Le développement du matériel électronique vers une haute densité et une miniaturisation pousse la surface des PCB (Printed Circuit Board, ou cartes de circuits imprimés) à se réduire drastiquement, tandis que le nombre de composants électroniques devant être assemblés sur la carte ne cesse d’augmenter. Dans un module de puissance, les dispositifs d’inductance représentent plus de 40 % de la surface de puissance, ce qui nuit à la miniaturisation et à la mise en œuvre à haute densité des produits électroniques. Afin d’explorer une meilleure solution, certains concepteurs envisagent d’intégrer des composants tels que les inductances, les résistances et les condensateurs à l’intérieur même de la carte PCB, de manière à obtenir une haute densité et une miniaturisation des produits électroniques. En outre, les PCB à composants intégrés permettent de raccourcir les pistes entre les composants, d’améliorer les performances électriques, d’augmenter efficacement la surface utile d’assemblage de la carte, de réduire le nombre de connexions soudées sur la surface de la carte PCB, de sorte que la fiabilité de l’assemblage soit améliorée tout en réduisant les coûts.
Classifications des composants embarqués et principes de conception
• Résistances et condensateurs intégrés
Différentes technologies de fabrication sont disponibles pour l’intégration de composants. En ce qui concerne les résistances intégrées, un matériau à haute résistivité est d’abord appliqué ; un matériau de substrat revêtu de nickel-phosphore-nickel est ensuite utilisé ; puis, on recourt à la méthode de pré-cuisson de film épais céramique ou à la technologie LTCC (céramique co-frittée à basse température). Enfin, toutes sortes de résistances planes présentant différentes valeurs de résistance peuvent être fabriquées.
Une meilleure méthode de fabrication de condensateurs intégrés consiste en la stratification directe de polymère dans des feuilles métalliques. Les technologies de fabrication de condensateurs intégrés comprennent l’application de membranes diélectriques, la génération de diélectriques en couches épaisses ou minces et l’application de membranes épaisses à haute température de frittage avec une constante diélectrique élevée.
Sur la base de l’introduction ci-dessus,Fabricants de PCBprincipalement placer des résistances et des condensateurs sur la surface de la couche interne de la carte PCB par gravure ou impression. Ensuite, ils sont intégrés dans la carte interne par laminage et grâce à la technologie de fabrication de PCB multicouches. L’intégration des composants remplace le soudage des composants passifs sur la surface de la carte PCB, tout en augmentant considérablement la liberté d’assemblage des composants et de routage.
• Inductances intégrées
L’intégration des inductances consiste en une formation de formes telles que des spirales ou des courbures par gravure ou placage de cuivre, ou en la formation de structures spiralées multicouches via des trous traversants entre les couches. Jusqu’à présent, le module haute fréquence est le plus largement utilisé. Les fabricants de PCB placent les inductances sur la couche interne de la carte PCB par gravure ou impression, en s’appuyant sur la technologie de fabrication interne d’un circuit imprimé multicouche.
Parmi les inductances figurent des inductances contenant un noyau magnétique. Ce type d’inductances comporte des noyaux magnétiques et une bobine enroulée, grâce auxquels l’énergie du champ magnétique alternatif est stockée en courant continu/alternatif avec les fonctions de courant correspondantes mises en œuvre. Les noyaux magnétiques peuvent être soit incrustés, soit intégrés, tandis que la bobine ne peut être conçue qu’en via. Les produits d’inductances intégrées se déclinent principalement en deux types : l’inductance solidement intégrée et l’inductance creuse intégrée. La première est fixée dans le PCB avec l’inductance intégrée stratifiée par le préimprégné périphérique. La seconde vibre avec le mouvement du PCB, les inductances intégrées étant à l’intérieur du circuit imprimé.
La comparaison entre la conception de module avec inductance intégrée et le module de puissance ordinaire est résumée dans le tableau ci-dessous.
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Article
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Module de puissance traditionnel
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Module intégré à inductance
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| Type d’assemblage |
SMT |
Placé dans le circuit imprimé interne lors de la fabrication ou de l’assemblage du PCB |
| Structure magnétique |
Le circuit magnétique est perpendiculaire à la surface du PCB. |
Le circuit magnétique est parallèle à la surface du PCB. |
| Disposition des enroulements |
L’enroulement est parallèle au noyau magnétique environnant et parallèle à la surface du PCB. |
L’enroulement est perpendiculaire à la surface du PCB, formé dans le via et le PCB. Tous les enroulements sont générés en découpant la surface du PCB. |
| Image indiquée |
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• Blocs thermiques en cuivre intégrés
La réduction constante du volume des produits électroniques et l’augmentation continue de leur densité ont fait de la dissipation thermique des produits électroniques un immense défi pour la conception industrielle. Jusqu’à présent, les principales méthodes de dissipation thermique comprennent les circuits imprimés fabriqués avec un substrat métallique, le brasage sur base métallique sur la carte de circuit imprimé et les trous traversants remplis de pâte conductrice. Les deux premières méthodes entraînent une grande consommation de matériau métallique et ne conviennent qu’à la fabrication de circuits imprimés simple face. Les autres méthodes présentent des procédés trop complexes et la dissipation thermique ne parvient pas à répondre aux exigences de conception.
L’intégration de blocs de cuivre élimine le problème de coût élevé et peut résoudre efficacement le problème de dissipation thermique. Les principaux types de dissipation thermique comprennent :
a. Pénétration du bloc de cuivre. L’épaisseur du bloc de cuivre intégré est équivalente à celle de la carte finie. Le bloc de cuivre traverse les couches supérieure et inférieure.
b. Bloc de cuivre semi-encastré. L’épaisseur du bloc de cuivre encastré est inférieure à celle de la carte finie. Un côté du bloc de cuivre reste au même niveau que la couche inférieure tandis que l’autre côté reste au même niveau qu’une couche interne.
Difficultés des technologies de composants embarqués et leurs solutions
• Résistances et condensateurs intégrés
Les produits à résistances intégrées tirent principalement parti de l’intégration des résistances par gravure, une technologie qui trouve des applications relativement larges. Les matériaux de pointe pour l’intégration de résistances, largement acceptés par l’industrie, sont l’alliage Ni-P et l’alliage Ni-Cr, dont les performances diffèrent et nécessitent des solutions de gravure distinctes. Jusqu’à présent, le principal problème rencontré lors du processus de gravure des matériaux à résistances intégrées est la manière de contrôler la résistance et la tolérance correspondante, c’est-à-dire la compensation de ligne en fonction de la position de la résistance, ce qui devient particulièrement important pour les matériaux résistifs à faible résistance par carré, car la gravure exerce une influence plus marquée sur la résistance.
Les condensateurs intégrés sont un type de matériaux capacitifs pouvant être intégrés dans les circuits imprimés (PCB). En raison de leur forte densité de capacité, ces matériaux jouent un rôle de découplage et de filtrage dans les systèmes d’alimentation, ce qui réduit davantage la capacité libre. Ce type de matériau est capable d’améliorer les performances des produits électroniques et de diminuer la taille des circuits imprimés. La principale difficulté pour les produits électroniques à condensateurs intégrés réside dans la couche diélectrique relativement mince du matériau intégré. Par conséquent, le traçage et la gravure doivent être effectués sur une seule face.
• Enchâssement de composants à noyau magnétique
a. Contrôle du réservoir de fraisage. Après la découpe du matériau pour la carte PCB, un réservoir circulaire doit être fraisé sur la carte centrale.
b. Stratification complète du noyau magnétique avec remplissage total de gel. Avant la stratification du PCB, le noyau magnétique est placé dans le réservoir de fraisage, ce qui nécessite de prendre en compte une stratification complète du noyau magnétique avec un remplissage total de gel. La structure de stratification et le mode de disposition doivent être surveillés.
c. Conception de la structure de stratification. Deux méthodes de conception sont disponibles pour la structure de stratification des PCB à noyau magnétique intégré : l’application du noyau magnétique pendant le laminage et le laminage du noyau magnétique.
d. Mode de disposition pour le laminage. Pour empêcher le noyau magnétique de tomber, le côté du noyau magnétique doit être orienté vers le haut lors de la disposition, et pour éviter que le noyau magnétique ne se casse en raison d’une concentration de contraintes, un tampon de protection doit être utilisé pendant la disposition.
e. Fabrication de trous métallisés autour du noyau magnétique. Pour garantir que le perçage n’endommage pas le noyau magnétique et pour éviter les courts-circuits après métallisation, la distance de sécurité entre les trous et le noyau magnétique doit être d’au moins 0,2 mm lors de la phase de conception.
• Produits électroniques avec blocs de cuivre intégrés
a. En ce qui concerne l’encastrement de type pénétration par bloc de cuivre, le contrôle de la taille du réservoir de fraisage doit être équivalent à celui de l’encastrement du noyau magnétique.
b. Pour les produits avec des blocs de cuivre semi-encastrés, il convient de prêter une attention particulière à la profondeur du réservoir de fraisage.
c. En ce qui concerne la liaison entre les blocs de cuivre et le préimprégné, une face du bloc de cuivre doit être brunie.
d. Disposition pour le laminage. Le bloc de cuivre doit être placé vers le haut pour empêcher les blocs de cuivre de tomber. Un tampon de protection doit être utilisé lors de la disposition pour le laminage afin d’éviter que des défauts dus à l’absence de gel ne se produisent.
La mise en œuvre de la technologie d’intégration de composants est l’une des solutions essentielles pour la miniaturisation des modules de puissance et pour répondre aux exigences de développement vers la miniaturisation et la multifonctionnalité des produits électroniques. La surface du PCB peut être grandement optimisée grâce à l’intégration de condensateurs, d’inductances et de résistances à l’intérieur du PCB. En outre, les produits intégrant des blocs de cuivre peuvent à la fois réduire efficacement le coût des produits haute fréquence et améliorer les performances de dissipation thermique.
PCBCart est spécialisé dans la fabrication de circuits imprimés avec composants intégrés.
