【導讀】由于電子產品面臨著如何在更小體積的設備上，產生最大功效這一嚴峻挑戰(zhàn)，因此為發(fā)明表面貼裝元件或研究半導體幾何學提供了動力；同時，也推動了新趨勢的產生，即在PCB基板內嵌入無源元件和有源元件。
這一趨勢確實對整個電子供應鏈影響頗深，也是每個環(huán)節(jié)的供應商所面臨的挑戰(zhàn)。工程設計團隊要想充分利用這一發(fā)展趨勢，需要一款在構思和創(chuàng)新PCB時更具靈活性的設計自動化工具。新標準下的設計規(guī)則也具有一定挑戰(zhàn)，因此EDA工具供應商正集中精力努力應對這些問題，使更多OEM廠商采用這種極具競爭性和革命性的技術。
元件
將元件與基板連接主要有兩種方式：成型連接和嵌入式連接。前者有效地利用了鍍銅和阻性薄膜，在嵌入層（或表面層）產生無源（阻性、容性、感性）元件；后者是一個漸進的過程，可以把不連續(xù)的元件、裸芯片甚至模塊安裝在基板材料表層下。
此方式的優(yōu)點很多，最為重要的一點就是它的元件密度。值得一提的是，人們對于無源元件（尤其是可以應對更高運行頻率和信號頻率的電容器）的需求增加，這也產生了一個新趨勢，即垂直堆棧元件，以最大程度降低走線長度。
元件制造商在推出新產品時必須要不斷滿足人們對于封裝變化的需求，以及廣泛應用的表面貼裝技術，尤其是在無源元件中，該技術可以更好地將元件嵌入PCB基板中。隨著SMT剖面結構越來越小，這些部件可以直接安裝或與芯片一起嵌入PCB基板中。比如01005（0402）系列，尺寸僅為0.4mm長、0.22mm寬、0.15mm高。
然而，這種連接方式有進一步的要求，主要分兩種：利用傳統(tǒng)的焊接方式或者利用鍍銅孔。如果采用焊接方式，那就可以使用通用鍍錫多層陶瓷電容器，但是在嵌入時會有一定的風險。二次加熱（如當進行表面貼裝）時會導致焊膏與嵌入元件產生回流，并有可能最終導致操作失敗。
為了避免出現焊接回流問題，業(yè)內正在用鍍銅孔替代焊接元件，但是要求元件的電極也是銅質的（不是錫質的），以便更好地連接。因此現在業(yè)內也開始生產帶銅質電極的SMT器件。
制造
在傳統(tǒng)的工作流程中，生產制造的各個階段往往是不連貫的：先行制造裸板，然后送到裝配工廠，由元件貼裝機進行PCB板的裝配。
嵌入式元件將改善這一現象：各個階段不再是分開的，元件在生產制造的同時就要與PCB板連接在一起。這對PCB行業(yè)以及設備制造商而言是嚴峻的挑戰(zhàn)。無論是在PCB基板裝配過程中還是完畢后，元件始終嵌入基板凹槽中。如果在PCB裝配之后再嵌入元件，凹槽就會顯露在表面。如果要把元件完全嵌入多層板中，只能通過PCB制造商來操作，這也為SMT元件貼片機制造商創(chuàng)造了新的市場機會。
相應的，SMT貼片機制造商也要考慮嵌入元件鋪放問題。通常嵌入凹槽允許的最大生產公差僅為20um，這就要求SMT鋪放有較高的準確性。例如，焊膏的自動校對功能可以在一定程度上提高準確度，但對于嵌入式元件而言并不適用。
此外，元件鋪放時的力道也要準確把握，表面貼裝的元件在鋪放過程中出現的毀壞可以在外觀檢測時發(fā)現；相比之下，嵌入式元件的毀壞情況則是肉眼檢測不到的，一旦發(fā)現破裂則會導致整個基板失效。突發(fā)性的熱事件（如在表面貼裝元件時產生回流）也會導致嵌入式元件的完整性大打折扣。
制造設備供應商力臻達到元件嵌入時的標準和操作規(guī)范，以求為行業(yè)贏得功能和商業(yè)上的雙重收益。
EDA工具
電子行業(yè)已經成功地引入了嵌入式有源元件概念，并將它視為主流趨勢。盡管大型OEM的目標鎖定在寸土寸金的消費設備上，但是隨著近年來小規(guī)模的設計團隊逐漸增多，各個規(guī)模的OEM都開始利用嵌入式元件的優(yōu)勢。
更多的PCB板制造流程可以通過切槽和激光鉆孔容納更多嵌入式元件，如圖1所示。
圖1：適用嵌入式元件的PCB制造流程。電路板通過堆疊技術制造而成，將嵌入式元件嵌入或包入其中。激光微鉆孔用于連接較低一側的嵌入式元件。
為了利用這一功能，Altium Designer 14 （AD14）支持名為Cavity Definition的Region屬性，可以將Height屬性與Region相聯系，允許在任意信號層鋪放元件。為了能夠完全嵌入，元件的凹槽必須延伸至PCB板邊緣，從而在側邊開放，這一點在嵌入貼片LED時尤為重要。如圖2所示，利用Altium Designer 14設計的在圓形PCB板上用于裝配貼片LED的凹槽。
圖2：在圓形PCB板上為SMT LED而設計的凹槽。
通過編輯元件屬性，該層可被視為內層，嵌入式元件的方向也是根據該層的方向而定（可以通過勾選Fipped on Layer選項來覆蓋）。
如果用這種方式嵌入，Altium Designer 14可以自動產生托管堆棧Managed Stack，在Z平面定義基板結構。
對于開發(fā)者來說目前有幾種嵌入有源元件的方式：模塊電路板（IMB）、嵌入式晶圓級封裝（EWCP）、嵌入式晶片堆層（ECBU）和高分子嵌芯片（CIP）。最后一種方法可以把薄片晶圓封裝直接嵌入到堆疊的介質層上，而不是使用通過鉆孔或走線連接到核心材料的凹槽，這種方法也支持FR-4多層電路板。
在設計嵌入元件時，為了確保成功無誤，重要的一點是與PCB制造商充分的溝通，表1中羅列出了建議提供給PCB制造商的文檔以及設計文件。
總結
大型OEM廠商在大量消費應用中使用嵌入式元件已經有十來年的時間，它的可用性和技術支持也在電子供應鏈中逐漸增大，這反過來也為各種規(guī)模的OEM廠商創(chuàng)造了新的機會，使他們能夠瞄準垂直市場，更好地開拓自身優(yōu)勢。設計工程師是連接到供應鏈的接口，EDA供應商提供工具，實現無縫、高效的接口連接。通過在PCB設計中支持嵌入式元件，Altium確保在各個層面都能執(zhí)行有效的電子產品設計。
