Fertigung eingebetteter passiver Leiterplatten für integrierte Designs

Highleap Electronics bietet Projektprüfungen für die Fertigung von Leiterplatten mit eingebetteten passiven Funktionen an. Diese Leiterplattendesigns integrieren spezifische passive Funktionen in den Leiterplattenaufbau, anstatt alle Komponenten auf der Oberfläche zu platzieren. Je nach benötigter Technologie können dies eingebettete Widerstände, Kapazitäten oder andere definierte passive Strukturen umfassen. Falls Ihr aktueller Lieferant die geplante Konstruktion nicht realisieren kann, senden Sie uns bitte den Lagenaufbau, die elektrischen Anforderungen und die Materialvorgaben zur Prüfung der Machbarkeit und zur Angebotserstellung.

Für die Fertigung von eingebetteten passiven Leiterplatten muss die Technologie präzise definiert werden. Leiterplatten mit eingebetteten Widerständen und Kondensatoren verwenden unterschiedliche Materialien, Geometrien und Prüfmethoden. Highleap prüft vor der Bestätigung des Projektumfangs den gewünschten passiven Bauteiltyp, Wert und Toleranz, die Lagenposition, die Verbindungsdetails, die Laminierungsanforderungen, den Testzugriff und den Programmumfang.

Was ist die Herstellung eingebetteter passiver Leiterplatten?

Es gibt mehrere unterschiedliche Technologien, die alle als „eingebettete passive“ Systeme bezeichnet werden, und sie sind keine Variationen desselben Konzepts. Entscheidend für die Klassifizierung ist die Herkunft der Funktion des Bauteils.

Die erste Reihe ist in der Serienfertigung mit Abstand am weitesten verbreitet, da sie keine ungewöhnliche Bauteilversorgung und keine spezielle Bestückungsausrüstung erfordert. Die zweite Reihe entspricht dem, was die meisten Menschen unter diesem Begriff verstehen, und ist am schwierigsten herzustellen, da das Bauteil einen Pressvorgang überstehen und beidseitig mit Kupfer verbunden sein muss.

Herstellungsverfahren für eingebettete passive Leiterplatten für Widerstände und Kondensatoren

Bei der Fertigung diskreter eingebetteter Komponenten entscheidet die Prozessreihenfolge über die Realisierbarkeit des Designs. Die Komponente wird nicht auf eine fertige Leiterplatte aufgesetzt, sondern während der Leiterplattenfertigung in den Schichtaufbau integriert.

Aus dieser Tabelle ergeben sich drei Beobachtungen, die den Großteil der Ihnen zugesandten Zitate erklären.

• Die passive Struktur muss für den gesamten Prozesszyklus geeignet sein. Gehen Sie nicht davon aus, dass ein handelsüblicher SMD-Widerstand oder -Kondensator den Anforderungen der Laminierung hinsichtlich Temperatur, Druck und Harzfluss standhält. Die Eignung hängt von der Einbettungstechnologie, der Bauteilkonstruktion, der Anschlussgestaltung, der elektrischen Stabilität und dem tatsächlichen Pressprofil ab.
• Das Bauteil muss präzise platziert und gehalten werden. Deshalb muss die Konstruktion eine Ausrichtung und in vielen Fällen eine Polaritäts- oder Pin-1-Markierung definieren.
• Für diese Konstruktion sind in der Regel mehr Laminierungszyklen erforderlich als für eine normale Platine. Dort entstehen die größten Kosten und die längste Vorlaufzeit, weshalb eingebettete passive Bauelemente üblicherweise auf Platinen spezifiziert werden, die bereits als Aufbaustruktur gefertigt werden.

Die Laminierungsseite des Prozesses wird in unserem Abschnitt über Leiterplattenlaminierung beschrieben , und die Möglichkeiten des stufenweisen Aufbaus eines Lagenstapels werden in unserem Abschnitt über hybride Leiterplattenlaminierung erläutert . Details zum Laminataufbau, einschließlich des Verhaltens von Prepreg und Kern in der Presse, finden Sie in unserem Abschnitt über Leiterplattenlaminataufbau.

Vorteile und Grenzen von eingebetteten passiven Leiterplatten

Eingebettete passive Bauelemente lohnen den damit verbundenen Aufwand nur in wenigen Situationen, und man sollte ehrlich sein und zugeben, dass die meisten Konstruktionen sie nicht benötigen.

Es lohnt sich, wenn: die Anzahl der passiven Bauelemente hoch ist und die Leiterplattenfläche begrenzt ist, sodass durch das Verlagern von hundert Entkopplungskondensatoren von der Oberfläche in die Leiterplatte tatsächliche Leiterbahnfläche frei wird; die Schaltung hochfrequent ist und die parasitäre Induktivität eines Oberflächenkondensators mit einer Durchkontaktierung die Leistung begrenzt; die Schaltung eine dünne oder flexible Baugruppe ist, bei der die Bauteilhöhe eine Rolle spielt; oder die Schaltung Kapazitätswerte benötigt, die nur als eingebettete Strukturen verfügbar sind, wie z. B. eine Flächenpaar-Kapazität, die als verteiltes Entkopplungsnetzwerk verwendet wird.

Es lohnt sich nicht, wenn: die Schaltung nur wenige passive Bauelemente und viel Platinenfläche aufweist; es sich um ein Kleinserienprogramm handelt und die Werkzeug- und Einrichtungskosten nicht amortisiert werden können; die passiven Bauelemente einzeln austauschbar oder wertoptimiert sein müssen; oder die erforderlichen Werte und Toleranzen in Standard-SMD-Bauteilen zu geringeren Kosten weit verbreitet sind.

Ein häufiges Missverständnis entsteht dadurch, dass die Konstruktion mit vergrabenen Kapazitäten und die mit diskreten eingebetteten Bauteilen zwar unter demselben Begriff angeboten werden, sich aber wirtschaftlich grundlegend unterscheiden. Vergrabene Kapazitäten sind eine Materialentscheidung : Durch die Änderung des Laminats und des Lagenaufbaus wird jedes Lagenpaar auf der Leiterplatte zu einem Kondensator. Diskrete eingebettete Bauteile hingegen sind eine Prozessentscheidung : Hierfür wird ein zusätzlicher Platzierungs- und Laminierungsschritt benötigt, um die spezifischen Bauteile in die Leiterplatte zu integrieren. Wenn ein Lieferant das eine anbietet, Sie aber das andere meinen, ist der Preisunterschied erheblich und die Kommunikation verläuft nicht gut. Diese Unterscheidung sollte in der Angebotsanfrage explizit gemacht werden. Die weiterführende Frage, was es bedeutet, Elektronik in eine Leiterplatte zu integrieren, wird in unserem Abschnitt über eingebettete Leiterplattenstrukturen ausführlich behandelt.

Eingebettete passive Leiterplatten vs. SMD-Widerstände und -Kondensatoren

Die letzte Zeile ist für die meisten Programme ausschlaggebend. Eingebettete passive Bauelemente ermöglichen es, Montagekosten in Fertigungskosten umzuwandeln, und dieser Kompromiss lohnt sich nur, wenn das Volumen hoch genug ist, um die Einrichtungskosten zu amortisieren.

Richtlinien für das Design eingebetteter passiver Leiterplatten und DFM-Anforderungen

Dies sind die Regeln, die am häufigsten eine Neugestaltung erzwingen, und es lohnt sich, sie vor der Veröffentlichung des Kunstwerks festzulegen.

• Komponentenauswahl. Eingebettete Widerstandsfolien, Dünnschichtwiderstände, dielektrische Materialien mit eingebetteter Kapazität und diskrete Bauelemente stellen unterschiedliche Implementierungswege dar. Ein diskretes Bauelement muss hinsichtlich des tatsächlichen Laminierungsprofils, des Anpressdrucks, des Harzsystems, der Anschlussmethode und der elektrischen Nachbearbeitungsgrenzwerte qualifiziert werden. Vermeiden Sie pauschale Annahmen basierend auf Gehäusetyp oder Kapazitätswert; prüfen Sie die spezifische Teilenummer und Konstruktion, bevor Sie sich auf das Design festlegen.
• Toleranz der Hohlraumtiefe. Die Aussparung muss so genau der Bauteilhöhe entsprechen, dass die Anschlüsse Kontakt herstellen und das Bauteil nicht beschädigt wird. Die Höhentoleranz innerhalb einer Bauteilcharge ist daher ein wichtiger Konstruktionsparameter.
• Platzierungstoleranz und Ausrichtung. Ein nicht-symmetrisches Bauteil benötigt eine definierte Ausrichtung, und das Kupfer, das mit seinen Anschlüssen verbunden wird, muss innerhalb der Prozesstoleranz an die tatsächliche Position gezogen werden.
• Keine Nachbearbeitung. Ein Design, das überarbeitet werden muss, darf die Komponente nicht innerhalb der Platine platzieren. Dies bedeutet auch, dass die Teststrategie für die Bestückung geändert werden muss: Eine In-Circuit-Testvorrichtung kann möglicherweise einen eingebetteten Knoten nicht erreichen.
• Abstand zu Platinenrändern und Durchkontaktierungen. Der eingebettete Bereich muss die vorgegebenen Abstände zu Leiterplattenrändern, durchkontaktierten Löchern und angrenzenden Kupferflächen einhalten. Der erforderliche Abstand hängt von der gewählten eingebetteten passiven Bauweise und deren Laminierungs- oder Strukturierungsverfahren ab.
• Wert- und Toleranzangabe. Die Konstruktionszeichnung muss den Zielwert und die zulässige Toleranz festlegen, und der Hersteller muss angeben, was der Prozess zulässt. Es handelt sich um unterschiedliche Werte, und es sollte nicht davon ausgegangen werden, dass sie übereinstimmen.

Da ein eingebettetes passives Bauteil mit dem Lagenaufbau interagiert, gelten die Standard-DFM-Prüfungen weiterhin und sollten für dieses Design vollständig durchgeführt werden. Unsere Prüfung der Leiterplatten-DFM-Richtlinien (Design for Manufacturability) umfasst die üblichen Regeln, und die allgemeine Frage, wie ein Lagenaufbau dokumentiert werden sollte, wird in unserem Leitfaden zum Leiterplatten-Lagenaufbau behandelt.

Wie eingebettete Widerstände und Kondensatoren getestet werden

Ein eingebettetes passives Bauelement ist nach der Laminierung möglicherweise nicht direkt zugänglich, daher müssen der Testzugriff und die Verifikationsstrategie vor der Freigabe des Schichtaufbaus geplant werden. Vier Ansätze werden üblicherweise kombiniert angewendet.

• Prozessqualifizierung mittels Coupons. Parallel zur Platine wird ein Testcoupon mit derselben eingebetteten Struktur hergestellt und vermessen. Dadurch wird die Wertbeständigkeit des Verfahrens nachgewiesen, ohne dass die Kosten für die Prüfung jeder einzelnen Platine anfallen. Dies ist das Standardverfahren für ein stabiles Produktionsprogramm.
• Teststrukturen auf dem Bedienfeld. Kondensatoren oder Widerstände in eingebetteter Form werden in einem dafür vorgesehenen Bereich des Panels platziert und vermessen. Dies benötigt nur wenig zusätzliche Fläche und liefert Daten pro Panel.
• Elektrische Prüfung der bestückten Platine. Die Funktionsfähigkeit der Schaltung wird am Ende der Produktionslinie gemessen. Dadurch werden grobe Fehler erkannt, aber in der Regel kann ein passives Bauteil, das nur geringfügig außerhalb der Toleranz liegt, nicht isoliert werden.
• Querschnitt und Mikroskopie. Bei Entwicklungsversionen bestätigt dies, dass das Bauteil ordnungsgemäß eingebettet ist, dass das Kupfer mit den Anschlüssen verbunden ist und dass keine Hohlräume um das Bauteil herum vorhanden sind.

Der entscheidende Unterschied in einem Vertrag liegt zwischen der Messung pro Leiterplatte und der Prozessqualifizierung. Bei der Prozessqualifizierung wird der Wert prozessgesteuert und stichprobenartig erfasst; bei der Messung pro Leiterplatte wird jede Einheit einzeln gemessen, was einen tatsächlichen Zeitaufwand verursacht. Beide Verfahren sind zulässig, sollten aber im Angebot explizit genannt werden, da die Aussage „eingebettete passive Bauelemente werden überprüft“ keine Spezifikation darstellt. Die umfassenderen Optionen zur Messung fertiger Leiterplatten werden in unseren PCB-Testmethoden beschrieben.

Beschaffung und Qualifizierung von passiven eingebetteten Leiterplattenkomponenten

Dies ist der Teil der eingebetteten passiven Bauelemente, der am häufigsten ein vielversprechendes Projekt in ein ins Stocken geraten lässt, und es lohnt sich, ihn vor der Angebotserstellung gründlich zu durchdenken.

• Das Bauteil muss exakt spezifiziert werden. Nicht etwa „ein 100 nF 0402 Kondensator“, sondern Hersteller und Teilenummer, da der Einbettungsprozess auf die spezifischen Abmessungen des Bauteils, seine Höhentoleranz und seine Anschlussmetallurgie abgestimmt sein muss.
• Die Kontrolle der Parzelle ist wichtiger als sonst. Da sich die Komponenten im Inneren der Platine befinden, stellt ein Wechsel des Herstellers oder des Produktionsstandorts eine Änderung des qualifizierten Prozesses dar und muss kontrolliert werden, anstatt als Kaufentscheidung behandelt zu werden.
• Die Verfügbarkeit muss geprüft werden, bevor das Design endgültig festgelegt wird. Eine Komponente, die in einem Vertriebskanal nur auf Zuteilungsbasis verfügbar ist, stellt ein Risiko für das gesamte Programm dar, und dieses Risiko ist erst sichtbar, wenn die Bestellung aufgegeben wird.
• Die Qualifizierung erfolgt pro Bauvorhaben, nicht pro Bauteil. Sobald eine Konstruktion und eine Komponentenfamilie qualifiziert sind, lässt sich ein weiterer Wert aus derselben Familie unkompliziert hinzufügen; das Hinzufügen eines anderen Komponententyps erfordert eine neue Qualifizierung. Beschaffung elektronischer Komponenten behandelt die gemeinsame Abwicklung von Beschaffung und Fertigung; den umfassenderen Ansatz beschreiben wir auf unserer Seite zum Thema Beschaffungskompetenz.

Kosten, Mindestbestellmenge und Lieferzeit für eingebettete passive Leiterplatten

Eingebettete passive Bauteile werden anhand von Einrichtungskosten und Grenzkosten bewertet, wobei die Differenz zwischen beiden groß ist.

Die Einrichtungskosten setzen sich aus den Werkzeugen für die Kavitäten, der Bestückungsvorrichtung, der Prozessqualifizierung und der Materialspezifikation zusammen. Sie fallen einmalig an und sind der Grund, warum Kleinserien selten wirtschaftlich sind. Bei Designs mit überschaubaren Stückzahlen, bei denen die gleiche Leistung mit weniger Oberflächenkomponenten erzielt werden kann, ist die konventionelle Fertigungsmethode in der Regel die praktikablere Wahl. Ein Lieferant, der eingebettete passive Bauelemente in ein 50-teiliges Programm integriert, ohne diesen Kompromiss zu erläutern, ist nicht ehrlich.

Die Lieferzeit ergibt sich aus dem Fertigungsprozess und nicht aus dem Material. Das Hinzufügen einer eingebetteten Schicht bedeutet in der Regel mindestens einen zusätzlichen Laminierzyklus und einen zusätzlichen Fertigungsschritt. Das Material kann ein Sonderlaminat mit eigener Beschaffungszeit sein. Unsere Hinweise zur Laminatlieferzeit berücksichtigen die Materialseite, und die Auswirkungen der Materialwahl auf die gesamte Leiterplatte werden in unserer Übersicht zu Leiterplattenmaterialien erläutert.

Am einfachsten lässt sich die Wirtschaftlichkeit einer Umstellung prüfen, indem man die Kosten beider Versionen anhand des tatsächlichen Produktionsvolumens ermittelt und dabei die eingesparten Montagekosten berücksichtigt. Dieser Vergleich ist oft ausschlaggebend, und es lohnt sich, einen Hersteller damit zu beauftragen, anstatt einen Festpreis für die Embedded-Variante zu akzeptieren.

Eingebettete passive Bauelemente vs. eingebettete Substrate

Diese beiden werden häufig verwechselt, da beide etwas in die Platine einbringen. Sie unterscheiden sich jedoch strukturell, und dieser Unterschied ist auf einer Zeichnung leicht zu übersehen.

• Eingebettete passive: Diskrete passive Bauelemente oder eine Flächenkapazität, integriert in das Laminat. Die Leiterplatte bleibt einteilig. Die Funktion ist im Dielektrikum oder in einem darin enthaltenen Bereich implementiert.
• Eingebettetes SubstratEine separate Platine oder ein Modul, das in einer Aussparung platziert und mit dem Host verbunden ist, sodass die Baugruppe einen aktiven Schaltkreis enthält. Dies ist die auf unserer Seite zu eingebetteten Substrat-Leiterplatten beschriebene Konstruktion.

The choice is usually clear once stated. If the goal is to free up surface area and reduce parasitic inductance, an embedded passive achieves it. If the goal is to integrate a complete module into the board, an eingebettetes Substrat is the construction that does it.

Hersteller von passiven Embedded-Leiterplatten: Machbarkeitsprüfung und Angebotserstellung

Für Teams, die nach einem Hersteller von eingebetteten passiven LeiterplattenHighleap kann die geplante eingebettete Struktur und die zugehörigen Anforderungen an die Leiterplattenfertigung prüfen. Die Angebotsanfrage sollte angeben, ob das Design eine solche Struktur verwendet. Leiterplatte mit integriertem Widerstand, ein Leiterplatte mit integriertem Kondensator, buried capacitance, a printed resistive layer or another defined approach. These terms describe different constructions, so a quote should state the proposed technology rather than treat “embedded passive” as a single standard process. The guide to manufacturing printed circuits gives process context for the manufacturing information required at design release.

Für ein Angebot zur Fertigung passiver Embedded-Leiterplatten benötigen wir den vollständigen Schichtaufbau, die Materialgüte, die passiven Werte und Toleranzen, die Betriebsspannung bzw. den Betriebsstrom, gegebenenfalls die Temperatur- und Frequenzanforderungen, die Anschlussgeometrie, die Testzugänglichkeit und die Stückzahl. Befindet sich das Projekt im Prototypenstadium, geben Sie bitte an, ob es sich um einen Machbarkeitsnachweis, ein Engineering-Muster, eine Qualifizierungscharge oder die Serienfreigabe handelt. Der Testplan und die Abnahmekriterien sollten vor der ersten Fertigung vereinbart werden.

Der Leiterplattenfertigungsservice von Highleap ist für den gesamten Aufbau von Multilayer-Leiterplatten relevant, während die PCB-DFM-Prüfung fehlende Designinformationen vor der Freigabe identifizieren kann. Bei schlüsselfertigen Projekten mit oberflächenmontierten Bauteilen koordinieren Sie die Stückliste und den Montageumfang über die Leiterplattenbestückungsdienste . Die genauen Anforderungen an die eingebettete Technologie und die Qualifizierung müssen mit dem eingereichten Design abgeglichen werden.

• Angebotspaket: Gerber/ODB++-Dateien, vollständiger Stackup, Passivtypen und -werte, Toleranzen, Materialien, Betriebsbedingungen, Anschlussdetails, Testplan und erwartetes Volumen.

Häufig gestellte Fragen zur Herstellung von eingebetteten passiven Leiterplatten

Kann jede beliebige Komponente eingebettet werden?

Nein. Das Bauteil oder passive Material muss mit dem gesamten Laminierprozess kompatibel sein, und seine elektrischen Verbindungen müssen nach dem Pressvorgang zuverlässig bleiben. Die Qualifizierung sollte sich auf das spezifische Bauteil oder Material, den Schichtaufbau, das Laminierprofil und die Testkriterien beziehen, anstatt davon auszugehen, dass eine gesamte Bauteilkategorie geeignet ist.

Wie werden die Werte kontrolliert, wenn sie sich innerhalb der Platine befinden?

Durch den Prozess und durch Stichproben. Ein mit dem Panel erstellter Coupon oder eine Teststruktur belegt, dass der Prozess den Wert und die Toleranz einhält, und der Stichprobenplan wird abgestimmt. Bei einem Programm, in dem jede Einheit gemessen werden muss, ist dies spezifiziert, da es die Kosten und die Zykluszeit beeinflusst.

Beeinflussen eingebettete passive Bauelemente die Impedanz benachbarter Leiterbahnen?

Das ist möglich. Eine Flächenkapazität erzeugt eine Parallelkapazität in den Flächen über diesem Bereich, wodurch sich die Impedanz einer darüber verlaufenden Leiterbahn ändert. Bei einer Schaltung mit kontrollierter Impedanz in der Nähe einer eingebetteten Kondensatorschicht muss dies im Impedanzaufbau berücksichtigt werden.

Kann eine eingebettete passive Platine normal montiert und getestet werden?

Die Montage ist unproblematisch, da äußerlich keine zusätzlichen Komponenten vorhanden sind. Beim Testen ist jedoch Vorsicht geboten: Die eingebettete Komponente ist möglicherweise nicht mit einer Testvorrichtung erreichbar, daher sind Funktionstests oder Teststrukturen üblicherweise die beste Lösung. Falls eine In-Circuit-Testabdeckung erforderlich ist, muss dies frühzeitig im Designprozess festgelegt werden.

Was passiert, wenn ein vorheriger Lieferant den Auftrag abgelehnt hat?

Die häufigsten Gründe sind eine tatsächlich nicht unterstützte Konstruktion, ein Bauteil, das nicht für den Einbau geeignet ist, oder ein Projektvolumen unterhalb der wirtschaftlichen Schwelle. Alle drei Gründe sind berechtigt. Entscheidend ist, welcher der drei zutrifft, denn der erste ist eine technische Erklärung, der zweite eine Konstruktionsänderung und der dritte eine wirtschaftliche Entscheidung. Die Übermittlung der Gerber-Datei, des Stackups und der spezifischen Teilenummern ermöglicht in der Regel eine schnelle Klärung.