Vnorené rezistory v Altium Designeri

 Pasívne súčiastky predstavujú veľkú časť elektronických zariadení. Tlak trhu na nové zariadenia s väčšou integráciou funkcií, menšou veľkosťou a nižšími výrobnými nákladmi si vyžadujú menšie, kompaktnejšie a zložitejšie obvodové riešenia. Medzi hlavné stratégie prispôsobenia sa trhu môžeme zaradiť aj znižovanie počtu pasívnych súčiastok montovaných na povrchoch substrátov. Technológia vnorených pasívnych súčiastok je jednou z možností, ako zmenšovať rozmery substrátov a tým aj náklady na výrobu, ako znížiť parazitné účinky a zlepšiť celkový výkon elektronických obvodov.

Vnorené pasívne súčiastky

Z troch typov pasívnych súčiastok, ako sú rezistory, kondenzátory a cievky, hlavne rezistory a kondenzátory poskytujú potenciálny prínos pre obvody s vysokou hustotou. Pasívne súčiastky môžu byť vnorené v prepojovacom substráte s cieľom zlepšenia jeho frekvenčných vlastností. Vnorené rezistory sú veľkým prínosom pri vytváraní „Pull-up“, „Pull- -down“ rezistorov, ktoré zabezpečujú definovaný potenciál na vstupoch, resp. výstupoch obvodov alebo ako ukončovací odpor s cieľom impedančného prispôsobenia vývodov. Vnorené kondenzátory sa využívajú hlavne vo funkcii blokovacích kondenzátorov používaných na oddelenie častí elektronického obvodu. Vnorené cievky je možné využívať v DC-DC meničoch, resp. v obvodoch napájania elektronických modulov.

Vnorené rezistory a kondenzátory sa vytvárajú zo špeciálnych materiálov, ktoré sa vkladajú medzi vrstvy viacvrstvovej dosky plošných spojov (DPS). Tieto materiály by mali byť vo všeobecnosti tenké, aby nemali vplyv na výslednú hrúbku DPS. Vnorené cievky sa vytvárajú prevažne vo forme plošných cievok na jednotlivých vrstvách DPS. Jednotlivé časti cievky sú prepojené pomocou prekovených otvorov vo vrstvách DPS, v ktorých je cievka vytvorená.

Materiál pre vnorené rezistory

Hlavným motivačným faktorom pre návrh jedného z riešení, ako používať vnorené rezistory v návrhovom systéme Altium Designer, bola potreba DPS na báze materiálu „OhmegaPly“ pre realizáciu vnorených rezistorov. Tento materiál je tvorený vrstvou nikel-fosforovej zliatiny, ktorá je elektrochemicky nanesená na vodivú medenú vrstvu, čím sa vytvorí zostava dvoch vrstiev (vodivej a odporovej) vo forme tenkej odporovo-vodivej vrstvy označovanej RCM (Resistor-Conductor Material). Zostava dvoch vrstiev môže byť laminovaná s dielektrickým materiálom (epoxidovým, polyimidovým, PTFE) a inou vodivou vrstvou, čím sa vytvorí doska plošného spoja (obr. 1).

Obr. 1 RCM materiál „OhmegaPly“

Na takto vzniknutej DPS sa vnorené rezistory vytvárajú procesom leptania. Prehľad hrúbky NiP vrstvy, jej zodpovedajúcej hodnoty plošného odporu a oblasť použitia sú uvedené v tabuľke Tab. 1.

Tab. 1 Hodnoty plošných odporov NiP odporovej vrstvy

Návrh rozmerov vnoreného rezistora

Hodnota odporu vnoreného rezistora v tvare obdĺžnika sa vypočíta podľa vzťahu:

kde R je požadovaná hodnota rezistora, Rs – plošný odpor RCM materiálu, L – dĺžka rezistora, W – šírka rezistora (obr. 2).

Obr. 2 Vnorený rezistor na báze NiP zliatiny

Výsledný rezistor nemusí mať len tvar obdĺžnika alebo čiary, ale môže mať napríklad aj tvar meandra s cieľom šetrenia miesta pri vytváraní odporu s vysokou hodnotou. Rezistor typu meander pozostáva z plošných rezistorov, ktoré sú navzájom prepojené „rohovými“ rezistormi. Z dôvodu zmeny prúdovej hustoty v rohových segmentoch meandra zmení sa ich efektívny odpor z hodnoty 1 na hodnotu 0,56.

Pre výpočet odporu meandra na obrázku 3 je možné použiť nasledujúcu úvahu. Ak použitý RCM materiál má hodnotu plošného odporu Rs = 100 Ω/■, počet štvorcov meandra je 37, počet rohových rezistorov je 16, potom počet efektívnych štvorcových rezistorov, ktoré sa podieľajú na výslednej hodnote odporu, je 37 + (16 × 0,56) = 45,9. Výsledná hodnota odporu meandra bude približne 46 × 100 = 4,6 kΩ.

Návrh vnorených rezistorov v Altium Designeri

Jeden z mála návrhových systémov pre DPS, ktorý ponúka riešenie používania vnorených rezistorov je Mentor Graphics. Mentor Graphics ponúka plne automatizovaný návrh a implementáciu vnorených rezistorov do návrhu DPS, čím sa znižujú riziká možných chýb, znižuje sa čas a náklady potrebné na vývoj zariadenia. Toto riešenie umožňuje používateľovi rozhodnúť sa, ktoré rezistory budú realizované ako vnorené a ktoré budú osadené na povrchu DPS.

Keďže na pracovisku používame návrhový systém Altium Designer a chceme realizovať návrhy DPS s vnorenými rezistormi, hľadal sa spôsob, ako využiť možnosti návrhového systému pre tieto špeciálne požiadavky. Dôraz sa kládol na to, aby navrhnuté riešenie plne vyhovovalo bežnej práci s návrhovým systémom od kreslenia schémy cez kontrolu integrity schémy a DPS, kontrolu návrhových pravidiel až po generovanie výstupov potrebných na výrobu DPS.

Obr. 3 Tvary vnorených rezistorov

Riešenie návrhu vnorených rezistorov spočíva vo vytvorení knižnice (PcbLib) vnorených rezistorov. Podľa hodnoty plošného odporu použitého RCM materiálu sa vypočíta rozmer a navrhne tvar rezistora. Ak pri používaní SMD rezistorov stačí navrhnúť puzdro (footprint) len pre rozmer rezistorov (napr. 0805, 1206), pri vnorených rezistoroch je potrebné do knižnice navrhnúť rezistor pre každú hodnotu odporu použitú v návrhu DPS. V elektrickej schéme sa vyberie puzdro rezistora s požadovanými rozmermi.

Napríklad puzdro vnoreného rezistora s označením 0,3 × 5 znamená: šírka rezistora (štvorca) je 0,3 mm a dĺžka rezistora je 5 štvorcov, teda celková dĺžka rezistora je 5 × 0,3 = 1,5 mm.

Obr. 4 Postup vytvárania vnorených rezistorov s materiálom „OhmegaPly“

Návrh rezistora v knižnici musí zodpovedať technológii výroby vnorených rezistorov. Postup vytvárania vnorených rezistorov je znázornený na obr. 4.

Obr. 5 Nastavenie vrstiev pre návrh vnoreného rezistora

Keďže vnorený rezistor sa skladá z vodivej vrstvy (RCM_C) a odporovej vrstvy, je potrebné v nastavení „Layer Stack Manager“ pridať jednu vnútornú vrstvu s označením RCM_R. Spodná vrstva dvojstrannej DPS bude predstavovať „Copper Layer“, teda spodnú vodivú vrstvu RCM materiálu (obr. 5).

Vrstva RCM_C sa použije na tvorbu vývodov (padov) rezistora (podobne ako pri SMD) s tým rozdielom, že je potrebné nastaviť hodnoty „Paste Mask Expansion“ a „Solder Mask Expansion“ tak, aby sa do filmových predlôh pre nespájkovateľnú masku a spájkovaciu pastu nepridávali informácie o padoch vnorených rezistorov (stačí zadať záporné číslo, väčšie ako priemer padu). Vo vrstve RCM_R je vytvorený výsledný tvar vnoreného rezistora.

Obr. 6 Ukážky vnorených rezistorov

Ak chceme v návrhu DPS využívať medenú plochu na rozvod potenciálu (GND) použitím príkazu „Polygon pour“, je potrebné vo vrstve RCM_C pri návrhu rezistora zadefinovať oblasť „Polygon Pour Cutout“, ktorá automaticky odstráni tú časť polygónu, ktorá by zabraňovala vytvoreniu rezistora. V niektorej z mechanických vrstiev je vhodné vyznačiť obrysy plošných štvorcov, čo prispeje k lepšej vizuálnej kontrole rezistora v procese návrhu DPS. Niektoré tvary rezistorov sú znázornené na obr. 6.

Leptanie medenej vrstvy nad rezistorom sa zabezpečí pomocou maskovacej plochy, ktorú je vhodné umiestniť do niektorej z mechanických vrstiev (obrázok 6).

Objekty umiestnené v mechanickej vrstve sa v 3D pohľade na DPS nezobrazujú a je možné z nich vygenerovať gerber súbor pre vytvorenie negatívnej maskovacej filmovej predlohy.

Návrh DPS s vnorenými rezistormi

Návrh DPS s vnorenými rezistormi predpokladá také nastavenie vrstiev, aké bolo pri vytváraní vnorených rezistorov v knižnici (PcbLib). Po nakreslení schémy a vykonaní príkazu „Update PCB document“ sa na ploche PCB dokumentu zobrazia súčiastky a ich vzájomné prepojenia. Vnorené rezistory budú zobrazené v tých vrstvách DPS, v ktorých boli navrhnuté v knižnici. Ak je potrebné vnorené rezistory presunúť do iných vrstiev navrhovanej DPS, je to možné vykonať po vypnutí „Lock Primitives“ vo vlastnostiach súčiastok. Na obrázku 7 je zobrazený 2D a 3D pohľad na jednoduchý návrh DPS s vnorenými rezistormi.

Obr. 7 Zobrazenie návrhu DPS s vnorenými rezistormi

Z navrhnutej DPS je možné štandardným postupom vygenerovať súbory pre výrobu DPS (Gerber, NcDrill). Pred leptaním materiálu RCM je potrebné spojiť gerber súbory pre vrstvy RCM_C a RCM_R, čím sa vytvorí motív pre odleptanie vodivej a odporovej vrstvy. Spojenie týchto dvoch súborov je možné v CAMtastic-u pomocou príkazu „Copy to Layers“, ktorý je súčasťou návrhového systému Altium Designer. Postup vytvorenia motívu zobrazeného na obrázku 8 sa použije na leptanie RCM materiálu v kroku A a B (obr. 4).

Obr. 8 Vytvorenie predlohy na leptanie RCM vodivej a odporovej vrstvy

Aby bolo možné realizovať krok D postupu na obr. 4, je potrebné vytvoriť negatívny motív z vrstvy Maska negatívu (obr. 6). V ideálnom prípade by mohla na tento účel byť použitá aj vrstva RCM_R, ale pri nepresnom umiestnení motívu počas exponovania by mohlo dôjsť k vytvoreniu skratu neodleptaním potrebnej medenej plochy, čím by sa vytvoril prepoj medzi vývodmi rezistora. Rozmery maskovacej plochy je vhodné zvoliť väčšie o 0,1 mm na každú stranu rozmeru rezistora (obr. 6).

Obr. 9 Vytvorenie negatívnej predlohy na leptanie RCM vodivej vrstvy

Výhody používania vnorených rezistorov

Používanie vnorených rezistorov v návrhu dosiek plošných spojov prináša so sebou nasledujúce výhody:

• zvyšovanie hustoty súčiastok na DPS,
• zmenšovanie počtu prekovených otvorov a tým zväčšenie hustoty prepojovacích vodičov,
• zmenšenie počtu spájkovaných vývodov súčiastok a tým celkové zvýšenie spoľahlivosti v oblasti spájkovania.

Poďakovanie

Podporujeme výskumné aktivity na Slovensku / Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ. Tento článok bol vypracovaný v rámci projektu „Centrum excelentnosti integrovaného výskumu a využitia progresívnych materiálov a technológií v oblasti automobilovej elektroniky“, ITMS 26220120055.