平面相位陣列天線中的可靠性PCB組裝
2022-05-27
作者
Joel Dobler、Eamon Nash，ADI產品應用工程師、應用總監
如果LGA焊點配置沒有妥善設計，那麼包括PCB阻焊層的變異，以及焊錫量的不變性都會導致PCB組裝的困難。
高頻率平面相位陣列元件通常需要複雜的組裝，從波束成形IC與收發器(T/R)模組，迫使這類元件必須採用高接腳數的閘格陣列封裝(LGA)，如此所有射頻電路才能置入λ/2晶格間距的空間內。LGA封裝的底部具有掘入式接腳。因此，如果LGA焊點配置沒有妥善設計，那麼包括PCB阻焊層的變異以及焊錫量的不變性都會導致PCB組裝的困難。本文即將闡述完善的LGA焊點配置設計能造就出高良率PCB組裝，另外也將介紹一個LGA焊點配置實例，當中所運用的是大型高接腳數ADAR1000波束成形IC。
平面相位陣列系統
相位陣列技術採用的天線單元佈置讓每個單元的相對相位呈現特定的變化，藉以操控聚焦幅射型，亦即所謂的波束。波束可透過電子手段指向不同方向，以克服機械指向天線的速度限制和可靠度等問題。相位陣列系統大幅縮減的尺寸/重量/功耗(SWaP)使其成為各種國防應用中極具吸引力的技術，包括雷達、通訊、太空，以及電子戰。
除了替換會轉動的機械零件，平面雷達前端元件——貼片天線與射頻電子元件置於PCB的同一側——最顯著的優點就是有助於縮減尺寸。對於類比與混合(類比/數位)波束成形系統而言，四通道波束成形元件成為最理想的規格選擇。這種配置包含一連串的單元，中間具有四個波束成形元件，周圍配置4個收發器(T/R)模組(圖1)。
圖1：Microsoft的HoloLens混合實境智慧眼鏡。
這些波束成形元件的多通道功能，加上支援與控制電路(如接收器與發送器、射頻線路、放大器偏置控制線路，以及波束成形元件之間的T/R控制線路及T/R模組)，迫使波束成形IC必須採用高接腳數封裝。另外，必須依循間格間距二分之一波長(10GHz下為15mm)的規範，亦促使這方面的轉變。因此，LGA封裝成為多通道波束成形IC的熱門選擇。圖2顯示ADAR1000就是LGA封裝波束成形IC的例子。
圖2：典型LGA封裝，具有高接腳數與雙環接腳。
焊錫程序
自動化PCB是一種多步驟程序。一開始是將錫膏塗在PCB的外露金屬部位。這個步驟會用焊錫鋼板置於PCB上方，讓鋼板的孔位對準下方的PCB外露金屬，然後再透過這個治具鋼板準確塗上錫膏。完成後移開鋼板，表面黏著元件就會固定在電路板上，置於錫膏的背面。接著把電路板、錫膏及元件一起放進回焊爐，藉以熔掉錫膏，從而黏著PCB與元件的銲墊。這個程序涉及多個變量，這些變量有可能衍生問題。
焊錫防護層變異與治具鋼板的不變性
焊錫鋼板連同PCB上的阻焊層(通常是熟悉的綠色)定義錫膏塗在PCB的位置。常用的設計方法涉及讓焊錫防護層開口(孔徑)略小於底部的金屬銲墊(所謂的防焊限定銲墊)。
許多PCB採用符合IPC-SM-840 Class 3標準的液態可感光(LPI)焊錫防護層。依據生產批量、廠商等因素，焊錫防護層會選用不同的開口尺寸，而且可能因焊錫防護層對位誤差而導致錯位(misaligned)，圖3顯示不同開口大小的焊錫防護層(紅色四邊型標示)。這裡的銲墊是受焊錫防護層限定，只要有開口對開口的變異，即使銅銲墊本身沒有變異，外露銅銲墊的實際尺寸也會變異。尤其是焊錫防護層底部連到接地端的銅質部分。
圖3：LGA銲墊週圍(紅色框)有焊錫防護層變異的例子。
接著是焊錫鋼板。焊錫鋼板開口尺寸的變異會導致每個銲墊上塗佈錫膏量出現變異。然而，由於焊錫鋼板通常是用雷射從不銹鋼板切割出來，使用機具的最小切割寬度為0.05mm或更低，孔徑公差為0.013mm或更低，因此開口對開口的實際變異通常很小。嚴謹的公差可確保PCB外露銅材料塗佈的錫膏量維持穩定，圖4顯示一個焊錫鋼板的例子。
圖4：焊錫鋼板的例子。
尺寸變異小到接近零的焊錫防護層與焊錫鋼板，這類情況下可能因接腳對接腳的短路及/或接腳開路導致PCB組裝不穩定。
當一個較大開口PCB銲墊加上周圍銲墊的開口尺寸正常或小於額定孔徑就可能導致開路。圖5a顯示PCB上LGA封裝元件在塗上錫膏後的側視圖，當錫膏加熱後，錫球變成豎井的形狀，造成焊錫防護層開口，突出高度足以使其連接到掘入式接腳(recessed pin)。圖5b顯示的狀況中，焊錫防護層開口大於正常值。在這裡，井中仍形成錫球結構，然而，由於開口尺寸較大，錫球的高度降低，故不會連接到掘入式接腳。
圖5：接腳-焊錫-銲墊的接面側視圖，(a)正常的焊錫防護層開口尺寸，造成和接腳之間連結妥善，(b)大於正常孔徑，造成接腳開路(非正常比例，圖片為方便說明故將尺寸放大)。
PCB焊點配置設計指引
在盡可能降低PCB與封裝變異效應的目標下，本文提供指引建議，協助完成可靠LGA PCB組裝。這些指引適用於接腳尺寸0.25mnm (正方或四方形)高度0.5mm及其他尺寸相近的LGA封裝。
- PCB銲墊每個方向尺寸應比額定LGA封裝接腳大20%，如圖6所示，比0.25mm正方型接腳的封裝大了約0.05mm。
▪配置超額尺寸的銲墊，有助於減少對位誤差的效應。
圖6：(a)側視與(b)俯視圖，超大尺寸PCB銲墊及焊錫防護層對比IC銲墊尺寸。
- PCB銲墊與焊錫防護層開口的比率應該是1:1。這既不是純粹的焊錫防護層限定或非焊錫防護層限定的解決方案，屬於混合式解決方案。
▪維持1:1的比率，除了能有足夠焊錫以維持妥善的連結，銲墊之間也能有足夠的防錫霸(solder dam)，有助於防止短路。
- 在錫膏防護層/焊錫模板上，接地銲盤開口分開成數個較小的開口，使其大小比較匹配零件上接腳的尺寸。
▪焊錫均勻塗佈在PCB外露銅質部位。
- 移開絲印層LGA outline外層圖案。
▪這會完全排除外層影響LGA平面性的可能性。
- 移開任何靠近LGA元件的絲印層外層圖案。
- 移除LGA上面任何絲印層文字及Pin 1標記等圖案。
▪建議和鄰近元件留出1.85mm距離的空間。
- 盡可能把元件放在遠離LGA的位置。
▪鄰近元件銲墊建議保留2.3mm距離的空間。
請注意，最後三項指引影響組裝的程度小於前四項指引，歸屬於最佳策略類別。但仍建議若有可能，在PCB空間允許的狀況下盡量實行。
雖然較小接腳與高度的封裝超出本文探討的範圍，但這些指引仍然適用，至少可作為焊點配置設計的起點。另外當使用較小的銲墊與高度尺寸時，還需要運用進階電路設計與製造技巧，藉以因應焊錫防護層的變異。
設計範例：ADAR1000 PCB焊點配置
以下闡述ADAR1000的焊點配置設計，這顆8GHz~16GHz四通道X波段與Ku波段波束成形元件針對平面相位陣列應用量身設計，這個焊點配置設計用在ADAR1000-EVALZ評估板上。
ADAR1000封裝外型圖
ADAR1000是一顆採用7mm × 7mm LGA封裝的元件，擁有內環與外環接腳，中間還有外露的接地銲盤。每個接腳為0.25mm正方形，變異為±0.05mm。外露焊盤的額定尺寸為4.25mm × 3.25mm。圖7顯示封裝的底側尺寸，圖中沒有顯示接腳的掘入深度，從封裝底部到接腳的長度為0.02mm。
圖7：ADAR1000封裝外形圖(底部仰視)，尺寸單元為mm。
ADAR1000建議PCB焊點配置設計
運用可靠組裝指引，規劃出以下ADAR1000 PCB焊點配置：
- PCB銲墊尺寸超額配置20%，比ADAR1000接腳的額定尺寸大0.05mm。設計出的銲墊尺寸為0.3mm，0.3mm，如圖8所示。
圖8：ADAR1000 PCB建議焊點配置，0.3mm × 0.3mm銲墊以白色標記，剩下的layer 1金屬部分以青色表示。
- 焊錫防護層孔徑尺寸設定成和PCB銲墊相同，都是0.3mm×0.3mm，如圖9所示。
圖9：ADAR1000焊錫防護層，擁有0.3mm × 0.3mm銲墊開口，以及3.378mm × 4.369mm接地焊盤開口。
- 焊錫鋼板的設計讓接地焊盤開口分成多個較小孔徑開口，尺寸接近LGA接腳。接腳孔徑設定成0.28mm正方形，接地焊盤孔徑設定成0.406mm × 0.28mm，焊錫鋼板的設計如圖10所示。
圖10：ADAR1000 PCB錫膏防護層(焊錫鋼板)，擁有 0.28mm × 0.28mm 銲墊開口，以及 0.406mm × 0.28mm接地焊盤開口。
- 圖11顯示沾錫後錫膏透過鋼板塗佈在元件，接地焊盤開口被分成多個較小開口。
- ADAR1000表面的絲印層被移除。
圖11：沾錫錫膏(置入回焊爐之前)置於銅質接地焊盤上的例子，運用焊錫鋼板塗佈，鋼板為接地焊盤設計較小的開口，訊號接腳位置圖中頂部。
- 元件外部絲印層被移除，ADAR1000元件這個層的厚度為2.3mm。
- ADAR1000附近任何絲印層文字或標記，像是Pin 1定位標記，都從ADAR1000移開，建議距離至少1.85mm。
- 最近元件設定成距ADAR1000有2.3mm。
- ADAR1000上沒有絲印層圖案。
- 最靠近的元件(C21)離了2.3mm的距離。
- 最近的絲印層圖案(C21 outline)離了1.85mm的距離。下一個最近的絲印層圖案為C35文字。
圖12：ADAR1000 PCB清空區域，絲印層圖案離DUT銲墊1.85mm；最近的元件離DUT銲墊2.3mm。
如圖13顯示，DUT絲印層文字與Pin 1標記移出到1.85mm清空區域之外的位置。對於ADAR1000，最小清空區域是距封裝邊緣1.795mm處，如果封裝邊緣與接腳邊緣之間的距離頗大，建議清空區域參照封裝邊緣，而不是參照本文所提的接腳邊緣。
圖13：ADAR1000 PCB清空區域，絲印層圖案離DUT銲墊至少有1.85mm。
ADAR1000評估板允許最靠近元件與絲印層圖案遠離ADAR1000。然而在平面相位陣列電路板上不一定可以留出此清空區域，但機板設計者在設計板卡時仍應考慮此項指引並盡可能遵循。
總結
LGA封裝通常是高接腳密度，高頻率平面相位陣列電子元件，其天線元件間距設定為λ/2，亦即波長的一半，導致要將其焊至電路板上變得極具挑戰性。本文提及的主要指引：1.PCB銲墊尺寸設定成比LGA接腳大20%，2.焊錫防護層開口設定成和PCB銲墊相同，3.焊錫鋼板的設計讓接地焊盤開口分成多個較小的開口，其尺寸接近LGA接腳，這些都有助於降低PCB製造變異產生的效應。這些指引證明能提供高良率機板組裝，在不同製造與組裝批次之間能維持一貫性。可靠的組裝可避免任何PCB重工，進而節省成本與縮短上市時程。
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年5月號
