Встроенные компоненты
Традиционным подходом к конструированию печатных плат является размещение компонентов на верхней и нижней сторонах платы. Этот процесс хорошо поддерживается производствами печатных узлов, которые обычно используют станки автоматической установки компонентов для их последующей пайки. Постоянно возрастающая потребность в миниатюризации и интеграции электронных изделий в сочетании с повышением частот сигналов в устройствах способствуют непрерывному поиску лучших способов изготовления печатных плат и печатных узлов.
Одним из способов, обеспечивающим как более высокую плотность монтажа, так и улучшенную поддержку более высоких частот сигналов, является встраивание компонентов внутри слоев структуры платы. Например, встраивание дискретных компонентов непосредственно под интегральной микросхемой может обеспечить: более короткие длины сигналов; уменьшенное сопротивление и паразитную индуктивность, что приводит к снижению шума и электромагнитных помех; улучшенную целостность сигналов схемы. Эти улучшения позволяют получить более компактные и более надежные изделия, поддерживающие более высокие скорости сигналов и более широкие полосы пропускания. В сочетании с непрерывными усовершенствованиями процессов и технологий изготовления, они также могут обеспечить уменьшение размеров изделий и снижение производственных затрат.
Встраивание компонентов влечет за собой ряд необычных требований на каждом этапе процесса: от проектирования до изготовления печатной платы, изготовления печатного узла, испытаний и обслуживания конечного изделия.
► Посмотрите видео по Поддержке встроенных компонентов
Как встроить компонент?
Встраивание компонентов привносит значительные изменения в производство печатной платы – больше нет четкого разграничения между изготовлением печатной платы и последующим монтажом компонентов в ходе изготовления печатного узла. Эти два процесса зачастую выполняются разными компаниями из-за достаточно различных процессов и технологий. При использовании встроенных компонентов они должны быть смонтированы на плату в процессе изготовления печатной платы. Хотя когда-то это было областью узкоспециализированных производств, сейчас эти процессы хорошо изучены, и есть много производителей, которые могут производить платы со встроенными компонентами.
Существует два способа встраивания компонентов: создается открытая полость, внутри которой встроенный компонент находится и остается видимым на готовой плате, либо они могут быть размещены на внутреннем слое в процессе изготовления, а затем закрыты при добавлении верхних слоев платы в процессе изготовления, так что они не видны на готовой плате.
Есть множество подходов к изготовлению платы со встроенными компонентами. Описание и изображение ниже демонстрируют один из них.
- Изготовление платы начинается с основания, покрытого медью с обеих сторон. Эти слои меди травятся и сверлятся нужным образом.
- На каждую сторону добавляется слой препрега+меди, который травится и высверливается лазером нужным образом.
- На этот слой (с одной или с обеих сторон) монтируются встроенные компоненты с помощью, например, нанесенной паяльной пасты и обработки оплавлением.
- Добавляется слой препрега с вырезом для создания полости для каждого встроенного компонента.
- На каждую сторону добавляется внешний слой препрега+меди, который травится, высверливается лазером и высверливается насквозь нужным образом.
Изготовление платы по технологии наращивания. Встроенные компоненты размещаются и закрываются в рамках этого процесса.
Обратите внимание, что для доступа ко встроенному компоненту на нижней стороне платы используются полученные лазерным сверлением микропереходы.
Конструирование со встроенными компонентами
В редакторе плат компоненты размещаются на любом сигнальном слое, а не только на верхнем или нижнем внешнем сигнальном слое, как обычно. Если компоненты размещаются на внутреннем проводящем слое, который закрыт, то эти компоненты называются встроенными. Существует два подхода ко встраиванию компонентов:
- определенная пользователем полость создает требуемый зазор вокруг компонента;
- для малых корпусов, таких как 0201, полость не создается – компонент просто закрывается при добавлении последующих слоев, в результате чего получаются выпуклости в местах этих компонентов в готовой плате.
Если для компонента нужна полость, то эта полость может быть полностью скрыта внутри платы либо она может доходить до одной из сторон платы, что создаст вскрытие. На изображении ниже показаны три встроенных компонента, для двух из которых полость определена так, что они открыты с верхней стороны платы. Средний компонент находится на слое ниже, что приводит к тому, что он оказывается полностью закрытым. С точки зрения конструктора, процесс размещения одинаков для компонентов как с открытой, так и с закрытой полостью.
Три встроенных компонента. Полости двух внешних компонентов открыты на поверхности платы, средний компонент полностью встроен.
Этот компонент полностью встроен. Для упрощения восприятия изображения компонент был выделен синим контуром, полость – оранжевым контуром.
Определение полости в библиотеке посадочных мест
Если компонент должен быть встроен и для него нужна полость, то эта полость определяется в посадочном месте компонента в редакторе библиотек посадочных мест. Обратите внимание, что добавление полости не ограничивает использование этого компонента на внешнем слое, в этом случае система будет игнорировать полость.
Чтобы определить полость:
- На механическом слое разместите объект Region таким образом, чтобы он включал в себя 3D-модель компонента, с подходящим зазором с каждой стороны. Проконсультируйтесь с производителем, чтобы выяснить, насколько большой зазор необходим.
- Для объекта Region задайте атрибуту Kind значение Cavity.
- Убедитесь, что атрибуту Layer задан подходящий механический слой.
- Задайте атрибуту Cavity Height подходящую высоту. Обычно это высота 3D-модели плюс зазор, рекомендованный производителем.
На изображении ниже показан редактор библиотек посадочных мест, где показано следующее:
- выделенное зеленое определение полости на слое Mechanical 15,
- красный контур контактных площадок компонентов,
- затененная фиолетовая область 3D-моделей, которые определяют две контактные площадки и корпус конденсатора.
Полость определена путем размещения региона на механическом слое, у которого задано Cavity для Kind и Cavity Height которого задано на требуемую глубину полости.
Обратите внимание на затененный фиолетовый регион – это 3D-модель, которая находится в полости.
Размещение и ориентирование встроенного компонента
Чтобы встроить компонент, измените его свойства и задайте в качестве слоя (Layer) нужный внутренний проводящий слой. Направление, в котором встроенный компонент будет ориентирован (вверх или вниз), определяется свойством Orientation, указанными для этого проводящего слоя в Layer Stack Manager.
Задайте Layer для компонента в панели Properties.
Задайте Orientation для компонентов на сигнальных слоях в Layer Stack Manager.
Взаимодействие полости и стека слоев
Связанная страница: Определение стека слоев
У полости, которую вы задали в редакторе библиотек посадочных мест, есть атрибут высоты. Эта высота определяет расстояние, на которое система удалит все слои над поверхностью проводящего слоя, где размещен компонент.
Чтобы упростить взаимодействие между полостью и слоями, которые она удаляет, система проверяет, что слой не будет вырезан частично. Если полость входит в слой, например диэлектрический слой, но не проходит через него полностью, то система автоматически увеличит полость, чтобы она проходила через весь этот слой.
На изображение ниже были добавлены темные линии, чтобы показать углы полости и то, как компоненты расположены под поверхностью последнего вырезанного слоя, но где вырез проходит насквозь слоя. Это поведение применимо как ко внутренним, так и к открытым полостям.
Если полость не полностью проходит через слой, система автоматически завершит создание полости через этот слой.
Встроенные компоненты, сабстеки и управляемые стеки
На изображении ниже показан Layer Stack Manager гибко-жесткой конструкции, который включает в себя встроенные компоненты. Отдельные зоны или регионы гибко-жесткой конструкции могут быть составлены из различного количества слоев. Для этого необходимо определить множество стеков, называемых сабстеками.
При включенной опции Rigid/Flex становится доступной кнопка выбора сабстека. Щелкните ЛКМ для выбора и настройки сабстека. Наведите курсор мыши на изображение, чтобы увидеть гибкий сабстек.
При встраивании компонента редактору плат необходимо управлять тем, как этот встроенный компонент будет влиять на стек слоев, с точки зрения не только его отображения, но и расчета данных, таких как вскрытия в паяльной маске и проверка правил проектирования. Это осуществляется путем создания стека для каждой отдельной комбинации размещенных + вырезанных слоев, необходимых для различных встроенных компонентов в конструкции. Эти стеки называются управляемыми стеками.
Управляемый стек создается автоматически при встраивании компонента внутрь слоев платы. Поскольку управляемые стеки создаются автоматически, нет необходимости во вмешательстве в их создание и управление ими со стороны пользователя. Редактор плат проверяет встроенные компоненты на предмет того, подходят ли существующие управляемые сабстеки или нет, и если нет, создает новый. То же самое справедливо при удалении встроенного компонента – если управляемый стек больше не нужен, он автоматически удаляется. Чтобы принудительно запустить проверку того, нужны ли управляемые стеки, переключитесь между режимами представления 2D и 3D.
Как и пользовательские стеки, управляемые стеки перечислены в панели PCB в режиме Layer Stack Regions. На изображении ниже показаны управляемые стеки для двух встроенных компонентов: R1 и C15. Используйте эту функциональную возможность для изучения размеров управляемых стеков в плоскости X-Y.
Изучение стеков слоев. Справа отображаются два управляемых стека.