페이스메이커를 통한 PCB 기판 내 임베디드 활성 구성 요소의 여정

매년 미국에서 20만 개의 심장 박동기가 이식되면서, 심장 이상을 교정하는 수술 과정이 일상적인 절차가 되었습니다. 이 과정을 준비할 때, 심장 전문의들은 최적의 이식 방법을 결정하기 위해 세 가지 다른 절개 유형 중에서 선택합니다. 각 절개 유형은 환자의 편안함과 수술과 관련된 위험의 정도에 영향을 미칩니다.

절개는 정맥에 접근할 수 있게 하고 심장 박동기를 위한 공간을 할당합니다. 심장 전문의는 인간 조직에서 형성된 주머니 안에 심장 박동기를 삽입하여 장치를 고정합니다. 외과 의사는 절개 후 한두 손가락을 사용하여 살점을 부드럽게 벌려 피부 바로 아래 조직층 내에 주머니를 형성할 수 있습니다.

또 다른 방법은 심장 박동기를 대흉근 아래에 배치하고 주요 근육에 얕은 절개를 시작하는 것입니다. 이 기술은 둔한 해부를 사용하여 주머니를 만드는 것으로 마무리됩니다. 두 경우 모두, 상처의 닫힘과 치유 과정은 조직이 심장 박동기를 둘러싸게 합니다.

박동을 유지하며

마이크로컨트롤러, MOSFET, 전압 조절기, 집적 회로 및 기타 활성 구성 요소를 PCB 기판 내부에 내장하는 개념은 인간 내에 심장 박동기를 이식하는 과정과 유사합니다. 통합 모듈 보드 기술을 사용하면, SMT 구성 요소가 전통적인 강성 기판 표면의 공동에 이식됩니다.

기술 발전으로 인해 캐비티 크기가 더 정밀해지고 PCB 디자인이 구성 요소의 치수에 해당하는 다양한 캐비티 형태를 포함할 수 있게 되었습니다. 유전체 재료를 제거하기 위해 레이저를 사용하는 것은 위치 정확도와 정밀한 캐비티 깊이를 제공합니다. 작고 정밀한 밀링 및 라우팅 도구도 구성 요소에 대한 타이트한 허용 오차를 가진 캐비티를 생산하는 데 필요한 제어를 제공합니다.

구성 요소, 기판 및 빌드업 재료 간에는 적절한 회로 작동을 위해 기계적, 화학적, 전기적 호환성이 있어야 합니다. 구성 요소를 정렬하고 배치한 후, 다음 단계는 등방성 솔더를 포함하는 성형 폴리머로 캐비티를 채우는 것입니다. 폴리머와 솔더의 혼합은 호환성을 보장합니다. 레진 코팅된 구리로 코어 기판을 적층하면 마이크로비아 제작이 가능합니다.

강력한 PCB 디자인 소프트웨어를 사용하면 비아 제작을 추적하는 데 도움이 됩니다.

내장 웨이퍼 레벨 패키징(EWLP), 내장 칩 빌드업(ECBU), 칩 인 폴리머(CIP) 공정은 제조 중에 활성 구성 요소를 다층 PCB 내부에 완전히 내장합니다. 유전체 재료에 캐비티를 드릴링하는 대신, 두 번째 내장 기술은 얇은 웨이퍼 패키지를 빌드업 유전체 층에 직접 배치합니다.

얇은 패키지는 기판에 다이 본딩된 후, PCB 제조업체가 액체 에폭시 또는 수지 코팅 필름을 유전체로 적용하여 구성 요소를 기판에 몰딩합니다. EWLP는 팬-인을 요구하며 웨이퍼 레벨에서 시작하는 반면, ECBU 방법은 활성 구성 요소를 치수 안정성을 위해 프레임에 장착된 완전히 경화된 폴리아미드 필름 위에 면을 아래로 향하게 하여 장착하고 폴리머 접착제로 코팅합니다. 그런 다음, 제조업체가 상호 연결 구조를 구축합니다.

CIP 방법은 반면에 얇은 구성 요소를 코어 기판 위에 직접 배치하고, 칩을 접착제로 본딩하며, PCB의 폴리머 빌드업 층에 장치를 내장합니다. 레이저 드릴링은 구성 요소 접촉 패드에 비아를 설정하고 내장된 활성 구성 요소 바로 위에 수동 장치를 장착하는 것을 용이하게 합니다.

인생은 시험으로 가득합니다

심장 전문의는 심박 조율기가 작동한다고 가정할 수 없습니다. 심박 조율기 이식에서 심실 및 심방 리드 배치가 발생한 후, 심장학 팀은 페이싱 검사를 실시합니다. 페이싱 검사의 일부는 “구분 전류” 또는 신체 중앙부에서 손상된 심장으로의 전기 전류를 확인하는 것을 포함합니다. 큰 전류는 리드 팁 전극과 심근 사이에 좋은 접촉이 발생했음을 나타냅니다.

그런 다음, 페이싱 체크는 적절한 밀리볼트 감지 신호, 올바른 임피던스, 적절한 페이싱 임계값 및 리드 연결의 안정성을 테스트합니다. 이러한 각 테스트는 페이스메이커가 심장의 본질적인 리듬을 감지하고, 심실을 올바르게 페이싱하며, 심근 조직을 전기적으로 포착하는 데 필요한 에너지를 제공하는지 확인합니다.

내장 활성 구성 요소도 동일한 철저한 테스트 접근 방식이 필요합니다. 내장은 구성 요소와 PCB의 크기를 줄임으로써 이점을 제공하지만, 과정에서 결함을 도입할 수 있습니다. 더 작고 얇은 솔더 조인트는 깨질 수 있습니다. 불충분한 양의 솔더 페이스트 사용이나 잘못된 솔더링 온도도 약한 결합과 간헐적 연결을 유발할 수 있습니다.

PCB의 크기를 줄이면 트레이스 간의 단락 가능성이 증가할 수 있습니다. PCB에 가해지는 기계적 스트레스는 기판을 깨뜨릴 수 있으며, 솔더링 중 증가된 표면 장력은 툼스토닝을 일으킬 수 있습니다.

이러한 가능성을 고려할 때, 테스트 루틴은 오픈 트레이스, 트레이스 간의 단락 및 마이크로 단락을 확인해야 합니다. 내장 과정이 종종 열과 진공 압력을 포함하기 때문에, 변형된 트레이스나 비전도성 비아도 확인해야 합니다. 또한 활성 구성 요소에 대한 기능적 저전압 테스트를 사용하고 싶을 수도 있습니다. 새로운 버전의 플라잉 프로브 테스터는 각면에 4개의 프로브를 제공하며 내장 활성 구성 요소에 대한 종합적인 기능 테스트를 수행할 수 있습니다.

회로 설계 작업 시 적절한 테스트 루틴을 확보하는 것은 장기적으로 번거로움을 줄일 수 있습니다.

이 모든 것의 또 다른 면

1950년대 후반의 심장 박동기 버전은 큰 진공관을 사용하는 기계를 담기 위한 추가적인 카트가 필요했습니다. 외부 리드가 가슴에 부착된 환자들은 지속적인 전기 충격을 받는다고 불평했습니다. 오늘날, 소형화된 심장 박동기는 심장 환자들이 정상적인 생활을 할 수 있게 해주고 새로운 절차와 설계 규칙을 도입했습니다.

PCB 설계에 내장된 활성 구성 요소의 도입은 제작 공정, 설계 규칙 및 EDA 제공업체가 취하는 접근 방식을 변경하는 유연성을 도입합니다. 이러한 유연성을 관리하려면 구성 요소의 전기적 요구 사항, 재료 요구 사항 및 물리적 치수를 종합하여 정확한 배치와 정렬을 위한 설계 도구가 필요합니다. 설계 도구는 또한 레이어 속성을 관리하고 구성할 수 있는 기능을 제공해야 합니다.

스택업 및 재료 변경은 PCB 설계의 배치 및 상호 연결 단계에서 더 일찍 발생합니다. 이러한 접근 방식으로 PCB 설계자는 구성 요소 크기와 배치를 제어할 수 있는 이점을 얻습니다. 그러나 활성 구성 요소의 다른 치수와 와이어본딩 사용은 와이어본 패드를 이동할 수 있는 유연성을 제공하고 실리콘 다이에서 PCB로 와이어본을 생성할 수 있는 설계 도구를 요구합니다.

내장형 활성 구성 요소를 사용함으로써 고주파 회로의 전기적 경로 길이를 최소화할 수 있는 능력도 얻게 됩니다. 활성 구성 요소 핀 바로 아래에 수동 구성 요소를 배치하여 경로 길이를 최소화하면 기생 인덕턴스, 용량, 그리고 노이즈가 감소합니다. 또한, 내장형 구성 요소 주변에 EMI 차폐를 직접 통합하여 노이즈를 줄일 수 있습니다.

Altium Designer^®는 내장형 구성 요소가 레이어 스택에 미치는 영향을 계산 및 설계 규칙 검사를 통해 관리함으로써 PCB 설계를 지원합니다. 스택 관리는 내장형 구성 요소에 필요한 배치 및 절단 레이어의 각각의 고유한 조합에 대한 스택을 생성함으로써 이루어집니다.

보드의 레이어 내에 구성 요소를 내장하면 자동으로 관리 스택이 생성됩니다. 그 후, Altium Designer는 내장형 구성 요소를 확인하고, 사용 가능한 관리 스택의 적합성을 테스트하며, 필요한 경우 새로운 관리 스택을 생성합니다.

내장형 활성 구성 요소를 관리하기 위해 Altium Designer를 사용하는 방법에 대해 자세히 알아보려면, Altium의 전문가와 상담하세요.