Geminiaturiseerde PCB's op het snijvlak van vorm en functie

In de afgelopen jaren hebben we een toename gezien van nieuwe elektronicatoepassingen die kleinere pakketten, nieuwe vormfactoren, een lager stroomverbruik en meer functionaliteit vereisen, waaronder ingebouwde signaalverwerking, sensoren, beeldinterfaces en energiebeheercomponenten – allemaal geïntegreerd binnen krappe afmetingen en soms zelfs flexibele ondergronden. Deze trend stelt de conventionele PCB-technologieën voor tal van uitdagingen. Waar voorheen starre PCB's met een plat oppervlak de steunpilaar waren, heeft de opkomst van slimme horloges, IoT-apparaten en andere compacte systemen de ontwikkeling gestimuleerd van geavanceerde nieuwe geminiaturiseerde PCB's die zijn ontworpen om te passen bij de contouren van steeds kleiner wordende pakketgroottes. Deze nieuwe generatie PCB's lijkt nauwelijks op de generatie die eraan voorafging, en ontwerpers hebben moeite om zich aan te passen.

Deze trends hebben ontwerpers ertoe aangezet om productietechnologieën te benadrukken voor dunnere geleidingslijnen, snelle signaaltransmissielijnen, moeilijke impedantieregelingen en via-plaatsingspraktijken, evenals gemodificeerde substraten en een grotere afhankelijkheid van embedded apparaten. Dit legt tal van beperkingen op met betrekking tot het ontwerp van de printplaat, met aanzienlijke gevolgen voor de systeembetrouwbaarheid, functionaliteit, energiebeheer en het algehele succes van het ontwerpproject.

Meerdere ontwerpuitdagingen

De levensduur van de batterij is natuurlijk een kritische overweging voor de nieuwe generatie compacte elektronische apparaten, en dit beïnvloedt het PCB-ontwerp op talloze manieren. Ontwerpers moeten rekening houden met signaalverlies en voortplantingsproblemen die zullen resulteren in een kortere levensduur van de batterij, en meer aandacht moeten besteden aan signaalintegriteit, energiebeheer en EMI-problemen. Problemen met signaalintegriteit kunnen met name uitgesproken zijn voor flexibele PCB's, waar de impedantieregeling onder druk kan komen te staan ​​in gevallen waar hogesnelheidssignalen scheef zijn vanwege het buigen van de PCB.

Extra passieve apparaten zoals weerstanden, condensatoren en inductoren zijn nodig om de bovengenoemde signaal- en interferentie-uitdagingen het hoofd te bieden, en het gebrek aan beschikbare pakketruimte vereist doorgaans dat deze apparaten in de PCB worden ingebed. Maar het inbedden van passieve apparaten in PCB's is geen volwassen, ontwikkelde mogelijkheid en kan leiden tot functionaliteitsproblemen - misschien houdt het apparaat geen stroom of is de betrouwbaarheid niet zoals gehoopt - en worden er tal van beperkingen opgelegd aan de ontwerpstroom.

Om de functionaliteit van compacte elektronische apparaten te vergroten, moet vaak gebruik worden gemaakt van RF-communicatie in het nabije veld - nog een andere functie die moet worden ingebed in het PCB-ontwerp. In conventionele elektronica zijn RF-componenten gehuisvest in robuuste, stijve en duurdere materialen, met voldoende ruimte om te verblijven. Compacte apparaten vereisen echter het gebruik van dunnere en flexibelere materialen, waardoor ontwerpers onder druk moeten komen te staan ​​buiten de reguliere PCB-ontwerpprincipes. Kopersporen moeten met veel grotere precisie worden gevormd en de afstanden tussen lijnen zijn veel kleiner. De plaatsing van via's tussen PCB-lagen wordt ook beïnvloed, wat van invloed is op de grootte en positionering van deze verbindingen, en alternatieve materialen moeten mogelijk worden vervangen om deze via's te versterken in gevallen waar de omringende PCB-lagen niet de glasvezelsamenstelling van conventionele gebruiken. stijve PCB's.

Innovaties in de fabricage van geminiaturiseerde PCB's

Om de belangrijkste uitdagingen aan te gaan die inherent zijn aan nieuwe generaties compacte elektronische apparaten, worden laser direct imaging (DI)-systemen steeds vaker gebruikt door PCB-fabrikanten om zeer dunne geleiders te vormen met een kenmerkgrootte van 10 micron. De ideale DI-oplossing moet een balans bieden tussen hoge registratienauwkeurigheid en optimale kwaliteit, zelfs bij hoge productiesnelheden. Een voldoende hoge scherptediepte moet zorgen voor gunstige resultaten op PCB-topografieveranderingen, met nauwkeurige lijnuniformiteit. Deze systemen bieden een goedkoop alternatief voor front-end lithografie, en met voortdurende innovatie in de positioneringstechnologie van soldeermaskers, zal de embedded elektronica-industrie binnenkort klaar zijn om sub-10 micron lijnen te bereiken.

Figuur. Direct Imaging maakt nu mSAP en geavanceerde HDI-PCB's met een functiegrootte van 10 µm mogelijk. (Bron:Orbotech)

Tegelijkertijd kunnen geavanceerde UV-laserboorsystemen worden gebruikt om kleine via's te boren door een breed scala aan materialen van verschillende dikte en sterkte, waaronder ABF, polyimide, keramiek, hars, schimmelsamenstellingen, metaal en soldeerbestendig, zonder residu of schade aan de onderkant van de via en geen ondersnijding, met registratienauwkeurigheid tot 6 micron.

Deze systemen zijn ontworpen om de productieprocessen voor de elektronische apparaten van vandaag te stroomlijnen naarmate ze dunner, kleiner, flexibeler en met een hogere functionaliteit worden. Fabrikanten van geminiaturiseerde PCB's stellen fabrikanten van geminiaturiseerde PCB's in staat hun productieprecisie en -kwaliteit te verhogen, terwijl ze hun productiecapaciteit verbeteren.

Aan de zakelijke kant zouden investeringen in deze productiesystemen uiteindelijk het totale rendement van PCB-leveranciers moeten verbeteren en daarmee hun winst. Veel productiebedrijven hebben de productie van hoogfunctionerende apparaten met geminiaturiseerde PCB's vermeden vanwege zorgen over het opbrengstbeheer. De nieuwe generatie PCB-inspectie-, beeldvormings- en laserboorsystemen vermindert de opbrengstrisico's aanzienlijk. Tegelijkertijd zijn deze systemen geschikt voor kleinere afmetingen en nieuwere PCB-materialen met reparatiemogelijkheden die de opbrengst op acceptabele niveaus zullen houden, zelfs onder de strikte beperkingen die worden opgelegd door voortdurende PCB-miniaturisatie.

Gil Tidhar is het co-hoofd van de Global Product Organization (GPO) van Orbotech, waar hij verantwoordelijk is voor het beheer van de algemene activiteiten van de eenheid en voor de ontwikkeling van de producten voor additieve fabricage. Gil heeft meer dan 25 jaar ervaring als technisch leider en manager op verschillende gebieden van elektro-optica, fysica en systeemtechniek, waar hij een bewezen staat van dienst heeft in het nemen van fundamentele en toegepaste wetenschappelijke ontwikkelingen van concept tot geïmplementeerde systemen, zowel in de industrie als in startende bedrijven. Gil heeft een aantal patenten op zijn vakgebied en heeft verschillende artikelen gepubliceerd. Hij was ook lid van de conferentiecommissie en sessievoorzitter voor het internationale SPIE DSS-symposium.