【導(dǎo)讀】先進的印刷電路板(PCB)非常復(fù)雜，以至于OEM(原始設(shè)備制造商)經(jīng)常會撓頭，懷疑他們的PCB組裝是否走對了路。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關(guān)鍵領(lǐng)域的能力，那就是射頻(RF)PCB。
先進的印刷電路板(PCB)非常復(fù)雜，以至于OEM(原始設(shè)備制造商)經(jīng)常會撓頭，懷疑他們的PCB組裝是否走對了路。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，電路板上的每一塊額外金屬都會影響嚴(yán)格控制的走線的阻抗。這可能會影響回波損耗和反射，還可能導(dǎo)致其他信號完整性問。
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，這一點變得更加關(guān)鍵。
此外，接地空洞對RF PCBA也至關(guān)重要。IPC-A-610規(guī)定QFN類元件下大型接地焊盤的最終驗收標(biāo)準(zhǔn)由OEM和合同制造商(CM)商定。IPC確實規(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。
對于生產(chǎn)RF PCB設(shè)計的OEM來說，他們在這方面的目標(biāo)可以是QFN類元件下大接地焊盤上的空洞率低于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、回流曲線和功能測試。
組件選擇
選擇元件時不僅要考慮信號完整性要求，還要密切關(guān)注組裝要求。設(shè)計工程師在選擇封裝時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實現(xiàn)最終結(jié)果，那么設(shè)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，而無源元件可以是0201尺寸的無源元件，而不是01005尺寸的無源元件，尤其是電容器，與這些元件相關(guān)的挑戰(zhàn)將在下文進一步討論。
PCB材料選擇
PCB材料和表面處理對最終的走線阻抗起著關(guān)鍵作用。PCB公司無法使用FR-4、PTFE、Astra MT77或用于高頻PCB的FR-4和PTFE類型材料來滿足高頻電路的要求。
模板設(shè)計
模板設(shè)計是進行有效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，每一塊額外的金屬都會影響電路的阻抗。
走線長度和阻抗至關(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，必須在組裝過程中補償最終的走線阻抗。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)格的要求來控制走線長度和焊盤尺寸，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改變電路的阻抗，還可能導(dǎo)致其他意外的信號完整性問題，例如串?dāng)_和噪聲。
需要牢記的兩個關(guān)鍵點是：第一，焊盤上分配的焊料量應(yīng)保持在受控區(qū)域內(nèi)。焊料不能流到走線上。圖1顯示了沒有任何焊料的干凈走線。
圖1：分配在焊盤上的焊料量需要保持在焊盤內(nèi)。
其次，使用最少量的焊料很重要，只分配能產(chǎn)生高質(zhì)量焊點所需的足夠量。如上所述，任何多余的焊料都會干擾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)計裝配流程時不會與設(shè)計工程師協(xié)作。然而，對于RF PCB，電路板設(shè)計師在確定給定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。
某些芯片類型的焊盤設(shè)計也至關(guān)重要。此時，您需要足夠的焊料量來實現(xiàn)良好的焊點。但在存在射頻干擾的情況下，焊料量不能超過要求。
此外，考慮到上述幾點，您還必須考慮到較新的RF電路芯片安裝需要越來越小的孔徑。例如，倒裝芯片在RF電路中越來越常見，如圖2所示，它們與電路板連接時的焊料凸起最小，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焊盤或倒裝芯片型有源部件的小焊盤上分配的焊料量是一個獨特的挑戰(zhàn)，因為RF電路必須將焊料量保持在最低水平，但同時焊點又必須具有良好的流動性。
隨著孔徑變小，良好流動所需的助焊劑量也會減少，必須特別注意回流曲線，以減少助焊劑用量，實現(xiàn)良好流動。焊膏包括助焊劑，助焊劑含有焊點良好流動所需的溶劑、樹脂和表面活性劑。
01005尺寸無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))能夠檢測電阻器下方的橋接，但無法檢測電容器(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(fù)的是，挑戰(zhàn)在于要有足夠的焊料量，以實現(xiàn)良好的流動，但焊料不能太多，以免在放置元件時造成橋接。
接地空洞
RF性能的另一個關(guān)鍵方面是良好的接地。接地是高速RF電路的一個重要方面，因為電流需要流過地線才能完成回路。在QFN型部件中，芯片的底部是一塊很大的接地區(qū)域。
當(dāng)對大面積接地區(qū)域進行回流時，會形成不同大小和百分比的空洞?？斩词呛更c中滯留的氣體。減少空洞具有挑戰(zhàn)性，但并非不可能，通過精心的工藝設(shè)計、分析和適當(dāng)?shù)哪０逶O(shè)計，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，以實現(xiàn)適當(dāng)?shù)牧鲃印?/p>
一旦印刷了焊料，回流時間或使電路板回流所需的時間就變得至關(guān)重要。
如果時間過長，嚴(yán)格控制的小焊盤上的焊膏中的一些溶劑甚至可能在到達回流系統(tǒng)之前就蒸發(fā)掉。此外，一旦電路板開始回流，可能會出現(xiàn)一些問題，例如較小的無源器件或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，才能在RF電路上成功安裝包括01005電容器在內(nèi)的無源器件，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，這兩個挑戰(zhàn)變得更加嚴(yán)峻。所有這些都需要經(jīng)驗、合適的設(shè)備、正確的工具設(shè)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的常規(guī)對流回流。氣相回流系統(tǒng)非常有用，尤其是對于在同一側(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向裝配廠提供功能測試的信息或規(guī)范。由于頻率和測試點創(chuàng)建限制，RF類型電路上的自定義功能測試有時是唯一可用的測試方法。測試點在RF電路上并不普遍，因此，如果沒有測試點，無論是飛針測試還是在線測試都是低效的。
因此，RF電路的功能測試可使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)類的設(shè)備進行波形分析。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。你不會想讓功能測試儀承擔(dān)故障檢測的責(zé)任的，因為它無法準(zhǔn)確定位這些故障。
總結(jié)
正如我們在這里所說的，RF PCB屬于復(fù)雜組件的范疇。但它的獨特之處在于，它需要經(jīng)驗豐富的裝配車間工程和技術(shù)人員來規(guī)劃和執(zhí)行諸如元件選擇、PCB材料、正確的模板設(shè)計、關(guān)注互補電路、回流曲線和功能測試等關(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)上述組裝步驟評估其要求。
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