W jednej z poprzednich części cyklu artykułów o PCB pisałem o projekcie, w którym autor ulokował elementy SMD w grubości płytki drukowanej, łącząc ze sobą kilka typowych PCB, by zmieścić w nich klasyczne komponenty do montażu powierzchniowego... To ciekawe rozwiązanie dla hobbystów. Jednakże w przypadku profesjonalnych płytek o wysokiej gęstości (HDI) stosuje się bardzo podobne. Przyjrzyjmy się temu dokładniej w poniższym artykule.
Technologia wbudowanych (embedded) komponentów pasywnych odnosi się do procesu ich integracji bezpośrednio na wewnętrznych warstwach płytki drukowanej podczas procesu jej produkcji. Mowa tu o rezystorach, kondensatorach i indukcyjności. Technika ta pozwala zwielokrotnić funkcjonalność PCB, nie zwiększając przy tym jej obszaru.
Technologia montażu powierzchniowego (SMD) używa zarówno dyskretnych elementów (takich jak rezystory, kondensatory, tranzystory i diody), jak i układów scalonych, które są lokowane na powierzchni PCB za pomocą połączeń lutowniczych. Z drugiej strony technologia osadzonych komponentów oferuje możliwość umieszczenia ich w grubości PCB na kilka sposobów.
Podejście takie pozwala uzyskać szereg korzyści:
Poszerzenie obszaru na PCB: poprzez zmniejszenie liczby powierzchniowo montowanych elementów pasywnych i przeniesienie ich do wnętrza płytki drukowanej możliwe jest zwiększenie dostępnej powierzchni na PCB o od 30% do 50%. Oznacza to, że przy tej samej wielkości PCB można pomieścić na niej nowe, dodatkowe funkcje lub, jeśli nie ma takiej potrzeby, zminimalizować całkowity jej rozmiar. Odpowiada to również za redukcję kosztów.
Jest to szczególnie korzystne dla zastosowań wymagających miniaturyzacji lub w środowiskach o ograniczonej przestrzeni, takich jak urządzenia mobilne, noszone, medyczne czy aplikacje IoT. Dodatkowo, zwiększona gęstość pakowania może przynieść podbicie innych parametrów czy skutkować lepiej działającym systemem.
Poprawa sprawności elektrycznej: bezpośrednia integracja elementów pasywnych w płytce drukowanej zmniejsza pojemność i indukcyjność pasożytniczą, które mogą wynikać z użycia oddzielnych komponentów. Redukcja odległości pomiędzy elementami pasywnymi na PCB może ograniczyć długość ścieżek sygnałowych w systemie. Tym samym zmniejszy się opór i pojemność tych połączeń, co również może polepszyć parametry elektryczne obwodu. Zredukowane straty i zakłócenia przynoszą poprawę m.in. stosunku sygnału do szumu sygnału elektrycznego, zwłaszcza w wysokich częstotliwościach.
Należy jednakże zauważyć, że oczywistą wadą wbudowanych elementów pasywnych jest to, że nie można ich wymieniać w taki sam sposób, jak powierzchniowo montowanych lub komponentów THT, jeśli są wadliwe lub uszkodzone. Dlatego ważne jest gruntowne ich przetestowanie przed ich integracją w PCB.
Technologia produkcji
Istnieje kilka różnych technik pozwalających na produkcję płytek drukowanych z elementami osadzonymi w samym laminacie. Różnią się one poziomem skomplikowania, jeśli chodzi o wykonanie, ale także oferowanymi benefitami, w myśl zasady — nie ma nic za darmo...
Elementy osadzone w podłożu
Umieszczając komponenty pasywne w obudowie typu chip jako dyskretne, w prosty sposób można je schować w grubości płytki drukowanej, bez konieczności korzystania ze specjalnych technologii. Ta sama zasada została wykorzystana w projekcie, omawianym w poprzedniej części artykułu względem ukrywania elementów w PCB. Autor tamtej konstrukcji nazwał ją: „Oreo”, od warstw, jak w ciastku: PCB, komponenty, PCB. W jego przypadku łączone były ze sobą gotowe płytki drukowane, a połączenia pomiędzy nimi wykonywano poprzez lutowanie razem już skończonych PCB, po całym procesie produkcji.
W kwestii spojrzenia przemysłowego, elementy osadza się na poszczególnych warstwach na etapie poprzedzającym ich laminację. Współczesne komponenty stają się coraz cieńsze. Ich producenci wytwarzają obecnie bardzo smukłe elementy pasywne w obudowach typu chip, właśnie do tego celu (patrz rysunek 3 poniżej).
Podłoże, na którym będą one umieszczane, powinno być absolutnie płaskie i wymaga wsparcia w postaci sztywnej ramy. Aby zapobiec naprężeniom lub mikropęknięciom na PCB; typowe ramki mają wymiary 400 mm x 500 mm, a podłoża są grubości 0,3 mm. Na tych ostatnich lokuje się elementy w obudowach 0402, 0201 i mniejszych. Do łączenia między podłożem a komponentami może być użyty przewodzący klej zamiast standardowego lutowania. Dzięki dużemu podobieństwu między umieszczeniem tych elementów w wycięciach PCB a normalnym obsadzaniem, można w tym procesie wykorzystać klasyczne urządzenia typu pick and place. Należy je jedynie dostosować — muszą one uzyskać niezwykle wysoką precyzję, istotnie większą od typowo używanej do produkcji.
Wiele tradycyjnych maszyn pick and place będzie musiało być dostosowanych do tych nowych komponentów. Podłoża, na których osadzane są elementy, są dostarczane po sprawdzeniu wizualnym (inspekcja AOI / 3D). Przed naniesieniem elementów rozprowadzana jest oczywiście pasta lutownicza lub klej przewodzący, w zależności od wybranego sposobu łączenia. Po utwardzeniu kleju czy lutowaniu w piecu, warstwa laminowana jest z kolejnymi. Dalej wszelkie operacje prowadzone są identycznie, jak z każdym laminatem.
W przypadku tego procesu, inspekcja wizualna jest niezwykle istotna. Jakiekolwiek błędy spowodują, że płytka będzie niesprawna, a naprawa nie będzie możliwa. Oprócz inspekcji wizualnej PCB, warto również sprawdzić lutowane elementy, jakkolwiek w przypadku dobrej ich jakości z renomowanych źródeł nie powinno to być problemem.
Subtraktywna obróbka cienkowarstwowa
Wykorzystując obróbkę subtraktywną, możliwe jest wytwarzanie w poszczególnych warstwach bezpośrednio rezystancji, pojemności czy indukcyjności. Oznacza to możliwość dodawania w dowolnych miejscach PCB pasywnych elementów, bez konieczności instalowania rzeczywistych, fizycznych. Pozwala to w większości wypadków zmniejszyć wielkość tych komponentów w porównaniu z tymi w obudowach typu chip. Daje to więc szansę na dalsze redukowanie rozmiarów systemu.
Proces wytwarzania tych elementów jest podobny do większości metod produkowania PCB: litografia, elektroosadzanie i trawienie to typowe, znane podejścia. Laminat miedziany jest używany jako podstawa do wykonywania połączeń elektrycznych. Dostawca laminatów może dostarczyć arkusz miedziany z cienką warstwą oporową na powierzchni. Materiał ma opór wyrażony w omach na kwadrat.
Oporność arkusza mieści się w zakresie od 25 do 250 Ω/□ (na kwadrat) z niskim współczynnikiem temperaturowym oporności (TCR). Wynik tolerancji po trawieniu wynosi 8-16%.
Oporność wyrażana w Ω/□ jest często stosowaną jednostką rezystancji właściwej materiałów, które nie posiadają jednego z wymiarów, np. cienkie warstwy — dokładnie takie, jakie wykorzystuje się do wytwarzania oporników w PCB. Jak wiemy, rezystancja zależna jest od geometrii układu — im dłuższy jest przewodnik, tym jest ona większa, a im większy jest przekrój przewodnika, przez który płynie prąd, tym rezystancja jest mniejsza. W płaskiej warstwie materiału rezystancyjnego jeden wymiar przekroju jest stały, więc zależy on od jednego z wymiarów pola, a drugie z nich jest długością. Rezystancja podawana jest: „na kwadrat”, tzn. w momencie, gdy oba wymiary są równe, jak pokazano na rysunku 5. Niezależnie od ich wielkości, rezystancja jest proporcjonalna do ich stosunku. Jeśli oba wymiary (długość L i szerokość W) są takie same, rezystancja wynosi tyle, ile podano: „na kwadrat”. Jeśli zwiększymy długość – L = 2W – to opór podwoi się. Jeżeli skrócimy do połowy – 2L = W – opór spadnie do połowy, podanego: „na kwadrat”.
Subtraktywny proces produkcji rezystorów na PCB stosuje kilka kroków naświetlania masek, trawienia etc. Bardzo podobnie, jak zwykła produkcja miedzianych ścieżek etc. Wykorzystuje się tutaj jednakże specjalny laminat, który pomiędzy warstwą dielektryka a miedzi posiada osadzoną warstwę rezystancyjną. Materiał warstwy dielektrycznej dobrany jest w taki sposób, iż nie jest on trawiony za pomocą środków do trawienia miedzi. Warstwę rezystancyjną usuwa się przy użyciu specjalnych odczynników, opartych na siarczanach.
Wytwarzanie pokazano schematycznie na rysunku 6. Pierwszy proces litograficzny nakłada na podłoże maskę odpowiadającą kształtowi ścieżek i rezystorów. Dwustopniowy proces trawienia pozwala — w pierwszym etapie usunąć warstwę miedzi, a w drugim rezystancyjną — z wszystkich obszarów poza maską. Następnie maska jest zmywana i nakładana kolejna, tym razem maskująca całą płytkę, poza przestrzeniami, gdzie znajdować mają się oporniki. Kolejnym krokiem jest eliminacja miedzi z tych obszarów, a pozostawienie warstwy rezystancyjnej. Po usunięciu maski, warstwa jest gotowa do laminacji z kolejną.
Kondensatory wbudowane również wykonywane są technikami litograficznymi, wykorzystując fakt, że możliwe jest wytworzenie substratów, składających się z dwóch warstw miedzi oddzielonych bardzo cienką warstwą dielektryka. Para przewodzących płaszczyzn ustawionych jest blisko siebie i formuje kondensator. Typowo stosuje się materiały dielektryczne takie jak FR 4, poliimid i epoksyd. Zalecane są cienkie arkusze laminatu pokrytego miedzią z dielektrykiem o wysokiej stałej dielektrycznej. Kondensatory takie idealnie sprawdzają się do tłumienia zakłóceń wysokich częstotliwości z uwagi na relatywnie niską pojemność. Dla typowych laminatów kondensator wykonywany tą techniką ma pojemność około 1 nF na każdy cm² nakładających się warstw miedzi.
W procesie subtraktywnym możliwa jest również produkcja indukcyjności, jednakże nie wymaga ona specjalnych technik. Standardowe ścieżki miedziane układa się w spiralę. Indukcyjność takiego elementu jest definiowana przez geometrię ścieżek. Projektowanie i analiza wbudowanej cewki w laminacie wielowarstwowym jest dosyć kłopotliwa, ale produkcja już bardzo prosta i tania. Dodatkowo, modyfikować można te architektury, dodając w odpowiednich miejscach rdzenie ferrytowe czy inne elementy magnetyczne, modyfikując indukcyjność cewek.
Addytywny proces grubowarstwowy
Technologia grubowarstwowa to technika nakładania materiałów (przewodzących, rezystorów, dielektryków) w postaci pasty na podłoże w określonych wzorach. Wykorzystuje się do tego na przykład sitodruk. Dzięki temu to bardzo prosty technologicznie proces, niewymagający litografii, osadzania warstw czy trawienia. Metalizacja z materiału rezystancyjnego jest nakładana tylko tam, gdzie jest to potrzebne. Emulsja z materiału rezystancyjnego jest nalewana do specjalnego sita z otworami. Sito jest stworzone z precyzyjnych plecionych drutów, zazwyczaj 200-400 drutów na cal. Otwory na sicie wykonywane są fotolitograficznie.
Pasta przewodząca zawiera proszki metaliczne i spoiwa. Dodatkowo często używa się nanokompozytów ceramiczno-metalowych, wypełnionych węglem polimerów oraz materiałów stopowych, takich jak NiCr, NiCrAlSi, CrSi, TiNxOy czy TaNx.
Alternatywnie, elementy te można wykonać z pomocą nanoszenia materiału przez maskę fotolitograficzną. Po nałożeniu i naświetleniu rezystu wywołuje się go i nanosi na niego warstwę rezystywną. Na warstwę oczyszczoną acetonem i mikrotrawioną w celu poprawy przyczepności nakłada się suchy film fotoczuły o grubości 30 μm, który naświetla się przy użyciu maski negatywowej i wywołuje. Grubość maski jest istotna. Definiuje ona wysokość naniesionego materiału i, w konsekwencji, rezystancję elementu. Po nałożeniu materiału na płytkę unosi się rezyst, pozostawiając tylko oporniki i wygrzewa się ją w temperaturze 150°C przez co najmniej 1 godzinę, aby sfinalizować proces produkcji rezystora.
Wytworzone w ten sposób oporniki można trymować z pomocą lasera, odparowując fragmenty naniesionego opornika. Pozwala to na uzyskanie elementów w tolerancji nawet 1%.
Addytywne wytwarzanie kondensatorów jest bardziej złożone. Na oczyszczoną warstwę ścieżek w PCB nakłada się (np. z pomocą powlekania obrotowego) warstwę dielektryka polimerowego lub ceramicznego, a na niego laminuje się warstwę folii miedzianej. Na tak przygotowaną warstwę nanosi się fotorezyst, który naświetla się tak, aby wymaskował on miejsca, gdzie ma znajdować się nasz kondensator. Pozostałe obszary są odkryte, co umożliwia usunięcie zbędnego dielektryka i folii miedzianej np. poprzez trawienie. W ten sposób pozostawia się tylko kondensatory w zaplanowanym miejscu.
Z uwagi na zapotrzebowanie na elementy wysokiej pojemności rozwijane są dielektryki o wysokim współczynniku dielektrycznym, takie jak ceramika na bazie baru i tytanu oraz różnych szkłach. Pozwala to na nakładanie warstw o grubości 28-34 μm, która po wypaleniu redukuje się do około 20 μm. Pasta, po rozprowadzeniu na PCB, jest suszona i wypalana w atmosferze azotu w temperaturze 900°C w celu utworzenia komponentów ceramicznych. Dla porównania, warstwy polimerowe są suszone przy 80-280°C. Zastosowanie tych ceramik pozwala osiągnąć do 1,5 nF / mm², co umożliwia efektywne wykonywanie kondensatorów o wartościach od 100 pF do 60 nF.
Podsumowanie
Umieszczanie elementów pasywnych w PCB ma wiele zalet: pozwala zwiększyć gęstość upakowania na PCB. Możliwe jest wobec tego zmniejszenie rozmiaru systemu — można ulokować wiele komponentów jeden nad drugim na różnych warstwach. Dodatkowo, wykorzystanie tej techniki zwiększa niezawodność całości i minimalizuje awarie połączeń lutowanych. Przekłada się to na wydłużenie MTBF (średni czas między awariami), zwłaszcza w trudnych warunkach.
Ulokowanie elementów w PCB pozwala również na zmniejszenie szumów w magistrali zasilającej i szybsze oraz czystsze sygnały elektryczne poprzez redukcję zakłóceń elektromagnetycznych. Takie projekty mogą posiadać więcej funkcji w tej samej objętości. Mogą być lekkie i po prostu tańsze — mimo zwiększenia kosztów laminatu per cm². To dzięki temu, że nie musimy płacić za elementy dyskretne, a samo PCB może być mniejsze i lżejsze.
Oczywiście, rozwiązanie takie ma również swoje wady. W przypadku komponentów wbudowanych nie można ich wymieniać, jeśli są wadliwe. Jak wspomniano, koszt na centymetr kwadratowy rośnie z powodu konieczności dodania dodatkowych warstw dla elementów wbudowanych. Niemniej ogólna cena płytki będzie niższa.
Producenci PCB muszą teraz wytwarzać elementy pasywne, zamiast je po prostu kupować. Brak doświadczenia w tym zakresie może wywołać wahania lub opór w stosowaniu tej technologii. Wiele badań już potwierdziło, że wbudowane elementy pasywne są kompatybilne ze wszystkimi typowymi aspektami produkcji PCB, w tym z projektowaniem, wytwarzaniem i testami niezawodności. Jednak podłoże musi być zdolne do wytrzymywania wszystkich warunków przetwarzania, takich jak narażenie na odczynniki chemiczne i warunki mechaniczne. Wyzwaniem dla wbudowanych komponentów jest zwiększenie: wartości oporu dla rezystorów i pojemności dla kondensatorów, a także uzyskanie lepszej tolerancji wytwarzanych elementów.
Źródła:
* Khan, M.I., Dong, H., Shabbir, F. et al. „Embedded passive components in advanced 3D chips and micro/nano electronic systems”, Microsyst Technol 24 (2018).
* Cauwe, M., Baets, J.D., Schmid, G.D., Galler, C., Heřt, J., Cuyper, S.D. & Lacombe, D., „Passive component embedding in printed circuit boards for space applications”, 2nd Space Passive Component Days (SPCD), International Symposium (2016).
* Aliza Mizrachi, „Embedded Passive Components: Trend & Applications”, Orbotech.
* https://www.pcbway.com/blog/PCB_Basic_Information/What_is_Embedded_Passive_Technology_PCB_Knowledge_f9ed3b90.html
Technologia wbudowanych (embedded) komponentów pasywnych odnosi się do procesu ich integracji bezpośrednio na wewnętrznych warstwach płytki drukowanej podczas procesu jej produkcji. Mowa tu o rezystorach, kondensatorach i indukcyjności. Technika ta pozwala zwielokrotnić funkcjonalność PCB, nie zwiększając przy tym jej obszaru.
Technologia montażu powierzchniowego (SMD) używa zarówno dyskretnych elementów (takich jak rezystory, kondensatory, tranzystory i diody), jak i układów scalonych, które są lokowane na powierzchni PCB za pomocą połączeń lutowniczych. Z drugiej strony technologia osadzonych komponentów oferuje możliwość umieszczenia ich w grubości PCB na kilka sposobów.
Podejście takie pozwala uzyskać szereg korzyści:
Poszerzenie obszaru na PCB: poprzez zmniejszenie liczby powierzchniowo montowanych elementów pasywnych i przeniesienie ich do wnętrza płytki drukowanej możliwe jest zwiększenie dostępnej powierzchni na PCB o od 30% do 50%. Oznacza to, że przy tej samej wielkości PCB można pomieścić na niej nowe, dodatkowe funkcje lub, jeśli nie ma takiej potrzeby, zminimalizować całkowity jej rozmiar. Odpowiada to również za redukcję kosztów.
Jest to szczególnie korzystne dla zastosowań wymagających miniaturyzacji lub w środowiskach o ograniczonej przestrzeni, takich jak urządzenia mobilne, noszone, medyczne czy aplikacje IoT. Dodatkowo, zwiększona gęstość pakowania może przynieść podbicie innych parametrów czy skutkować lepiej działającym systemem.
Poprawa sprawności elektrycznej: bezpośrednia integracja elementów pasywnych w płytce drukowanej zmniejsza pojemność i indukcyjność pasożytniczą, które mogą wynikać z użycia oddzielnych komponentów. Redukcja odległości pomiędzy elementami pasywnymi na PCB może ograniczyć długość ścieżek sygnałowych w systemie. Tym samym zmniejszy się opór i pojemność tych połączeń, co również może polepszyć parametry elektryczne obwodu. Zredukowane straty i zakłócenia przynoszą poprawę m.in. stosunku sygnału do szumu sygnału elektrycznego, zwłaszcza w wysokich częstotliwościach.
Należy jednakże zauważyć, że oczywistą wadą wbudowanych elementów pasywnych jest to, że nie można ich wymieniać w taki sam sposób, jak powierzchniowo montowanych lub komponentów THT, jeśli są wadliwe lub uszkodzone. Dlatego ważne jest gruntowne ich przetestowanie przed ich integracją w PCB.
Technologia produkcji
Istnieje kilka różnych technik pozwalających na produkcję płytek drukowanych z elementami osadzonymi w samym laminacie. Różnią się one poziomem skomplikowania, jeśli chodzi o wykonanie, ale także oferowanymi benefitami, w myśl zasady — nie ma nic za darmo...
Elementy osadzone w podłożu
Umieszczając komponenty pasywne w obudowie typu chip jako dyskretne, w prosty sposób można je schować w grubości płytki drukowanej, bez konieczności korzystania ze specjalnych technologii. Ta sama zasada została wykorzystana w projekcie, omawianym w poprzedniej części artykułu względem ukrywania elementów w PCB. Autor tamtej konstrukcji nazwał ją: „Oreo”, od warstw, jak w ciastku: PCB, komponenty, PCB. W jego przypadku łączone były ze sobą gotowe płytki drukowane, a połączenia pomiędzy nimi wykonywano poprzez lutowanie razem już skończonych PCB, po całym procesie produkcji.
W kwestii spojrzenia przemysłowego, elementy osadza się na poszczególnych warstwach na etapie poprzedzającym ich laminację. Współczesne komponenty stają się coraz cieńsze. Ich producenci wytwarzają obecnie bardzo smukłe elementy pasywne w obudowach typu chip, właśnie do tego celu (patrz rysunek 3 poniżej).
Podłoże, na którym będą one umieszczane, powinno być absolutnie płaskie i wymaga wsparcia w postaci sztywnej ramy. Aby zapobiec naprężeniom lub mikropęknięciom na PCB; typowe ramki mają wymiary 400 mm x 500 mm, a podłoża są grubości 0,3 mm. Na tych ostatnich lokuje się elementy w obudowach 0402, 0201 i mniejszych. Do łączenia między podłożem a komponentami może być użyty przewodzący klej zamiast standardowego lutowania. Dzięki dużemu podobieństwu między umieszczeniem tych elementów w wycięciach PCB a normalnym obsadzaniem, można w tym procesie wykorzystać klasyczne urządzenia typu pick and place. Należy je jedynie dostosować — muszą one uzyskać niezwykle wysoką precyzję, istotnie większą od typowo używanej do produkcji.
Wiele tradycyjnych maszyn pick and place będzie musiało być dostosowanych do tych nowych komponentów. Podłoża, na których osadzane są elementy, są dostarczane po sprawdzeniu wizualnym (inspekcja AOI / 3D). Przed naniesieniem elementów rozprowadzana jest oczywiście pasta lutownicza lub klej przewodzący, w zależności od wybranego sposobu łączenia. Po utwardzeniu kleju czy lutowaniu w piecu, warstwa laminowana jest z kolejnymi. Dalej wszelkie operacje prowadzone są identycznie, jak z każdym laminatem.
W przypadku tego procesu, inspekcja wizualna jest niezwykle istotna. Jakiekolwiek błędy spowodują, że płytka będzie niesprawna, a naprawa nie będzie możliwa. Oprócz inspekcji wizualnej PCB, warto również sprawdzić lutowane elementy, jakkolwiek w przypadku dobrej ich jakości z renomowanych źródeł nie powinno to być problemem.
Subtraktywna obróbka cienkowarstwowa
Wykorzystując obróbkę subtraktywną, możliwe jest wytwarzanie w poszczególnych warstwach bezpośrednio rezystancji, pojemności czy indukcyjności. Oznacza to możliwość dodawania w dowolnych miejscach PCB pasywnych elementów, bez konieczności instalowania rzeczywistych, fizycznych. Pozwala to w większości wypadków zmniejszyć wielkość tych komponentów w porównaniu z tymi w obudowach typu chip. Daje to więc szansę na dalsze redukowanie rozmiarów systemu.
Proces wytwarzania tych elementów jest podobny do większości metod produkowania PCB: litografia, elektroosadzanie i trawienie to typowe, znane podejścia. Laminat miedziany jest używany jako podstawa do wykonywania połączeń elektrycznych. Dostawca laminatów może dostarczyć arkusz miedziany z cienką warstwą oporową na powierzchni. Materiał ma opór wyrażony w omach na kwadrat.
Oporność arkusza mieści się w zakresie od 25 do 250 Ω/□ (na kwadrat) z niskim współczynnikiem temperaturowym oporności (TCR). Wynik tolerancji po trawieniu wynosi 8-16%.
Oporność wyrażana w Ω/□ jest często stosowaną jednostką rezystancji właściwej materiałów, które nie posiadają jednego z wymiarów, np. cienkie warstwy — dokładnie takie, jakie wykorzystuje się do wytwarzania oporników w PCB. Jak wiemy, rezystancja zależna jest od geometrii układu — im dłuższy jest przewodnik, tym jest ona większa, a im większy jest przekrój przewodnika, przez który płynie prąd, tym rezystancja jest mniejsza. W płaskiej warstwie materiału rezystancyjnego jeden wymiar przekroju jest stały, więc zależy on od jednego z wymiarów pola, a drugie z nich jest długością. Rezystancja podawana jest: „na kwadrat”, tzn. w momencie, gdy oba wymiary są równe, jak pokazano na rysunku 5. Niezależnie od ich wielkości, rezystancja jest proporcjonalna do ich stosunku. Jeśli oba wymiary (długość L i szerokość W) są takie same, rezystancja wynosi tyle, ile podano: „na kwadrat”. Jeśli zwiększymy długość – L = 2W – to opór podwoi się. Jeżeli skrócimy do połowy – 2L = W – opór spadnie do połowy, podanego: „na kwadrat”.
Subtraktywny proces produkcji rezystorów na PCB stosuje kilka kroków naświetlania masek, trawienia etc. Bardzo podobnie, jak zwykła produkcja miedzianych ścieżek etc. Wykorzystuje się tutaj jednakże specjalny laminat, który pomiędzy warstwą dielektryka a miedzi posiada osadzoną warstwę rezystancyjną. Materiał warstwy dielektrycznej dobrany jest w taki sposób, iż nie jest on trawiony za pomocą środków do trawienia miedzi. Warstwę rezystancyjną usuwa się przy użyciu specjalnych odczynników, opartych na siarczanach.
Wytwarzanie pokazano schematycznie na rysunku 6. Pierwszy proces litograficzny nakłada na podłoże maskę odpowiadającą kształtowi ścieżek i rezystorów. Dwustopniowy proces trawienia pozwala — w pierwszym etapie usunąć warstwę miedzi, a w drugim rezystancyjną — z wszystkich obszarów poza maską. Następnie maska jest zmywana i nakładana kolejna, tym razem maskująca całą płytkę, poza przestrzeniami, gdzie znajdować mają się oporniki. Kolejnym krokiem jest eliminacja miedzi z tych obszarów, a pozostawienie warstwy rezystancyjnej. Po usunięciu maski, warstwa jest gotowa do laminacji z kolejną.
Kondensatory wbudowane również wykonywane są technikami litograficznymi, wykorzystując fakt, że możliwe jest wytworzenie substratów, składających się z dwóch warstw miedzi oddzielonych bardzo cienką warstwą dielektryka. Para przewodzących płaszczyzn ustawionych jest blisko siebie i formuje kondensator. Typowo stosuje się materiały dielektryczne takie jak FR 4, poliimid i epoksyd. Zalecane są cienkie arkusze laminatu pokrytego miedzią z dielektrykiem o wysokiej stałej dielektrycznej. Kondensatory takie idealnie sprawdzają się do tłumienia zakłóceń wysokich częstotliwości z uwagi na relatywnie niską pojemność. Dla typowych laminatów kondensator wykonywany tą techniką ma pojemność około 1 nF na każdy cm² nakładających się warstw miedzi.
W procesie subtraktywnym możliwa jest również produkcja indukcyjności, jednakże nie wymaga ona specjalnych technik. Standardowe ścieżki miedziane układa się w spiralę. Indukcyjność takiego elementu jest definiowana przez geometrię ścieżek. Projektowanie i analiza wbudowanej cewki w laminacie wielowarstwowym jest dosyć kłopotliwa, ale produkcja już bardzo prosta i tania. Dodatkowo, modyfikować można te architektury, dodając w odpowiednich miejscach rdzenie ferrytowe czy inne elementy magnetyczne, modyfikując indukcyjność cewek.
Addytywny proces grubowarstwowy
Technologia grubowarstwowa to technika nakładania materiałów (przewodzących, rezystorów, dielektryków) w postaci pasty na podłoże w określonych wzorach. Wykorzystuje się do tego na przykład sitodruk. Dzięki temu to bardzo prosty technologicznie proces, niewymagający litografii, osadzania warstw czy trawienia. Metalizacja z materiału rezystancyjnego jest nakładana tylko tam, gdzie jest to potrzebne. Emulsja z materiału rezystancyjnego jest nalewana do specjalnego sita z otworami. Sito jest stworzone z precyzyjnych plecionych drutów, zazwyczaj 200-400 drutów na cal. Otwory na sicie wykonywane są fotolitograficznie.
Pasta przewodząca zawiera proszki metaliczne i spoiwa. Dodatkowo często używa się nanokompozytów ceramiczno-metalowych, wypełnionych węglem polimerów oraz materiałów stopowych, takich jak NiCr, NiCrAlSi, CrSi, TiNxOy czy TaNx.
Alternatywnie, elementy te można wykonać z pomocą nanoszenia materiału przez maskę fotolitograficzną. Po nałożeniu i naświetleniu rezystu wywołuje się go i nanosi na niego warstwę rezystywną. Na warstwę oczyszczoną acetonem i mikrotrawioną w celu poprawy przyczepności nakłada się suchy film fotoczuły o grubości 30 μm, który naświetla się przy użyciu maski negatywowej i wywołuje. Grubość maski jest istotna. Definiuje ona wysokość naniesionego materiału i, w konsekwencji, rezystancję elementu. Po nałożeniu materiału na płytkę unosi się rezyst, pozostawiając tylko oporniki i wygrzewa się ją w temperaturze 150°C przez co najmniej 1 godzinę, aby sfinalizować proces produkcji rezystora.
Wytworzone w ten sposób oporniki można trymować z pomocą lasera, odparowując fragmenty naniesionego opornika. Pozwala to na uzyskanie elementów w tolerancji nawet 1%.
Addytywne wytwarzanie kondensatorów jest bardziej złożone. Na oczyszczoną warstwę ścieżek w PCB nakłada się (np. z pomocą powlekania obrotowego) warstwę dielektryka polimerowego lub ceramicznego, a na niego laminuje się warstwę folii miedzianej. Na tak przygotowaną warstwę nanosi się fotorezyst, który naświetla się tak, aby wymaskował on miejsca, gdzie ma znajdować się nasz kondensator. Pozostałe obszary są odkryte, co umożliwia usunięcie zbędnego dielektryka i folii miedzianej np. poprzez trawienie. W ten sposób pozostawia się tylko kondensatory w zaplanowanym miejscu.
Z uwagi na zapotrzebowanie na elementy wysokiej pojemności rozwijane są dielektryki o wysokim współczynniku dielektrycznym, takie jak ceramika na bazie baru i tytanu oraz różnych szkłach. Pozwala to na nakładanie warstw o grubości 28-34 μm, która po wypaleniu redukuje się do około 20 μm. Pasta, po rozprowadzeniu na PCB, jest suszona i wypalana w atmosferze azotu w temperaturze 900°C w celu utworzenia komponentów ceramicznych. Dla porównania, warstwy polimerowe są suszone przy 80-280°C. Zastosowanie tych ceramik pozwala osiągnąć do 1,5 nF / mm², co umożliwia efektywne wykonywanie kondensatorów o wartościach od 100 pF do 60 nF.
Podsumowanie
Umieszczanie elementów pasywnych w PCB ma wiele zalet: pozwala zwiększyć gęstość upakowania na PCB. Możliwe jest wobec tego zmniejszenie rozmiaru systemu — można ulokować wiele komponentów jeden nad drugim na różnych warstwach. Dodatkowo, wykorzystanie tej techniki zwiększa niezawodność całości i minimalizuje awarie połączeń lutowanych. Przekłada się to na wydłużenie MTBF (średni czas między awariami), zwłaszcza w trudnych warunkach.
Ulokowanie elementów w PCB pozwala również na zmniejszenie szumów w magistrali zasilającej i szybsze oraz czystsze sygnały elektryczne poprzez redukcję zakłóceń elektromagnetycznych. Takie projekty mogą posiadać więcej funkcji w tej samej objętości. Mogą być lekkie i po prostu tańsze — mimo zwiększenia kosztów laminatu per cm². To dzięki temu, że nie musimy płacić za elementy dyskretne, a samo PCB może być mniejsze i lżejsze.
Oczywiście, rozwiązanie takie ma również swoje wady. W przypadku komponentów wbudowanych nie można ich wymieniać, jeśli są wadliwe. Jak wspomniano, koszt na centymetr kwadratowy rośnie z powodu konieczności dodania dodatkowych warstw dla elementów wbudowanych. Niemniej ogólna cena płytki będzie niższa.
Producenci PCB muszą teraz wytwarzać elementy pasywne, zamiast je po prostu kupować. Brak doświadczenia w tym zakresie może wywołać wahania lub opór w stosowaniu tej technologii. Wiele badań już potwierdziło, że wbudowane elementy pasywne są kompatybilne ze wszystkimi typowymi aspektami produkcji PCB, w tym z projektowaniem, wytwarzaniem i testami niezawodności. Jednak podłoże musi być zdolne do wytrzymywania wszystkich warunków przetwarzania, takich jak narażenie na odczynniki chemiczne i warunki mechaniczne. Wyzwaniem dla wbudowanych komponentów jest zwiększenie: wartości oporu dla rezystorów i pojemności dla kondensatorów, a także uzyskanie lepszej tolerancji wytwarzanych elementów.
Źródła:
* Khan, M.I., Dong, H., Shabbir, F. et al. „Embedded passive components in advanced 3D chips and micro/nano electronic systems”, Microsyst Technol 24 (2018).
* Cauwe, M., Baets, J.D., Schmid, G.D., Galler, C., Heřt, J., Cuyper, S.D. & Lacombe, D., „Passive component embedding in printed circuit boards for space applications”, 2nd Space Passive Component Days (SPCD), International Symposium (2016).
* Aliza Mizrachi, „Embedded Passive Components: Trend & Applications”, Orbotech.
* https://www.pcbway.com/blog/PCB_Basic_Information/What_is_Embedded_Passive_Technology_PCB_Knowledge_f9ed3b90.html
Fajne? Ranking DIY
