省空间方案——无源器件内置

简介：

随着科技的日益发展,无论是工业产品，还是各种消费类电子产品，对体积和空间的要求越来越严格。例如，世界第一台计算机的体积犹如一座小楼，而如今的计算机却可以做到如手掌的大小，人类文明的进步，造就了工业和技术的高速发展。同样在各种高速发展的科技信息行业中,集成电路发展有着急剧的变化，从lead引线元件到大规模的SMD，从简单的单层PCB发展到多层PCB通孔连接，从高功率大体积到低功耗小尺寸的变迁。而近些年来嵌入式电阻和电容的技术又走在了科技的前端，也将代表着下一个时代和未来的趋势。

在此之前，人们已经发明了多层PCB板技术，其中核心的部分就是大家熟知的微过孔技术，其不同层的PCB布线通过激光通孔，附铜连接。在应用中，在一定程度上减小了PCB电路布线的面积，只留下元器件所需的空间和尺寸。而无源器件的内置技术，将更有可能改变电路设计的面貌。微过孔电路实现了更高的密度、更轻的重量和更好的性能，但电路板本身仍是许多导线的连接体。而采用无源器件内置技术后，电路板将变得完全不同于以往。其被动器件（如：电阻、电容）将会被集成在PCB内部,而外部不会留下任何无源器件，这样PCB的空间和尺寸会被压缩至最小！

无源器件内置是一个相对较新的概念,目前诸多公司都在接触和研究这个新的技术，因而在国内市场上还未得到普遍应用，造成这个情况的制约因素主要有两点：

1、国内目前未有整套完整的体系去验证该计划的可靠性以及稳定性。

2、PCB厂家的生产加工技术，需要高精密的仪器和生产技术才能配合到嵌入式PCB的设计和开发。

但就算是存在着诸多难点，为什么要内置它们呢？究其根本原因无非就是电路板表面空间紧张，客户产品在往小型化，高度集成化方向发展。在典型的生产装配中，占生产成本很小的元件部分可能会占据PCB大部分的空间，并且这个情况越来越严峻。因为我们设计的产品需要支持越来越多的功能，导致其项目设计中要支持更多的功能、更高的时钟速率和更低的电压，这就要求有更多的功率和更高的电流。同时还需要对电源分布系统进行很大的改进。这一切都需要有更多的无源器件（如:电阻、电容），而无源器件的增加，势必会占据相当大一部分PCB空间。

无源器件内置的优势：

      1、 节约了宝贵的电路板表面空间，缩小了电路板尺寸并减少了其重量和厚度。

      2、 嵌入的方式由于消除了焊接点，因此减少了引入的电感量，从而降低了电源系统的阻抗，可靠性得到很大提高(焊接点是电路板上最容易引入故障的部分)。

      3、 无源器件的嵌入将减短导线的长度，并且允许更紧凑的器件布局，从而提高电气性能。

嵌入式电阻：

目前市场环境中某些制作嵌入式电阻PCB的方式是采用双金属层结构——铜层与一个薄的镍合金层构成了电阻器元素，然后通过对铜和镍的蚀刻，形成具有铜端子的各种镍电阻，并且直接与布线相连接，然后这些电阻器被层压至电路板的内层中。该技术已经被应用于通讯设备中，如：卫星、基站。而在医疗电子设备、航空电子设备和电脑设备中也得到了应用。嵌入式电阻不仅可以节约空间、减少重量和尺寸。同时也可以提升电子性能。

日本专业电阻生产商KOA在电阻行业有长达60年以上的生产和研发经验，对应着新型PCB工业的技术，当然也不会落后，其XR73系列电阻，可以完全内嵌于PCB设计的电路中，并拥有很好的公差和其他标准的电阻特性，XR73系列电阻为一个单独的抵抗体，较上述部分的嵌入式电阻方式，在阻值误差，温漂，以及一些噪声和各批次间的一致性身上有着独特的优势，因为XR73是个完整的个体，是采用标准的电阻生产技术来完成的，其温度控制和功率控制，以及阻值控制部分都存在着很大的灵活性，并且该系列嵌入式电阻的应用，可以在宽大的双面铜电极上直接进行微过孔连接PCB的布线，所以辅助PCB的印制，少了很多工序，可以直接层压到PCB中。如下为KOA XR73的基本框图以及相关的尺寸：

可以从图中看出，其内部架构，保护膜，基本散热部分,电极部分都是十分的完整。并且其中有两个部分有着和突出的表现：

1.     面积很广的双面电极。

2.     非常低的厚度值，可达0.14mm.

在嵌入式无源器件PCB中采用该系列的电阻应用有着如下的优势：

1、高集成度。该系列应用通过三维可视化的安装方式较普通的SMD贴片有高精准性和稳定性的优势。

2、高散热性。大家熟知，如果嵌入式电阻的温升过高，将会造成整块PCB的热量过大，后续不得不借助外围器件散热，而XR73系列在温升控制方面非常优秀,采用导热率高的树脂充当电阻外层的保护膜。

3、高可靠性：将电阻层压至PCB中，而PCB外层相当于电阻的物理环境保护膜，所以对电路的稳定性有很大的提升。

4、高优异抗弯曲性及抗震性。内嵌式电阻较大的弊端的一部分在于电阻一旦潜入在PCB内部，它的电极部分被固定，当热胀冷缩，和外部高强度机械应力弯曲电路板时，会对内嵌的电阻有个非常严峻的考验， XR73系列采用了相关的技术能够承受一定程度的弯曲和热胀冷缩考验,并且KOA内部的测试针对该项目的要求也十分严格，采用大批量的弯曲0mm～1mm，0mm～5mm规格，测试后电阻的误差必须控制在公差范围内。

5、非常优秀连接性。 在上文中也提到过微过孔技术，内嵌式电阻再加上微过孔技术，不仅可以将电阻内嵌在PCB中，并且PCB还可以多层化，而这样就会更加节省空间。XR73系列最大亮点在于，它是双面电极，并且电极部分是由Cu制成，具有很强的抗震性，而这一特点有着非常显著的应用---那就是XR73系列可以在电阻的电极上实施微过孔技术的同时与多层PCB的连接。

总结：

    其无源器件的嵌入式PCB，将会是一个趋势，目前国内诸多的电子产品和一些终端设备的研发和制造商，都非常关注这个领域，将其作为一个技术的贮备，不断的去探索。嵌入式PCB可能较普通PCB的生产成本会提高，但是其对设计的改进(更小的尺寸，更少的层数，更轻的重量)，安装费用的节省(从双面安装变成单面安装)，以及带来的性能提升都应该被考虑到。随着工艺的进步、产量的增加以及竞争方的合并，成本必然会下降，应用也将会更广泛。