Fertigungsgerechtes Design von Embedded Components

| Autor / Redakteur: Dirk Müller * / Gerd Kucera

Bild 1: Schliff eines Embedded-Widerstands mit zwei Single Layer Vias pro PAD
Bild 1: Schliff eines Embedded-Widerstands mit zwei Single Layer Vias pro PAD (Quelle: Würth Elektronik)

Herstellungsprozesse für Leiterplatten mit integrierten Bauteilen sind erschwinglich und stabil geworden. Geeignete ECAD-Software mit den erforderlichen Designregeln sorgt für das einfache Design.

Embedded Components sind aktive oder passive Bauteile, die auf Zwischenlagen einer Leiterplatte platziert werden und somit in der Leiterplatte integriert sind. Diese Technologie gibt es zwar schon seit geraumer Zeit, jedoch hat die steigende Anforderung nach Miniaturisierung von Baugruppen auch die Leiterplattenfertiger dazu bewegt, ihre Prozesse zu optimieren und jetzt kostengünstigere Herstellungsverfahren für Embedded Components anzubieten.

Dies wiederum hat ein vermehrtes Interesse aus verschiedenen Industriezweigen zur Folge und damit auch eine erhöhte Nachfrage an dieser Technologie. Bei heutigen zweiseitig bestückten Leiterplatten-Designs nehmen passive Bauteile wie Kondensatoren und Widerstände bis zu 70% der verfügbaren Platzierungsfläche ein. Die Herausforderung für PCB-Entwickler besteht heute darin, jeden Quadratmillimeter der Leiterplatte optimal zu nutzen.

Mit im Inneren einer Leiterplatte platzierten Embedded Components kann wertvolle Fläche hinzugewonnen oder die Abmessung der Leiterplatte reduziert werden. Selbst die kostensensitiven Hersteller von Mobiltelefonen evaluieren, inwieweit embbeded passive Bauteile Wettbewerbsvorteile bringen können. Die Kombination von mehr Funktionalität und kleinerem Form-Faktor bietet Einsparpotenzial bei den Gesamtkosten bzw. mehr Möglichkeiten, die technischen Eigenschaften zu erhöhen, zumal die integrierten Bauteile zugleich zuverlässiger gegen äußere Einflüsse geschützt sind.

Um elektrische Bauteile in einer Leiterplatte zu platzieren, ist ein sequenzieller Lagenaufbau notwendig, der wiederum einzelne aufeinanderfolgende Fertigungsschritte ermöglicht. Im ECAD-Design sind diese Schritte als Fertigungsvorgaben (Designregeln) zu beachten. In den Design-Daten müssen alle Einschränkungen der Fertigung fehlerfrei berücksichtigt werden. Eine Prüfung dieser Regeln sollte immer online erfolgen, da sich die diversen fertigungsgerechten Zusammenhänge über mehrere Lagen erstrecken. Die abschließenden Fertigungsunterlagen dokumentieren das Design so, dass ein Hersteller eine eindeutige Fertigungsanweisung direkt aus der ECAD-Software bekommt.

Unterschiedliche Anschlussarten der Bauteile

Embedded Components können durch zwei unterschiedliche Herstellungsverfahren kontaktiert werden. Zum einen lassen sich die Bauteile per SMD-Bestückung auf einen später internen Leiterplatten-Core auflöten. Zuerst wird eine normale Leiterplatte (Core) ohne Schutzlack gefertigt. Auf diesen Core werden später in Aufbautechnik weitere Lagen laminiert, wobei diese neuen Lagen an jenen Stellen ausgestanzt sind, an denen bereits Bauteile auf dem Core aufgelötet wurden. Diese SMD-Technologie wird in PCB-Software als Direct-attached-Methode bezeichnet.

Die zweite Herstellungsmethode ist die Single-Layer-Via-Technologie. Hierbei wird ein Bauteil auf eine Kupferfolie aufgeklebt, die später eine elektrische Lage der Leiterplatte sein wird, bevor es kopfüber mit der Folie in den Lagenaufbau eingebracht wird. Auch hier sind in das benachbarte Dielektrikum und die benachbarten Lagen entsprechende Aussparungen (Cavities) einzustanzen. Später wird mit einem Laserstrahl ein Loch durch die Kupferfolie und den Kleber geschossen und das Bauteil per Metallisierung mit einem Single Layer Via kontaktiert.

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