בתכנון מסורתי של מעגלים מודפסים (PCB), הלוח נתפס בדרך כלל כפלטפורמה להרכבת רכיבים ולניתוב חיבורים חשמליים. נגדים, קבלים, מעגלים משולבים (ICs) ורכיבים אלקטרוניים נוספים ממוקמים לרוב על פני השטח של הלוח ומחוברים באמצעות מוליכי נחושת, ויאס והלחמות.
אבל ככל שהאלקטרוניקה מתקדמת לכיוון של צפיפות גבוהה יותר, מידות קטנות יותר, קצבי נתונים מהירים יותר ותדרים גבוהים יותר, הגישה המסורתית הזו מתחילה להגיע לגבולות שלה. כאן בדיוק נכנסים לתמונה רכיבים משולבים בתוך ה-PCB, שהופכים לחשובים יותר ויותר בתכנון לוחות מתקדם.
כאשר משלבים רכיבים בתוך הלוח עצמו, ולא רק על פני השטח שלו, אפשר לנצל טוב יותר את המקום, להגדיל את רמת האינטגרציה ולתמוך בארכיטקטורות PCB מתקדמות יותר. במאמר הזה נסביר מהם רכיבי PCB משולבים, איך מממשים אותם, ולמה הם חשובים בתכנון PCB מודרני.
מה הם רכיבים משולבים בתוך PCB?
רכיבים משולבים בתוך PCB הם רכיבים שנוצרים בתוך מבנה הלוח עצמו, או מוטמעים בין שכבות הלוח.
בשונה מרכיבי SMT רגילים שמולחמים על פני השטח, רכיבים אלו מובנים בתוך הלוח והופכים לחלק ממבנה ה-multilayer. הם יכולים לכלול גם רכיבים פסיביים, כמו נגדים, קבלים וסלילים, וגם רכיבים אקטיביים המשמשים לעיבוד אותות או לבקרה.
בפועל, רכיבים משולבים משנים את תפקיד ה-PCB: לא רק משטח חיבורים, אלא מבנה פונקציונלי משולב יותר.
למה משתמשים ברכיבים משולבים בתכנון PCB?
התפקיד המסורתי של PCB הוא לספק תמיכה מכנית לרכיבים וחיבורים חשמליים ביניהם. אבל ככל שמערכות אלקטרוניות הופכות למורכבות יותר, רכיבים משולבים בתוך PCB הופכים לאפשרות תכנון בעלת ערך רב יותר. כמה מגמות מרכזיות דוחפות את התחום הזה קדימה.
1. מוצרים אלקטרוניים נעשים קטנים יותר, אבל עושים יותר
מכשירים אלקטרוניים ממשיכים להצטמצם בגודל, בזמן שהפונקציונליות שלהם רק גדלה. שטח הפנים מוגבל, וככל שצפיפות הרכיבים עולה, ה-layout וה-routing נעשים מורכבים יותר. שילוב רכיבים בתוך הלוח הוא דרך יעילה להגדיל את צפיפות האינטגרציה.
2. מהירויות האות ממשיכות לעלות
כאשר מהירויות האות עולות, מסלולי הולכה ארוכים ואפקטים פרזיטיים הופכים לבעייתיים יותר. שילוב רכיבים קרוב יותר למעגל הרלוונטי מאפשר לקצר נתיבים חשמליים ולשפר ביצועים.
3. יישומי תדר גבוה הופכים לנפוצים יותר
מעגלים בתדר גבוה רגישים יותר למבנה הלוח ול-layout. בהשוואה לתכנוני surface-mount רגילים, רכיבים משולבים מספקים גמישות גדולה יותר ויכולים לשפר ביצועים חשמליים מקומיים.
4. דרישות האמינות נעשות מחמירות יותר
במוצרים שבהם אמינות היא קריטית, רכיבים משולבים יכולים להפחית את מספר הרכיבים החשופים ואת מספר חיבורי ההלחמה על פני השטח, וכך לסייע ביצירת מערכת קומפקטית ויציבה יותר מבחינה מכנית.
מושגי יסוד להבנת רכיבי PCB משולבים
כדי להבין את הנושא היטב, כדאי קודם להגדיר כמה מונחים בסיסיים.
1. רכיב
רכיב הוא אבן בניין בסיסית בכל מערכת חשמלית או אלקטרונית, והוא חיוני לתפקוד המעגל.
2. רכיב פסיבי
רכיבים פסיביים כוללים נגדים, קבלים וסלילים. הם משפיעים על זרם, מתח, עכבה או תגובת תדר במעגל, אך אינם מספקים הגבר זרם או מתח.
3. רכיב אקטיבי
רכיבים אקטיביים יכולים לספק הגבר או לבצע פעולות כמו הגברה, הנעה, בקרה או עיבוד אות.
4. רכיב משולב
רכיב משולב הוא רכיב שנוצר בתוך מצע החיבורים או מוטמע בתוכו. הוא יכול להיות פסיבי או אקטיבי.
שני הסוגים העיקריים של רכיבים משולבים בתכנון PCB
מבחינת מימוש, רכיבים משולבים בתוך PCB מתחלקים בדרך כלל לשתי קטגוריות: רכיבים נוצרים ורכיבים מוטמעים.
1. רכיבים משולבים נוצרים
רכיבים אלה נוצרים ישירות בתוך ה-PCB במהלך הייצור. כלומר, הם אינם מיוצרים כרכיבים נפרדים ואז מוכנסים ללוח, אלא חומרי ה-PCB ותהליכי הייצור עצמם משמשים ליצירת פונקציונליות של נגד, קבל או סליל בתוך הלוח.
דוגמאות לכך כוללות:
- שימוש בחומר רזיסטיבי ליצירת נגדים משולבים
- שימוש בשכבות נחושת ודיאלקטרי ליצירת קבלים משולבים
- שימוש בדפוסי סליל בשכבות פנימיות ליצירת סלילים משולבים
הגישה הזו קשורה באופן ישיר ל-embedded passive technology, במיוחד כאשר פונקציות פסיביות נבנות ישירות בתוך מבנה הלוח.
2. רכיבים משולבים מוטמעים
אלה רכיבים דיסקרטיים רגילים, אבל במקום להיות מורכבים על פני השטח של ה-PCB, הם ממוקמים בין שכבות הלוח ולאחר מכן נעטפים בתוך הלוח באמצעות תהליכי למינציה וחיבור.
דוגמאות לכך כוללות:
- הטמעת נגדי SMT בשכבות פנימיות
- הטמעת קבלי SMT בשכבות פנימיות
- הטמעת רכיבים אקטיביים מסוימים או מודולים בתוך הלוח
אפשר לחשוב על זה כך:
- נוצר: הפונקציה עצמה נבנית ישירות בתוך הלוח
- מוטמע: הרכיב עצמו מוכנס לתוך הלוח
בחתך טיפוסי של PCB רב-שכבתי, תכנון אחד יכול לכלול רכיבים אקטיביים משולבים, רכיבים פסיביים משולבים, ואפילו מודולים הכוללים פונקציות משולבות. זה מראה שרכיבי PCB משולבים אינם פשוט "רכיבים שמוחבאים בתוך הלוח", אלא חלק מגישת תכנון רחבה יותר שמחברת בין מבנה, חומרים וייצור.
איך מממשים רכיבים משולבים בתוך PCB?
רכיבי PCB משולבים אינם מבוססים על שיטה אחת בלבד. קיימות כמה דרכים עיקריות לממש אותם בייצור PCB מודרני.
1. הטמעת רכיבי SMT בשכבות פנימיות
גישה נפוצה היא למקם נגדי SMT, קבלי SMT ורכיבים דומים ישירות בתוך השכבות הפנימיות של ה-PCB. זה מראה שטכנולוגיית embedded לא מוגבלת רק למבנים שנוצרים בתוך הלוח, אלא יכולה לחול גם על רכיבים דיסקרטיים סטנדרטיים.
2. יצירת פונקציית נגד באמצעות חומרים ייעודיים
במקום להטמיע נגד מוכן, אפשר ליצור מבנים רזיסטיביים ישירות בתוך ה-PCB. לדוגמה, ניתן לחרוט תבנית נגד בשכבת חומר רזיסטיבי, ואז לחבר אותה לשאר המעגל באמצעות תהליך multilayer רגיל.
המשמעות היא שהתנגדות לא חייבת להגיע תמיד מנגד chip נפרד, אלא יכולה להיות משולבת ישירות בלוח כ-embedded resistor.
3. יצירת פונקציית קבל באמצעות שכבות דיאלקטריות דקות
גם קיבול יכול להיווצר בתוך ה-PCB. הרעיון הבסיסי פשוט: כששתי שכבות מוליכות מופרדות על ידי שכבה דיאלקטרית דקה, מתקבל קבל.
באמצעות שליטה על שטח הנחושת, עובי הדיאלקטרי והמרווח בין השכבות, אפשר לבנות embedded capacitors ישירות בתוך מבנה הלוח.
4. יצירת השראות באמצעות דפוסי סליל נחושת בשכבות פנימיות
אם מתכננים דפוס סליל נחושת מתאים בשכבה פנימית, הוא יכול לספק התנהגות אינדוקטיבית. כך אפשר לשלב פונקציות השראות מסוימות בתוך ה-PCB כ-embedded inductors, במקום להסתמך רק על רכיבי השראות דיסקרטיים חיצוניים.
למה רכיבים משולבים חשובים: מעבר ל-PCB כפלטפורמת נשיאה
באופן מסורתי, PCB נתפס בעיקר כפלטפורמה לתמיכה מכנית ולחיבורים חשמליים. רכיבי PCB משולבים משנים את התפיסה הזו בכך שהם הופכים את הלוח ל-פלטפורמה פונקציונלית משולבת יותר.
בתכנון כזה, ה-PCB עושה יותר מאשר רק לחבר רכיבים. הוא יכול גם:
- לספק התנגדות מובנית
- לספק קיבול מובנה
- לספק השראות מובנית
- להכיל פנימית רכיבים פסיביים או אקטיביים
- לפעול יחד עם מבנה ה-multilayer כחלק ממודול פונקציונלי
זו אחת התפיסות החשובות ביותר מאחורי טכנולוגיית embedded components ב-PCB.
היתרונות של רכיבי PCB משולבים לעומת תכנוני Surface-Mount מסורתיים
רכיבי PCB משולבים זוכים לעניין רב משום שביישומים מסוימים הם יכולים לספק אינטגרציה גבוהה יותר וביצועים חשמליים טובים יותר.
1. חיסכון בשטח פני השטח
כאשר מעבירים חלק מהרכיבים לתוך הלוח, מתפנה שטח על פני השטח עבור רכיבים קריטיים, מחברים או routing.
2. הגדלת צפיפות ה-layout
כאשר רכיבים משולבים בתוך הלוח, אפשר להכניס יותר פונקציונליות באותו שטח, דבר חשוב במיוחד במוצרים קומפקטיים.
3. קיצור נתיבי אות
רכיבים שממוקמים קרוב יותר למעגל הרלוונטי יוצרים בדרך כלל חיבורים קצרים יותר, וכך מסייעים בהפחתת אפקטים פרזיטיים.
4. שיפור פוטנציאלי בביצועי high-speed ו-high-frequency
בתכנונים מהירים ובתדר גבוה, מסלולים חשמליים קצרים יותר ומבנה קומפקטי יותר יכולים לשפר ביצועים מקומיים.
5. הגדלת האינטגרציה ברמת המערכת
רכיבים משולבים בתכנון PCB מאפשרים ללוח לעשות יותר מאשר רק להחזיק רכיבים. ה-PCB עצמו הופך לחלק מהמעגל, ובכך מאפשר מזעור נוסף.
המגבלות של רכיבים משולבים בתכנון PCB
למרות היתרונות הברורים, רכיבי PCB משולבים אינם הבחירה הנכונה לכל פרויקט.
1. הייצור מורכב יותר
בהשוואה ללוחות multilayer סטנדרטיים, תכנונים עם רכיבים משולבים דורשים שליטה הדוקה יותר בלמינציה, יישור, עוביים ותאימות חומרים.
2. בדיקה ותיקון מורכבים יותר
אם רכיב surface-mount נכשל, לעיתים קרובות אפשר להחליף אותו. אבל כאשר רכיב קבור בתוך הלוח, הבדיקה והתיקון נעשים קשים בהרבה.
3. העלויות בדרך כלל גבוהות יותר
מכיוון שתהליכי התכנון והייצור מורכבים יותר, רכיבי PCB משולבים מתאימים יותר למוצרים עתירי אינטגרציה, ביצועים גבוהים או יישומים מיוחדים, ופחות לתכנוני PCB סטנדרטיים.
דרך מהירה להבין את ההבדל בין “Formed” ל-“Embedded”
קל לבלבל בין שני המונחים האלה, אבל ההבחנה ביניהם דווקא פשוטה.
Formed
“Formed” פירושו שפונקציית הרכיב נוצרת ישירות במהלך ייצור ה-PCB.
דוגמאות:
- שימוש בחומר רזיסטיבי ליצירת נגד
- שימוש בשכבות נחושת ובשכבה דיאלקטרית דקה ליצירת קבל
- שימוש בדפוסי סליל בשכבות פנימיות ליצירת סליל
Embedded
“Embedded” פירושו שרכיב שכבר קיים כחלק נפרד ממוקם בין שכבות ה-PCB.
דוגמאות:
- הטמעת נגד SMT בשכבה פנימית
- הטמעת קבל SMT בשכבה פנימית
- הטמעת רכיבים אקטיביים מסוימים בתוך הלוח
דרך פשוטה לזכור:
- Formed = נוצר על ידי התהליך
- Embedded = מוכנס כרכיב
סיכום
הנקודות המרכזיות הן:
- PCB מסורתי משמש בעיקר כפלטפורמה להרכבת רכיבים ולחיבורים חשמליים.
- רכיבי PCB משולבים ממקמים רכיבים נבחרים בתוך הלוח, ולא רק על פני השטח שלו.
- רכיבים אלה יכולים להיות פסיביים או אקטיביים.
- יש שתי דרכי מימוש עיקריות:
- Formed: פונקציות חשמליות נוצרות ישירות באמצעות חומרי ה-PCB ותהליכי הייצור
- Embedded: רכיבים דיסקרטיים ממוקמים בין שכבות PCB
- דוגמאות נפוצות כוללות נגדים משולבים, קבלים משולבים, סלילים משולבים, ורכיבי SMT המוטמעים בשכבות פנימיות.
- לעומת תכנוני surface-mount רגילים, רכיבים משולבים יכולים לשפר ניצול שטח, להגדיל אינטגרציה ולהקטין אורך מסלולים חשמליים.
- מנגד, המחיר הוא מורכבות גבוהה יותר בתכנון ובייצור.
מחשבות לסיום
רכיבי PCB משולבים הם הרבה יותר מטרנד בתחום ה-packaging. הם מייצגים שינוי רחב יותר באופן שבו מתכננים ומשתמשים בלוחות מודפסים.
באמצעות שילוב של רכיבים פסיביים ואקטיביים בתוך הלוח, מהנדסים יכולים לשפר את ניצול השטח, להגדיל את הצפיפות הפונקציונלית ולתמוך בארכיטקטורות PCB מתקדמות יותר. אפשר לממש זאת או על ידי הטמעת רכיבים דיסקרטיים, או על ידי יצירת פונקציות חשמליות ישירות בתוך מבנה ה-PCB.
ככל שהאלקטרוניקה ממשיכה לנוע לכיוון של מערכות קטנות יותר, מהירות יותר ומשולבות יותר, רכיבים משולבים בתוך PCB יישארו נושא חשוב עבור מהנדסים ומתכנני PCB בישראל ובעולם.
