【導讀】先進(jìn)的印刷電路板(PCB)非常復雜，以至于OEM(原始設備制造商)經(jīng)常會(huì )撓頭，懷疑他們的PCB組裝是否走對了路。特定的電路板應用面臨著(zhù)許多挑戰，但并非所有組裝廠(chǎng)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)非常復雜，以至于OEM(原始設備制造商)經(jīng)常會(huì )撓頭，懷疑他們的PCB組裝是否走對了路。特定的電路板應用面臨著(zhù)許多挑戰，但并非所有組裝廠(chǎng)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 )影響嚴格控制的走線(xiàn)的阻抗。這可能會(huì )影響回波損耗和反射，還可能導致其他信號完整性問(wèn)。
當PCB采用標準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RF PCBA也至關(guān)重要。IPC-A-610規定QFN類(lèi)元件下大型接地焊盤(pán)的最終驗收標準由OEM和合同制造商(CM)商定。IPC確實(shí)規定了，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。
對于生產(chǎn)RF PCB設計的OEM來(lái)說(shuō)，他們在這方面的目標可以是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、模板設計、回流曲線(xiàn)和功能測試。
組件選擇
選擇元件時(shí)不僅要考慮信號完整性要求，還要密切關(guān)注組裝要求。設計工程師在選擇封裝時(shí)必須了解組裝方面的挑戰。如果可以使用難度較低的封裝來(lái)實(shí)現最終結果，那么設計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)的挑戰將在下文進(jìn)一步討論。
PCB材料選擇
PCB材料和表面處理對最終的走線(xiàn)阻抗起著(zhù)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(mǎn)足高頻電路的要求。
模板設計
模板設計是進(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(xiàn)長(cháng)度和阻抗至關(guān)重要，必須嚴格控制。當PCB采用標準FR-4型材料制成時(shí)，必須在組裝過(guò)程中補償最終的走線(xiàn)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致電路信號完整性下降。
因此，當今的RF電路板必須采用最嚴格的要求來(lái)控制走線(xiàn)長(cháng)度和焊盤(pán)尺寸，以及暴露和不暴露某些走線(xiàn)。帶有任何非預期焊料的暴露走線(xiàn)不僅會(huì )改變電路的阻抗，還可能導致其他意外的信號完整性問(wèn)題，例如串擾和噪聲。
需要牢記的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是：第一，焊盤(pán)上分配的焊料量應保持在受控區域內。焊料不能流到走線(xiàn)上。圖1顯示了沒(méi)有任何焊料的干凈走線(xiàn)。
圖1：分配在焊盤(pán)上的焊料量需要保持在焊盤(pán)內。
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供應商及其裝配人員在設計裝配流程時(shí)不會(huì )與設計工程師協(xié)作。然而，對于RF PCB，電路板設計師在確定給定RF電路板組件的正確模板方面起著(zhù)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。在模板設計期間，必須仔細考慮關(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)設計也至關(guān)重要。此時(shí)，您需要足夠的焊料量來(lái)實(shí)現良好的焊點(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)獨特的挑戰，因為RF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(zhù)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(xiàn)，以減少助焊劑用量，實(shí)現良好流動(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)生細線(xiàn)橋接。值得注意的是，大多數X射線(xiàn)設備(包括高分辨率5DX系統)能夠檢測電阻器下方的橋接，但無(wú)法檢測電容器(尤其是01005尺寸電容器)下方的橋接。
因此，裝配廠(chǎng)必須具備足夠的經(jīng)驗，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。這里需要重復的是，挑戰在于要有足夠的焊料量，以實(shí)現良好的流動(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，因為電流需要流過(guò)地線(xiàn)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域。
當對大面積接地區域進(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。減少空洞具有挑戰性，但并非不可能，通過(guò)精心的工藝設計、分析和適當的模板設計，接地空洞可以減少到10%以下。
回流曲線(xiàn)
一旦電路板組裝完畢，回流曲線(xiàn)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)現適當的流動(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(cháng)，嚴格控制的小焊盤(pán)上的焊膏中的一些溶劑甚至可能在到達回流系統之前就蒸發(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(chǎng)必須具備豐富的經(jīng)驗，才能在RF電路上成功安裝包括01005電容器在內的無(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)挑戰變得更加嚴峻。所有這些都需要經(jīng)驗、合適的設備、正確的工具設計和工藝控制。
可以使用各種不同的回流技術(shù)。其中包括精心控制曲線(xiàn)的常規對流回流。氣相回流系統非常有用，尤其是對于在同一側混合使用密度非常高的元件和非常小的元件的情況。真空氣相系統對于減少空洞也至關(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。
功能測試
OEM向裝配廠(chǎng)提供功能測試的信息或規范。由于頻率和測試點(diǎn)創(chuàng )建限制，RF類(lèi)型電路上的自定義功能測試有時(shí)是唯一可用的測試方法。測試點(diǎn)在RF電路上并不普遍，因此，如果沒(méi)有測試點(diǎn)，無(wú)論是飛針測試還是在線(xiàn)測試都是低效的。
因此，RF電路的功能測試可使用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀(VNA)類(lèi)的設備進(jìn)行波形分析。這種級別的高級功能測試需要經(jīng)驗豐富的工程師、技術(shù)人員和程序員。
但必須指出的是，功能測試有其自身的局限性，它無(wú)法告訴你故障的細節，這就是為什么RF組件的流程從頭到尾都必須極其嚴格。你不會(huì )想讓功能測試儀承擔故障檢測的責任的，因為它無(wú)法準確定位這些故障。
總結
正如我們在這里所說(shuō)的，RF PCB屬于復雜組件的范疇。但它的獨特之處在于，它需要經(jīng)驗豐富的裝配車(chē)間工程和技術(shù)人員來(lái)規劃和執行諸如元件選擇、PCB材料、正確的模板設計、關(guān)注互補電路、回流曲線(xiàn)和功能測試等關(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(chǎng)的OEM應考慮根據上述組裝步驟評估其要求。
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