúng, cấu trúc lớp phụ và cấu trúc lớp được quản lý

Hình bên dưới khi di chuột lên cho thấy Trình quản lý cấu trúc lớp của một thiết kế mạch cứng-dẻo có các linh kiện nhúng. Mỗi vùng hoặc khu vực riêng biệt của thiết kế mạch cứng-dẻo có thể có số lớp khác nhau. Để thực hiện điều đó, bạn cần có khả năng xác định nhiều cấu trúc lớp, được gọi là substacks.

 Khi bật tùy chọn Cứng/Dẻo, nút Chọn cấu trúc lớp phụ sẽ xuất hiện; nhấp vào để chọn và cấu hình từng cấu trúc lớp phụ. Di con trỏ lên hình để xem cấu trúc lớp phụ của phần mạch dẻo.

Khi bạn nhúng một linh kiện, trình biên tập PCB phải quản lý cách linh kiện nhúng đó ảnh hưởng đến cấu trúc lớp, không chỉ về cách hiển thị mà còn về dữ liệu được tính toán như các vùng mở trên lớp phủ chống hàn và việc kiểm tra quy tắc thiết kế. Phần mềm thực hiện điều này bằng cách tạo một cấu trúc lớp cho mỗi tổ hợp riêng biệt gồm lớp đặt linh kiện + các lớp bị cắt mà các linh kiện nhúng khác nhau trong thiết kế yêu cầu. Các cấu trúc lớp này được gọi là Managed Stacks.

Cấu trúc lớp được quản lý được tạo tự động khi một linh kiện được nhúng vào các lớp của bo mạch. Vì các cấu trúc lớp này được tạo tự động nên người dùng không cần thao tác gì để tạo và quản lý chúng. Trình biên tập PCB kiểm tra các linh kiện nhúng, xác định xem có cấu trúc lớp được quản lý hiện tại nào phù hợp hay không và nếu không thì tạo một cấu trúc mới. Điều tương tự cũng áp dụng khi các linh kiện nhúng bị loại bỏ: nếu một cấu trúc lớp được quản lý không còn cần thiết, nó sẽ tự động bị xóa. Để buộc trình biên tập PCB kiểm tra xem có cần tạo cấu trúc lớp được quản lý mới hay không, hãy chuyển đổi giữa các chế độ bố trí 2D và 3D.

Giống như cấu trúc lớp do người dùng tạo, các cấu trúc lớp được quản lý được liệt kê trong PCB bảng điều khiển khi bảng này được đặt thành Layer Stack Regions. Hình bên dưới cho thấy các cấu trúc lớp được quản lý cho hai linh kiện nhúng R1 và C15. Sử dụng tính năng này để kiểm tra phạm vi của từng cấu trúc lớp được quản lý trong mặt phẳng X, Y.

Khi xem xét các cấu trúc lớp, có thể thấy hai cấu trúc lớp được quản lý ở bên phải.

Bước tiếp theo là gì?

• Cả hai định dạng trao đổi dữ liệu CAD-to-CAM Gerber X2 và ODB++ đều hỗ trợ linh kiện nhúng.

• Tiêu chuẩn IPC, IPC-7092A - Design and Assembly Process Implementation for Embedded Circuitry, trình bày chi tiết các kỹ thuật thiết kế được khuyến nghị cho linh kiện nhúng. 

• Các nhà sản xuất PCB là nguồn thông tin rất hữu ích về công nghệ sản xuất, chẳng hạn như công nghệ linh kiện nhúng. Ví dụ, Wurth Electronik có một mục riêng về công nghệ nhúng trên trang web của họ, cung cấp thông tin về quy tắc thiết kế linh kiện, quy tắc thiết kế đồng và hướng dẫn thiết kế nhúng. Luôn trao đổi với nhà sản xuất về các yêu cầu của họ nếu PCB của bạn sử dụng linh kiện nhúng.