Integrace pasivních konstrukčních součástí do desek plošných spojů (DPS) nebo do modulů

Technické požadavky na složité elektrické obvody se stále zvyšují, přičemž se zvyšují i požadavky na stále menší rozměry. Integrované obvody využívají prostor nad DPS a pasivní součástky (zejména kondenzátory) musí být co nejblíže k CPU. Řešením je integrace pasivních součástek pod CPU nebo přímo do DPS.

Výrobci desek plošných spojů se musí do budoucna více zaměřit na montáž elektronických  součástek, aby mohli nabídnout vysoce integrovaná řešení!

Již v minulosti mohli výrobci obvodových desek zabudovat do DPS antény, rezistory a kondenzátory prostřednictvím vodivých drah a jejich ploch na povrchu. Avšak zejména u kondenzátorů výrobci DPS brzy narazí na limity v oblasti dostupné velikosti kapacity, která je na deskách plošných spojů FR4 pouze cca 4. U keramických kondenzátorů je permitivita v závislosti na typu použité keramiky vyšší než 10 000.

Trh potřebuje elektronické součástky, které lze jednoduše integrovat do procesu výroby desek plošných spojů.

Přání výrobců DPS a modulů lze vyjmenovat následovně:

• minimální výška součástek
• minimální  odchylka ve směru Z souřadného systému
• měděné nebo zlaté vnější elektrody
• vhodný tvar elektrod
• max. elektrický výkon
• mechanická stabilita

Dostupné součástky – Embedded Passive Devices (EPD)

Odpory:

Integrace odporů do odporů není ve vývoji rezistorových sítí žádnou novinkou, byla již dosažena  implementace stále menších rozměrů až k 008005. Nicméně pro integrování jsou požadovány součástky s co nejmenší výškou. KOA zde nabízí sérii XR73 v základních velikostech 0201 a 0402, s výškou pouhých 0,13 ± 0,02 a 0,14 ± 0,03 mm. Zabudované odpory mají hodnoty od 1R po 10MR podle E96 pro 1 %  a E24 pro 5 %. Vnější měděné elektrody mají větší kontaktní plochy ve srovnání se standardními odpory téhož tvaru.

Keramické vícevrstvé kondenzátory (MLCC):

MLCC sestávají, jak je zřejmé již z jejich názvu, z vícevrstvých, pokovených keramických desek, které jsou propojeny s vnějšími elektrodami. Aby došlo ke zvýšení kapacity při použití stejné velikosti pouzdra a keramického materiálu, bývá u MLCC již od jejich vynalezení neustále zvyšována jejich výška.

Avšak někteří výrobci mohou nabídnout stejnou kapacitu u tzv. Low profile (nízko profilových) kondenzátorů. Technické řešení spočívá v použití a zpracování keramického materiálu s menší zrnitostí.

 

Průřez MLCC na kontaktní straně

Velikost 0402 [1,0 x 0,5 mm]
Celková tloušťka 100 µm
Tloušťka niklové vrstvy 1 µm
Tloušťka vrstvy vnější elektrody, měděná vrstva 10 µm

Zdroj: Taiyo Yuden

Aktuální  produktová nabídka od Taiyo Yuden pro zabudované keramické kondenzátory s měděnou vnější elektrodou vykazuje následující hodnoty pro velikosti 0402 & 0201:

Momentálně nejnižší dostupná low profile součástka může být nabídnuta ve velikosti EIA0201 [0,6 x 0,3 mm] s 0,08 mm (zinkové vnější elektrody). Tato součástka se vyznačuje jmenovitým napětím 2,5 V, jmenovitou kapacitou 100 nF a dielektrikem X5R.

Relativně nová velikost 008004 [0,25 x 0,125 mm] s tloušťkou 0,125 mm v současnosti umožnuje velikost kapacity v rozsahu 220 pF~22 nF u X5R a 0,2 pF~8,5 pF u C0G.

Induktory

SMD induktory jsou k dispozici s drátovou i vícevrstvou technologií. Základní materiály mohou sestávat z keramiky a feritu, ale také z kovových složek.

Low profile řešení jsou například:

Wire-wound - série CBMF:

0603 [1,6 x 1,8 mm] výška 0,8 ± 0,2 mm; hodnoty 1 µ~47 µH u např. I_S:0,29 A I_T:0,77 A @ L:1 µH

Multilayer – série CKP:

0603 [1,6 x 1,8 mm] výška max. 0,95 mm; hodnoty 0,33 µ~2,2 µH u např. I:0,75 A @ L:1 µH

1008 [2,5 x 2,0 mm] výška max. 1,00 mm; hodnoty 1 µ~2,2 µH u např. I:1,2 A @ L:1 µH

Multilayer vysoká frekvence – série HK:

0201 [0,6 x 0,3 mm] výška 0,3 ± 0,03 mm; hodnoty 1 n~100 nH

Power metal composite – série MC:

0603 [1,6 x 1,8 mm] výška max. 0,6 mm; hodnoty 0,24 µ~1 µH u např. I_S:2,0 A I_T:1,3 A @ L:1 µH

SMD ferrit bead – série BK/BKP:

01005[0,4 x 0,2 mm] výška 0,2 ± 0,02 mm

 

Přednosti EPD v krátkém přehledu

• Vyšší integrace designu zapojení, cca. 30~60 % konvenčního designu
• Kratší cesty, redukce ztrát
• Velmi dobrá odezva při vysokých frekvencích
• Lepší odvod tepla a tepelné radiace, lepší prodění vzduchu
• Nižší emise rušení – EMC! – DE version EMV
• Vyšší spolehlivost
• Lepší odezva na rychlé změny teplot
• Epoxidová pryskyřice zabraňuje korozi způsobené korozními plyny O2 a H2S

Aspekty EPD k další diskusi

• Skladovatelnost
• Oxidace měděné elektrody
• Odolnost vůči kyselinám a louhům
• Zpracovatelnost laserem
• Mechanick é namáhání
• ESD kompatibilita
• Doposud neexistuje standardizace přesahující jednotlivé výrobce

Máte-li další technické dotazy, nebo chcete-li si objednat bezplatné vzorky, neváhejte nás kontaktovat.