Thiết kế PCB với linh kiện nhúng

Cách tiếp cận truyền thống trong thiết kế bo mạch là đặt linh kiện trên bề mặt trên và dưới của bo. Quy trình này được các nhà lắp ráp bo mạch hỗ trợ rất tốt, vốn thường sử dụng máy gắp-đặt tự động để định vị từng linh kiện trước khi hàn lên bề mặt. Nhu cầu ngày càng tăng đối với các sản phẩm điện tử nhỏ hơn và tích hợp hơn, cùng với tần số tín hiệu cao hơn bên trong các thiết bị này, đang thúc đẩy việc nghiên cứu liên tục nhằm tìm ra các phương pháp tốt hơn để chế tạo và lắp ráp mạch.

Một kỹ thuật vừa mang lại mật độ cao hơn vừa hỗ trợ tốt hơn cho các tần số tín hiệu cao hơn là embednhúng các linh kiện vào bên trong các lớp của cấu trúc mạch. Ví dụ, việc nhúng các linh kiện rời trực tiếp bên dưới một mạch tích hợp có thể làm ngắn chiều dài đường tín hiệu, giảm điện trở và điện cảm ký sinh, từ đó giảm nhiễu và EMI, đồng thời cải thiện tính toàn vẹn của tín hiệu mạch. Những cải tiến này tạo ra các sản phẩm nhỏ hơn 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 cũng có thể giúp giảm kích thước sản phẩm, đồng thời hạ chi phí chế tạo và lắp ráp ở cấp bo mạch.

Việc nhúng linh kiện đặt ra một số yêu cầu khác thường ở mọi giai đoạn của quy trình từ thiết kế đến chế tạo, lắp ráp, kiểm thử và bảo trì sản phẩm hoàn thiện.

Làm thế nào để nhúng một linh kiện?

Việc nhúng linh kiện tạo ra một khác biệt đáng kể trong sản xuất bo mạch - không còn sự phân định đơn giản giữa chế tạo bo trần; rồi sau đó nạp linh kiện lên bo trần đó trong công đoạn lắp ráp. Hai công việc này trước đây thường do các công ty khác nhau đảm nhiệm, do yêu cầu về quy trình và công nghệ rất khác biệt. Nếu sử dụng linh kiện nhúng, chúng phải được gắn vào bo trong quá trình chế tạo. Trước đây điều này thường chỉ thuộc về các nhà chế tạo chuyên biệt cao, nhưng hiện nay các quy trình đã được hiểu rõ và có nhiều đơn vị chế tạo có thể sản xuất mạch có linh kiện nhúng.

Có hai cách để nhúng một linh kiện: tạo một khoang hở để linh kiện nhúng nằm trong khoang đó và vẫn nhìn thấy trên bo thành phẩm, hoặc đặt linh kiện trên một lớp trong trong quá trình chế tạo rồi phủ lên khi các lớp phía trên được thêm vào bo, khiến chúng không còn nhìn thấy trên bo thành phẩm.

Có nhiều cách tiếp cận để chế tạo một bo có linh kiện nhúng; phần mô tả và hình ảnh bên dưới thể hiện một trong các cách đó.

1. Bo bắt đầu từ một lõi cứng phủ đồng hai mặt; các lớp đồng này được ăn mòn và khoan theo yêu cầu.
2. Một lớp prepreg+đồng được phủ lên mỗi bên, sau đó được ăn mòn và khoan laser theo yêu cầu.
3. Các linh kiện nhúng được gắn lên lớp này (một hoặc cả hai mặt), ví dụ bằng cách in kem hàn và hàn reflow.
4. Một lớp prepreg có khoét lỗ được thêm vào, với phần khoét tạo thành một khoang cho mỗi linh kiện nhúng.
5. Một lớp ngoài prepreg+đồng được phủ lên mỗi bên, sau đó được ăn mòn, khoan laser và khoan lỗ xuyên theo yêu cầu.

  Bo được chế tạo bằng công nghệ build-up; các linh kiện nhúng được đặt và bọc kín như một phần của quy trình.
Lưu ý các micro via khoan laser được dùng để truy cập vào một linh kiện nhúng ở mặt dưới của bo.

Thiết kế với linh kiện nhúng

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

• một khoang do người dùng định nghĩa tạo ra khoảng hở cần thiết xung quanh linh kiện,
• hoặc đối với các vỏ nhỏ như 0201, sẽ không có khoang; linh kiện đơn giản chỉ được bọc kín khi các lớp tiếp theo được thêm vào, tạo thành một chỗ lồi tại mỗi vị trí linh kiện trên bo thành phẩm.

Khi một linh kiện cần khoang, khoang này có thể được bao kín hoàn toàn bên trong bo, hoặc có thể kéo dài đến một mặt của bo để tạo thành một lỗ mở. Hình dưới đây cho thấy 3 linh kiện nhúng; 2 linh kiện ngoài cùng có khoang được xác định sao cho chúng hở ở mặt trên của bo. Linh kiện ở giữa nằm trên một lớp thấp hơn, nên được bao kín hoàn toàn. Từ góc nhìn của người thiết kế, quy trình đặt linh kiện là giống 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, còn linh kiện ở giữa được nhúng hoàn toàn.

Linh kiện này được nhúng hoàn toàn. Để dễ hiểu hình ảnh hơn, linh kiện đã được tô nổi bật bằng đường viền màu xanh lam, còn khoang bằng đường viền màu cam.

Định nghĩa khoang trong linh kiện của PCB Library

Nếu một linh kiện sẽ được nhúng và cần khoang, thì khoang được định nghĩa 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 tình huống này phần mềm sẽ bỏ qua khoang.

Để định nghĩa một khoang:

1. Đặt một đối tượng Region trên một lớp cơ khí. Đối tượng được đặt sao cho bao quanh 3D body của linh kiện, với khoảng hở đủ ở mỗi phía. Hãy kiểm tra với nhà chế tạo để biết cần khoảng hở bao nhiêu.
2. Chỉnh sửa đối tượng Region và đặt thuộc tính KindKind thành CavityCavity.
3. Xác nhận rằng thuộc tính LayerLayer là một lớp cơ khí phù hợp.
4. Đặt thuộc tính Cavity HeightHeight thành chiều cao phù hợp, thường sẽ là chiều cao của 3D body cộng với khoảng hở được nhà chế tạo khuyến nghị.

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

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

Khoang được định nghĩa bằng cách đặt một đối tượng region trên một lớp cơ khí, đặt Kind của nó thành Cavity và Cavity HeightHeight đến độ sâu khoang cần thiết.
Lưu ý vùng màu tím được tô; đây là 3D body nằm trong khoang.

Đặt và định hướng linh kiện nhúng

Để nhúng một linh kiện, hãy chỉnh sửa thuộc tính linh kiện và đặt LayerLayer thành lớp đồng bên trong cần thiết. Hướng của linh kiện nhúng (lên hoặc xuống) được xác định bởi OrientationOrientation được chỉ định cho lớp đồng đó trong Layer Stack Manager.

Đặt Layer cho linh kiện trong bảng PropertiesProperties.

Đặt Orientation cho linh kiện trên từng lớp tín hiệu trong Layer Stack Manager.

Tương tác giữa khoang và chồng lớp

Related article: Quản lý chồng lớp PCB

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

Để đơn giản hóa sự tương tác giữa khoang và các lớp mà nó cắt qua, phần mềm bảo đảm rằng một lớp sẽ không bị cắt dở. Nếu một khoang đi vào một lớp, chẳng hạn như lớp điện môi, nhưng không kéo dài xuyên hoàn toàn qua lớp điện môi đó, thì phần mềm sẽ tự động kéo dài khoang xuyên hết lớp đó.

Hình dưới đây minh họa điều này; các nét vẽ đậm hơn đã được thêm vào để cho thấy các góc của khoang và cách linh kiện nằm thấp hơn bề mặt của lớp bị cắt cuối cùng, nhưng phần khoét lớp vẫn kéo dài xuyên hết lớp đó. Hành vi này áp dụng cho cả khoang bên trong và khoang hở.

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

Linh kiện nhúng, SubStacks và Managed Stacks

Hình khi rê chuột bên dưới cho thấy Layer Stack Manager cho một thiết kế rigid-flex có bao gồm linh kiện nhúng. Mỗi vùng hoặc miền riêng biệt của một thiết kế rigid-flex có thể được tạo thành từ số lượng lớp khác nhau. Để làm được điều đó, bạn cần có khả năng định nghĩa nhiều stack, được gọi là substackssubstacks.

 Khi tùy chọn Rigid/Flex được bật, nút Substack Selector sẽ xuất hiện; hãy nhấp để chọn và cấu hình từng substack. Di chuột qua hình để xem substack Flex.

Khi bạn nhúng một linh kiện, trình biên tập PCB phải quản lý cách linh kiện nhúng đó ảnh hưởng đến chồng lớp, không chỉ về mặt hiển thị mà còn đối với dữ liệu tính toán như các lỗ mở solder mask và việc kiểm tra quy tắc thiết kế. Nó thực hiện điều này bằng cách tạo một stack cho mỗi tổ hợp duy nhất của các lớp được đặt + các lớp bị cắt cần thiết bởi những linh kiện nhúng khác nhau có trong thiết kế. Các stack này được gọi là Managed Stacksmanaged stacks.

Managed Stack được tạo tự động khi một linh kiện được nhúng bên trong các lớp của bo mạch. Vì các managed stack được tạo tự động nên người dùng không cần nhập gì khi tạo và quản lý chúng. Trình chỉnh sửa PCB sẽ kiểm tra các linh kiện nhúng, đánh giá xem có managed stack hiện có nào phù hợp hay không, và nếu không có, sẽ tạo một stack mới. Điều tương tự cũng áp dụng khi các linh kiện nhúng bị xóa; nếu một managed stack không còn cần thiết nữa, nó sẽ tự động bị xóa. Để buộc trình chỉnh sửa PCB kiểm tra xem có cần managed stack mới hay không, hãy chuyển đổi giữa chế độ bố cục 2D và 3D.

Tương tự như User Stack, Managed Stack được liệt kê trong PCB panel khi panel này được đặt thành Layer Stack Regions. Hình ảnh bên dưới cho thấy các managed stack dành cho hai linh kiện nhúng, R1 và C15. Hãy dùng tính năng này để xem phạm vi của từng Managed Stack trên mặt phẳng X, Y.

Khi xem xét các Layer Stack, có thể thấy hai Managed Stack ở phía bên phải.

Tiếp theo là gì?

• Gerber X2 và ODB++ đều là các định dạng trao đổi dữ liệu CAD-sang-CAM có 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 gia công PCB là nguồn thông tin rất hữu ích về các công nghệ quy trình, chẳng hạn như linh kiện nhúng. Ví dụ, Wurth Electronik có một mục Embedding riêng 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 kiểm tra với nhà gia công của bạn về các yêu cầu của họ nếu PCB của bạn sử dụng linh kiện nhúng.