【導(dǎo)讀】先進(jìn)的印刷電路板(PCB)非常復(fù)雜，以至于OEM(原始設(shè)備制造商)經(jīng)常會(huì)撓頭，懷疑他們的PCB組裝是否走對(duì)了路。特定的電路板應(yīng)用面臨著許多挑戰(zhàn)，但并非所有組裝廠都具備處理一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的能力，那就是射頻(RF)PCB。
先進(jìn)的印刷電路板(PCB)非常復(fù)雜，以至于OEM(原始設(shè)備制造商)經(jīng)常會(huì)撓頭，懷疑他們的PCB組裝是否走對(duì)了路。特定的電路板應(yīng)用面臨著許多挑戰(zhàn)，但并非所有組裝廠都具備處理一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的能力，那就是射頻(RF)PCB。
當(dāng)射頻電路在50GHz以上的高頻率下工作時(shí)，電路板上的每一塊額外金屬都會(huì)影響嚴(yán)格控制的走線的阻抗。這可能會(huì)影響回波損耗和反射，還可能導(dǎo)致其他信號(hào)完整性問(wèn)。
當(dāng)PCB采用標(biāo)準(zhǔn)FR-4或FR-6型PCB材料而不是更昂貴的符合RF要求的材料(例如聚四氟乙烯(PTFE)或Astra MT77)制成時(shí)，這一點(diǎn)變得更加關(guān)鍵。
此外，接地空洞對(duì)RF PCBA也至關(guān)重要。IPC-A-610規(guī)定QFN類(lèi)元件下大型接地焊盤(pán)的最終驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)由OEM和合同制造商(CM)商定。IPC確實(shí)規(guī)定了，在焊料量少得多的情況下，塌陷的BGA焊球上的30%空洞是可以接受的。
對(duì)于生產(chǎn)RF PCB設(shè)計(jì)的OEM來(lái)說(shuō)，他們?cè)谶@方面的目標(biāo)可以是QFN類(lèi)元件下大接地焊盤(pán)上的空洞率低于25%(在某些情況下甚至低于10%)。只有采用正確的組裝程序，空洞率才可能低于25%或低于10%。
除了接地空洞之外，需要OEM密切關(guān)注的五個(gè)關(guān)鍵PCB組裝方面分別是：組件選擇、PCB材料選擇、模板設(shè)計(jì)、回流曲線和功能測(cè)試。
組件選擇
選擇元件時(shí)不僅要考慮信號(hào)完整性要求，還要密切關(guān)注組裝要求。設(shè)計(jì)工程師在選擇封裝時(shí)必須了解組裝方面的挑戰(zhàn)。如果可以使用難度較低的封裝來(lái)實(shí)現(xiàn)最終結(jié)果，那么設(shè)計(jì)工程師就必須選擇這些封裝。
有源元件封裝的例子可以是倒裝芯片與微型BGA或QFN型封裝，而無(wú)源元件可以是0201尺寸的無(wú)源元件，而不是01005尺寸的無(wú)源元件，尤其是電容器，與這些元件相關(guān)的挑戰(zhàn)將在下文進(jìn)一步討論。
PCB材料選擇
PCB材料和表面處理對(duì)最終的走線阻抗起著關(guān)鍵作用。PCB公司無(wú)法使用FR-4、PTFE、Astra MT77或用于高頻PCB的FR-4和PTFE類(lèi)型材料來(lái)滿足高頻電路的要求。
模板設(shè)計(jì)
模板設(shè)計(jì)是進(jìn)行有效RF PCB組裝的關(guān)鍵，可避免分配多余和損壞的焊料。當(dāng)RF電路工作在50GHz以上的頻率時(shí)，每一塊額外的金屬都會(huì)影響電路的阻抗。
走線長(zhǎng)度和阻抗至關(guān)重要，必須嚴(yán)格控制。當(dāng)PCB采用標(biāo)準(zhǔn)FR-4型材料制成時(shí)，必須在組裝過(guò)程中補(bǔ)償最終的走線阻抗。哪怕是最少量的額外焊料都可能以回波損耗和反射的形式導(dǎo)致電路信號(hào)完整性下降。
因此，當(dāng)今的RF電路板必須采用最嚴(yán)格的要求來(lái)控制走線長(zhǎng)度和焊盤(pán)尺寸，以及暴露和不暴露某些走線。帶有任何非預(yù)期焊料的暴露走線不僅會(huì)改變電路的阻抗，還可能導(dǎo)致其他意外的信號(hào)完整性問(wèn)題，例如串?dāng)_和噪聲。
需要牢記的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是：第一，焊盤(pán)上分配的焊料量應(yīng)保持在受控區(qū)域內(nèi)。焊料不能流到走線上。圖1顯示了沒(méi)有任何焊料的干凈走線。
圖1：分配在焊盤(pán)上的焊料量需要保持在焊盤(pán)內(nèi)。
其次，使用最少量的焊料很重要，只分配能產(chǎn)生高質(zhì)量焊點(diǎn)所需的足夠量。如上所述，任何多余的焊料都會(huì)干擾RF電路的性能。
確定正確的模板
在許多情況下，EMS供應(yīng)商及其裝配人員在設(shè)計(jì)裝配流程時(shí)不會(huì)與設(shè)計(jì)工程師協(xié)作。然而，對(duì)于RF PCB，電路板設(shè)計(jì)師在確定給定RF電路板組件的正確模板方面起著關(guān)鍵作用，必須考慮某些非常重要的方面。
例如，他或她必須明確定義關(guān)鍵RF路徑上的器件封裝。在模板設(shè)計(jì)期間，必須仔細(xì)考慮關(guān)鍵RF路徑上所有部件的孔徑大小，尤其是倒裝芯片、BGA和QFN等封裝。任何較低或較高的焊料體積都可能影響RF板的輸出性能。
某些芯片類(lèi)型的焊盤(pán)設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。此時(shí)，您需要足夠的焊料量來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的焊點(diǎn)。但在存在射頻干擾的情況下，焊料量不能超過(guò)要求。
此外，考慮到上述幾點(diǎn)，您還必須考慮到較新的RF電路芯片安裝需要越來(lái)越小的孔徑。例如，倒裝芯片在RF電路中越來(lái)越常見(jiàn)，如圖2所示，它們與電路板連接時(shí)的焊料凸起最小，因此分配的焊料量變得更少。
圖2：倒裝芯片在電路板連接處有最小的焊接凸起。
焊膏溶劑
先進(jìn)RF芯片的互補(bǔ)電路經(jīng)常使用極小的01005尺寸電容器。01005焊盤(pán)或倒裝芯片型有源部件的小焊盤(pán)上分配的焊料量是一個(gè)獨(dú)特的挑戰(zhàn)，因?yàn)镽F電路必須將焊料量保持在最低水平，但同時(shí)焊點(diǎn)又必須具有良好的流動(dòng)性。
隨著孔徑變小，良好流動(dòng)所需的助焊劑量也會(huì)減少，必須特別注意回流曲線，以減少助焊劑用量，實(shí)現(xiàn)良好流動(dòng)。焊膏包括助焊劑，助焊劑含有焊點(diǎn)良好流動(dòng)所需的溶劑、樹(shù)脂和表面活性劑。
01005尺寸無(wú)源部件上的任何額外焊料量都可能在部件下方產(chǎn)生細(xì)線橋接。值得注意的是，大多數(shù)X射線設(shè)備(包括高分辨率5DX系統(tǒng))能夠檢測(cè)電阻器下方的橋接，但無(wú)法檢測(cè)電容器(尤其是01005尺寸電容器)下方的橋接。
因此，裝配廠必須具備足夠的經(jīng)驗(yàn)，才能成功地在RF電路上安裝大量01005電容器，并避免潛在的橋接。這里需要重復(fù)的是，挑戰(zhàn)在于要有足夠的焊料量，以實(shí)現(xiàn)良好的流動(dòng)，但焊料不能太多，以免在放置元件時(shí)造成橋接。
接地空洞
RF性能的另一個(gè)關(guān)鍵方面是良好的接地。接地是高速RF電路的一個(gè)重要方面，因?yàn)殡娏餍枰鬟^(guò)地線才能完成回路。在QFN型部件中，芯片的底部是一塊很大的接地區(qū)域。
當(dāng)對(duì)大面積接地區(qū)域進(jìn)行回流時(shí)，會(huì)形成不同大小和百分比的空洞?？斩词呛更c(diǎn)中滯留的氣體。減少空洞具有挑戰(zhàn)性，但并非不可能，通過(guò)精心的工藝設(shè)計(jì)、分析和適當(dāng)?shù)哪０逶O(shè)計(jì)，接地空洞可以減少到10%以下。
回流曲線
一旦電路板組裝完畢，回流曲線就變得至關(guān)重要。它必須考慮焊料的體積和可用的助焊劑，以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)。
一旦印刷了焊料，回流時(shí)間或使電路板回流所需的時(shí)間就變得至關(guān)重要。
如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，嚴(yán)格控制的小焊盤(pán)上的焊膏中的一些溶劑甚至可能在到達(dá)回流系統(tǒng)之前就蒸發(fā)掉。此外，一旦電路板開(kāi)始回流，可能會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，例如較小的無(wú)源器件或01005尺寸元件的干焊或立碑(圖3)。
圖3：裝配廠必須具備豐富的經(jīng)驗(yàn)，才能在RF電路上成功安裝包括01005電容器在內(nèi)的無(wú)源器件，以防止立碑和橋接。(圖片：由NexLogic Technologies提供)
由于高頻射頻電路上允許分配的焊料量有限，這兩個(gè)挑戰(zhàn)變得更加嚴(yán)峻。所有這些都需要經(jīng)驗(yàn)、合適的設(shè)備、正確的工具設(shè)計(jì)和工藝控制。
可以使用各種不同的回流技術(shù)。其中包括精心控制曲線的常規(guī)對(duì)流回流。氣相回流系統(tǒng)非常有用，尤其是對(duì)于在同一側(cè)混合使用密度非常高的元件和非常小的元件的情況。真空氣相系統(tǒng)對(duì)于減少空洞也至關(guān)重要，在某些方面，考慮到焊料的體積和焊膏中可用溶劑的體積，回流變得更加關(guān)鍵。
功能測(cè)試
OEM向裝配廠提供功能測(cè)試的信息或規(guī)范。由于頻率和測(cè)試點(diǎn)創(chuàng)建限制，RF類(lèi)型電路上的自定義功能測(cè)試有時(shí)是唯一可用的測(cè)試方法。測(cè)試點(diǎn)在RF電路上并不普遍，因此，如果沒(méi)有測(cè)試點(diǎn)，無(wú)論是飛針測(cè)試還是在線測(cè)試都是低效的。
因此，RF電路的功能測(cè)試可使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)類(lèi)的設(shè)備進(jìn)行波形分析。這種級(jí)別的高級(jí)功能測(cè)試需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師、技術(shù)人員和程序員。
但必須指出的是，功能測(cè)試有其自身的局限性，它無(wú)法告訴你故障的細(xì)節(jié)，這就是為什么RF組件的流程從頭到尾都必須極其嚴(yán)格。你不會(huì)想讓功能測(cè)試儀承擔(dān)故障檢測(cè)的責(zé)任的，因?yàn)樗鼰o(wú)法準(zhǔn)確定位這些故障。
總結(jié)
正如我們?cè)谶@里所說(shuō)的，RF PCB屬于復(fù)雜組件的范疇。但它的獨(dú)特之處在于，它需要經(jīng)驗(yàn)豐富的裝配車(chē)間工程和技術(shù)人員來(lái)規(guī)劃和執(zhí)行諸如元件選擇、PCB材料、正確的模板設(shè)計(jì)、關(guān)注互補(bǔ)電路、回流曲線和功能測(cè)試等關(guān)鍵方面。
最重要的是，模板必須幾乎完美無(wú)缺，以防止多余的焊料被分配到電路板上。因此，尋找RF PCB組裝廠的OEM應(yīng)考慮根據(jù)上述組裝步驟評(píng)估其要求。
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