Embedded PCB to wielowarstwowa płytka, w której element (układ scalony lub element bierny) leży wewnątrz laminatu, a nie na powierzchni. Połączenia wykonuje się po laminacji, zwykle mikroprzelotkami laserowymi i miedzią galwaniczną, dlatego kluczowe są: wykończenie wyprowadzeń elementu, tolerancja jego położenia względem przelotek oraz próby niezawodności wykonywane przed zamknięciem elementu w płytce. Poniżej: jak wygląda przekrój, jak policzyć budżet tolerancji, jakie metody wbudowania istnieją i co obejmuje plan prób.
Po co wbudowywać element i kiedy to nie ma sensu
Wbudowanie zwalnia powierzchnię płytki, skraca drogę między elementem a układem, który go zasila, i pozwala schować element w grubości laminatu (przydatne np. przy cienkich modułach). Ma też wady: element po laminacji jest nienaprawialny, a każda wada zmienia całą płytkę w odpad. Technologia ma sens, gdy kluczowe są wysokość, długość połączenia albo gęstość upakowania, a seria uzasadnia dopracowanie procesu. Gdy takich wymagań nie ma, standardowy montaż SMT jest tańszy i łatwiejszy do naprawy; zob. strony o płytkach HDI i stosie warstw PCB, bo wiele wymagań da się spełnić samą mikroprzelotką i dobrym stosem.
Przekrój: jak wygląda płytka z wbudowanym elementem
Typowy przekrój (układ koncepcyjny, nie specyfikacja produktu) zawiera następujące warstwy:
- Miedź zewnętrzna L1 z elementami SMT na powierzchni.
- Warstwa dielektryka z mikroprzelotkami laserowymi, które kończą się na wyprowadzeniach wbudowanego elementu.
- Rdzeń z wnęką, w której leży element, otoczony żywicą z prepregu, która wypełnia szczeliny podczas laminacji.
- Drugi dielektryk i miedź L4, często z przelotkami do dolnej strony.
Element nie jest więc lutowany do pól, tylko łączony przelotkami wykonanymi od góry lub od dołu. Z tego powodu wyprowadzenia elementu pod przelotki powinny być miedziane (miedź jest materiałem, który nadaje się do łączenia galwanicznego po obróbce laserowej); standardowe wykończenia cynowe nie są odpowiednie dla tego procesu, więc trzeba zamówić elementy z odpowiednim wykończeniem końcówek lub wykonać je w dodatkowym procesie. Producent podaje, które wykończenia akceptuje.
Metody wbudowania
| Metoda | Zasada | Zastosowanie i uwaga |
|---|---|---|
| Element w wnęce rdzenia | Wnęka wycięta (frezowanie lub laser) w rdzeniu; element mocowany klejem lub folią; laminacja z prepregiem. | Elementy bierne i układy; wnęka musi być większa od elementu o luz zależny od dokładności wykonania. |
| Element w dielektryku | Cienki element układany na rdzeniu i zalewany warstwą dielektryka podczas laminacji. | Cienkie układy; ograniczenie wysokością elementu względem grubości prepregu. |
| Warstwy rezystancyjne i pojemnościowe | Element bierny jest częścią warstwy (cienka folia rezystancyjna, cienki dielektryk w parze płaszczyzn). | Nie wymaga osobnego elementu; tolerancje wartości zależą od procesu i materiału. |
| Wbudowanie na poziomie wafla/pakietu | Element przetwarzany w procesie opakowania jeszcze przed płytką. | Proces półprzewodnikowy i wymagania dostawcy układu, nie typowa procedura płytkowa. |
Zakres technologii oferowanych przez konkretnego wytwórcę trzeba potwierdzić przed projektowaniem; nie każdy producent wykonuje wbudowanie. Podstawy wielowarstwowych płytek opisano w artykule o wielowarstwowych płytkach drukowanych.
Tolerancja położenia: czy przelotka trafi w wyprowadzenie
Przelotka laserowa musi całą średnicą dna trafić w metalizowane wyprowadzenie, a ono jest małe. Wzór na zapas: luz jednostronny = (długość wyprowadzenia − średnica dna przelotki) / 2. Suma błędów położenia (mocowanie elementu, rejestracja, pozycjonowanie lasera) musi być mniejsza od tego luzu.
Przykład założeniowy: element bierny o wymiarze 0201
Założenia: długość metalizowanego wyprowadzenia 0,15 mm, średnica dna przelotki 0,08 mm. Błędy niezależne: położenie elementu ±0,03 mm, rejestracja warstw ±0,02 mm, laser ±0,02 mm.
- Luz: (0,15 − 0,08) / 2 = 0,035 mm.
- Suma najgorszego przypadku: 0,03 + 0,02 + 0,02 = 0,07 mm, czyli dwa razy więcej niż luz.
- Suma geometryczna (RSS): √(0,03² + 0,02² + 0,02²) = √0,0017 ≈ 0,041 mm, nadal więcej niż 0,035 mm.
Wniosek: przy takich założeniach przelotka nie trafi w każdy element. Zmiany: dłuższe wyprowadzenie lub powiększona pozioma powierzchnia kontaktu, mniejsza przelotka albo dokładniejsze pozycjonowanie. Dla wyprowadzenia 0,25 mm luz wynosi (0,25 − 0,08) / 2 = 0,085 mm, co mieści zarówno RSS (0,041 mm), jak i najgorszy przypadek (0,07 mm). Wartości powyżej są hipotetyczne; rzeczywiste tolerancje podaje wytwórca, a zakres dokładności warto zweryfikować próbną serią.
Połączenia i wypełnienie
- Mikroprzelotki: wiercone laserem do miedzianego wyprowadzenia, następnie metalizowane; stosunek głębokości do średnicy ogranicza proces, więc gruby element wymaga grubszego dna lub innego rozwiązania.
- Wypełnienie szczelin: w czasie laminacji żywica wypełnia wnękę; jej niedobór zostawia puste przestrzenie i grozi rozwarstwieniem po lutowaniu pozostałych elementów, dlatego wypełnienie sprawdza się na przekroju.
- Połączenie z elementem przez klej przewodzący lub lut: stosowane w niektórych wariantach, gdy wyprowadzenia nie nadają się do przelotek; wymaga potwierdzenia odporności na temperaturę laminacji.
- Odprowadzanie ciepła: element mocy można połączyć miedzią z wewnętrzną płaszczyzną; ścieżka cieplna i przelotki cieplne wynikają z obliczeń mocy strat, które wykonuje projektant.
Wydajność procesu: ryzyko, które rośnie z liczbą elementów
Skoro element jest nienaprawialny, to przy założeniu niezależności etapów prawdopodobieństwo, że cała płytka będzie dobra, jest iloczynem wydajności poszczególnych elementów: Y = yn. Przykład założeniowy dla n = 20 wbudowanych elementów:
- y = 0,999: Y = 0,99920 ≈ 0,980 (98,0 %).
- y = 0,995: Y = 0,99520 ≈ 0,905 (90,5 %).
- y = 0,99: Y = 0,9920 ≈ 0,818 (81,8 %).
Wniosek: przy rosnącej liczbie elementów już niewielkie pogorszenie jakości pojedynczego etapu mocno obniża wydajność płytki, więc kontroluje się elementy i ich położenie przed laminacją (elementy sprawdzone, kontrola optyczna), a po laminacji dodatkowo rentgen i pomiary elektryczne. W rachunku kosztów liczy się wartość całej płytki z elementami, nie sama cena laminatu.
Plan prób niezawodności
| Próba | Co wykrywa | Uwagi |
|---|---|---|
| Kontrola przekroju (mikroszlif) po laminacji | Wypełnienie żywicą, położenie przelotki względem wyprowadzenia, pęknięcia. | Próba niszcząca; wykonywana na kuponie lub płytce wydzielonej z serii. |
| Test łańcucha połączeń (daisy-chain) z pomiarem rezystancji | Przerwy i wzrost rezystancji przelotek i styków. | Projektuje się specjalny kupon lub łańcuchy w płytce; kryterium (np. dopuszczalny wzrost rezystancji w procentach) ustala się w planie prób. |
| Cykle temperaturowe (np. metoda JEDEC JESD22-A104) | Zmęczenie połączeń wywołane różnicą rozszerzalności elementu i laminatu. | Zakres temperatur i liczbę cykli dobiera się do środowiska pracy. |
| Test naprężeń połączeń (IST, Interconnect Stress Test) | Zmęczenie przelotek i połączeń w cyklach nagrzewania prądem. | Metoda używana do oceny przelotek; zakres wymaga uzgodnienia z laboratorium. |
| Wilgoć i napięcie (np. JEDEC JESD22-A101) | Upływność, migracja, rozwarstwienie. | Wymaga zdefiniowania napięcia, wilgotności i czasu. |
| Przetopy bezołowiowe po kondycjonowaniu | Delaminacja i pęknięcia przy lutowaniu elementów na zewnątrz. | Liczba przetopów odpowiada procesowi montażu, wraz z możliwą naprawą. |
Szczegóły metod, kryteriów akceptacji i liczb cykli są ustalane w specyfikacji klienta albo zgodnie z wybraną normą; nie podajemy ich tu jako wartości obowiązującej.
Co przygotować przed zapytaniem
- Typ i wymiary elementu, w tym grubość oraz wykończenie wyprowadzeń; informacja, czy element jest dostępny w wersji z miedzianymi końcówkami.
- Przekrój stosu z grubościami i położeniem elementu; wymagania dotyczące mocy strat i ścieżki cieplnej.
- Kryteria odbioru: lista prób, liczba płytek, miejsca pobierania próbek na przekrój.
- Informacja, czy po wbudowaniu płytka przechodzi montaż SMT i ile przetopów; zakres montażu opisuje strona montaż PCB.
Czego nie zweryfikowano: możliwości konkretnego producenta, tolerancji położenia i rejestracji (przykład jest hipotetyczny), wartości kryteriów akceptacji w normach oraz zachowania rzeczywistej płytki. Przykładowe liczby służą do pokazania sposobu liczenia.
