Встроенные компоненты, часть 2

автор Верн Солберг (Vern Solberg) |

Технологии и процессы встраивания конденсаторов и индукторов основываются на нескольких уникальных методах. В отношении обеспечения функций конденсаторов IPC-4821 определяет два метода для формирования конденсаторных элементов внутри структуры печатной платы: на основе покрытия (медь-диэлектрик-медь) или планарная технология и не-покрываемый процесс с использованием нанесенного диэлектрического материала.

Формула 1

Распределенные (планарные) конденсаторы

Считается, что самое простое и наиболее распространенное решение – это заменить дискретные развязывающие конденсаторы поставки питания на плоские конденсаторы, использующие близко расположенные панели питания и заземления, разделенные тонким диэлектрическим слоем. Диэлектрик может быть слоем усиленным стеклом эпоксидного материала, тонким слоем не усиленного полимера или полимерным листовым материалом, заполненным керамическим порошком. Этот метод обеспечит достаточную емкость и низкую индуктивность. Диапазон емкости для плоских конденсаторов 1pF до 1mF, в зависимости от диэлектрической постоянной, толщины материала и площади.

Так как планарная емкость пропорциональна толщине диэлектрика между панелями питания и заземления, тонкие диэлектрики предпочтительнее. Это увеличиваем планарную емкость, одновременно снижая планарную распространенную индуктивность и сводит к минимуму толщину платы. Снижение планарной индуктивности также дает в результате уменьшение дорожки импеданса, при этом увеличивая эффективность дискретных емкостей. Общая емкость пары питания/заземления определяется эффективной общей площадью (площадью перекрытия) медных электродов. Эта площадь, умноженная на плотность емкости, представляет собой общую емкость.

Для моделирования планарной емкости рекомендуется следующая формула 1.

Например, если эффективная площадь электродов конденсатора составляет 1000 см2, а плотность емкости 700pF/cм2, то общая эффективная емкость будет 0.7μF. Если в разработке есть дополнительная пара панелей, то общая емкость может быть 1.4μF. Аналогичная логика используется для определения размера дискретных фильтрующих конденсаторов, построенных внутри распределительной панели.

Полиимидные (PI) пленочные конденсаторы

Значение PI распределительных планарных конденсаторов рассчитывается из PI площади и толщины. Полиимидные пленочные конденсаторы обычно используются чтобы снизить импеданс (из-за низкой индуктивности) части печатной платы в распределительной сети и удалить большинство, если не все, развязывающие конденсаторы со значением 0.1 μF или ниже.

Например, OAK-MITSUI представляет следующую формулу для оценки емкости распределительных планарных конденсаторов при использовании их PI пленочного диэлектрика:

  • Материал толщиной 12 μm имеет 140pF/cm2
  • Материал толщиной 16 μm имеет 230pF/cm2
  • Материал толщиной 24 μm имеет 310pF/cm2

Депозитные диэлектрические конденсаторы

Диэлектрические материалы поставляются в форме пасты, жидкости, порошка или предварительно осажденного паром листового материала. Эти материалы могут применяться внутри структуры слоя печатной платы, используя трафаретную печать, напыление или покрытие. Диэлектрик конденсатора требует двух проводящих панелей с использованием медной фольги ПП или другого проводящего материала, который применяется поверх диэлектрического элемента путем трафаретной печати или аддитивного покрытия. Например, метод трафаретной печати широко используется для нанесения полимерной толстой пленки (PTF) и наполненного керамикой полимерного диэлектрика (CFP) на протравленную медь, после чего печатается проводящий материал (наполненный серебром полимер) на диэлектрик для формирования второго окончания. Диапазон емкости для составов PTF и CFP составляет от 1pF до примерно 10pF.

Керамический толстопленочный диэлектрик

Множество разработок конденсаторов могут быть выполнены с использованием толстопленочной керамической (CTF) пасты на медной фольге. Диэлектрический материал наносится на тонкую предварительно подготовленную медную фольгу.  Керамическая паста содержит порошок сегнетоэлектрик Ba/TiO (барий-титанат) и стеклянный порошок для упрощения трафаретной печати. Производитель утверждает, что одно-унцевая медная фольга предпочтительнее для обработки и для стабильности фольги во время процесса обжига. При подготовке к нанесению керамического покрытия предварительно печатается очень тонкий слой смеси меди и стеклянной пасты на медный листовой материал. Препринт действует как адгезивный усилитель для диэлектрического слоя. Препринт может быть применен на элемент, который немного больше, чем соответствующий диэлектрический слой или он может покрывать всю медную фольгу. Обжиг керамического материала завершается в азотной печи при приблизительно 9000С. Керамический диэлектрик может полностью покрывать медную фольгу, или его можно удалить, чтобы покрыть только выбранные зоны. Диапазон значения для CTF покрытой фольги составляет от 1pF до примерно 10nF, в зависимости от диэлектрической постоянной, толщины материала и площади.

Наполненные керамикой фото-диэлектрики

CFP материалы дали возможность создать структуру конденсаторов рядом с внешними слоями печатной платы. CFP встроенные конденсаторы, разработанные в Motorola Labs и Vantico AG, также основаны на барий-титановом составе с диэлектрической постоянной приблизительно 20, что ограничивает плотность емкости до нескольких nF/in2. Целью разработки было создание материала, который обеспечит плотность емкости от 10 до 30 F/mm2 и будет совместим со стандартными процессами производства печатных плат. (Замечание: Руководства по разработкам конденсаторов для печати и диэлектрической фольги есть в материалах производителей).

Сформированные индуктивные элементы

Сформированные индукторы представляют собой в основном петли тока, сконфигурированные для индукции магнитного поля для хранения и управления индуктивной энергией. Наиболее часто создаваемая в структуре платы конфигурация индуктора определяется как «спиральный индуктор». Итоговая индуктивность спирали определяется длиной проводника в спирали и количеством оборотов. Пространство между оборотами тоже критично, потому что пространство контролирует резонансную частоту индуктора. Более широкие промежутки обычно снижают емкость и повышают индуктивную частоту. Планарные спиральные индукторы в ПП могут использоваться как антенны или компоненты для формирования высокочастотных согласованных фильтров в системе RFID. Размеры индукторов зависят от нескольких параметров:

  • Ширина линии
  • Промежуток
  • Геометрия

Простые индукторные элементы могут быть интегрированы в электрическую дорожку печатной платы на единственной поверхности ПП, но более сложные индукторные устройства могут потребовать штабелированной конфигурации внутри многослойной платы. Например, однослойные медные спирали могут достигать только около 10nH, однако, многослойные спирали могут быть такой конфигурации до 30 nH.

Кроме того, использование ферромагнитного материала либо в качестве сердечника внутри петли, либо расположенного внизу или сэндвич спирали в многослойной печатной плате, может вероятно расширить значение индуктора до 100nH.

Сопротивление и индукция встроенного спирального индуктора может быть рассчитана с помощью руководства, приведенного в  IPC-2316. Также в продаже есть много программных продуктов для разработки спиральных индукторов.

В качестве альтернативы формированию деталей компонентов многие компании размещают дискретные пассивные компоненты внутри слоев подложки. В следующих выпусках статьи («Встроенные компоненты, часть 3») я остановлюсь на выборе совместимых компонентов для встраивания, критериях площадок и методах прикрепления.

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

Источник: PCB Design Июнь 2017

 

Назад