無源器件電阻和電容在電路板中的內(nèi)置技術(shù)簡介

無源器件內(nèi)置是一個(gè)相對(duì)較新的概念。為什么要內(nèi)置它們呢?原因是電路板表面空間的緊張。在典型的裝配中，占總價(jià)格不到3%的元件可能會(huì)占據(jù)電路板上40%的空間!而且情況正變得更為糟糕。我們?cè)O(shè)計(jì)的電路板要支持更多的功能、更高的時(shí)鐘速率和更低的電壓，這就要求有更多的功率和更高的電流。噪聲的預(yù)算也隨著更低的電壓而降低，同時(shí)還需要對(duì)電源分布系統(tǒng)進(jìn)行很大的改進(jìn)。這一切都需要有更多的無源器件。這也就是為什么對(duì)無源器件使用的增長速率高于有源器件的原因。

　　將無源器件置入電路板內(nèi)部帶來的好處并不僅僅是節(jié)約了電路板表面的空間。電路板表面焊接點(diǎn)將產(chǎn)生電感量。嵌入的方式消除了焊接點(diǎn)，因此也就減少了引入的電感量，從而降低了電源系統(tǒng)的阻抗。因此，嵌入式電阻和電容節(jié)約了寶貴的電路板表面空間，縮小了電路板尺寸并減少了其重量和厚度。同時(shí)由于消除了焊接點(diǎn)，可靠性也得到了提高(焊接點(diǎn)是電路板上最容易引入故障的部分)。無源器件的嵌入將減短導(dǎo)線的長度并且允許更緊湊的器件布局，因而提高電氣性能。

　　平面電容

　　通常使用嵌入式電容的方法包括一種叫做分布式電容或平面電容的概念。在銅層的基礎(chǔ)上壓上非常薄的絕緣層。一般以電源層/地層的形式成對(duì)出現(xiàn)。非常薄的絕緣層使電源層與地層之間的距離非常小。這樣的電容量也可以通過傳統(tǒng)的金屬化孔實(shí)現(xiàn)。圖1表示了一個(gè)傳統(tǒng)的電路板通過使用嵌入式電容技術(shù)重新設(shè)計(jì)的比較。基本上來說，這樣的方法在電路板上建立了一個(gè)大的平行的板極電容。

　　得到的電容量的大小取決于絕緣層的厚度和介電常數(shù)，同時(shí)還與電路板的尺寸有關(guān)系。

　　C=ADkK/t

　　其中

　　C =全部的電容量

　　A =面積

　　Dk =介電常數(shù)

　　K 是常數(shù)

　　T =厚度

　　唯一的真正商用的嵌入式產(chǎn)品是BC 2000(Sanmina-SCI 公司)。其電容量很低，大約為0.5nF/in2，可以作為很好的濾波電容被應(yīng)用。板極電容在高頻情況下特別適用，因?yàn)樵诟哳l時(shí)，傳統(tǒng)的分立電容的電感量將顯著增加(見圖2)。

　　一些公司也在開發(fā)新的具有更高電容量的產(chǎn)品。其中有些是分布式電容型的，另外一些是分立嵌入式的。DuPont 和 3M正在開發(fā)分布式電容產(chǎn)品，通過在絕緣層中填充鈦酸鋇(一種具有高介電常數(shù)的材料)來獲得更高的電容量。3M公司的產(chǎn)品C-Ply使用了一種環(huán)氧的粘合劑，而DuPont的產(chǎn)品HiK則使用了一種聚酰亞胺的粘合劑。

　　分立的嵌入式電容器的制作方法是通過在金屬層(通常是在一塊方形的蝕刻過的銅箔)上印制高介電常數(shù)的電容粘劑，經(jīng)過高溫硬化處理后，在上面印制或電鍍另一金屬層。此外還有一種新穎的做法——DuPont公司在銅箔上需要的位置，按照需要的尺寸印制電容材料并進(jìn)行高溫燃燒。然后將其層壓并蝕刻掉多余的銅箔。由于該電介質(zhì)的介電常數(shù)非常高(1000+)，其電容可達(dá)到180nF/in2。Shipley公司的產(chǎn)品的介電常數(shù)則更高。這樣的一些新材料及其特性見表1。不是所有的這些材料都能被商用，但其中的一些在將來會(huì)被應(yīng)用。

　　對(duì)一個(gè)測(cè)試電路分別在沒有電容、分立的退耦電容和幾種不同材料制成的分布式電容的情況下，對(duì)其電源總線噪聲進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果見圖3?？梢宰⒁獾剑至⒌碾娙菰陬l率上升到5G時(shí)失去其作用，而嵌入式電容仍然起作用。

　　Motorola公司的工程師則使用一種有趣的方法來內(nèi)置電容器。他們使用由包含鈦酸鋇的環(huán)氧樹脂材料制成“Mezzanine”電容器，該材料被涂在電路板上，經(jīng)過光線照射后分立的電容器就被制作完成了。感光底層的成本增加，但電容的安裝成本降低了，所以總的來說最終模塊的成本將降低了12%到14%。嵌入式電阻器也采用了這種方法。

　　經(jīng)過改進(jìn)的設(shè)計(jì)尺寸更小，重量更輕，同時(shí)與使用表貼元件相比其所占面積減少43%。制作嵌入式無源器件電路的技術(shù)被授權(quán)給三家PCB制造商：ATS、Wus Circuits和Ibiden。Motorola已經(jīng)制造了數(shù)以百萬計(jì)的使用了嵌入式無源器件的GSM模塊。

　　嵌入式電阻器

　　有兩種方法制作嵌入式電阻器。Ohmega-Ply已經(jīng)存在大約有二十年了。它是雙金屬層結(jié)構(gòu)——銅層與一個(gè)薄的鎳合金層構(gòu)成了電阻器元素，它們形成層狀的相對(duì)于底層的電阻器。然后通過對(duì)銅和鎳的蝕刻，形成具有銅端子的各種鎳電阻。這些電阻器被層壓至電路板的內(nèi)層中。

　　Ohmega-Ply的電阻范圍只能在25~250ohm/square，但將其設(shè)計(jì)成蜿蜒樣式(高長寬比)可獲得更高的電阻值。該技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于通訊設(shè)備中，例如衛(wèi)星、基站、醫(yī)療電子設(shè)備、航空電子設(shè)備和電腦設(shè)備。和嵌入式電容一樣，嵌入式電阻也可以節(jié)約空間、減少重量和尺寸。同時(shí)也可以提升電子性能。舉例如圖4，該探針卡有超過100個(gè)電阻，有6種不同電阻值?？梢宰⒁獾竭@些電阻被直接放置在元件管腳的下方以減少信號(hào)至電阻的通路長度。圖5顯示了一個(gè)照相電路，其中的電阻形成了一個(gè)可變電阻器。值得注意的是每一個(gè)電阻的阻值是漸變的，其精度經(jīng)激光校正可達(dá)+/-1%。