PCB 設(shè)計中的嵌入式元件：創(chuàng)新和用例
- 2025-06-20 10:02:00
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PCB 設(shè)計中引入嵌入式組件：這是一項改變游戲規(guī)則的創(chuàng)新，它將電阻器、電容器甚至有源器件直接集成到印刷電路板 （PCB） 的各個層中。這種方法不僅可以節(jié)省空間，還可以提高可靠性和信號完整性，使其成為尖端應(yīng)用的首選解決方案。從可穿戴設(shè)備到汽車系統(tǒng)，嵌入式組件正在重塑我們設(shè)計和制造電子產(chǎn)品的方式。在這篇博客中，我們將探討這項技術(shù)的最新進(jìn)展，并深入研究突出其潛力的實際用例，為像您這樣的工程師提供實用的見解，以提升您的下一個項目。
什么是 PCB 設(shè)計中的嵌入式元件？
嵌入式元件是指放置在 PCB 各層內(nèi)而不是安裝在其表面的電子部件，例如電阻器、電容器或集成電路 （IC）。與傳統(tǒng)的表面貼裝技術(shù) （SMT） 或通孔方法不同，這些元件在制造過程中被埋在電路板內(nèi)。這可能涉及放置在內(nèi)層的分立元件或直接在基板內(nèi)形成的無源元件。
該過程通常從在 PCB 層中創(chuàng)建空腔或凹槽開始，然后使用微孔或銅走線嵌入和連接元件。例如，電阻器可能是通過在銅層之間沉積電阻材料來形成的，達(dá)到 50 歐姆等值，容差為 ±15%。這種集成減少了對外部焊點的需求，減少了寄生電感（與 SMT 相比，通常減少了 50%）并提高了電氣性能。
為什么嵌入式組件是游戲規(guī)則的改變者
那么，是什么推動了向嵌入式組件的轉(zhuǎn)變呢？這一切都是為了解決現(xiàn)代工程挑戰(zhàn)。以下是使這項技術(shù)脫穎而出的主要優(yōu)勢：
- 節(jié)省空間：嵌入組件可以將 PCB 表面積縮小多達(dá) 35%，如健康追蹤器等緊湊型可穿戴設(shè)備。這為更多功能騰出空間或允許更時尚的設(shè)計。
- 改進(jìn)的信號完整性：較短的互連減少了寄生效應(yīng)。對于工作頻率為 40–50 GHz 的高頻電路，與 SMT 替代方案相比，嵌入式電阻器造成的信號損失通?？梢院雎圆挥?，有時小于 0.1 dB。
- 增強(qiáng)的可靠性： 由于沒有裸露的焊點，嵌入式組件可以更好地抵抗沖擊、振動和溫度波動。這對于汽車電子等應(yīng)用至關(guān)重要，因為這些應(yīng)用的電路板可能會承受 170°C 的熱循環(huán)。
- 更好的熱管理： 熱量在整個電路板上消散更均勻，從而減少熱點。放置在嵌入式 IC 附近的熱通孔可以將熱阻降低 20-30%，從而延長使用壽命。
不過，這些優(yōu)勢并非沒有權(quán)衡。嵌入式設(shè)計會增加制造復(fù)雜性和成本（有時會增加 15-25%），并且組件在組裝后無法輕松更換或測試。盡管如此，對于高性能或緊湊型應(yīng)用，利大于弊。
推動嵌入式組件技術(shù)的創(chuàng)新
嵌入式組件的興起不僅僅是一種趨勢，而且是由尖端創(chuàng)新推動的，這些創(chuàng)新使其更加實用和強(qiáng)大。讓我們看看一些最新的進(jìn)展：
先進(jìn)的制造技術(shù)
激光鉆孔和多層壓制徹底改變了我們嵌入組件的方式。激光器創(chuàng)建深度控制在 10 微米以內(nèi)的精確腔體，確保組件緊密貼合。例如，Würth Elektronik 的“SOLDER.embedding”工藝將 SMD 部件焊接到內(nèi)層，然后再將其壓制成多層結(jié)構(gòu)，從而在汽車應(yīng)用中實現(xiàn)高可靠性。
微孔技術(shù)
微孔（小至 50 微米的小孔）將嵌入式元件連接到表面層。這允許密集布線和短至 0.1 mm 的信號路徑，在某些情況下將電感降至 1 nH 以下。這是 HDI 設(shè)計的福音，每一毫米都很重要。
成型被動
現(xiàn)在，一些電阻器和電容器不再放置分立器件，而是使用電阻或介電材料在 PCB 內(nèi)“形成”。形成的電阻器可能達(dá)到 100 歐姆，基極容差為 ±5%，在蝕刻過程中進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到精確值。這減少了裝配步驟并提高了一致性。
寬帶隙 （WBG） 集成
將碳化硅 （SiC） 或氮化鎵 （GaN） 器件嵌入 PCB 在電力電子領(lǐng)域越來越受歡迎。這些 WBG 半導(dǎo)體的開關(guān)速度高達(dá) 100 kHz，嵌入它們可以將寄生電感降低 30-40%，如 Schweizer Electronic 的 10 kW 逆變器設(shè)計所示。
嵌入式組件的實際用例
理論很好，但讓我們開始實踐吧。以下是嵌入式組件如何在實際應(yīng)用中發(fā)揮作用：
可穿戴健康追蹤器
想象一下，一個可以監(jiān)測心率并以無線方式同步數(shù)據(jù)的健身手環(huán) - 所有這些都在一個纖薄、輕便的包裝中。在微控制器下方嵌入電阻器和電容器可將 PCB 尺寸減小 35%，如 PCBOnline 的原型所示。更短的信號路徑還提高了無線傳輸?shù)目煽啃?，以最小的功率損耗實現(xiàn)穩(wěn)定的 2.4 GHz 連接。
汽車牽引逆變器
電動汽車 （EV） 依賴于高效的功率轉(zhuǎn)換。Infineon 的 1200 V CoolSiC? MOSFET 采用 Schweizer 的 p2PACK? 技術(shù)嵌入，提供 50 kW 半橋設(shè)計和低熱阻。結(jié)果如何？與傳統(tǒng)封裝相比，性能提高了 35%，這要歸功于更低的開關(guān)損耗和更好的散熱。
高頻射頻系統(tǒng)
在高達(dá) 60 GHz 的射頻衰減器測試中，嵌入式電阻器表現(xiàn)出出色的性能，信號損失低于 0.2 dB。通過將端接電阻器直接放置在 BGA 封裝下方，工程師將連接長度縮短到 0.5 mm，大幅削減寄生電容并改善 5G 應(yīng)用的信號完整性。
航空航天傳感器
衛(wèi)星中的微型傳感器受益于嵌入式無源器件。在多層 PCB 中嵌入電容器的設(shè)計將重量減輕了 20%，并承受了高達(dá) 50 G 的振動，符合嚴(yán)格的 UL 和 IPC 標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)每一克都很重要時，這種緊湊性至關(guān)重要。
嵌入式元件的設(shè)計注意事項
準(zhǔn)備好將嵌入式組件集成到您的下一個 PCB 中了嗎？以下是一些需要牢記的實用提示：
- Placement Precision：將元件與芯片鍵合對齊以進(jìn)行直接連接。僅 25 微米的錯位就會使電阻增加 10%，因此請使用具有嚴(yán)格公差的 CAD 工具。
- 熱規(guī)劃：在高功率元件附近添加熱通孔。對于 1 W 電阻器，4-6 個直徑為 0.3 mm 的過孔可以將熱阻降低 25%。
- 公差管理：由于蝕刻變化，嵌入式電阻器通常具有 15-20% 的公差。設(shè)計時應(yīng)具有一致的阻抗（例如，走線之間為 50 歐姆），以保持性能。
- 可制造性： 盡早咨詢您的制造商。對于嵌入式設(shè)計，快速原型設(shè)計（1-3 天）通常不可行，因此請計劃更長的交付時間（通常為 5-7 天）。
這些步驟可確保您的設(shè)計充分利用嵌入式技術(shù)的潛力，同時避免常見的陷阱。
挑戰(zhàn)和未來展望
盡管前景光明，但嵌入式組件仍面臨障礙。較高的前期成本（有時比 SMT 設(shè)計高 20%）可能會阻礙預(yù)算敏感型項目的采用。測試也更棘手;一旦嵌入，故障電容器就不能在不報廢電路板的情況下?lián)Q掉。雖然微孔嵌入等創(chuàng)新正在取得進(jìn)展，但將其擴(kuò)展到大規(guī)模生產(chǎn)仍然是一項正在進(jìn)行的工作。
展望未來，我們看到嵌入式技術(shù)隨著 3D 集成和 IoT 需求而發(fā)展。分析師預(yù)測，到 2030 年，50% 的 HDI PCB 將使用嵌入式組件，這是由對更智能、更小設(shè)備的需求推動的。材料的進(jìn)步（例如導(dǎo)熱系數(shù)為 0.5 W/mK 的 FR4 替代品）可以進(jìn)一步提高性能并降低成本。
PCB 設(shè)計中的嵌入式組件不僅僅是一種趨勢，它還是我們處理電子產(chǎn)品方式的一場革命。通過節(jié)省空間、提高性能和開辟新的可能性，它們?yōu)閺目纱┐髟O(shè)備到電動汽車的所有設(shè)備提供動力。微孔技術(shù)和 WBG 集成等創(chuàng)新正在進(jìn)一步突破界限，而實際用例則證明了它們的價值。對于工程師來說，掌握這項技術(shù)意味著在優(yōu)勢與成本和復(fù)雜性等挑戰(zhàn)之間取得平衡，但回報是值得的。隨著我們邁向更智能、更小設(shè)備的未來，嵌入式組件將成為下一個重大突破的核心。準(zhǔn)備好在您的設(shè)計中探索了嗎？我們隨時幫助您實現(xiàn)這一目標(biāo)。
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