Integration passiver Bauelemente in Leiterplatten oder Modulen

Die technischen Anforderungen an komplexe, elektronische Schaltungen werden immer höher, der Formfaktor immer kleiner. Die integrierten Schaltkreise nutzen den Platz über der Leiterplatte, die passiven Bauteile vor allem Blockkondensatoren müssen so nah wie möglich an die CPU. Die Lösung ist die Integration von passiven Bauelementen unter die CPU oder direkt in die Leiterplatte.

Die Leiterplattenhersteller müssen sich zukünftig mehr mit der Bestückung von elektronischen Bauteilen beschäftigen um hochintegrierte Lösungen anbieten zu können!

Schon in der Vergangenheit konnten Leiterplattenhersteller Antennen, Induktivitäten, Widerstände und Kondensatoren mittels Leiterbahnen und Leiterbahnflächen in ihren Leiterplatten abbilden. Gerade aber bei Kondensatoren kommen die Leiterplattenhersteller an die Grenzen der möglichen hohen Kapazitäten, da das e_r bei FR4 Leiterplatten nur bei ca. 4 liegt. Bei Keramikkondensatoren liegt die Permittivität je nach Keramikart bei größer 10.000.

Der Markt braucht elektronische Bauelemente, welche sich im Leiterplattenherstellungsprozess einfach integrieren lassen.

Die Wünsche der LP und Modulhersteller kann man wie folgt nennen:

• minimale Bauhöhe
• in Z Richtung minimale Toleranzen
• Kupferaußenelektroden oder Goldelektroden
• günstige Elektrodenform
• max. elektrische Performance
• mechanische Stabilität

Angebotene Bauteile – Embedded Passive Devices, kurz: EPD

Widerstände:

Die Integration von Widerständen in Widerständen ist mit den Widerstandsnetzwerken keine neue Sache, auch die Realisierung von immer kleineren Bauformen bis hinab zu 008005 ist vollzogen. Für die Integration sind jedoch „handelbare“ Bauformen bei kleinsten Bauhöhen gefordert. KOA bietet hier mit der Serie XR73 in den Grundbauformen 0201 und 0402, eine Bauhöhe von nur 0,13±0,02 bzw. 0,14±0,03mm an. Die Embedded Widerstände bilden einen Wertebereich von 1R ~10MR nach E96 1% bzw. E24 5% ab. Die Kupferaußenelektroden haben größere Kontaktierungsflächen im Vergleich zu Standardwiderständen gleicher Bauform.

Keramische mehrlagige Kondensatoren (MLCC):

MLCC bestehen wie der Name schon sagt aus mehrlagigen, metallisierten Keramikplatten, welche wechselseitig zu den Außenelektroden kontaktiert werden. Zur Erhöhung der Kapazität, bei gleicher Grundfläche und Keramik-material, wurde schon seit der Erfindung der Multilayer Keramikkondensatoren in die Höhe gebaut.

Einige Hersteller können jedoch die gleiche Kapazität in sogenannten low profile Kondensatoren anbieten. Der technische Hintergrund ist die Verfügbarkeit und Verarbeitung von kleineren Korngrößen des Keramikmaterials.

Schnittbild eines MLCC an einer Kontaktierungsseite

Baugröße 0402 [1,0x0,5mm]
Gesamtdicke 100µm
Nickelschichtdicke 1µm
Außenelektrodenschichtdicke, Kupferauflage 10µm

Bild Quelle:Taiyo Yuden

Das aktuelle Produktspektrum von Taiyo Yuden für Embedded Keramikkondensatoren mit Kupfer-außenelektroden umfasst in den Baugrößen 0402 & 0201 folgende Werte:

Die im Moment niedrigste Bauhöhe kann in der Baugröße EIA0201 [0,6x0,3mm] mit 0,08mm (Zinnaußen-elektroden) angeboten werden. Dieses Bauteil ist mit einer Rated Voltage von 2,5V; einer Nennkapazität von 100nF und mit einer X5R Keramik spezifiziert.

Die relativ neue Baugröße 008004 [0,25x0,125mm] mit einer Dicke von 0,125mm lässt bei kleinster Grundfläche, Kapazitäten aktuell 220p~22nF in X5R und 0,2p~8,5pF in C0G zu.

Induktivitäten

SMD Induktivitäten gibt es neben den drahtgewickelten auch in der Mehrlagentechnologie. Die Kernmaterialien können neben Keramik, Ferrit auch aus Metal Composite Material bestehen.

Niedrige Bauformen sind zum Beispiel:

Drahtgewickelt - Serie CBMF:

0603 [1,6x1,8mm] Bauhöhe 0,8±0,2mm; Wertebereich 1µ~47µH bei z.B. I_S:0,29A I_T:0,77A @ L:1µH

Multilayer – Serie CKP:

0603 [1,6x1,8mm] Bauhöhe max. 0,95mm; Wertebereich 0,33µ~2,2µH bei z.B. I:0,75A @ L:1µH

1008 [2,5x2,0mm] Bauhöhe max. 1,00mm; Wertebereich 1µ~2,2µH bei z.B. I:1,2A @ L:1µH

Multilayer Hochfrequenz– Serie HK:

0201 [0,6x0,3mm] Bauhöhe 0,3±0,03mm; Wertebereich 1n~100nH

Power Metal Composite – Serie MC:

0603 [1,6x1,8mm] Bauhöhe max. 0,6mm; Wertebereich 0,24µ~1µH bei z.B. I_S:2,0A I_T:1,3A @ L:1µH

SMD Ferrit Bead – Serie BK/BKP:

01005[0,4x0,2mm] Bauhöhe 0,2±0,02mm

 

Vorteile der EPD im Kurzüberblick

• Höhere Integration des Schaltungsdesign, ca. 30~60% eines konventionellen Designs
• Kürzere Wege, geringere Verluste
• Sehr gutes Hochfrequenzverhalten
• Bessere Wärmeableitung in der PCB als über Leiterzüge, Wärmestrahlung und Luftkonvektion
• Geringere Störausstrahlung - EMV!
• Höhere Zuverlässigkeit
• Besseres Verhalten bei schnellen Temperaturwechselzyklen
• Expoxy Resin verhindert Korrosion aufgrund O₂ und Schadgasen H₂S

Zu diskutierende Aspekte der EPD

• Lagerfähigkeit der Embedded Passive Devices
• Oxidation der Kupferelektrode
• Widerstandfähigkeit gegenüber Säuren und Laugen
• Laserverarbeitbarkeit
• Mechanischer Stress
• ESD Verträglichkeit
• Bisher keine herstellerübergreifende Standardisierung

Für weitere technische Fragen, sowie Bestellung kostenloser Muster nehmen Sie bitte mit uns Kontakt auf.