無源器件電阻和電容在電路板中的內(nèi)置

　　無源器件內(nèi)置是一個(gè)相對(duì)較新的概念。為什么要內(nèi)置它們呢?原因是電路板表面空間的緊張。在典型的裝配中，占總價(jià)格不到3%的元件可能會(huì)占據(jù)電路板上40%的空間!而且情況正變得更為糟糕。我們?cè)O(shè)計(jì)的電路板要支持更多的功能、更高的時(shí)鐘速率和更低的電壓，這就要求有更多的功率和更高的電流。噪聲的預(yù)算也隨著更低的電壓而降低，同時(shí)還需要對(duì)電源分布系統(tǒng)進(jìn)行很大的改進(jìn)。這一切都需要有更多的無源器件。這也就是為什么對(duì)無源器件使用的增長(zhǎng)速率高于有源器件的原因。

　　將無源器件置入電路板內(nèi)部帶來的好處并不僅僅是節(jié)約了電路板表面的空間。電路板表面焊接點(diǎn)將產(chǎn)生電感量。嵌入的方式消除了焊接點(diǎn)，因此也就減少了引入的電感量，從而降低了電源系統(tǒng)的阻抗。因此，嵌入式電阻和電容節(jié)約了寶貴的電路板表面空間，縮小了電路板尺寸并減少了其重量和厚度。同時(shí)由于消除了焊接點(diǎn)，可靠性也得到了提高(焊接點(diǎn)是電路板上最容易引入故障的部分)。無源器件的嵌入將減短導(dǎo)線的長(zhǎng)度并且允許更緊湊的器件布局，因而提高電氣性能。

　　平面電容

　　通常使用嵌入式電容的方法包括一種叫做分布式電容或平面電容的概念。在銅層的基礎(chǔ)上壓上非常薄的絕緣層。一般以電源層/地層的形式成對(duì)出現(xiàn)。非常薄的絕緣層使電源層與地層之間的距離非常小。這樣的電容量也可以通過傳統(tǒng)的金屬化孔實(shí)現(xiàn)。圖1表示了一個(gè)傳統(tǒng)的電路板通過使用嵌入式電容技術(shù)重新設(shè)計(jì)的比較?；旧蟻碚f，這樣的方法在電路板上建立了一個(gè)大的平行的板極電容。

　　得到的電容量的大小取決于絕緣層的厚度和介電常數(shù)，同時(shí)還與電路板的尺寸有關(guān)系。

　　C="ADkK"/t

　　其中

　　C =全部的電容量

　　A =面積

　　Dk =介電常數(shù)

　　K 是常數(shù)

　　T =厚度

　　唯一的真正商用的嵌入式產(chǎn)品是BC 2000(Sanmina-SCI 公司)。其電容量很低，大約為0.5nF/in2，可以作為很好的濾波電容被應(yīng)用。板極電容在高頻情況下特別適用，因?yàn)樵诟哳l時(shí)，傳統(tǒng)的分立電容的電感量將顯著增加(見圖2)。

　　一些公司也在開發(fā)新的具有更高電容量的產(chǎn)品。其中有些是分布式電容型的，另外一些是分立嵌入式的。DuPont 和 3M正在開發(fā)分布式電容產(chǎn)品，通過在絕緣層中填充鈦酸鋇(一種具有高介電常數(shù)的材料)來獲得更高的電容量。3M公司的產(chǎn)品C-Ply使用了一種環(huán)氧的粘合劑，而DuPont的產(chǎn)品HiK則使用了一種聚酰亞胺的粘合劑。

　　分立的嵌入式電容器的制作方法是通過在金屬層(通常是在一塊方形的蝕刻過的銅箔)上印制高介電常數(shù)的電容粘劑，經(jīng)過高溫硬化處理后，在上面印制或電鍍另一金屬層。此外還有一種新穎的做法——DuPont公司在銅箔上需要的位置，按照需要的尺寸印制電容材料并進(jìn)行高溫燃燒。然后將其層壓并蝕刻掉多余的銅箔。由于該電介質(zhì)的介電常數(shù)非常高(1000+)，其電容可達(dá)到180nF/in2。Shipley公司的產(chǎn)品的介電常數(shù)則更高。這樣的一些新材料及其特性見表1。不是所有的這些材料都能被商用，但其中的一些在將來會(huì)被應(yīng)用。

　　對(duì)一個(gè)測(cè)試電路分別在沒有電容、分立的退耦電容和幾種不同材料制成的分布式電容的情況下，對(duì)其電源總線噪聲進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果見圖3。可以注意到，分立的電容在頻率上升到5G時(shí)失去其作用，而嵌入式電容仍然起作用。

　　Motorola公司的工程師則使用一種有趣的方法來內(nèi)置電容器。他們使用由包含鈦酸鋇的環(huán)氧樹脂材料制成“Mezzanine”電容器，該材料被涂在電路板上，經(jīng)過光線照射后分立的電容器就被制作完成了。感光底層的成本增加，但電容的安裝成本降低了，所以總的來說最終模塊的成本將降低了12%到14%。嵌入式電阻器也采用了這種方法。

　　經(jīng)過改進(jìn)的設(shè)計(jì)尺寸更小，重量更輕，同時(shí)與使用表貼元件相比其所占面積減少43%。制作嵌入式無源器件電路的技術(shù)被授權(quán)給三家PCB制造商：AT&S、Wus Circuits和Ibiden。Motorola已經(jīng)制造了數(shù)以百萬計(jì)的使用了嵌入式無源器件的GSM模塊。

　　嵌入式電阻器

　　有兩種方法制作嵌入式電阻器。Ohmega-Ply已經(jīng)存在大約有二十年了。它是雙金屬層結(jié)構(gòu)——銅層與一個(gè)薄的鎳合金層構(gòu)成了電阻器元素，它們形成層狀的相對(duì)于底層的電阻器。然后通過對(duì)銅和鎳的蝕刻，形成具有銅端子的各種鎳電阻。這些電阻器被層壓至電路板的內(nèi)層中。

　　Ohmega-Ply的電阻范圍只能在25~250ohm/square，但將其設(shè)計(jì)成蜿蜒樣式(高長(zhǎng)寬比)可獲得更高的電阻值。該技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于通訊設(shè)備中，例如衛(wèi)星、基站、醫(yī)療電子設(shè)備、航空電子設(shè)備和電腦設(shè)備。和嵌入式電容一樣，嵌入式電阻也可以節(jié)約空間、減少重量和尺寸。同時(shí)也可以提升電子性能。舉例如圖4，該探針卡有超過100個(gè)電阻，有6種不同電阻值。可以注意到這些電阻被直接放置在元件管腳的下方以減少信號(hào)至電阻的通路長(zhǎng)度。圖5顯示了一個(gè)照相電路，其中的電阻形成了一個(gè)可變電阻器。值得注意的是每一個(gè)電阻的阻值是漸變的，其精度經(jīng)激光校正可達(dá)+/-1%。

　　第二種制造嵌入式電阻的方法是使用電阻粘劑。它是摻雜有傳導(dǎo)性碳或石墨的樹脂，以此為填充劑，絲網(wǎng)印刷至指定處，經(jīng)過處理后層壓入電路板內(nèi)部。電阻由金屬化孔或微過孔連接至元件。使用電阻粘劑的技術(shù)已經(jīng)存在了多年，一直受限于其較高的公差和較差的環(huán)境特性而未被投入消費(fèi)應(yīng)用。新一代的產(chǎn)品已經(jīng)被開發(fā)出來并且具有更好的特性，正在逐步被應(yīng)用于更多的成熟應(yīng)用中。

　　以Siemens公司的產(chǎn)品Simov為例，它是一種基于碳的電阻粘劑，其電阻值范圍是20~150ohm/square，在100歐姆以內(nèi)公差為+/-25%，在100歐姆以上公差為+/-40%。該產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于汽車產(chǎn)品中了。其生產(chǎn)廠商是InBoard——一家Siemens和Sanmina-SCI的合資公司。 另一種粘劑產(chǎn)品是由Asahi Chemical公司開發(fā)的，其電阻值范圍是35歐姆到1兆歐姆/square。Motorola克服了使用粘劑最關(guān)鍵的限制因素：由于銅/碳表面被腐蝕導(dǎo)致電阻的漂移。Motorola開發(fā)了一種穩(wěn)定的改進(jìn)產(chǎn)品，將其置于85%RH/85oC環(huán)境中500小時(shí)的電阻的漂移小于10%。當(dāng)被加溫時(shí)這種改變是變化的，因此不能以此來推定器件在運(yùn)行時(shí)的實(shí)際性能。這些電阻器在高溫下也同樣穩(wěn)定。將其置于5X回流(峰值溫度：220oC)中，然后500個(gè)循環(huán)的液體間熱沖擊，導(dǎo)致其阻值的變化小于4%。Motorola在GSM手機(jī)模塊中使用這些電阻器。

　　粘劑已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但其公差仍然很大。還有更好的解決技術(shù)嗎?一些新興的材料和工藝已經(jīng)處于不同的開發(fā)階段(表2)。DuPont將印制在銅箔上的高溫電阻粘劑燒結(jié)成各種電阻器。該層被反壓于膠片之上形成FR4的板芯。感光性樹脂被應(yīng)用到銅箔上，經(jīng)過曝光，顯影以及蝕刻形成完全的瓷片電阻器電路。

　　這些與DuPont為銅混合電路提供的厚膜電阻是一樣的，其電阻范圍是10到100 Kohm/square，電阻溫度系數(shù)(TCR)小于220ppm/oC。其精度可被校正至+/-1%。盡管具有這些優(yōu)異的特性，高溫氮爐燃燒仍然是一種新的生產(chǎn)工藝，并且需要大量的資金投入。對(duì)金屬箔的規(guī)劃也是一個(gè)挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)HDI和其他一些優(yōu)質(zhì)的電路板。

　　Shipley公司的Insite包含一塊摻有雜質(zhì)的鉑金屬薄膜，通過化學(xué)氣相沉積的方法直接覆蓋在銅箔上(CVC)。該銅箔被反向，電阻面朝下層壓至FR4預(yù)浸料中，經(jīng)過三次蝕刻去處絕大多數(shù)的銅和多余的電阻原料，最后除去銅箔后露出電阻及其焊盤與導(dǎo)線。其電阻值可達(dá)1000ohm/square且具有良好的公差特性。

　　而MacDermid公司則致力于平面電阻的工藝。這包括在FR-4表面按照指定位置和制定的尺寸進(jìn)行光敏處理，然后直接在光敏處理過的區(qū)域鍍上鎳金屬合金，這樣形成的電阻其阻值較低，范圍較窄(25到100ohm/square)，通過改變樣式的長(zhǎng)度可獲得更高阻值。通過電鍍的方式也很難達(dá)到通過激光校準(zhǔn)的方式可以達(dá)到的很高的精度。

　　CAD工具仍待開發(fā)

　　對(duì)嵌入式無源器件的設(shè)計(jì)和測(cè)試而言，還有許多開發(fā)工作有待開展。已經(jīng)商用的產(chǎn)品，BC2000和Ohmega-Ply的技術(shù)支持是不錯(cuò)的，Ohmega-Ply有一個(gè)特別有用的設(shè)計(jì)指南。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)的CAD軟件、建模和仿真的工具也正在開發(fā)之中。電路板車間已經(jīng)建立起針對(duì)開路、短路和阻抗的測(cè)試了。但針對(duì)嵌入式的電路板，還需要增加新的測(cè)試設(shè)備和測(cè)試手段。

　　對(duì)嵌入式電阻的測(cè)試目前在內(nèi)層階段和成板階段都進(jìn)行。內(nèi)層階段測(cè)試在進(jìn)行層壓工序之前保證電阻值在需要的范圍內(nèi)。該項(xiàng)測(cè)試是由針床夾具進(jìn)行，需要注意的是測(cè)試電流不要超過額定的電流。在成板階段需要重新進(jìn)行測(cè)試以保證電阻沒有在層壓工序中被破壞。

　　在對(duì)嵌入式電容的測(cè)試中，成對(duì)的電源/地平面必須經(jīng)過高壓測(cè)試以確保很薄的電解質(zhì)中沒有短路的現(xiàn)象。最終制作完成的電容量通常并不進(jìn)行測(cè)試。對(duì)更好的設(shè)計(jì)工具和測(cè)試方法的開發(fā)是推廣并應(yīng)用嵌入式器件不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。

　　成本是一個(gè)很復(fù)雜的問題。與分立器件相比較，嵌入式器件較為昂貴。但進(jìn)一步看，對(duì)設(shè)計(jì)改進(jìn)(更小的尺寸，更少的層數(shù)，更輕的重量)，安裝費(fèi)用的節(jié)省(從雙面安裝變成單面安裝)，以及可能帶來的性能的提升都應(yīng)該被考慮到。隨著工藝的進(jìn)步、產(chǎn)量的增加以及競(jìng)爭(zhēng)方的合并，成本必然會(huì)降下來。微過孔電路板的發(fā)展就是這樣。

　　根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而言：使用更多的無源器件，性能更好。嵌入式無源器件的制作是“大量成型”，就是說所有的無源器件是一次制成的。不論設(shè)計(jì)包含一個(gè)還是一千個(gè)無源器件，其成本是相同的。包含無源器件數(shù)量較多(至少5~10/in2)的設(shè)計(jì)，其成本效率較高。當(dāng)考慮所有的成本因素時(shí)，成本效益可高達(dá)30%。

　　嵌入式的電阻和電容已經(jīng)準(zhǔn)備好被廣泛應(yīng)用了嗎?答案是還沒有。BC2000已經(jīng)相對(duì)廣泛地被應(yīng)用，同樣已經(jīng)被應(yīng)用的產(chǎn)品還有Ohmega-Ply，但更新的材料盡管看上去不錯(cuò)，卻還需要經(jīng)過更多的測(cè)試和檢驗(yàn)。制造商也需要更多的嵌入式技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)工具、測(cè)試設(shè)備、快速原型化和其他的基本設(shè)施都還沒有跟上。但是由于其優(yōu)點(diǎn)是巨大的，因此變革一定會(huì)到來，現(xiàn)在正是進(jìn)行準(zhǔn)備的好時(shí)候。