Embedded Components

Auch kleine Designteams können eingebettete Komponenten erfolgreich nutzen

| Autor / Redakteur: Max Clemons * / Gerd Kucera

Bild 1: Wichtig beim Design mit Embedded Components ist die Kommunikation mit dem Leiterplattenfertiger. Die Tabelle gibt eine Übersicht über die Dokumentationen, die ihm zusammen mit den Designdateien zur Verfügung gestellt werden sollten.
Bild 1: Wichtig beim Design mit Embedded Components ist die Kommunikation mit dem Leiterplattenfertiger. Die Tabelle gibt eine Übersicht über die Dokumentationen, die ihm zusammen mit den Designdateien zur Verfügung gestellt werden sollten. (Bild: Altium)

Das Einbetten von Bauelementen in ein PCB-Substrat bietet Vorteile hinsichtlich Platzbedarf und Leistungsfähigkeit. Vorausgesetzt, dass diese Methode von der gesamten Supply-Chain einschließlich der EDA-Anbieter unterstützt wird.

Die Forderung an elektronische Geräte, bei immer kleineren Abmessungen immer mehr Funktionalität zu bieten, treibt nicht nur die Entwicklung von immer kleineren oberflächenmontierbaren Bauelementen und Halbleitergeometrien voran, sondern fördert auch den Trend, passive und aktive Bauelemente direkt in das Leiterplatten-Substrat zu integrieren. Dieser Trend zu Embedded Components hat erhebliche Folgewirkungen für die gesamte Supply-Chain in der Elektronik und bringt Herausforderungen mit sich, denen sich die Zulieferer auf sämtlichen Ebenen stellen müssen.

Die eigentliche Verantwortung für die optimale Nutzung dieser Entwicklungen fällt jedoch den Designteams zu. Diese benötigen nunmehr Automatisierungs-Tools, die mehr Flexibilität beim Planen und Erstellen von Leiterplatten bieten. Schließlich bringen die Entwurfsregeln des neuen Design-Paradigmas ganz spezifische Herausforderungen mit sich. Genau hierauf konzentrieren die Anbieter von EDA-Tools ihre Entwicklungsaktivitäten, um einem größeren Kreis von OEMs diese Fähigkeiten zur Verfügung zu stellen.

Es gibt im Wesentlichen zwei Methoden, Bauelemente in ein Substrat einzubetten: Sie können entweder auf der Leiterplatte gebildet oder in sie eingefügt werden. Im ersten Fall werden mit Kupfer und resistiven Dünnschicht-Strukturen passive (d.h. resistive, kapazitive oder induktive) Bauelemente auf einer Innen- oder Außenlage hergestellt. Die zweite Variante ist evolutionärer, denn sie ermöglicht die Platzierung von diskreten Bauelementen, ungehäusten Chips oder auch ganzen Modulen unter der Oberfläche des Substrats.

Von den vielen Vorteilen, die dieses Verfahren bietet, ist die damit mögliche Steigerung der Bestückungsdichte möglicherweise am wichtigsten. Ein entscheidender Aspekt in diesem Zusammenhang ist, dass der Bedarf an passiven Bauelementen und speziell an Kondensatoren infolge der zunehmenden Betriebs- und Signalfrequenzen steigt. Diese Entwicklung hat einen Trend zum vertikalen Stapeln von Bauelementen ausgelöst, um die Leiterbahnlängen zu minimieren. Texas Instruments brachte auf der Basis dieser Methode kürzlich einen DC-DC-Abwärtswandler mit 500 mA Ausgangsstrom auf den Markt, implementiert als ein nur 2,3 mm x 2,0 mm großes und 1,0 mm hohes Modul.

Bauelementehersteller müssen bei der Markteinführung neuer Produkte stets auf die Nachfrage nach neuen Gehäuseoptionen Rücksicht nehmen. Die speziell bei passiven Bauelementen weit verbreitete Oberflächenmontage (Surface-Mount Technology – SMT) bietet gute Voraussetzungen für das Einbetten von Bauelementen in die Leiterplatte. Die immer flacher werdenden SMT-Profile machen es jetzt möglich, die Bauelemente in oder direkt neben einem Chip zu platzieren, der in eine Leiterplatte eingebettet ist. Zum Beispiel misst ein Gehäuse des Formats 01005 (0402) nur 0,4 mm x 0,2 mm bei einer Höhe von teils nur 0,15 mm.

Die zum Verbinden dieser Bauelemente verwendete Methode stellt jedoch zusätzliche Anforderungen. Im Wesentlichen stehen hier zwei Optionen zur Wahl, nämlich das Herstellen der Verbindungen mit traditioneller Löttechnik und die Verwendung von Kupfer-Vias. Wenn gelötet wird, dann kommen universelle Multilayer-Keramikkondensatoren mit verzinnten Anschlüssen in Frage. Bei der Einbettung in das Board besteht jedoch das Risiko, dass durch sekundäre Erwärmung (beispielsweise durch die Montage von SMDs an der Oberfläche) Lötpaste das eingebettete Bauelemente umfließen und Ausfälle hervorrufen kann.

Als Abhilfe beginnt die Industrie damit, das Löten eingebetteter Bauelemente durch das Verbinden mit Kupfer-Vias zu ersetzen. Tatsächlich werden die mit dem Schmelzen des Lots verbundenen Probleme hierdurch vermieden. Im Interesse eines guten Kontakts müssen die Anschlüsse der Bauelemente in diesem Fall jedoch aus Kupfer anstatt aus Zinn bestehen. Die Industrie produziert deshalb jetzt SMT-Bauelemente mit Kupfer-Elektroden. Ein Beispiel ist die speziell für das Einbetten in PCBs vorgesehene GRU-Serie von Murata.

Inhalt des Artikels:

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 42713717 / Leiterplatten-Design)