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常见问题

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被动组件嵌入电路板内,哪些事项必须注意?
2021-12-28
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现今典型电子消费品所追寻的目标,是欲将数量达百万以上、数值从1Ω到1MΩ的电阻器;以及从1PF至少到1um的电容器等被动组件做一番整合。至于电感器而言,则一般电子机器中所需者,不但用量廖廖可数少之又少,而且可能整合的最大数值也只有几百个Nh(nano-Henry)而已。利用有机板材制作嵌入式被动组件的时代即将到来,虽然此一边趋势目前并非燃眉之急,但市场的走向却势在必行。


对于有心跨足嵌入式电阻器(EP)领域的业者而言,首要工作是在种类颇多的嵌入式电阻器(ER)与电容器中,缩小其选择范围,并研发出一系列稳定可行的生产制程。其量产的进行可从第三方以包产式(turnkey)购买技术,或由研发工程师依据参考文献所述,自行修改本身设备与流程而成。总之,无论出自何种构思,务必皆应遵循“愈普通愈好”的最高量产原则。若就EP的量产而言,任何复杂工法皆为不切实际之举。反之,必须尽可能地研发出单纯且成熟的流程,才能符合实际情况所需。

目前业界另方面所遭遇的困境,是嵌入式电容器的尺寸也很难再小了。在此首先就介质材料的背景做一简单论述。介质材料主要区分为中介电质(paraelectrics)与强介电质(ferroelectrics)两种:

中介电质者包含SiO2、Al2O3、Ta2O5、、以及常用的聚合物等。中介电质之K值通常只处于25至50之间,但其介质常数(DK)却较不受到频率、电压、温度、及时间等因素所干扰。

至于强介质者则已有BaTIO3、PbxZr1-xTIO3、BaxSr1-xTIO3等。强介电质之K值通常较中介电质高约1000倍以上,但相对地其介质常数却会因频率、电压、以及温度等变数而每况愈下。举例来说,在高频(1GHz)的工作环境中,以强介电质材料所制成的电容器,其电容量的损失程度,甚至可能会高达原本电容量的四分之一。

然而,以中介电质材料制成的嵌入者,则几乎全无变化。事实上,温度对中介电质之介质常数可谓毫无影响力。对于某些采用强介电质材料,对公差要求严格的应用者,如射频滤波器、交流直流转换器、正时装置等元件而言,不稳定的Dk 乃是一项严重的隐忧。至于某些公差要求较宽松的场合,如终端处理、解耦合、及其他储能用的电容器等,其DK的些微变化,就如同小痛小伤般无伤大雅。但若想要在有机板材中加入含有强介电质的材料时,目前最困难的技术瓶颈,是该等强介电质必须在氧气环境中以500-700 ℃的高温将之彻底熔化,如此之结晶型态方能符合高DK的需求,因而只能在板外先行烧制然后再置于板内了。

到底有哪些制程可提供选择?
如果对PCB线路板之压合、铜箔、电镀、湿制程蚀刻、或其他非真空制程仍然情有独钟时,则电阻器最好采用夹有镍磷合金属的基材板去制作。至于陶瓷厚膜预烧法,或厚膜印制(PTF)等工法均已商品化了。其中Nip夹心的基材板蚀刻法,最大电阻值约只200Ω/□而已,因此若想以此种材质制作电阻值高于20KΩ电阻器时,其成品尺寸将难以避免地增大许多。倘欲另加一些非金属物质以增加其电阻值时,则其电阻温度系数(TCR)又将变化很大而不再是0,因而造成的反效果也会不小。

有鉴于此,自低温共烧陶瓷(LTCC)之技术者也途径之一。该法系将陶瓷材料之硼化铝(LaB6)先行涂布成像,并烧结在铜箔的粗糙面,随即以其电阻器图形面反压在内层板上,然后再蚀刻出铜线与单独的电阻器,整体制程就算初步告成。另外,聚合物厚膜(PTF)亦可成为ER的理想制作材质,在不致遭受时间、温度、及湿度等外在因素干扰下,PTF式电阻器将会展现出十分优异的电阻值(最高可达107Ω/□),且高品价格实惠,并适合全加成法之制程。

以一张1mil厚的FR4基材为例,其所产生之电容值大约只有0.150Nf/cm2,但目前手机板上所使用的电容器,平均要到达10nF之电容值,幸好此种方法尚可扩大到整张电路板,而成为内藏公用的电容。另一个优点是电容器亦可构成于电源层与接地层之间,因此讯号传播时所衍生的杂讯将可降低许多,也就是提供了所谓的“解耦合(decoupling)”功能。此类电容器也可供全板于低频领域之解耦合用途,而使得整张电路板之低频杂讯得以减少,但却无法取代高频IC附近所罗列的解耦合电容器。电实上若欲减少高频领域的杂讯时,则其电容器就必须在有限体积内具备极大的电容量,才能应付晶片之所需。


在致力增加单位电容方面,如果将介质常数为10,000的钛酸钡粉末,与DK只有5的环氧树脂,以重量百分比95:5的比例均匀混合在一起,其混合物的DK竟然还不到50,使得此种做法只能施展于低电容的领域。若再将已掺入强介质粉末之环氧树脂,制成厚度只有1/4mil的极其薄膜时,的能产生的电容值了仅只10nF/cm2而已。对于IC附近密集排列做为解耦合用的电容器类,欲以埋容取而代之者,则仍然是杯水车薪无济于事,不过却可在低电容的场合寥胜于无。此等复合材料的DK,也常因频率、电压、温度、时间等因素的同理用于电容器之钛酸钡(BaTiO3)薄膜,也可预先使之烧结在铜箔粗面上,且所能提供的电容值亦相当优异(可高达5010nF/cm2)。ipcb是精密PCB线路板生产厂家,专业生产微波线路板,rogers高频板,罗杰斯电路板,陶瓷电路板, HDI多层电路板,FPC软硬结合板,盲埋孔电路板,铝基板,厚铜电路板

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