嵌入式元件PCB技术

多层印制电路板新技术，用于快速设计电子模块

摘要

目的 – 本研究的目的是在包含具有大量引脚（例如Virtex 6，FF1156/RF1156封装，1156引脚）的现场可编程门阵列（FPGA）器件的电子模块中，使用嵌入式元件技术以及印制电路板（PCB）的创新概念。

设计/方法/途径 – 在多层板中，使用了支持现场可编程门阵列（FPGA）设备输入/输出（I/O）的嵌入式无源元件，如隔直电容和上拉电阻。这些模块可用于电子设备的快速设计。在该研究中，内部电容层采用了MC16T FaradFlex材料。采用Omega-Ply RCM 25 Ω/sq材料制造高频引脚的上拉电阻。嵌入式元件通过电容器的金属化通孔和电阻器的盲孔连接到FPGA器件的引脚。此外，还描述了一种利用带凹槽的端子实现板对板连接的工艺技术。

研究结果 – 已制造出用于FPGA组装的完全功能模块。实现的嵌入式微电阻的电阻值与目前使用的最小表面贴装器件（01005）相当，且低于10%的要求公差。获得的电容器公差小于3%。使用嵌入式元件可替代上拉电阻和隔直电容，并缩短了从FPGA输入/输出端的信号路径。同时实现了对极小节距堡形端接的正确连接。这使得在进一步计划的研究中，能够创建从FPGA出发的完整信号分配系统，而无需在航空和航天技术中使用不可靠的插接连接器。

原创性/价值 – 本研究开发并制造了多种来自印制电路板的信号分配创新概念。信号分配方案与嵌入式元件集成，从而显著缩短了信号路径。本研究使我们能够构建目标对象，即用于FPGA设备快速设计的模块。使用预设计模块将减少开发基于FPGA设备所需的时间，因为大部分必要工作（主要是设计信号与电源扇出）已在模块开发过程中完成。

关键词 嵌入式无源元件、嵌入式电阻、嵌入式电容、印制电路板（PCB）、嵌入式电感线圈

论文类型 研究论文

引言

在现代电子设备中，许多电子元件采用球栅阵列（BGA）封装。随着封装引脚间距的减小，设计流程变得更加复杂。现场可编程门阵列（FPGA）是一种集成电路，可在制造完成后由客户或设计人员进行配置，通常采用具有大量引脚（通常超过一千个）的球栅阵列（BGA）封装。正确设计包含FPGA的电子电路是一项困难且耗时的任务。对于印制电路板（PCB）的设计而言尤其如此，而这种辛勤工作的成果通常无法在不同器件之间复用。使用预设计模块可以减少开发基于现场可编程门阵列（FPGA）器件所需的时间，因为在模块开发过程中，大部分必要工作（主要是信号与电源扇出的设计）已经完成。此外，由于集成了分立元件，可以节省印制电路板（PCB）的空间。此类模块可制造为多层结构，将现场可编程门阵列（FPGA）安装在顶层，并在底层设置用于表面贴装到主器件的引脚。分立元件可以在结构内部被制造为集成元件。这类器件可采用印制电路板制造中常用的标准工艺技术进行制造。

常见的覆铜层压板（如FR4（FR406 ISOLA））和预浸料（如玻璃布类型106（DE104ML，ISOLA））可用作该结构的材料。由于信号分配主要在内层实现，顶层将留出空间用于安装基于FPGA设备所需的额外电子元件，例如大容量电容器、时钟信号发生器等。使用所提出的模块可缩短设计新型基于FPGA设备的时间并降低成本。研究中以Virtex 6 FPGA作为可受益于集成到此类模块中的集成电路示例。一旦该模块开发完成，相同的工艺技术可用于设计和制造其他带有不同FPGA或微控制器的模块。目前，将电子设备以即用型模块形式制造的技术正在重新兴起。市场上大多数模块被设计用于执行单一功能，例如无线通信、传感器等。所开发的模块则是一种更通用的模块，可在多种不同的应用中使用。通常，模块是作为补充或解释其功能而添加到设计中的。而所提出的模块则被用作设备的核心部分。

2. 模块的概念

模块项目的核心理念是使用带有嵌入式无源元件的印制电路板（PCB）来制造用于现场可编程门阵列（FPGA）器件的插座，并实现以下功能：

• 将信号、电源和地从机箱分配到基板边缘（所谓的扇出）—— 确保阻抗信号线的充分性；
• 包含集成，带有用于电源滤波的PCB去耦电容和端接电阻；
• 提供外壳与印制电路板之间热膨胀系数的匹配系数。

为了分配来自FPGA组件的信号（部分为差分对，部分信号高达2.5 GHz），模块安装板采用了堡形端接，通过回流焊接实现板对板的直接组装。该设计旨在确保在恶劣工作条件下（如振动、温度快速变化等）信号传输的持久性，最终适用于航空和航天应用。传统连接器在这些条件下通常具有较高的故障率，而采用焊料合金连接的带凹槽的端子应具备更优的耐久性参数。

此外，由于引脚数量较多（超过700个），边沿引脚的栅格间距应尽可能小。根据设计研究，要求在100毫米长度的电路板每侧设置0.75毫米栅格间距，并布置130–150个端子。此类要求使得该项目在设计和技术实现上均具有较高的复杂性和挑战性。

测试结构包含嵌入式无源电阻和电容元件，这些元件通过金属化通孔（电容器）、盲孔（电阻器）以及插座中所需的复杂走线连接到电路。根据各种资料（Peiffer, 2009；奥赖利等，2012年；Stęplewski等，2012），使用嵌入式元件具有诸多优势，在本案例中主要包括：

• 改进的线路阻抗匹配；
• 更短的信号路径和降低的串联电感；
• 消除了表面贴装器件（SMD）的感抗；
• 减少串扰、噪声和电磁干扰（EMI）；
• 使外层表面可自由布置有源器件（增加有源器件的密度）；
• 改善高频性能；
• 有可能提高外层的走线密度；
• 减少组装中的组件数量，缩短组装时间，并便于焊接工艺和焊点检测。

3. 使用的材料

在这些研究中，为了实现模块所需的参数，使用了两种材料来制造嵌入式元件。用于制造嵌入式电阻的是一种带有电阻层的复合材料（集成电阻箔，在铜箔上通过化学金属化工艺涂覆镍磷合金），其专利名称为Omega-Ply RCM（电阻导体材料），铜厚18微米，FR4层压板厚度为0.61 mm。该电阻层的表面电阻为 25 Ω/sq，厚度为0.4微米。由于该电阻具有薄膜特性，因此可以将其嵌入印制电路板内部而不会增加其厚度，这与使用表面贴装技术或通孔技术组装的电阻器不同。图1显示了复合材料Omega-Ply的结构，而表I则列出了该材料的性能参数。

制造嵌入式电容时，采用Oak-Mitsui公司生产的层压板形式的基材FaradFlex MC16T（图2，表II）。该材料由两层铜箔组成，其间填充了完全浸渍陶瓷粉末（钛酸钡 – BaTiO3）的改性树脂。介质层厚度为16微米，铜箔厚度为35微米，总厚度为86微米。

表I Omega-Ply® RCM 材料的基本特性

系统	参数	值
	方块电阻率（Ω/sq）	25 Ω/sq
	材料公差	±5%
	电阻器厚度	0.40 μm
	电阻温度系数（最大ppm/°C）	≤50 ppm/°C
	240小时后的电阻变化 在40°C、95%湿度下暴露	最大2%
	电流噪声（MIL-STD-202，方法308）	< -15 dB
	1000小时后70°C的电阻变化 环境温度	0.5%（5 瓦/英寸²）
	热冲击（25个循环，125°C； -65°C）	0.1%
	电阻温度系数	±7 ppm/°C 最大，<2 ppm/°C 平均

表II FaradFlex MC16T 材料的性能

参数	测试方法IPC 标准或其他	值
介电层厚度 [μm]	IPC或其他	16
Cp@ 1MHz, nF/英寸² (pF/cm²) 标称值		11（1,700）
介电常数Dk @ 1 MHz/1 GHz	IPC-TM650 2.5.5.2	30/25
损耗角正切Df@ 1 MHz/ 1 GHz	IPC-TM650 2.5.5.3	0.034/0.036
剥离强度 [磅/英寸]	IPC-TM650 2.4.9	5
介电强度 [千伏/密耳]	IPC-TM650 2.5.6.3	2
抗拉强度 [MPa(kpsi)]	ASTM D-882A	NA
伸长率，[%]	ASTM D-882A	NA
热膨胀系数, ppm/°C TMA	x-y方向（40-200°C），热机械分析仪	17 (-1) / 42 (-2)
介电耐压 （高压测试）	IPC TM-650 2.5.7.2	通过（100 V）
热应力 [20秒 288°C时的浮起时间]		≥ 10
温湿度偏压试验，85°C/85%相对湿度/直流偏压 1000小时		pass
可燃性/温度 评级	UL	V0 130°C
PCB加工		顺序式
## 4. 测试板的设计与制造

为了实际测试模块技术的功能，制作了不同类型的结构用于 BGA1156封装的组装，一种“假”类型（托普莱恩，2012年）（假FPGA Virtex-6多引脚封装，1156引脚，型号 XC6VLX195T-1FF1156C，赛灵思, 2012年）。它们包含一个“菊花链”连接系统，可在组装后用于检测当前电路的连通性，以评估连接的质量。“菊花链”在元件内部的引脚之间设计有特殊的桥接结构，在球栅阵列与印制电路板组装后，焊盘之间也具备适当设计的桥接结构，从而形成一条连接。这样，在出现电气连接缺失的情况下，可以找到发生故障的线段（线路）。根据模块的要求，设计了带有12层、嵌入式电容器和薄膜电阻的测试板（图3 – 电路板和端子示意图）。

封装结构如图4所示。所有类型的电路板均采用堡形端接。应用了三种类型的带凹槽的端子：

• 直边上的1个端子 [图3(a)]；
• 直边上的2个端子以及板上孔洞 [图3(b)]；
• 多边形线边缘上的3个端子 [图3(c)]。

在外层（顶层），为BGA1156类型器件制作了马赛克结构。

在第二层，设计了电阻值为 50 Ω 和 100 Ω 的嵌入式电阻，作为Virtex电源中的上拉电阻。共设计了200个电阻，其中65个电阻值为 50 Ω，135个电阻为 100 Ω。电阻器的宽度等于电源走线的宽度（150微米），长度则取决于电阻值，对于 50 Ω 电阻器为300微米，对于 100 Ω 电阻器为600微米。电阻器与 BGA1156封装引脚焊盘的连接通过直径为0.3毫米的盲孔实现。

在内层放置了四个嵌入式电容器，采用FaradFlex MC16T材料，尺寸为100毫米 × 100毫米。该电极表面尺寸对应的电容值为200纳法。电容器（C1、C2、C3、C4）布置在以下层中：

• C1 – 第3层–第4层；
• C2 – 第5层–第6层；
• C3 – 第7层–第8层；
• C4 – 第9层–第10层。

从选定的引脚和地到电容器电极的连接通过金属化通孔（过孔）实现，这些金属化通孔穿过BGA1156下方的电容器电极。

在上述含嵌入式元件的结构和高密度堡形端接的制造过程中，最大的困难是各层之间的对准。对于薄膜微电阻以及具有极小栅格间距的堡形端接的制造而言，这一点尤为重要。在多阶段工艺过程中，任何位移、定位不准、光掩模和层压板的尺寸变化都会导致所得结果出现偏差。多阶段工艺会导致电阻值的偏差、短路或断路。特别是，定位误差的叠加在堡形端接的情况下尤为危险，因为它们具有高密度输出（每厘米14个连接），且其制造工艺比金属化通孔和盲孔更为复杂，属于多步骤工艺。

5. 总结

在优化工艺流程的同时，所有计划的FPGA插座均已制造完成。插座完全功能正常，无短路和断开现象。嵌入式微电阻器达到的电阻低于10%的要求公差。电容器获得的公差小于3%，而假设公差为20%。使用嵌入式元件实现了替换印制电路板上的所有上拉电阻和四个隔直电容，同时缩短了FPGA输入/输出的信号路径。此外，对于电阻器而言，嵌入式元件的尺寸与目前使用的最小SMD元件（01005封装）相当。这使得FPGA插座的进一步小型化成为可能。还实现了与极小节距堡形端接的正确连接。这也将允许进一步计划的研究，以创建从FPGA出发的完整信号分配系统，而无需在航空与航天技术应用中使用不可靠的插接连接器。