Встроенные компоненты. Часть 1

автор Верн Солберг (Vern Solberg) |

Печатная плата традиционно служила платформой для монтажа и соединения активных и пассивных компонентов на внешних поверхностях. Компании, которые пытаются улучшить функциональность и минимизировать пространство, сейчас рассматривают для широкого спектра этих компонентов технологию встраивания в структуру схемы. И активные, и пассивные элементы являются кандидатами на встройку, но решение по встраиванию компонентов внутрь структуры многослойной платы должно приниматься на ранних этапах процесса разработки.

Некоторые компоненты легко интегрировать в подложку, тогда как другие могут потребовать более сложных процессов, которые будет трудно рационализировать. Процессы эволюционировали до встраивания и соединения ряда основных пассивных компонентов: резисторы, конденсаторы и индукторы. Однако, самым проработанным и экономичным процессом для реализации является встраивание резисторов. Сформированный резистор имеет две медные площадки с материалом сопротивления, нанесенном между этими площадками. Форма материала сопротивления может быть простым прямоугольником или формой, разработанной для максимальной длины резистора на минимальной площади. В каждом случая материал сопротивления должен перекрывать медные площадки.

Встроенные резистивные элементы могут быть представлены как печатная толсто-плёночная композиция или с использованием химически протравленного тонко-пленочного процесса.

Толсто-пленочные резистивные материалы разработаны для предоставления широкого диапазона первичных значений. Резисторные разработки базируются на эпоксидной химии, заполненной углеродом, которая дает возможность трафаретной печати элементов непосредственно на подготовленных выводах на разработанном слое печатной плате, затем следует обработка продукта при температурах в диапазоне до 150°C. Эта заполненная углеродом эпоксидная толстая пленка (TF) успешно использовалась в большом количестве коммерческих устройств. Обычно такой процесс применяется там, где зазоры менее критичны. Устройства варьируются от простых дискретных потенциометров до нагрузочных и подтягивающих резисторов.

Тонко-пленочные резисторы формируются с использованием покрытий с резистивным материалом, нанесенным с помощью осаждения паровой фазы на медную фольгу. После химически определенной геометрии резистивного элемента, слой покрывается (резистор повернут вниз) до разработанного слоя печатной платы. Идеально подходящая для производства органических печатных плат, тонко-пленочная технология обеспечивает отличную однородность материала сопротивления на всей площади, обеспечивая более высокий выход и улучшенные допуски резистора. Фольга для интегрированных тонкопленочных резисторов поставляется в различных вариантах толщины и ширины с использованием  фольги класса 3. Наиболее распространена толщина меди 18 мкм (0.5 oz) и 35 мкм (1 oz).

Из-за сложности печати и обработки и времени, требующегося на эти процессы, для толсто-пленочных резисторов, производители печатных плат предпочитают применять только одно значение материала сопротивления на базовый слой подложки. Аналогично, тонкопленочный листовой материал предоставляется в единственном базовом значении. Базовые значения резисторов основываются на квадратной геометрии. Например, значение резистора определено как 2KΩ. Производитель подготавливает материал с базовым значением 1KΩ. Геометрия, представленная в файле разработки для получения резисторного элемента 2KΩ, будет составлять два квадрата в длину. Аналогично 2.5KΩ резистор потребует два с половиной квадрата. Для максимизации количества резисторных элементов на слое платы, существует несколько методов достижения большего использования процесса. Для более сложных значений проектировщик может объединить несколько квадратов вместе в линейной или змеевидной конфигурации.

Расчет геометрии резистора

И толстопленочные и тонкопленочные материалы сопротивления разработаны для предоставления широкого спектра первичных значения. Сопротивление линейного резистора записывается так:

Толстопленочные материалы доступны в значениях сопротивления, варьирующихся от 1Ω и 1 MΩ на квадрат, тогда как тонкопленочные листовые материалы могут быть представлены со значениями сопротивления, варьирующимися от 25Ω на квадрат до 1 KΩ на квадрат.

Значение сопротивления может быть рассчитано на основе формулы:

Используя эти стандартные формулы резистора вместе с фактической линейностью резистора и кривыми смешения, проектировщик сможет рассчитать и разработать большое разнообразие опций для данного желаемого значения. При разработке резисторов в форме «L» или спиралевидной конфигурации квадратная геометрия при угловом переходе предоставит значение, которое будет только половиной базового значения резистивного материала.

Поставщики рекомендуют делать ширину и длину резистора более 0,25 мм (0,010 дюйма). Более крупные размеры резистора уменьшат зависимость от изменений печати и точность процессов медного травления, помогая достичь окончательного установленного допуска резистора. Что касается выводов резисторных элементов, геометрия площадок для выводов резистора должна позволять номинальное перекрытие резистивного материала от 0,25 мм до 0,50 мм и учитывать допуски для переменных производственного процесса.

Когда требуется более высокая мощность, размер резистора должен этому соответствовать. Обратитесь к расчету размеров резистора поставщика на основе требований к рассеиванию мощности. Для более подробной информации по поводу разработки встроенных резисторов, материалов и параметров процесса обратитесь к IPC-7092, IPC-2316 и IPC-4811.

Верн Солберг (Vern Solberg) – независимый технический консультант, специализирующийся на поверхностном монтаже и разработке микроэлектроники, а также на производственных технологиях.

Источник: PCB Magazine Июнь 2017

Назад