El desarrollo de hardware electrónico hacia la alta densidad y la miniaturización hace que la superficie de la PCB (Placa de Circuito Impreso) se reduzca drásticamente, mientras que la cantidad de componentes electrónicos que deben montarse en la placa de circuito sigue aumentando de forma constante. En un módulo de potencia, los dispositivos de inductancia representan más del 40% de la placa de potencia, lo que perjudica la miniaturización y la implementación de alta densidad de los productos electrónicos.
Con el fin de explorar una mejor solución, algunos diseñadores consideran incrustar componentes como inductores, resistencias y condensadores en la parte interna de la placa PCB, de modo que se pueda lograr una alta densidad y miniaturización de los productos electrónicos. Además, las PCBs con componentes incrustados permiten trazas más cortas entre componentes, mejoran el rendimiento eléctrico, incrementan de forma efectiva el área útil de empaquetado de la placa de circuito, reducen las uniones de soldadura en el área de la PCB y, de este modo, mejoran la fiabilidad del encapsulado y reducen los costos.
Clasificaciones de componentes embebidos y principios de diseño
• Resistencias y condensadores integrados
Existen diferentes tecnologías de fabricación disponibles para la incrustación de componentes. En el caso de las resistencias integradas, primero se aplica un material de alta resistencia; luego se utiliza un material de sustrato recubierto de níquel-fósforo níquel; a continuación, se recurre al método de pre-cocción de película gruesa cerámica o a LTCC (cerámica cocida a baja temperatura). Finalmente, se pueden fabricar todo tipo de resistencias planas con diferentes valores de resistencia.
Un método mejor de fabricación de condensadores integrados es la laminación directa de polímero en láminas metálicas. Las tecnologías de fabricación de condensadores integrados incluyen la aplicación de membranas dieléctricas, la generación de dieléctricos de película gruesa o delgada y la aplicación de membranas gruesas de alta temperatura con alta constante dieléctrica.
Basado en la introducción anterior,Fabricantes de PCBprincipalmente colocar resistencias y condensadores en la superficie de la capa interna de la placa PCB mediante grabado o impresión. Luego se incrustan en la placa interna a través de la tecnología de laminación y fabricación de PCB multicapa. La incrustación de componentes reemplaza la soldadura de componentes pasivos en la superficie de la placa PCB, con un aumento drástico en la libertad de ensamblaje de componentes y de trazado.
• Inductores integrados
La incrustación de inductores consiste en la formación de formas como espirales o curvaturas mediante grabado o galvanoplastia de cobre, o en la formación de estructuras espirales multicapa a través de orificios pasantes entre capas. Hasta ahora, el módulo de alta frecuencia es el más ampliamente aplicado. Los fabricantes de PCB colocan inductores en la capa interna de la placa de PCB mediante grabado o impresión, basándose en la tecnología de fabricación interna de una placa de circuito multicapa.
Entre los inductores se encuentran los que contienen un núcleo magnético. Este tipo de inductores posee núcleos magnéticos y una bobina arrollada con la cual se almacena la energía del campo magnético de CA en CC/CA, implementando las funciones correspondientes de corriente. Los núcleos magnéticos pueden estar ya sea incrustados o embebidos, mientras que la bobina solo puede diseñarse en un orificio pasante (vía). Los productos de inductores embebidos se dividen principalmente en dos tipos: inductor sólidamente embebido e inductor huecamente embebido. El primero se fija en la PCB con el inductor embebido laminado mediante el prepreg periférico. El segundo vibra con el movimiento de la PCB con inductores embebidos dentro de la placa de circuito.
La comparación entre el diseño de módulo con inductor integrado y el módulo de potencia convencional se resume en la siguiente tabla.
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Artículo
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Módulo de potencia tradicional
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Módulo Integrado de Inductor
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| Tipo de ensamblaje |
Tecnología de Montaje Superficial |
Colocado en la PCB interna durante la fabricación o el ensamblaje de la PCB |
| Estructura magnética |
El circuito magnético es perpendicular a la superficie de la PCB. |
El circuito magnético es paralelo a la superficie de la PCB. |
| Diseño de bobinado |
El bobinado es paralelo al núcleo magnético circundante y paralelo a la superficie de la PCB. |
El bobinado es perpendicular a la superficie de la PCB formada en el orificio pasante y la PCB. Todos los bobinados se generan mediante el corte de la superficie de la PCB. |
| Imagen indicada |
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• Bloques de cobre térmico incrustados
La reducción constante del volumen de los productos electrónicos y la densidad cada vez mayor han convertido la disipación térmica de los productos electrónicos en un enorme desafío para el diseño industrial. Hasta ahora, los principales métodos de disipación térmica incluyen PCB fabricadas con metal como sustrato, soldadura de base metálica sobre la placa de circuito y orificios pasantes rellenos con pasta conductora. Los dos primeros tipos provocan un gran consumo de material metálico y son adecuados para la fabricación de PCB de un solo lado. El resto de los métodos se caracterizan por procesos tan complicados que la disipación térmica no logra satisfacer las exigencias del diseño.
La incrustación de bloques de cobre elimina el problema del alto costo y puede resolver eficazmente el problema de la disipación térmica. Los principales tipos de disipación térmica incluyen:
a. Penetración del bloque de cobre. El espesor del bloque de cobre incrustado es equivalente al de la placa terminada. El bloque de cobre atraviesa las capas superior e inferior.
b. Bloque de cobre semiempotrado. El grosor del bloque de cobre empotrado es menor que el de la placa terminada. Un lado del bloque de cobre queda a la misma altura que la capa inferior, mientras que el otro lado queda a la misma altura que una capa interna.
Dificultades de las tecnologías de componentes embebidos y sus soluciones
• Resistencias y condensadores integrados
Los productos con resistencias integradas se obtienen principalmente mediante el grabado de resistencias, lo que recibe aplicaciones relativamente amplias. Los materiales principales para la integración de resistencias ampliamente aceptados por la industria son las aleaciones Ni-P y Ni-Cr, cuyos rendimientos son diferentes y requieren distintas soluciones de grabado. Hasta ahora, el principal problema al que se enfrenta el proceso de grabado de materiales con resistencias integradas es cómo controlar la resistencia y la tolerancia correspondiente, es decir, la compensación de la línea en la posición de la resistencia, lo cual se vuelve especialmente significativo cuando se trata de materiales resistivos con baja resistencia por cuadrado, porque el grabado ejercerá una mayor influencia sobre la resistencia.
Los condensadores integrados son un tipo de material de capacitancia que puede incrustarse en la placa de circuito impreso (PCB). Debido a que este tipo de material presenta una alta densidad de capacitancia, desempeña una función de desacoplo y filtrado en el sistema de alimentación, lo que a su vez reduce aún más la capacitancia libre. Este tipo de material es capaz de mejorar el rendimiento de los productos electrónicos y disminuir el tamaño de la placa de circuito. La principal dificultad de los productos electrónicos con condensadores integrados es el dieléctrico relativamente delgado del material incrustado. Como resultado, el trazado y el grabado deben realizarse en un solo lado.
• Incrustación de componentes de núcleo magnético
a. Control del tanque de fresado. Después del corte del material para la placa PCB, se debe fresar un tanque circular en la placa base.
b. Laminación completa del núcleo magnético con gel completamente rellenado. Antes de la laminación de la PCB, el núcleo magnético se coloca en el tanque de fresado, lo que requiere considerar la laminación completa del núcleo magnético con el gel completamente rellenado. Se debe supervisar la estructura de laminación y el modo de distribución.
c. Diseño de la estructura de laminado. Hay dos métodos de diseño disponibles para la estructura de laminado de PCB con núcleo magnético incrustado: aplicación del núcleo magnético durante el laminado y laminado del núcleo magnético.
d. Modo de disposición de laminación. Para evitar que el núcleo magnético se caiga, el lado del núcleo magnético debe estar hacia arriba durante la disposición y, para evitar que el núcleo magnético se rompa por concentración de esfuerzos, se debe usar una almohadilla de protección durante la disposición.
e. Fabricación de orificios metalizados alrededor del núcleo magnético. Para garantizar que el taladrado no dañe el núcleo magnético y evitar que se produzcan cortocircuitos después del metalizado, la distancia de seguridad entre los orificios y el núcleo magnético debe ser de al menos 0,2 mm durante la fase de diseño.
• Productos electrónicos con bloques de cobre incrustados
a. En cuanto al empotramiento de tipo penetración con bloque de cobre, el control del tamaño del tanque de fresado debe ser equivalente al del empotramiento del núcleo magnético.
b. Para los productos con bloques de cobre semi-embebidos, se debe prestar atención a la profundidad del tanque de fresado.
c. En cuanto a la conexión entre los bloques de cobre y el prepreg, un lado del bloque de cobre debe someterse a un tratamiento de brunido.
d. Disposición de laminación. El bloque de cobre debe colocarse hacia arriba para evitar que los bloques de cobre se caigan. Se debe utilizar una almohadilla de amortiguación durante la disposición de laminación para evitar que se produzcan defectos por ausencia de gel.
La implementación de la tecnología de componentes embebidos es una de las soluciones esenciales para la miniaturización de módulos de potencia y para satisfacer la demanda de desarrollo hacia la miniaturización y la multifuncionalidad de los productos electrónicos. El área de la superficie de la PCB puede optimizarse en gran medida al incrustar condensadores, inductores y resistencias en el interior de la PCB. Además, los productos con bloques de cobre embebidos pueden tanto reducir eficazmente el costo de los productos de alta frecuencia como mejorar el rendimiento de disipación térmica.
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