برد مدار چاپی جاسازی شده

برد مدار چاپی تعبیه‌شده (Embedded PCB) یک برد مدار چاپی است که قطعات الکترونیکی (مانند تراشه‌ها، مقاومت‌ها و خازن‌ها) مستقیماً در لایه‌های داخلی آن تعبیه شده‌اند و باعث کاهش اندازه و بهبود عملکرد می‌شوند.

بردهای مدار چاپی توکار می‌توانند برخی از قطعات را در خود جای دهند تا فضای اشغال شده را کاهش داده و مسیرهای سیگنال را کوتاه کنند؛ قطعات روی بردهای مدار چاپی معمولی عمدتاً به صورت سطحی نصب می‌شوند.

مناسب برای سناریوهایی با الزامات بالا برای اندازه و عملکرد، مانند تلفن‌های هوشمند، دستگاه‌های پوشیدنی، رادارهای خودرو و تجهیزات هوافضا.

تحلیل نیازمندی‌ها → طراحی شماتیک → برنامه‌ریزی چیدمان (شامل اجزای تعبیه‌شده) → طراحی مسیریابی (تمرکز بر یکپارچگی سیگنال) → بررسی قواعد طراحی → خروجی فایل برد.

ثابت دی‌الکتریک، ضریب اتلاف و ضریب انبساط حرارتی را در نظر بگیرید. برای کاربردهای فرکانس بالا، موادی با ثابت دی‌الکتریک و اتلاف کم را انتخاب کنید؛ برای پایداری حرارتی بالا، موادی با ضرایب انبساط حرارتی پایین را انتخاب کنید.

چیدمان اجزا بر اساس ماژول‌های عملکردی برای کوتاه کردن مسیرهای سیگنال؛ پراکنده کردن اجزای گرمازا برای اتلاف گرما؛ قرار دادن اجزای حساس دور از منابع نویز؛ در نظر گرفتن امکان‌سنجی فرآیند.

مقاومت‌ها با افزودن مواد مقاومتی به لایه دی‌الکتریک ساخته می‌شوند؛ خازن‌ها از مواد دی‌الکتریک بالا که روی فویل مسی یا زیرلایه‌ها پوشانده شده‌اند، استفاده می‌کنند؛ سلف‌ها از طریق سیم‌پیچ‌های مارپیچی بین لایه‌ها ساخته می‌شوند.

از اتصالات الکتریکی قابل اعتماد اطمینان حاصل کنید، اتلاف گرما، قابلیت آزمایش و قابلیت نگهداری را در نظر بگیرید و دستورالعمل‌های طراحی سازندگان تراشه را دنبال کنید.

لایه‌های برق و زمین را مطابق با مصرف برق برنامه‌ریزی کنید، از یکپارچگی صفحه برق اطمینان حاصل کنید، مقاومت داخلی و افت ولتاژ را کاهش دهید و منبع تغذیه پایداری را فراهم کنید.

طول مسیر را کنترل کنید، عرض مسیر و فاصله را به طور معقول تنظیم کنید تا تداخل کاهش یابد، امپدانس را برای سیگنال‌های پرسرعت تطبیق دهید و تأثیر پارامترهای پارازیتی را کاهش دهید.

بسته به مواد و طراحی مسیریابی، با طراحی مناسب می‌تواند به چندین گیگابیت بر ثانیه یا بالاتر برسد، مانند بیش از 10 گیگابیت بر ثانیه در دستگاه‌های ارتباطی پیشرفته.

از فرمول‌هایی مانند فرمول خط میکرواستریپ (Z0 = (87/√(εr+1.41))×ln(5.98H/(0.8W+T))) یا فرمول‌های خط نواری استفاده کنید، یا از نرم‌افزار طراحی برای محاسبه استفاده کنید.

تحت تأثیر تلفات مواد (تلفات دی‌الکتریک/هادی)، طول مسیر، فرکانس سیگنال، تعداد مسیرها و عدم تطابق امپدانس.

طرح‌بندی مدارهای آنالوگ و دیجیتال را از هم جدا کنید، سیگنال‌های حساس را محافظت کنید، یکپارچگی صفحات قدرت و زمین را تضمین کنید، از مدارهای فیلتر استفاده کنید و مسیرهای ردیابی را برای کاهش سطح حلقه بهینه کنید.

صفحات اتصال زمین بزرگی نصب کنید، مسیر اتصال زمین را افزایش دهید، مسیرهای اتصال زمین را کوتاه کنید و بر اساس فرکانس، اتصال زمین تک نقطه‌ای/چند نقطه‌ای/هیبریدی را انتخاب کنید.

پارامترهایی مانند امپدانس شبکه برق، افت ولتاژ و توزیع جریان را از طریق نرم‌افزار شبیه‌سازی تجزیه و تحلیل کنید تا تأثیرات را ارزیابی کرده و بهینه‌سازی کنید.

توانایی قوی ضد تداخل، سرکوب تداخل حالت مشترک، بهبود سرعت انتقال و قابلیت اطمینان، و تسهیل مسیریابی با تراکم بالا.

حفظ تطابق طول (اختلاف ≤ 10٪ از فاصله انتقال مربوط به لبه افزایش سیگنال)، عرض و فاصله ردیابی یکنواخت، کنترل امپدانس (مثلاً 100Ω) و جلوگیری از تداخل.

اندازه‌ی مسیر را به حداقل برسانید، تعداد مسیرهای ضد پد را افزایش دهید، مسیرهای اتصال به زمین را در اطراف اضافه کنید و نسبت ابعاد (≤6) را کنترل کنید.

انجام تحلیل‌های یکپارچگی سیگنال، یکپارچگی توان و شبیه‌سازی EMI و آزمایش نمونه‌های اولیه (مثلاً با استفاده از تحلیل‌گرهای شبکه و اسیلوسکوپ‌ها).

با توجه به ارتفاع قطعه، تعداد لایه‌ها، استحکام مکانیکی و سناریوهای کاربردی، مانند 0.5-1.5 میلی‌متر برای برد مدار چاپی تلفن همراه و 1.6-3.2 میلی‌متر برای تجهیزات صنعتی، تعیین می‌شود.

مونتاژ با سایر اجزا، استحکام مکانیکی، فضای اتلاف گرما و تأثیر تعبیه اجزا بر عملکرد مکانیکی را در نظر بگیرید.

اجزای مولد گرما را به طور معقول چیدمان کنید، کانال‌های اتلاف گرما (مثلاً سوراخ‌های حرارتی، فویل مسی) اضافه کنید، مواد با رسانایی حرارتی بالا را انتخاب کنید، در صورت لزوم دستگاه‌های اتلاف گرما اضافه کنید و از طریق شبیه‌سازی حرارتی بهینه کنید.

روش‌های رایج شامل تثبیت با پیچ، تثبیت با گیره و تثبیت با جوشکاری است که به ترتیب برای سناریوهای نیازمند نگهداری بالا، نصب راحت و پایداری بالا مناسب هستند.

با افزایش ضخامت تخته یا اضافه کردن سفت‌کننده‌ها، مقاومت مکانیکی را بهبود بخشید، وزن را به طور مساوی توزیع کنید، از مواد جاذب ضربه برای ضربه‌گیری استفاده کنید و اجزای کلیدی را تقویت کنید.

پوشش دستگاه را مطابقت دهید، از لبه‌های تیز اجتناب کنید، فرآیندهای تولید (مثلاً برش، مهر زنی) را در نظر بگیرید و ساختارهای هدایت کننده پلاگین را طراحی کنید.

رنگ سه‌لایه بزنید، از کانکتورهای ضد آب استفاده کنید، عملیات آب‌بندی را انجام دهید و از قرار دادن اجزای کلیدی در مناطق مستعد آب/گرد و غبار در حین چیدمان خودداری کنید.

دمای بالا ممکن است باعث انبساط برد و تغییر پارامترهای قطعات شود؛ دمای پایین ممکن است مواد را شکننده کند. بردهای مدار چاپی صنعتی در دمای -40℃~85℃ کار می‌کنند، البته با الزامات سختگیرانه‌تر درجه نظامی.

تجزیه و تحلیل تغییر شکل و توزیع تنش از طریق شبیه‌سازی تنش مکانیکی و انجام آزمایش‌های ضربه، ارتعاش و پیری طولانی مدت.

مواد مختلف استحکام مکانیکی و ضرایب انبساط حرارتی متفاوتی دارند. به عنوان مثال، FR-4 عملکرد جامع خوبی دارد اما ضریب انبساط حرارتی نسبتاً بالایی دارد، در حالی که مواد پلی‌آمید پایداری حرارتی و استحکام مکانیکی بهتری ارائه می‌دهند.

بردهای مدار چاپی جاسازی‌شده به فرآیندهای اضافی برای جاسازی قطعات، مانند ساخت ساختار بین لایه‌ای و لمینت دقیق‌تر، با الزامات بالاتر برای دقت سوراخکاری و آبکاری نیاز دارند.

شامل لایه گذاری، پردازش میکروویو (دیافراگم ≤50μm)، جاسازی قطعات و عملیات سطحی (مثلاً آبکاری طلا، اسپری قلع).

تلرانس‌های دقیقی را در طراحی مشخص کنید، از تجهیزات با دقت بالا (مانند ماشین‌های حفاری CNC) استفاده کنید و بازرسی‌های ابعادی دقیق و تنظیمات فرآیند را در هر فرآیند انجام دهید.

مواد اولیه (تخته‌ها، قطعات) را بررسی کنید، پارامترهای لمینیت/سوراخکاری/آبکاری را زیر نظر داشته باشید، از آزمایش‌های اشعه ایکس و پروب‌های پرنده برای تشخیص اتصالات داخلی و عملکرد الکتریکی استفاده کنید و بازرسی کامل از محصولات نهایی انجام دهید.

حباب‌های لایه لایه/لایه لایه شدن، ناهماهنگی سوراخکاری/ناهمواری دهانه، اتصال ضعیف اجزا/اتصال کوتاه، پرداخت سطحی ضعیف، انحراف ابعادی و غیره

پارامترهای دما، فشار و زمان لمینت کردن را بهینه کنید، تخته‌ها را برای از بین بردن رطوبت و ناخالصی‌ها پیش‌تیمار کنید و از لمینت خلاء برای خارج کردن هوا استفاده کنید.

از تجهیزات حفاری با دقت بالا برای کنترل پارامترها استفاده کنید، روی دیواره‌های سوراخ میکرواچینگ انجام دهید تا چسبندگی آبکاری مس بهبود یابد و از طریق برش متالوگرافی، کیفیت را تشخیص دهید.

قبل از جاسازی، قطعات را بررسی و آزمایش کنید، فرآیندهای جاسازی را برای اطمینان از اتصالات محکم بهینه کنید و پس از ساخت، آزمایش‌های الکتریکی جامع و آزمایش‌های قابلیت اطمینان انجام دهید.

تحت تأثیر هزینه مواد (مواد با کارایی بالا گران‌تر هستند)، پیچیدگی فرآیند (مثلاً میکروویوها، تعبیه قطعات)، مقدار تولید و هزینه بازرسی.

قدرت فنی (تجهیزات، فرآیندها)، سیستم‌های کنترل کیفیت، موارد تولید، نظرات مشتریان، قیمت‌ها و زمان تحویل را بررسی کنید.

شامل بازرسی چشمی، تست الکتریکی (مولتی‌متر، اسیلوسکوپ، آنالایزر شبکه)، تست عملکردی، بازرسی با اشعه ایکس، تست پروب پرنده و غیره.

از پایه‌های یک دستگاه فناوری اطلاعات و ارتباطات برای تماس با نقاط تست و تشخیص پارامترهای الکتریکی اجزا، مدارهای کوتاه، مدارهای باز، انحرافات پارامترها و غیره استفاده کنید. نقاط تست باید در طراحی رزرو شوند.

محیط کاری واقعی را شبیه‌سازی کنید، عملکردها را به طور جامع آزمایش کنید، ترتیب آزمایش‌های پایه تا پیچیده را دنبال کنید و ناهنجاری‌ها را ثبت و تجزیه و تحلیل کنید.

از رابط JTAG برای کار با سلول‌های اسکن مرزی داخلی تراشه، تشخیص حالت پین‌ها و اتصالات بین تراشه‌ها و شناسایی خطاهای اتصال باز و اتصال کوتاه استفاده کنید.

ابتدا ظاهر (قطعات سوخته، اتصالات لحیم ترک خورده) را مشاهده کنید، سپس آزمایش‌های الکتریکی را برای محدود کردن محدوده خطا انجام دهید، پیوندهای احتمالی را بر اساس شماتیک تجزیه و تحلیل کنید و از روش جایگزینی برای تعیین نقطه خطا استفاده کنید.

نسبتاً بالا، زیرا قطعات در لایه‌های داخلی قرار دارند. این امر مستلزم برداشتن دقیق لایه‌های بالایی برای آشکار کردن نقطه خطا، لایه‌بندی مجدد برای بازیابی یکپارچگی پس از تعمیر و نگهداری و جلوگیری از تأثیر بر مدارهای دیگر است.

از ابزارهای با دقت بالا مانند تجهیزات جوش میکرو نقطه‌ای و انبرک‌های دقیق استفاده کنید. طرح تعمیر و نگهداری را از قبل برنامه‌ریزی کنید و از گرمایش موضعی برای کنترل دما استفاده کنید.

انجام آزمایش‌های الکتریکی (یکپارچگی سیگنال، یکپارچگی توان)، آزمایش‌های عملکردی و آزمایش‌های قابلیت اطمینان (کهنگی، ارتعاش).

تدوین برنامه‌های آزمایش، رویه‌های تشخیص خطا، مشخصات عملیات نگهداری و فرآیندهای تأیید کیفیت.

تجهیزات تست: مولتی‌متر، اسیلوسکوپ، آنالایزر شبکه و غیره. تجهیزات تعمیر و نگهداری: تجهیزات جوش میکرو نقطه‌ای، تفنگ هوای گرم و غیره

دقت مقاومت، توان نامی و ضریب دما را در نظر بگیرید. مقاومت‌ها را بر اساس الزامات مدار انتخاب کنید.

برای فیلتر کردن، جداسازی، ذخیره انرژی، اتصال سیگنال و غیره استفاده می‌شود.

بر اساس فرکانس کاری، اندوکتانس و ظرفیت جریان تعیین کنید. برای فیلتر کردن توان، ریپل و جریان بار را در نظر بگیرید.

عملکرد، مصرف برق، نوع بسته‌بندی، قابلیت اطمینان و پشتیبانی سازنده را در نظر بگیرید.

پارامترهای الکتریکی و ابعاد فیزیکی را در طول طراحی مطابقت دهید. اجزای سازگار با مواد و فرآیندهای برد را انتخاب کنید و تأیید شبیه‌سازی را انجام دهید.

برای قطعات غیرفعال، دما و زمان را کنترل کنید تا از لحیم کاری سرد جلوگیری شود. برای قطعات فعال، از تجهیزات با دقت بالا (مثلاً لحیم کاری جریان مجدد) استفاده کنید تا اتصالات قابل اعتمادی تضمین شود و از آسیب حرارتی جلوگیری شود.

طول عمر را از طریق آزمایش‌های پیری تسریع‌شده، داده‌های سازنده و نظارت طولانی‌مدت بر داده‌های خرابی واقعی تخمین بزنید.

مقاومت: تغییر مقدار/مدار باز. خازن: نشتی/اتصال کوتاه. سلف: تغییر اندوکتانس/اتصال کوتاه سیم‌پیچ. تراشه: خرابی عملکردی/خطای پین.

بر اساس دسته‌بندی و با محافظت در برابر رطوبت و ESD نگهداری شود. یک سیستم موجودی برای ثبت اطلاعات، انجام نمونه‌برداری منظم و کنترل معقول سطح موجودی داشته باشید.

فاصله ردیابی را افزایش دهید (عرض ≥۳×)، از ایزولاسیون زمین استفاده کنید، توپولوژی مسیریابی را بهینه کنید و امپدانس را تطبیق دهید.

پارامترهای پارازیتی را وارد کنید، که احتمالاً باعث اتلاف و تأخیر در فرکانس‌های بالا می‌شوند. قطر ویاس برای سیگنال‌های بالای 10 گیگاهرتز باید کمتر از 0.3 میلی‌متر باشد.

دستگاه‌های محافظ ESD (مثلاً دیودهای TVS) را اضافه کنید، مسیرهای تخلیه ESD را تنظیم کنید و رد سیگنال‌های کلیدی را ≥2 میلی‌متر از لبه‌های برد نگه دارید.

از اشعه ایکس برای بررسی اتصالات لحیم داخلی استفاده کنید. ارتفاع اتصال باید 0.4-0.6 میلی‌متر و میزان خلل و فرج آن ≤15٪ باشد.

ENIG برای لحیم کاری با فرکانس بالا و دقیق. OSP برای هزینه کم (اعتبار ۶-۸ ماه). قلع غوطه وری برای لحیم کاری موجی.

پوشش‌های محافظ را به طور مناسب با امپدانس زمین

قطر Via: 0.3-0.5 میلی‌متر، فاصله‌گذاری: ≤1 میلی‌متر، ≥100 Vias/cm² برای اطمینان از راندمان اتلاف گرما.

خطوط داده DDR4: تلرانس طول ±5 میلی‌لیتر. جفت‌های تفاضلی PCIe: ±2 میلی‌لیتر.

خازن‌های جداکننده (۰.۱ میکروفاراد برای فرکانس بالا، ۱۰ میکروفاراد برای فرکانس پایین) اضافه کنید. فاصله لایه تغذیه/زمین را کمتر از ۰.۱ میلی‌متر نگه دارید.

استاندارد IPC: ≤0.7% برای فرآیندهای بدون سرب، ≤0.5% در مناطق BGA.

از مقیاس‌بندی ولتاژ پویا استفاده کنید، ماژول‌های غیرفعال را خاموش کنید و تراشه‌های با ضریب هوشی پایین (مثلاً سری TI MSP430) را انتخاب کنید.

کاهش تلفات سیگنال و پارامترهای پارازیتی، افزایش تراکم مسیریابی. هزینه 20 تا 30 درصد بیشتر از via های through-hole.

از ابزارهای CAM350 یا Altium DFM برای بررسی حداقل عرض/فاصله ترسیم (≥6mil)، نسبت ابعاد (≤8:1) و غیره استفاده کنید.

روش‌های رایج: رنگ سه‌لایه (ضخامت ۰.۱ تا ۰.۳ میلی‌متر)، پوشش نانو (کمتر از ۱ میکرومتر)، ترکیب گلدان (محیط‌های خشن).

از طراحی فن-خروجی برای کاهش فشار مسیریابی BGA استفاده کنید. بردهای ۴ لایه ۸۰٪ از نیازهای معمولی را برآورده می‌کنند؛ برای طراحی‌های پرسرعت، بردهای ۶ لایه یا بیشتر مناسب هستند.

تمیزی پد، ضخامت خمیر لحیم (0.12-0.15 میلی‌متر) و دمای جریان مجدد (حداکثر 235-245 درجه سانتیگراد) را بررسی کنید.

از یک مگا اهم متر ۵۰۰ ولتی استفاده کنید. مقاومت عایق باید در رطوبت ≤۶۰٪، ≥۱۰۰ مگا اهم باشد.

از مقاومت‌های انتهایی (مثلاً عملکرد DDR ODT) و کاهش تدریجی امپدانس استفاده کنید. اطمینان حاصل کنید که تغییر امپدانس کمتر از 10٪ باشد.

۱ اونس مس (۳۵ میکرومتر): عرض مسیر حدود ۱ آمپر بر میلی‌متر. ۲ اونس: حدود ۱.۵ آمپر بر میلی‌متر (افزایش دما کمتر از ۱۰ درجه سانتیگراد).

رنگ مشکی به اتلاف گرما کمک می‌کند اما بررسی آن دشوار است. رنگ سبز رایج‌ترین رنگ است. رنگ سفید بازتاب بالایی دارد (≈۸۰٪).

قطر معمول: 0.4-0.8 میلی‌متر. گام: 0.5-1.0 میلی‌متر. گام 0.5 میلی‌متر به قطعات 0201 نیاز دارد.

از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی مانند ANSYS، بر اساس تفاوت‌های CTE (مثلاً FR-4 15ppm/℃، مس 17ppm/℃) استفاده کنید.

از فیلترینگ چند مرحله‌ای (مدارهای نوع π) استفاده کنید. مسیرهای توان با عرض ≥20 میلی‌لیتر برای کاهش امپدانس مسیر.

قطر ≥0.6 میلی‌متر، فاصله‌گذاری ≥1.27 میلی‌متر. پرداخت سطح ENIG، بدون پوشش ماسک لحیم.

مساحت حلقه سیگنال تک سر

از SI9000 برای محاسبه امپدانس، کنترل تلرانس ±10% استفاده کنید. تطبیق انتهایی و بهینه‌سازی توپولوژی را اعمال کنید.

طرح کلی: ±۰.۱ میلی‌متر. قطر سوراخ: ±۰.۰۵ میلی‌متر. عمق برش V: ۱/۳ تا ۲/۳ ضخامت تخته.

از مسیرهای مارپیچ با طول منطبق و دارای محافظ زمین استفاده کنید. از خطوط داده پرسرعت دور بمانید و از عبور لایه‌ها خودداری کنید.

آزمایش‌های پیری تسریع‌شده (85 درجه سانتیگراد/85%RH، 1000 ساعت) و آزمایش‌های ارتعاش (5-500 هرتز، شتاب 2G) را انجام دهید.

اندازه پد 0.1-0.2 میلی‌متر بزرگتر از پایه‌های قطعات. عرض پد SMD 1.2-1.5× عرض پایه.

سطح مس حرارتی را افزایش دهید، از چسب حرارتی (≥1W/mK) استفاده کنید و مسیرهای حرارتی زیر قطعات برق را باز کنید.

طبق استاندارد IEC 61000-4-2: تخلیه تماسی ±8 کیلوولت، تخلیه هوایی ±15 کیلوولت، با عملکرد عادی.

ضخامت معمول ۱۵-۲۵ میکرومتر. باید مس را به طور کامل بپوشاند تا از اتصال کوتاه ناشی از مسِ در معرضِ تماس جلوگیری شود.

مسیریابی تعاملی و خودکار را ترکیب کنید. اولویت‌های مسیریابی را تنظیم کنید، به طوری که سیگنال‌های حیاتی ابتدا مسیریابی شوند.

پیش گرمایش: ۱۲۰-۱۵۰ درجه سانتیگراد (۶۰-۹۰ ثانیه). زمان بازگشت: ۲۱۷-۲۳۰ درجه سانتیگراد (۴۰-۶۰ ثانیه). سرعت خنک سازی: ۳-۶ درجه سانتیگراد بر ثانیه.

اتصال زمین تک نقطه‌ای یا چند نقطه‌ای. اتصال زمین چند نقطه‌ای برای مدارهای فرکانس بالا (>10MHz)، با مقاومت اتصال زمین کمتر از 5Ω.

ظرفیت جریان، مقاومت کنتاکت (

مشاهده اتصالات لحیم از طریق بخش متالوگرافی (برش متالوگرافی)، تشخیص عیوب سطحی با AOI، تجزیه و تحلیل ترکیب عناصر با XRF.

فاصله ۵ میلی‌لیتر، امپدانس ۱۰۰±۱۰ اهم، اختلاف طول