硬件设计漫谈1 —模组设计
时间:2023-04-13 22:07:00
漫谈硬件设计之一 —模组设计
- 引言
- 模组的定义
- 模组的优点
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- 很难设计和测试射频。
- 使用模块可以大大降低客户设计的复杂性
- 可节省客户PCB空间
- 它可以节省大量的客户认证工作
- 模块设计的关键点
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- 关于屏蔽罩
- 关于模块的包装形式
- 关于模块的平整度
- 焊接屏蔽罩
引言
5G最近的热度没有下降,5G讨论模块也很热烈。G模块的价格可以达到1000圆左右。其实不仅仅是5G有模组,从2G,3G,4G,
NB-IOT,到wifi,
BT, LoRa, 这些射频也有模块,本文将讨论与模块相比的模块COB在设计中需要注意的优点是什么?
模组的定义
模块在英语中叫module。事实上,在过去,有一个名词可以很好地反映模块的特征,称为SIP(system in
package)。它是包装单元中的子系统。一般来说,模块的载板是一个PCB(当然也有特殊的,比如LTCC
),也就以一个PCB基板焊接在上面IC还有其他必要的设备。 一般来说module都有屏蔽,有的用金属屏蔽,有的用resin 镀银。
模组的优点
也许有人会问,为什么要用module呢,直接用原厂芯片设计,下面就来说说模块的一些优点。
很难设计和测试射频。
目前,射频设备的集成度越来越高,射频设计的难度大大降低。但即便如此,模块的设计和测试还是有一定门槛的。对于一些小公司来说,射频测试仪器的投资成本不小。同时,在生产线上的投资也非常惊人,尤其是那些没有自己工厂的人ODM对司。所以这个时候用模块很有优势。只要客户喜欢用普通的IC设备可以使用模块,对于特定的射频性能,在生产线上不需要测试特定的性能指标,如TX
power, RX sensitivity, spectral mask 等等,只要进行一些功能测试。当然,在设计阶段,需要确认,但模块制造商通常会提供设计和测试的支持。
使用模块可以大大降低客户设计的复杂性
对于许多模块的用户来说,只需连接电源和必要的接口,并将射频接口设计成50欧姆。因为模块的设计师已经设计了50欧姆的射频接口impendence基准调试成为最佳情况,节省了客户对复杂射频的调试和测试。同时,时钟信号通常集成在模块中,因此无需担心射频电路中关键时钟信号的放置和布线。总之,使用模块,尤其是射频模块,相当省心。
可节省客户PCB空间
有些人可能会问,如何节省空间,不是浪费空间,我使用你的模块等于更多的东西啊。事实上,许多射频模块中使用的设备的包装形式与普通包装形式不同。一般能够COB包装相似QFN或者是BGA是的,这些都是普通封装的IC。然而,模块中常用的设备的包装形式与WLCSP,Flip chip,这种包装形式可以使尺寸特别小和薄,但这是为了PCB下面我们来谈谈设计中的高挑战。因此,芯片本身的尺寸不同于普通包装,即使是电阻电容电感等,也会尽可能小。大家都知道0603,0402,0201等封装形式。但许多模块都采用01005进行尺寸优化。也就是说,这种包装比0201小一半。拆开iphone,你会发现里面有很多模块,从wifi/BT模块,到UWB
模块,等等。使用模块的目的之一是减少尺寸。
同时,为了使模块不仅尺寸小,而且薄,PCB还应优化厚度。你可以想象0.25mm的6层板PCB么,你能想象0.06mm的via嗯,一切都是为了模块的尺寸小而薄,有利于客户的使用和设计。
它可以节省大量的客户认证工作
。对于射频,在发布产品之前需要大量的认证和测试。类似于CCC,CCC, CE,Telec或者wifi,BT, 4G, Lora 联盟认证需要大量的精力。同时,认证费也是一笔很大的开支。对于许多模块来说,虽然最终产品仍有一些测试,但有许多测试项目可以继承。也就是说,如果模块已经通过了某个认证,并且该模块已经用于终端产品,那么一些测试项目可能会发生意外。一些测试很少的项目可以通过此认证。这大大降低了测试的难度,节省了测试成本。对于某些模块,整个认证可以直接使用,节省了测试过程。
模块设计的关键点
前面说了一些模块的优点,下面讨论了一些模块设计的关键点。
设计一个模块,首先是确认客户是定制的还是一个通用的模块。一般来说,定制模块是大公司。Apple,
Sumsung等等(华为很少使用模块,通常是COB。一是他有这种实力,二是为了low cost)。一般来说,定制模块会给你一些尺寸要求、性能指标要求、可靠性测试要求,反正也有很多要求。
说白了,一般模块是根据设计师的经验来定义的concept, 自己定义大小,自己定义pin放置,定义是否有屏蔽罩,什么形式的屏蔽等。
关于屏蔽罩
一般来说模块都是有屏蔽罩的。屏蔽罩是有一些优点的,比如说可以隔离和其他电路部分的相互干扰,增减灵敏度,增加模块本身的平整度,利于器件的贴装(客户在用模块的时候要用SMT,
吸嘴要有吸的地方,没有屏蔽罩就不容易吸)等等。当然,你也可以看到一些没有屏蔽罩的模块在宝藏上出售。屏蔽罩一般采用金属壳式。当然,现在有很多小模块,现在用树脂包装,然后在树脂外面镀一层银作为屏蔽。这种方法对尺寸和尺寸有一定的限制。也就是说,如果模块尺寸过大,高度过高,这种方法是不合适的。所以你在市场上看到了很多4G,5G模块都是金属壳。但是很多的wifi/BT所有的模块都是resin shieding的。
关于模块的包装形式
模块的包装形式一般用作LGA(Land grid Array)形式。说白了,就是在PCB底部设计成QFN形式。大多数模块pad直接裸PCB焊盘,当然也会有一些小模块pad上层锡。
关于模块的平整度
平整度是模块设计的关键问题。无论如何,模块本身并不是最终的产品, 它最终会焊接在客户的板上。如果他的平整度不够,客户焊接过程中会出现很大的质量问题。对于尺寸小的模块来说,平整度是比较容易达到100um标准,但对于大于25的标准,x25mm对于尺寸模块,可能需要特别注意。一般来说,模块的平整度需要从以下几个方面提高。首先是PCB厚度越大,模块越大,为了保证平整度而增加PCB毫无疑问,厚度。但正如前面所说,模块应该尽可能薄,所以如何确保它们之间的平衡应该仔细评估。其次可以从placement我们正在layout布局时尽量保证他的平衡。我们也可以优化layout确保平整度。比如说在做layout走线时,尽量在层与层之间对称,铺地时不需要全铺,而是用麻花铺地,以减缓回流焊时的应力。
焊接屏蔽罩
焊接金属屏蔽壳也有一些不同的方法。一些小型模块制造商直接将设备和屏蔽壳粘贴在模块粘贴中。模块内部设备的安装质量仅通过一些性能测试来确定。我们说这种方法比较有限,比如有些IC所引出的IO引脚,如果IC焊接不良导致短路、断路或虚焊,可能无法检查。还有一些模块制造商100%Xray检查模块的方式,可以检查连锡造成的设备短路,但短路或虚焊仍无法检查。我认为目前更好的方法是所谓的open/short测试方法。这种测试的原理是获得一组已经验证的完全没有问题的模块open/short该数据是所谓的测试数据golden data,然后在生产线上测试每个模块open/short数据和这个golden比较数据。
当然还有的一些其他的测试方法,比如说验证所有模块引脚的电性能,这种方法对于产线测试来说较为复杂。
刚才有人说,直接将设备和屏蔽壳焊接在一起的方法是两次的reflow的方法。也就是说,第一个assembly和reflow的时候只贴装模块内部的元器件,回流焊之后会目视检查器件的焊接情况。如果目视没有问题,将进行第二次安装,即屏蔽壳安装,然后再次安装reflow。这种方法的优点是可以第一次使用reflow然后进行目检或者VOI,确认焊接质量。然而,这种方法也带来了一些问题。最直接的缺点是多了一次reflow.还增加了生产过程和时间,即增加了成本。
先写这么多吧。