Linh kiện thụ động nhúng: 'Những yếu tố vô hình' bên trong PCB

Nguồn ảnh: Internet

NỘI DUNG

• Những điểm chính
• Sự cần thiết của thu nhỏ: Tại sao các linh kiện thụ động nhúng lại quan trọng
• Linh kiện thụ động nhúng là gì?
• Vật liệu và sản xuất điện trở và tụ điện nhúng
• Ưu điểm so với linh kiện thụ động gắn bề mặt truyền thống
• Các ứng dụng quan trọng trong 5G và hàng không vũ trụ
• Bảng so sánh linh kiện thụ động nhúng và gắn bề mặt
• Thách thức và các cân nhắc thiết kế
• Xu hướng tương lai trong công nghệ thụ động nhúng
• Câu hỏi thường gặp

Những điểm chính
   1. Linh kiện thụ động nhúng (điện trở và tụ điện) được tích hợp trực tiếp vào các lớp bên trong của PCB, loại bỏ sự cần thiết phải gắn bề mặt.
   2. Chúng cho phép tiết kiệm không gian 30-50%, giảm tổn thất tín hiệu và cải thiện độ tin cậy trong các thiết bị tần số cao như trạm gốc 5G.
   3. Bột carbon và vật liệu gốm là nền tảng cho điện trở và tụ điện nhúng, tương ứng.
   4. Các ngành hàng không vũ trụ và viễn thông dựa vào các linh kiện thụ động nhúng để giảm thiểu số lượng linh kiện và tăng cường độ bền.

Sự cần thiết của thu nhỏ: Tại sao các linh kiện thụ động nhúng lại quan trọng

Khi các thiết bị điện tử hướng tới tần số cao hơn và kích thước nhỏ hơn, công nghệ gắn bề mặt (SMT) truyền thống phải đối mặt với những hạn chế. Điện trở và tụ điện SMT chiếm diện tích PCB có giá trị, làm tăng độ phức tạp của việc lắp ráp và tạo ra độ trễ tín hiệu do chiều dài đường dẫn dài hơn. Trong các hệ thống 5G hoạt động ở tần số mmWave, ngay cả các điện cảm ký sinh nhỏ từ các linh kiện bề mặt cũng có thể làm gián đoạn tính toàn vẹn của tín hiệu. Tương tự, thiết bị điện tử hàng không vũ trụ đòi hỏi giảm trọng lượng và ít linh kiện bên ngoài hơn để chịu được rung động khắc nghiệt. Các linh kiện thụ động nhúng giải quyết những thách thức này bằng cách trở nên "vô hình" bên trong PCB, cho phép thiết kế dày đặc hơn, đáng tin cậy hơn.

Linh kiện thụ động nhúng là gì?
Linh kiện thụ động nhúng là điện trở và tụ điện được chế tạo trực tiếp vào các lớp nền PCB trong quá trình sản xuất, thay vì được gắn trên bề mặt. Điều này

tích hợp xảy ra sớm trong quá trình sản xuất PCB:
    Nhúng điện trở: Một vật liệu điện trở (như bột carbon) được in hoặc khắc lên các lớp bên trong, sau đó được cắt bằng laser để đạt được các giá trị điện trở chính xác.
    Nhúng tụ điện: Các lớp gốm mỏng hoặc màng polymer được kẹp giữa các mặt phẳng dẫn điện để tạo thành tụ điện bên trong cấu trúc PCB.

Bằng cách loại bỏ các linh kiện bên ngoài, các linh kiện thụ động nhúng làm giảm độ dày tổng thể của PCB và đơn giản hóa việc lắp ráp.

Vật liệu và sản xuất điện trở và tụ điện nhúng

Bột carbon được ưa chuộng vì tính hiệu quả về chi phí và dễ dàng tích hợp vào quy trình làm việc PCB tiêu chuẩn.

Tụ điện dựa trên gốm mang lại độ ổn định tần số vượt trội, rất quan trọng đối với các ứng dụng 5G và radar.

Ưu điểm so với linh kiện thụ động gắn bề mặt truyền thống
    Hiệu quả không gian: Các linh kiện thụ động nhúng giải phóng 30-50% diện tích bề mặt, cho phép các thiết bị nhỏ hơn như mô-đun 5G nhỏ gọn.
    Tính toàn vẹn tín hiệu: Đường dẫn dòng điện ngắn hơn làm giảm điện cảm và điện dung ký sinh, giảm thiểu tổn thất tín hiệu trong các hệ thống tần số cao (28GHz+).
    Độ tin cậy: Việc loại bỏ các mối nối hàn làm giảm rủi ro hỏng hóc do rung động (quan trọng đối với hàng không vũ trụ) và chu kỳ nhiệt.
    Chi phí lắp ráp thấp hơn: Ít linh kiện SMT hơn làm giảm thời gian chọn và đặt và xử lý vật liệu.

Các ứng dụng quan trọng trong 5G và hàng không vũ trụ
    Trạm gốc 5G: Các Đơn vị ăng-ten chủ động (AAU) sử dụng các linh kiện thụ động nhúng để đạt được mật độ linh kiện cao cần thiết cho việc tạo chùm tia, đồng thời giảm thiểu độ trễ tín hiệu trong bộ thu phát mmWave.
    Thiết bị điện tử hàng không vũ trụ: Vệ tinh và thiết bị điện tử hàng không dựa vào các linh kiện thụ động nhúng để giảm trọng lượng và loại bỏ các linh kiện bên ngoài có thể bị hỏng trong môi trường bức xạ cao hoặc rung động cao.
    Thiết bị y tế: Các màn hình cấy ghép sử dụng các linh kiện thụ động nhúng để đạt được khả năng thu nhỏ và tương thích sinh học.

Bảng so sánh linh kiện thụ động nhúng và gắn bề mặt

Thách thức và các cân nhắc thiết kế
    Độ phức tạp trong thiết kế: Các linh kiện thụ động nhúng yêu cầu lập kế hoạch trước trong quá trình thiết kế cấu trúc PCB, hạn chế các sửa đổi ở giai đoạn sau.
    Rào cản chi phí: Chi phí dụng cụ và vật liệu ban đầu cao hơn, làm cho các linh kiện thụ động nhúng khả thi hơn đối với sản xuất khối lượng lớn.
    Khó khăn trong việc kiểm tra: Vô hình đối với việc kiểm tra tiêu chuẩn, các linh kiện nhúng yêu cầu kiểm tra nâng cao (ví dụ: TDR cho điện trở, đồng hồ LCR cho tụ điện).

Xu hướng tương lai trong công nghệ thụ động nhúng
    Tích hợp cao hơn: Các kỹ thuật mới nổi nhằm mục đích nhúng các cuộn cảm cùng với điện trở và tụ điện, cho phép các mô-đun RF tích hợp đầy đủ.
    Vật liệu thông minh: Bột điện trở tự phục hồi có thể sửa chữa các hư hỏng nhỏ, kéo dài tuổi thọ của PCB trong môi trường khắc nghiệt.
    Thiết kế do AI điều khiển: Các công cụ học máy sẽ tối ưu hóa vị trí thụ động để giảm thiểu nhiễu tín hiệu trong các thiết bị 5G và IoT phức tạp.

Câu hỏi thường gặp
Các linh kiện thụ động nhúng có thể sửa chữa được không?
Không, việc tích hợp chúng vào các lớp bên trong khiến việc thay thế là không thể. Điều này nhấn mạnh sự cần thiết phải kiểm tra nghiêm ngặt trong quá trình sản xuất.

Điện dung tối đa có thể đạt được với tụ điện nhúng là bao nhiêu?
Tụ điện nhúng dựa trên gốm hiện tại đạt tới 10nF/mm², phù hợp cho các ứng dụng tách rời trong IC tốc độ cao.

Các linh kiện thụ động nhúng có thể thay thế tất cả các linh kiện gắn trên bề mặt không?
Không—điện trở công suất cao hoặc tụ điện chuyên dụng vẫn yêu cầu gắn trên bề mặt. Các linh kiện thụ động nhúng vượt trội trong các tình huống công suất thấp đến trung bình, mật độ cao.

Các linh kiện thụ động nhúng đại diện cho một cuộc cách mạng thầm lặng trong thiết kế PCB, cho phép cơ sở hạ tầng "vô hình" cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo. Khi công nghệ 5G và hàng không vũ trụ phát triển, vai trò của chúng trong việc cân bằng thu nhỏ, hiệu suất và độ tin cậy sẽ ngày càng trở nên quan trọng hơn.