Die Entwicklung elektronischer Hardware hin zu hoher Dichte und Miniaturisierung führt dazu, dass die Oberfläche von Leiterplatten (Printed Circuit Board, PCB) drastisch schrumpft, während die Anzahl der elektronischen Bauteile, die auf der Leiterplatte bestückt werden müssen, kontinuierlich weiter steigt. In einem Leistungsmodul machen Induktivitäten über 40 % der Leistungsplatine aus, was der Miniaturisierung und der Hochdichte-Implementierung elektronischer Produkte abträglich ist. Um eine bessere Lösung zu finden, erwägen einige Entwickler, Bauteile wie Induktivitäten, Widerstände und Kondensatoren in den inneren Teil der Leiterplatte einzubetten, sodass eine hohe Dichte und Miniaturisierung elektronischer Produkte erreicht werden kann. Darüber hinaus führen Bauteil-embedded-PCBs zu kürzeren Leiterbahnen zwischen den Komponenten, zu einer Verbesserung der elektrischen Leistung, zu einer effektiven Vergrößerung der nutzbaren Leiterplattenfläche, zu einer Verringerung der Lötverbindungen auf der Leiterplatte, sodass die Zuverlässigkeit des Packages verbessert und gleichzeitig Kosten eingespart werden.
Klassifizierungen eingebetteter Komponenten und Gestaltungsprinzipien
• Eingebettete Widerstände und Kondensatoren
Für das Einbetten von Bauelementen stehen verschiedene Fertigungstechnologien zur Verfügung. Bei eingebetteten Widerständen wird zunächst ein Material mit hohem Widerstand aufgebracht; anschließend wird ein mit Nickel-Phosphor-Nickel beschichtetes Substratmaterial verwendet; danach kommt die keramische Dickschicht-Vorbrandmethode oder LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) zum Einsatz. Schließlich können verschiedenste planare Widerstände mit unterschiedlichen Widerstandswerten hergestellt werden.
Ein besseres Verfahren zur Herstellung eingebetteter Kondensatoren ist die direkte Laminierung von Polymer in Metallfolien. Zu den Fertigungstechnologien für eingebettete Kondensatoren gehören die Anwendung von dielektrischen Membranen, die Erzeugung dicker oder dünner dielektrischer Schichten sowie die Hochtemperaturbrennanwendung dicker Membranen mit hoher Dielektrizitätskonstante.
Basierend auf der obigen Einführung,LeiterplattenherstellerHauptsächlich werden Widerstände und Kondensatoren durch Ätzen oder Drucken auf der Oberfläche der inneren Schicht der Leiterplatte platziert. Anschließend werden sie durch Laminierung und Mehrlagen-Leiterplattentechnologie in die innere Platine eingebettet. Das Einbetten von Bauelementen ersetzt das Löten passiver Bauelemente auf der Leiterplattenoberfläche, wodurch sich die Freiheit bei der Bauteilplatzierung und Leiterbahnführung erheblich erhöht.
• Eingebettete Induktivitäten
Die Einbettung von Induktivitäten erfolgt durch Formgebung wie Spiralen oder Biegungen mittels Ätzen oder Kupferbeschichtung oder durch die Bildung spiralförmiger Mehrschichtstrukturen über Durchkontaktierungen zwischen den Lagen. Bis jetzt findet das Hochfrequenzmodul die weiteste Anwendung. Leiterplattenhersteller platzieren Induktivitäten auf der Innenlage der Leiterplatte durch Ätzen oder Drucken, basierend auf der internen Fertigungstechnologie einer mehrlagigen Leiterplatte.
Unter den Induktivitäten gibt es solche mit magnetischem Kern. Dieser Typ von Induktivitäten besitzt magnetische Kerne und eine um sie gewickelte Spule, mit der die Energie des magnetischen Wechselfeldes in Gleich-/Wechselstrom gespeichert wird, wobei die entsprechenden Stromfunktionen realisiert werden. Magnetkerne können entweder eingelegt oder eingebettet sein, während die Spule nur als Via-Struktur ausgeführt werden kann. Eingebettete Induktivitätsprodukte lassen sich im Wesentlichen in zwei Typen einteilen: massiv eingebettete Induktivitäten und hohl eingebettete Induktivitäten. Erstere werden fest in die Leiterplatte integriert, wobei die eingebettete Induktivität durch umliegendes Prepreg laminiert wird. Letztere schwingen mit den Bewegungen der Leiterplatte, wobei sich die eingebetteten Induktivitäten innerhalb der Leiterplatte befinden.
Der Vergleich zwischen dem Design eines Moduls mit eingebetteter Induktivität und einem herkömmlichen Leistungsmodul ist in der folgenden Tabelle zusammengefasst.
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Artikel
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Traditionelles Leistungsmodul
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Induktiv eingebettetes Modul
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| Montageart |
SMT |
Während der Leiterplattenherstellung oder -bestückung in die interne Leiterplatte eingesetzt |
| Magnetische Struktur |
Der magnetische Kreis steht senkrecht zur Leiterplattenoberfläche. |
Der magnetische Kreis verläuft parallel zur Leiterplattenoberfläche. |
| Wicklungsanordnung |
Die Wicklung verläuft parallel zum umgebenden Magnetkern und parallel zur Leiterplattenoberfläche. |
Die Wicklung steht senkrecht zur Leiterplattenoberfläche, die in der Durchkontaktierung und der Leiterplatte gebildet wird. Alle Wicklungen werden durch das Schneiden der Leiterplattenoberfläche erzeugt. |
| Angezeigtes Bild |
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• Eingebettete thermische Kupferblöcke
Die stetige Verkleinerung des Volumens elektronischer Produkte und die zunehmend höhere Packungsdichte haben die Wärmeableitung elektronischer Produkte zu einer großen Herausforderung im Industriedesign gemacht. Bis heute gehören zu den führenden Wärmeableitungsmethoden Leiterplatten mit Metallschicht als Substrat, auf der Leiterplatte aufgelötete Metallbasen sowie Durchkontaktierungen, die mit leitfähiger Paste gefüllt sind. Die ersten beiden Methoden führen zu einem hohen Verbrauch an Metallmaterial und eignen sich für die Herstellung einseitiger Leiterplatten. Die übrigen Methoden zeichnen sich durch derart komplexe Prozesse aus, dass die Wärmeableitung die durch das Design vorgegebenen Anforderungen nicht erfüllt.
Die Einbettung von Kupferblöcken beseitigt das Problem der hohen Kosten und kann das Problem der Wärmeableitung wirksam lösen. Führende Arten der Wärmeableitung umfassen:
a. Kupferblockdurchdringung. Die Dicke des eingebetteten Kupferblocks entspricht der der fertigen Leiterplatte. Der Kupferblock durchdringt die obere und untere Lage.
b. Halb-eingebetteter Kupferblock. Die Dicke des eingebetteten Kupferblocks ist geringer als die der fertigen Leiterplatte. Eine Seite des Kupferblocks bleibt auf gleicher Höhe mit der unteren Lage, während die andere Seite auf gleicher Höhe mit einer Innenlage bleibt.
Schwierigkeiten von Technologien für eingebettete Komponenten und deren Lösungen
• Eingebettete Widerstände und Kondensatoren
Widerstandseingebettete Produkte entstehen überwiegend durch das Einbetten von Widerständen mittels Ätzen und finden relativ breite Anwendung. Die in der Industrie weithin akzeptierten führenden Materialien für das Einbetten von Widerständen sind Ni-P-Legierungen und Ni-Cr-Legierungen, deren Eigenschaften unterschiedlich sind und die daher unterschiedliche Ätzlösungen erfordern. Bis heute besteht das Hauptproblem beim Ätzprozess von widerstandseingebetteten Materialien darin, wie der Widerstand und die entsprechende Toleranz kontrolliert werden können, das heißt die Leitungskompensation in Bezug auf die Position des Widerstands. Dies wird besonders wichtig bei Widerstandsmaterialien mit niedrigem Flächenwiderstand, da das Ätzen einen stärkeren Einfluss auf den Widerstand ausübt.
Eingebettete Kondensatoren sind eine Art von Kapazitätsmaterialien, die in Leiterplatten (PCB) eingebettet werden können. Da diese Art von Materialien eine hohe Kapazitätsdichte aufweist, übernimmt sie im Stromversorgungssystem die Funktion der Entkopplung und Filterung, wodurch die freie Kapazität weiter reduziert wird. Diese Art von Material ist in der Lage, die Leistung elektronischer Produkte zu verbessern und die Größe der Leiterplatte zu verringern. Die Hauptschwierigkeit bei elektronischen Produkten mit eingebetteten Kondensatoren ist die relativ dünne Dielektrikschicht des eingebetteten Materials. Daher müssen Leiterbahnerstellung und Ätzen einseitig durchgeführt werden.
• Einbettung von magnetischen Kernkomponenten
a. Steuerung des Fräsbeckens. Nach dem Ausschneiden des Materials für die Leiterplatte sollte ein kreisförmiges Becken in die Kernplatte gefräst werden.
b. Vollständige Laminierung des Magnetkerns mit vollständig eingefülltem Gel. Vor der PCB-Laminierung wird der Magnetkern in den Frästank eingesetzt, wobei eine vollständige Laminierung des Magnetkerns mit vollständig eingefülltem Gel berücksichtigt werden muss. Die Laminierstruktur und das Layout müssen überwacht werden.
c. Design der Laminatstruktur. Für die Auslegung der Laminatstruktur von Leiterplatten mit eingebettetem Magnetkern stehen zwei Konstruktionsmethoden zur Verfügung: die Verwendung des Magnetkerns während des Laminierens und die Laminierung des Magnetkerns.
d. Laminierungs-Layoutmodus. Damit der Magnetkern nicht abfällt, sollte die Magnetkernseite während des Layouts nach oben zeigen, und um zu verhindern, dass der Magnetkern durch Spannungskonzentration bricht, sollte während des Layouts ein Prallpolster verwendet werden.
e. Herstellung von durchkontaktierten Bohrungen um den Magnetkern. Um sicherzustellen, dass der Bohrvorgang den Magnetkern nicht beschädigt und Kurzschlüsse nach dem Beschichten verhindert werden, sollte der Sicherheitsabstand zwischen Bohrungen und Magnetkern in der Entwurfsphase mindestens 0,2 mm betragen.
• Elektronische Produkte mit eingebetteten Kupferblöcken
a. Was die Einbettung vom Penetrationstyp mit Kupferblock betrifft, sollte die Steuerung der Größe des Fräsbehälters derjenigen der Einbettung des Magnetkerns entsprechen.
b. Bei Produkten mit halb eingebetteten Kupferblöcken sollte besonders auf die Tiefe des Fräsbeckens geachtet werden.
c. Bei der Verbindung zwischen Kupferblöcken und Prepreg sollte eine Seite des Kupferblocks brüniert werden.
d. Laminierlayout. Der Kupferblock sollte nach oben platziert werden, um zu verhindern, dass Kupferblöcke herunterfallen. Während des Laminierlayouts sollte ein Prallpolster verwendet werden, um zu verhindern, dass durch fehlendes Gel Defekte auftreten.
Die Implementierung der eingebetteten Bauteiltechnologie ist eine der wesentlichen Lösungen für die Miniaturisierung von Leistungsmodulen und die Entwicklungsanforderungen an die Miniaturisierung und Multifunktionalität elektronischer Produkte. Die Leiterplattenoberfläche kann erheblich optimiert werden, indem Kondensatoren, Induktivitäten und Widerstände in das Innere der Leiterplatte eingebettet werden. Darüber hinaus können in Kupferblöcke eingebettete Produkte sowohl die Kosten von Hochfrequenzprodukten wirksam senken als auch die Wärmeableitungsleistung verbessern.
PCBCart ist auf die Herstellung von Leiterplatten mit eingebetteten Komponenten spezialisiert.
