Desky plošných spojů s embedded součástkami

I když se embedded součástky v deskách plošných spojů již běžně používají, např. v chytrých telefonech, není jejich návrh ani výroba ještě běžnou záležitostí. Není divu – jak návrh takových desek, tak i jejich výroba vyžadují nové postupy i technologické vybavení. Zvýšené náklady na výrobu a otázka spolehlivosti provedení desky s embedded součástkami je také velmi důležitá při rozhodování o jejich použití. I tak ale existují důvody, proč je někdy výhodné součástky do desky plošných spojů zabudovat. Pod pojmem součástka je zde míněna jak skutečná aktivní i pasivní součástka, tak i mikroelektromechanické systémy (MEMS) či celé moduly vytvořené odděleně.

Provedení desek s embedded součástkami

Metod vložení součástek dovnitř desky je více. Pasivní součástky, jako jsou kondenzátory či rezistory, mohou být v desce vytvořeny buď přímo jako plošné struktury desky, nebo mohou mít podobu klasických SMT součástek v miniaturním pouzdru (např. 01005). Aktivní součástky mívají podobu nezapouzdřených součástek (bare die, wafer-level package –WLP) kvůli malým rozměrům nebo SMT pouzder (BGA, LGA, a QFN). Aby bylo možné součástku do vnitřních vrstev vložit, bývá uvnitř desky vytvořena dutina, která je ve výsledku vyplněna vhodným materiálem, např. pryskyřicí nebo plastem požadovaných vlastností. Tenké součástky, jako jsou WLP, nevyžadují použití dutin, ale jsou v desce přímo zalaminovány. Propojení s vnějšími vrstvami zajišťují mikrootvory (mikrovia) vyplněné mědí, které jsou s vývody součástek (kontaktními ploškami) vodivě spojené různými způsoby (reflow pájením, ultrazvukem atd.). Součástky jsou ve své poloze fixovány pryskyřicí.

Základem bývá dvou- a vícevrstvá deska, na kterou se potom laminují další vrstvy připravené pro uložení součástek. I když se v podstatě jedná o výrobu vícevrstvé desky, celý výrobní proces je náročnější a vyžaduje uplatnění řady nových znalostí. Na obr. 2 jsou vidět některé z možností uložení součástky uvnitř desky do dutin (tmavě zelená a světle modrá).

Na obr. 3 jsou znázorněny dvě používané metody při uložení součástky v podobě čipu dovnitř desky, přičemž postup je stejný (shora dolů: připevnění čipu, laminování, zhotovení mikrovia otvorů, pomědění), ale liší se v orientaci čipu. Při postupu Face Up je čip natočen svými kontaktními ploškami směrem nahoru, takže po osazení na tenkou vrstvu nosiče jsou vidět. Následuje laminování a vyvrtání mikrootvorů, které jsou potom v konečné fázi pokoveny pro zajištění vodivého kontaktu s ploškami či plošnými spoji na horní vrstvě. Tento způsob uložení je dobrý s ohledem na odvod tepla, takže se používá zejména u výkonových součástek (mikrovia odvádí teplo do vrchní vrstvy desky). Tento způsob není příliš vhodný v případě uložení více součástek s různou výškou, protože se musí vyvrtat různě hluboké mikrootvory.

Postup Face Down pokládá součástku obráceně, kontaktními ploškami dolů, takže i když jsou různě vysoké, mají stejnou vzdálenost mezi nosičem a kontaktními ploškami. Tento způsob uložení bývá preferován.

Prepreg (na obr. 3 žlutě) tvoří dielektrický materiál ve více vrstvách mezi měděnými plochami jednotlivých vrstev desky, má otvory pro součástky – jednotlivé vrstvy prepregu se skládají na sebe až do výšky uloženého čipu, potom následuje prepreg bez otvorů, čímž se dutina nad součástkou uzavře. Pokud mají součástky různou výšku, jednotlivé vrstvy prepregu pro ně mají/nemají otvory. V obou případech (Face Up i Face Down) vznikne jádro dvouvrstvé desky s embedded součástkami, které může být použito jako vnitřní část vícevrstvé desky.

Další informace o montáži součástek na vnitřní vrstvy desky jsou uvedeny v článku [1] a zejména v japonském standardu JPCA o embedded součástkách v desce [2], který se zabývá terminologií, rozsáhlým přehledem možností uložení součástek v desce a doporučením pro jejich konstrukci.

Výhody desek s embedded součástkami

Přesunutí součástek do vnitřních vrstev desky umožňuje navrhnout desku menší, protože se ušetří místo na jejích vnějších vrstvách. To je pochopitelně důležité u přenosných zařízení, jako jsou na příklad mobilní telefony. Navíc jsou embedded součástky uvnitř desky chráněny před okolními vlivy, jako je vlhkost, prach, chemikálie, plyny, a netrpí tolik vibracemi a nárazy, protože jsou ve svém místě pevně a spolehlivě uloženy.

Vložením součástek dovnitř desky se ovšem také řeší mnohé elektrické problémy – výrazně kratší spoje pomáhají odstranit nebo alespoň potlačit problémy desek s velmi rychlými signály – parazitní kapacity a indukčnosti, šum, přeslechy atd. Kratšího propojení se dosáhne nejen mezi součástkami uvnitř desky, ale i při propojení se součástkou na povrchu desky, kdy při vhodném rozložení součástek na desce stačí jen krátký via otvor. Napájecí plochy desky nebo prokovené zemnicí via otvory kolem vestavěného integrovaného obvodu mohou posloužit jako velmi dobré stínění.

Via otvory dotýkající se povrchu součástky uvnitř desky účinně odvádějí teplo do vnitřní měděné vrstvy. Dostatečný odvod tepla z embedded součástek je ukázán na příkladu testovací desky vyrobené německou firmou Hofmann Leiterplatten [3]. Deska o rozměrech 54 × 62 mm se čtyřmi výkonovými součástkami o příkonu 6 W se zahřívá výrazně méně (asi 80 °C na povrchu součástky, uvnitř kolem 90 °C) v porovnání s klasickou montáží součástek, kde je sice větší část desky chladná, ale u součástek dosahuje teploty až 188 °C. Ze stejného důvodu bývá výhodné zabudovat do desky i LED signálky.

Uvnitř desky nemusí být umístěné jen součástky, ale také vodiče, např. v podobě měděných pásů (obr. 5), které umožňují přenést velké proudy a zajišťují dostatečný odvod tepla z výkonových součástek – viz článek [4] o deskách rakouského výrobce Haeusermann [5].

Spolehlivost desek s embedded součástkami je ovšem jedním z hlavních kritérií při rozhodování o použití embedded součástek. Je to logické, protože možnost případné opravy problému někde uvnitř desky je téměř nulová. Není to jen spolehlivost vlastních součástek, ale i dopad výrobního procesu desky a následného osazování a pájení součástek na její povrch, který může spolehlivost celé desky výrazně ovlivnit. Testování zabudovaných součástek navzájem připojených uvnitř desky je problematické, ne-li nemožné.

Jak je zřejmé, použití embedded součástek v DPS má své výhody i nevýhody a při rozhodování o jejich použití se musí brát v úvahu celá řada okolností.

Desky s embedded součástkami nemusí být nutně jenom částí určitého výrobku, mohou sami o sobě být také výrobkem. Na obr. 6 je USB klíč vyrobený ve formě desky plošných spojů s embedded součástkami. Jeho výhodou je velmi ploché provedení a robustní konstrukce odolná vůči poškození a vlivům prostředí. Jiným příkladem mohou být různé snímače, kdy vrchní strany desky představují snímací plochy, zatímco elektronika je ukryta uvnitř desky. Takové provedení má opět výhodu v bezpečném ukrytí elektroniky před vlivy okolí, přičemž deska sama nevyžaduje další krytí.

Protože výroba desek s embedded součástkami je přece jen velmi náročná záležitost, objevují se různé nápady na jiná, jednodušší řešení. Jedním z nich, který zcela obchází pájení embedded součástek, byl popsán i na stránkách tohoto časopisu [6].