اجزای غیرفعال تعبیه‌شده: 'عناصر نامرئی' درون بردهای مدار چاپی

منبع تصویر: اینترنت

فهرست مطالب

• نکات کلیدی
• نیاز به کوچک‌سازی: چرا قطعات غیرفعال تعبیه‌شده مهم هستند
• قطعات غیرفعال تعبیه‌شده چه هستند؟
• مواد و ساخت مقاومت‌ها و خازن‌های تعبیه‌شده
• مزایای نسبت به قطعات غیرفعال نصب‌شده روی سطح سنتی
• کاربردهای حیاتی در 5G و هوافضا
• مقایسه قطعات غیرفعال تعبیه‌شده و نصب‌شده روی سطح
• چالش‌ها و ملاحظات طراحی
• روندهای آینده در فناوری قطعات غیرفعال تعبیه‌شده
• سؤالات متداول

نکات کلیدی
   1. قطعات غیرفعال تعبیه‌شده (مقاومت‌ها و خازن‌ها) مستقیماً در لایه‌های داخلی PCB ادغام می‌شوند و نیازی به نصب روی سطح را از بین می‌برند.
   2. آن‌ها باعث صرفه‌جویی 30 تا 50 درصدی در فضا می‌شوند، تلفات سیگنال را کاهش می‌دهند و قابلیت اطمینان را در دستگاه‌های با فرکانس بالا مانند ایستگاه‌های پایه 5G بهبود می‌بخشند.
   3. خمیر کربن و مواد سرامیکی به ترتیب اساس مقاومت‌ها و خازن‌های تعبیه‌شده هستند.
   4. صنایع هوافضا و مخابرات برای به حداقل رساندن تعداد قطعات و افزایش دوام به قطعات غیرفعال تعبیه‌شده متکی هستند.

نیاز به کوچک‌سازی: چرا قطعات غیرفعال تعبیه‌شده مهم هستند

از آنجایی که دستگاه‌های الکترونیکی به سمت فرکانس‌های بالاتر و فاکتورهای فرم کوچک‌تر پیش می‌روند، فناوری سنتی نصب‌شده روی سطح (SMT) با محدودیت‌هایی مواجه است. مقاومت‌ها و خازن‌های SMT فضای باارزش PCB را اشغال می‌کنند، پیچیدگی مونتاژ را افزایش می‌دهند و به دلیل طول مسیرهای بیشتر، تأخیر سیگنال ایجاد می‌کنند. در سیستم‌های 5G که در فرکانس‌های mmWave کار می‌کنند، حتی اندوکتانس‌های انگلی کوچک از قطعات سطحی می‌توانند یکپارچگی سیگنال را مختل کنند. به طور مشابه، الکترونیک هوافضا نیاز به کاهش وزن و قطعات خارجی کمتری دارد تا در برابر لرزش‌های شدید مقاومت کند. قطعات غیرفعال تعبیه‌شده با نامرئی شدن در داخل PCB، این چالش‌ها را حل می‌کنند و امکان طراحی‌های متراکم‌تر و قابل اطمینان‌تر را فراهم می‌کنند.

قطعات غیرفعال تعبیه‌شده چه هستند؟
قطعات غیرفعال تعبیه‌شده مقاومت‌ها و خازن‌هایی هستند که مستقیماً در طول ساخت در لایه‌های زیرلایه PCB ساخته می‌شوند، نه اینکه روی سطح نصب شوند. این

ادغام در مراحل اولیه تولید PCB رخ می‌دهد:
    تعبیه مقاومت: یک ماده مقاومتی (مانند خمیر کربن) روی لایه‌های داخلی چاپ یا اچ می‌شود، سپس با لیزر برش داده می‌شود تا مقادیر مقاومت دقیقی به دست آید.
    تعبیه خازن: لایه‌های سرامیکی نازک یا فیلم‌های پلیمری بین صفحات رسانا قرار می‌گیرند تا خازن‌ها را در داخل ساختار PCB تشکیل دهند.

با حذف قطعات خارجی، قطعات غیرفعال تعبیه‌شده ضخامت کلی PCB را کاهش داده و مونتاژ را ساده می‌کنند.

مواد و ساخت مقاومت‌ها و خازن‌های تعبیه‌شده

خمیر کربن به دلیل مقرون به صرفه بودن و سهولت ادغام در گردش کار استاندارد PCB ترجیح داده می‌شود.

خازن‌های مبتنی بر سرامیک پایداری فرکانس بالاتری را ارائه می‌دهند که برای برنامه‌های 5G و رادار حیاتی است.

مزایای نسبت به قطعات غیرفعال نصب‌شده روی سطح سنتی
    راندمان فضا: قطعات غیرفعال تعبیه‌شده 30 تا 50 درصد از سطح را آزاد می‌کنند و دستگاه‌های کوچک‌تری مانند ماژول‌های 5G فشرده را امکان‌پذیر می‌کنند.
    یکپارچگی سیگنال: مسیرهای جریان کوتاه‌تر، اندوکتانس و ظرفیت خازنی انگلی را کاهش می‌دهند و تلفات سیگنال را در سیستم‌های با فرکانس بالا (28 گیگاهرتز+) به حداقل می‌رسانند.
    قابلیت اطمینان: حذف اتصالات لحیم‌کاری، خطرات خرابی ناشی از لرزش (بحرانی برای هوافضا) و چرخه حرارتی را کاهش می‌دهد.
    کاهش هزینه‌های مونتاژ: قطعات SMT کمتر، زمان انتخاب و قرار دادن و جابجایی مواد را کاهش می‌دهد.

کاربردهای حیاتی در 5G و هوافضا
    ایستگاه‌های پایه 5G: واحدهای آنتن فعال (AAUs) از قطعات غیرفعال تعبیه‌شده برای دستیابی به تراکم قطعات بالا مورد نیاز برای شکل‌دهی پرتو استفاده می‌کنند، در حالی که تأخیر سیگنال را در فرستنده‌های گیرنده mmWave به حداقل می‌رسانند.
    الکترونیک هوافضا: ماهواره‌ها و اویونیک‌ها برای کاهش وزن و حذف قطعات خارجی که می‌توانند در محیط‌های پر تشعشع یا با لرزش بالا از کار بیفتند، به قطعات غیرفعال تعبیه‌شده متکی هستند.
    دستگاه‌های پزشکی: مانیتورهای قابل کاشت از قطعات غیرفعال تعبیه‌شده برای دستیابی به کوچک‌سازی و سازگاری زیستی استفاده می‌کنند.

مقایسه قطعات غیرفعال تعبیه‌شده و نصب‌شده روی سطح

چالش‌ها و ملاحظات طراحی
    پیچیدگی طراحی: قطعات غیرفعال تعبیه‌شده به برنامه‌ریزی اولیه در طول طراحی ساختار PCB نیاز دارند و اصلاحات در مراحل بعدی را محدود می‌کنند.
    موانع هزینه: هزینه‌های ابزار و مواد اولیه بالاتر است و قطعات غیرفعال تعبیه‌شده را برای تولید با حجم بالا مناسب‌تر می‌کند.
    دشواری آزمایش: نامرئی برای بازرسی استاندارد، قطعات تعبیه‌شده به آزمایش‌های پیشرفته (به عنوان مثال، TDR برای مقاومت‌ها، مترهای LCR برای خازن‌ها) نیاز دارند.

روندهای آینده در فناوری قطعات غیرفعال تعبیه‌شده
    ادغام بالاتر: تکنیک‌های نوظهور با هدف تعبیه سلف‌ها در کنار مقاومت‌ها و خازن‌ها، امکان ماژول‌های RF کاملاً یکپارچه را فراهم می‌کنند.
    مواد هوشمند: خمیرهای مقاومتی خود ترمیم‌شونده می‌توانند آسیب‌های جزئی را ترمیم کنند و طول عمر PCB را در محیط‌های خشن افزایش دهند.
    طراحی مبتنی بر هوش مصنوعی: ابزارهای یادگیری ماشینی قرارگیری غیرفعال را بهینه می‌کنند تا تداخل سیگنال را در دستگاه‌های 5G و IoT پیچیده به حداقل برسانند.

سؤالات متداول
آیا قطعات غیرفعال تعبیه‌شده قابل تعمیر هستند؟
خیر، ادغام آن‌ها در لایه‌های داخلی، جایگزینی را غیرممکن می‌کند. این امر نیاز به آزمایش دقیق در طول تولید را برجسته می‌کند.

حداکثر ظرفیت خازنی قابل دستیابی با خازن‌های تعبیه‌شده چقدر است؟
خازن‌های تعبیه‌شده مبتنی بر سرامیک فعلی به 10nF/mm² می‌رسند که برای برنامه‌های جداسازی در ICهای پرسرعت مناسب است.

آیا قطعات غیرفعال تعبیه‌شده می‌توانند جایگزین تمام قطعات نصب‌شده روی سطح شوند؟
خیر—مقاومت‌های پرقدرت یا خازن‌های تخصصی هنوز به نصب روی سطح نیاز دارند. قطعات غیرفعال تعبیه‌شده در سناریوهای کم تا متوسط ​​توان و با چگالی بالا عالی هستند.

قطعات غیرفعال تعبیه‌شده نشان‌دهنده یک انقلاب خاموش در طراحی PCB هستند و زیرساخت‌های «نامرئی» را که الکترونیک نسل بعدی را تقویت می‌کند، فعال می‌کنند. با پیشرفت فناوری‌های 5G و هوافضا، نقش آن‌ها در ایجاد تعادل بین کوچک‌سازی، عملکرد و قابلیت اطمینان تنها حیاتی‌تر خواهد شد.