Переформовка для радиочастотного фронтенда

Заливка для ВЧ-фронтендов: что охватывает этот плейбук (и для кого он предназначен)

Интеграция радиочастотных (ВЧ) компонентов в компактные модули System-in-Package (SiP) больше не является опцией для современных приложений 5G и аэрокосмической отрасли; это необходимость. Заливка для ВЧ-фронтендов — процесс инкапсуляции ВЧ-схем защитным компаундом — обеспечивает превосходную долговечность и уменьшение форм-фактора. Однако это вносит значительную сложность. Формовочный компаунд не является электрически невидимым; он взаимодействует с электромагнитными полями, потенциально расстраивая антенны, сдвигая импеданс и ухудшая целостность сигнала.

Этот плейбук предназначен для ВЧ-инженеров, архитекторов продуктов и руководителей по закупкам, которым необходимо перевести проект с прототипа на кристалле без корпуса или с открытой рамой на полностью инкапсулированный, массово производимый модуль. Мы выходим за рамки базовых определений, чтобы предоставить основу для принятия решений. Вы найдете конкретные технические требования для определения в вашей документации, анализ скрытых рисков, приводящих к потерям выхода годных изделий, и строгий план валидации для обеспечения того, чтобы конечный продукт работал так, как было смоделировано. В APTPCB (APTPCB PCB Factory) мы видим, что многие проекты терпят неудачу не из-за плохой теории схем, а потому что физическое взаимодействие между формовочным компаундом и ВЧ-разводкой было недооценено. Это руководство поможет вам предвидеть эти физические реалии. Оно содержит контрольные списки, необходимые для аудита поставщиков, и логику компромиссов, требуемую для принятия безопасных инженерных решений.

Когда овермолдинг для ВЧ-фронтенда является правильным подходом (и когда нет)

Прежде чем брать на себя затраты на оснастку для овермолдинга, крайне важно убедиться, что этот метод упаковки соответствует целям вашего продукта. Овермолдинг не является универсальным решением для всех ВЧ-приложений.

Это правильный подход, когда:

Миниатюризация критична: Вам необходимо значительно уменьшить высоту по оси Z и площадь по осям XY по сравнению с экранированием металлическим корпусом.
Защита окружающей среды обязательна: Устройство работает в условиях высокой влажности, подвержено вибрациям или находится в агрессивных средах (например, автомобильные радары, аэрокосмические датчики).
Высокообъемное производство: Вы масштабируете производство до объемов, при которых удельная стоимость формовки ниже стоимости сборки механических крышек и винтов.
Интеграция System-in-Package (SiP): Вы объединяете гетерогенные кристаллы (GaAs, GaN, CMOS) и пассивные компоненты в единый модуль, который должен обрабатываться как стандартный SMT-компонент.

Это неправильный подход, когда:

Прототипирование или малый объем: Затраты на НИОКР (невозвратные инженерные расходы) на пресс-формы и анализ потока являются непомерными для тиражей менее 5000 единиц.
Сверхвысокомощный РЧ: Если требования к теплоотводу превышают теплопроводность компаунда для формования, устройство перегреется. Воздушные полости или конструкции с открытой рамой лучше подходят для экстремальных тепловых потоков.
Требуется послепроизводственная настройка: После формования схема становится недоступной. Если ваш дизайн основан на ручной настройке и подстройке антенны на производственной линии, овермолдинг заблокирует доступ к элементам настройки.
Чрезвычайная чувствительность к диэлектрической нагрузке: Если схема не может выдержать диэлектрический сдвиг, вызванный формовочным компаундом (и не может быть компенсирована в конструкции), корпус с воздушной полостью безопаснее.

Требования, которые необходимо определить перед запросом коммерческого предложения

Чтобы получить точное коммерческое предложение и жизнеспособный производственный процесс, вы должны предоставить больше, чем просто файл Gerber. Взаимодействие между процессом овермолдинга для РЧ-фронтенда и электрическими характеристиками требует подробного технического описания.

Спецификации материала и стека:

Dk/Df формовочного компаунда: Укажите целевую диэлектрическую проницаемость ($D_k$) и тангенс угла диэлектрических потерь ($D_f$) формовочного компаунда на вашей рабочей частоте (например, 28 ГГц или 77 ГГц). Не принимайте "стандартную эпоксидную смолу" без данных.
Размер частиц наполнителя: Определите максимальный размер частиц наполнителя (например, < 25 микрон) для обеспечения заполнения узких зазоров между пассивными компонентами 01005 или под флип-чипами.
Несоответствие КТР: Укажите допустимый диапазон Коэффициента Теплового Расширения (КТР) для соответствия подложке вашей печатной платы, минимизируя коробление.
Температура стеклования (Tg): Определите Tg, которая превышает ваши максимальные температуры оплавления и рабочие температуры (обычно > 150°C или > 175°C для высокой надежности).

Механические и допусковые цели:

Допуск по высоте формованного колпачка: $\pm$ 25 микрон или более жесткий, в зависимости от ограничений по высоте Z для конкретного применения.
Зазор по высоте петли проволоки: Минимальный зазор между верхней частью петли проволочного соединения и верхней частью формованного колпачка (обычно > 50 микрон) для предотвращения оголения проволоки.
Запретные зоны: Четко определенные области на печатной плате, куда формовочная смесь не должна затекать (например, контактные площадки разъемов, тепловые площадки).
Пределы коробления: Максимально допустимое искривление/скручивание модуля (например, < 0,08 мм) для обеспечения успешной последующей сборки SMT.

Требования к ВЧ характеристикам:

Допуск на сдвиг частоты: Максимально допустимый сдвиг центральной частоты после формования (например, $\pm$ 50 МГц).
Дельта вносимых потерь: Максимально допустимое увеличение вносимых потерь из-за формовочной смеси (например, < 0,5 дБ).
Минимальные возвратные потери: Минимальные возвратные потери, требуемые после применения диэлектрической нагрузки формы.

Процесс и надежность:

Критерии пустот: Максимально допустимый размер и процент пустот (например, отсутствие пустот > 10 микрон в активных ВЧ-областях).
Уровень чувствительности к влаге (MSL): Целевой рейтинг MSL (обычно MSL 3 или лучше).
Совместимость процесса SMT для модуля миллиметрового диапазона: Формованный модуль должен выдерживать вторичные циклы оплавления без расслоения или "попкорнинга".

Скрытые риски, препятствующие масштабированию

Масштабирование овермолдинга для ВЧ-фронтенда выявляет физические риски, которые не проявляются в программных симуляциях. Понимание этих режимов отказа позволяет обнаруживать их на этапе NPI (внедрения нового продукта).

1. Диэлектрическая расстройка ("Сдвиг частоты")

Риск: Формовочная смесь имеет $D_k$ 3.0–4.0, тогда как у воздуха 1.0. Это добавляет емкость к каждому открытому проводнику.
Почему это происходит: Электромагнитные поля проникают в формовочную смесь, замедляя скорость волны и смещая резонанс к более низким частотам.
Обнаружение: Сравните S-параметры неформованных плат с формованными платами.
Предотвращение: Предварительно исказить дизайн (спроектировать для более высокой частоты), чтобы сдвиг из-за формования привел его к цели. Используйте электромагнитное моделирование с точными свойствами материалов.

2. Изгиб проволочных соединений

Риск: Высоконапорный поток формовочной смеси толкает проволочные соединения, заставляя их касаться (коротить) или менять форму.
Почему это происходит: Вязкость компаунда слишком высока или скорость впрыска слишком высока.
Обнаружение: Рентгеновский контроль после формовки; неустойчивые значения индуктивности при ВЧ-тестировании.
Предотвращение: Использование формовочных компаундов "Low Sweep" с более низкой вязкостью. Оптимизация профилей проволочного монтажа (более низкие петли, более короткие длины).

3. Несоответствие КТР и коробление

Риск: Печатная плата, кремниевый кристалл и формовочный компаунд расширяются с разной скоростью. При охлаждении модуль коробится.
Почему это происходит: Плохой выбор КТР формовочного компаунда относительно подложки.
Обнаружение: Измерение методом теневого муара; отказы копланарности во время SMT.
Предотвращение: Выбор формовочного компаунда с КТР, тесно соответствующим подложке печатной платы (например, органическая подложка против керамической).

4. Неполное заполнение (короткие впрыски) и пустоты

Риск: Воздушные карманы, застрявшие под компонентами или между проводами.
Почему это происходит: Воздух не может выйти достаточно быстро во время впрыска, или частицы наполнителя забивают узкие зазоры.
Обнаружение: Сканирующая акустическая микроскопия (CSAM) или рентген.
Предотвращение: Вакуумное формование (VAM); оптимизация расположения литника и конструкции вентиляционного отверстия; выбор подходящих размеров частиц наполнителя.

5. Деламинация на границах раздела

Риск: Формовочный компаунд отделяется от поверхности печатной платы или поверхности кристалла.
Почему это происходит: Загрязнение поверхности (остатки флюса), расширение влаги (эффект "попкорна") или плохая адгезионная химия.
Обнаружение: CSAM; электрический отказ после термоциклирования.
Предотвращение: Плазменная очистка перед формованием для активации поверхностей; строгий контроль влажности (выпекание) перед формованием.

6. Несоответствие ЭМС-экранирования

Риск: При использовании конформного экранирования (напыление поверх формы) дефекты поверхности формы вызывают пробелы в экране.
Почему это происходит: Ямки, пустоты или загрязнения на внешней стороне колпачка формы.
Обнаружение: Визуальный осмотр; тестирование излучаемых помех.
Предотвращение: Высококачественные разделительные агенты для форм; точная чистота поверхности формовочного инструмента.

7. Тепловая ловушка

Риск: Формовочный компаунд действует как тепловое одеяло, удерживая тепло в УМ (усилителе мощности).
Почему это происходит: Эпоксидная смола, как правило, является плохим теплопроводником по сравнению с конвекцией воздуха или металлическими крышками.
Обнаружение: Тепловизионная съемка (если возможно) или мониторинг температуры перехода.
Предотвращение: Использование теплопроводящих формовочных компаундов; проектирование тепловых переходных отверстий и открытых площадок на нижней стороне печатной платы.

8. Пьезоэлектрические эффекты, вызванные напряжением

Риск: Механическое напряжение от формы изменяет производительность чувствительных компонентов, таких как MLCC или MEMS.
Почему это происходит: Сжимающее напряжение от усадки при отверждении.
Обнаружение: Сдвиг значений емкости или характеристик фильтра.
Предотвращение: Использование формовочных компаундов с низким напряжением (низким модулем); ориентация чувствительных компонентов для минимизации воздействия напряжения.

План валидации (что тестировать, когда и что означает "пройдено")

Надежный план валидации для овермолдинга ВЧ-фронтенда должен коррелировать физическую целостность с ВЧ-характеристиками. Нельзя полагаться только на электрические испытания.

1. Визуальный и рентгеновский контроль (после формовки, до отверждения)

Цель: Немедленное обнаружение крупных дефектов.
Метод: Рентген высокого разрешения (2D/3D).
Приемлемость: Отсутствие смещения проволоки > 5% от длины проволоки; отсутствие видимых пустот > 50 микрон в критических областях.

2. Сканирующая акустическая микроскопия (CSAM)

Цель: Обнаружение внутренних расслоений и пустот, которые не выявляются рентгеном.
Метод: Сканирование в C-режиме интерфейса между формой/кристаллом и формой/подложкой.
Приемлемость: Площадь расслоения < 5%; отсутствие расслоений на контактных площадках для проволочного монтажа или активных ВЧ-трактах.

3. Поперечное сечение (разрушающее)

Цель: Проверка вертикального заполнения и зазора проволочной петли.
Метод: Механическое поперечное сечение и SEM-анализ.
Приемлемость: Отсутствие пустот под флип-чипами; зазор проволочной петли > 50 микрон от верхней части формы.

4. Стендовые испытания ВЧ (S-параметры)

Цель: Количественная оценка диэлектрического сдвига.
Метод: Измерение усиления, возвратных потерь и изоляции с помощью векторного анализатора цепей (VNA).
Приемлемость: Сдвиг центральной частоты в пределах проектного допуска (например, < 2%); Деградация вносимых потерь < 0.5 дБ.

5. Термоциклирование (надежность)

Цель: Нагрузить интерфейсы с несоответствием КТР.
Метод: От -40°C до +125°C (или +150°C), от 500 до 1000 циклов.
Приемлемость: Отсутствие электрических обрывов/коротких замыканий; отсутствие роста расслоений в CSAM после теста.

6. Срок службы при высокой температуре (HTOL)

Цель: Проверка долговременной стабильности при подаче питания и нагреве.
Метод: Непрерывная работа при максимальной номинальной температуре в течение 1000 часов.
Приемлемость: Радиочастотные характеристики остаются в пределах спецификации; отсутствие теплового разгона.

7. Тестирование уровня чувствительности к влаге (MSL)

Цель: Проверка устойчивости к растрескиванию, вызванному влагой, во время оплавления.
Метод: Выдержка при определенной влажности/температуре, затем 3 симуляции оплавления.
Приемлемость: Отсутствие эффекта "попкорна"; отсутствие внутреннего расслоения; электрический проход.

8. Испытание на падение

Цель: Проверка механической адгезии при ударе.
Метод: Стандартный тест на падение JEDEC.
Приемлемость: Отсутствие трещин в корпусе; отсутствие разрушений паяных соединений (если модуль установлен).

9. Измерение коробления

Цель: Обеспечение совместимости с SMT.
Метод: Теневой муар при комнатной температуре и температуре оплавления (260°C).
Приемлемость: Коробление < 0,08 мм (или специфическая спецификация копланарности).

10. Химическая стойкость (опционально)

Цель: Убедиться, что форма выдерживает чистящие средства.
Метод: Погружение в стандартные очистители флюса.
Приемлемость: Отсутствие деградации поверхности или набухания.

Контрольный список поставщика (RFQ + вопросы аудита)

При выборе партнера для овермолдинга ВЧ-фронтендов общих возможностей сборки печатных плат недостаточно. Вам нужен поставщик со специфическим опытом в области корпусирования. Используйте этот контрольный список для проверки APTPCB или любого другого поставщика.

Группа 1: Входные данные для RFQ (Что вы должны предоставить)

Файлы Gerber и ODB++: Полные данные компоновки.
3D STEP-файл: Критически важен для проектирования пресс-формы, показывает высоты компонентов.
Спецификация (BOM): Включая конкретные номера деталей для всех пассивных компонентов и кристаллов.
Чертеж панели: Предпочтительное использование панели и расположение реперных точек.
ВЧ-характеристики: Целевая частота, максимальные потери и требования к диэлектрической проницаемости.
Прогноз объема: EAU (расчетное годовое потребление) для определения класса оснастки (мягкая оснастка против твердой оснастки).
Требования к тестированию: Список ВЧ-тестов, необходимых на производственной линии.
Требования к упаковке: Спецификации Tape & Reel для готового модуля.

Группа 2: Подтверждение возможностей (Что спросить у поставщика)

Анализ потока в форме: Могут ли они имитировать процесс литья под давлением для прогнозирования пустот и смещения проводов до резки стали?
Библиотека материалов: Есть ли у них опыт работы с формовочными компаундами с низкими потерями и низким КТР (например, Sumitomo, Hitachi)?
ВЧ-компетентность: Понимают ли они последствия $D_k$/$D_f$, или они просто механический цех по формованию?
Точность оборудования: Какова допуск их формовочной полости? (Должен быть на микронном уровне).
Вакуумное формование: Есть ли у них вакуумные системы для устранения пустот в плотных ВЧ-кластерах?
Постформовочное отверждение: Есть ли у них программируемые печи с точными профилями нарастания температуры?

Группа 3: Система качества и прослеживаемость

Возможности рентгена: Рентген 100% или выборочный? Каково разрешение?
Наличие CSAM: Есть ли у них внутренний CSAM для проверки расслоений?
Контроль проволочных соединений: Автоматический оптический контроль (AOI) для проволочных соединений перед формованием?
Плазменная очистка: Является ли плазменная очистка стандартной в их технологическом процессе перед формованием?
Прослеживаемость: Могут ли они отследить конкретный модуль до формовочного цикла и партии компаунда?
Класс чистой комнаты: Находится ли зона формования в контролируемой чистой комнате (Класс 10k или лучше)?

Группа 4: Контроль изменений и поставка

Политика PCN: Уведомят ли они вас, если изменят состав формовочного компаунда? (Критично для ВЧ).
Обслуживание оснастки: Каков график очистки и обслуживания формовочных полостей?
Управление выходом годных изделий: Как они обрабатывают бракованные единицы на панели? (Маркировка против выбивания).
Планирование мощностей: Могут ли они масштабироваться от NPI до массового производства без изменения комплектов оборудования?
Время выполнения заказа: Каково время выполнения заказа для новой формовочной оснастки по сравнению с повторным производством?

Руководство по принятию решений (компромиссы, которые вы действительно можете выбрать)

Инженерия — это компромисс. При овермолдинге для ВЧ-фронтенда невозможно максимизировать каждый параметр одновременно. Вот реалистичные компромиссы.

1. Производительность против защиты

Если вы отдаете приоритет максимальной ВЧ-эффективности: Выберите корпус с воздушной полостью или конформное покрытие.
Если вы отдаете приоритет экологической прочности и размеру: Выберите овермолдинг.
Компромисс: Вы жертвуете некоторой целостностью ВЧ-сигнала (из-за диэлектрических потерь) ради превосходной физической защиты.

2. Тепловая против электрической изоляции

Если вы отдаете приоритет теплоотводу: Выберите компаунд с высокой теплопроводностью (керамические наполнители).
Если вы отдаете приоритет электрической изоляции: Выберите стандартную эпоксидную смолу.
Компромисс: Теплопроводящие компаунды часто более абразивны для формовочных инструментов и могут иметь более высокий $D_k$, что влияет на ВЧ-настройку.

3. Стоимость против скорости разработки

Если вы отдаете приоритет скорости: Используйте "мягкую оснастку" или обработанные алюминиевые формы.
Если вы отдаете приоритет стоимости единицы: Инвестируйте в многогнездные формы из закаленной стали.
Компромисс: Мягкие инструменты быстро изнашиваются и имеют более свободные допуски, но они дешевы и быстры в изготовлении. Твердые инструменты дороги и медленны в производстве, но дают миллионы однородных деталей.

4. Интеграция против выхода годных изделий

Если вы отдаете приоритет плотности: Поместите все (PA, LNA, Switch, Filter) в одну форму.
Если вы отдаете приоритет выходу годных изделий: Разделите систему на более мелкие подмодули.
Компромисс: "Мега-модуль" экономит место, но если один кристалл выходит из строя, весь модуль выбрасывается. Меньшие модули имеют более высокие накладные расходы на сборку, но более низкие затраты на брак.

5. Стандартный против заказного материала

Если вы отдаете приоритет безопасности цепочки поставок: Используйте стандартные для отрасли формовочные компаунды.
Если вы отдаете приоритет ВЧ-характеристикам: Используйте специализированные компаунды с низкими потерями.
Компромисс: Специализированные материалы имеют более длительные сроки поставки, более высокие минимальные объемы заказа (MOQ) и меньше альтернативных поставщиков.

Часто задаваемые вопросы

В: Можем ли мы переделать ВЧ-модуль, залитый компаундом? О: Нет. После отверждения термореактивной эпоксидной смолы ее невозможно удалить, не разрушив компоненты. Переделка должна происходить до заливки.

В: Насколько точны ВЧ-симуляции с формовочным компаундом? О: Точность зависит от данных материала. Если вы используете общие значения из технического описания для $D_k$, симуляция будет неточной. Вы должны использовать частотно-зависимые данные, предоставленные поставщиком материала, или измеренные характеристики.

В: Влияет ли заливка компаундом на экранирование от ЭМП? О: Да, сам компаунд не является экраном. Однако заливка создает гладкую поверхность, которая идеально подходит для нанесения напыленного металлического конформного экрана (напыление) непосредственно на корпус, что очень эффективно.

В: Какова типичная толщина формованной крышки? О: Она варьируется, но обычно составляет от 0,3 мм до 1,0 мм над поверхностью печатной платы, в зависимости от самого высокого компонента и требуемого зазора для проволочной петли.

В: Можем ли мы использовать заливку компаундом для миллиметрового диапазона (28ГГц+)? О: Да, но выбор материала критичен. Стандартные эпоксидные смолы слишком сильно поглощают сигнал. Вам нужны специализированные низкопотерные компаунды, разработанные для миллиметрового диапазона (mmWave), чтобы минимизировать затухание сигнала.

В: Как овермолдинг влияет на процесс SMT модуля mmWave? О: Модуль становится прочным компонентом. Однако необходимо убедиться, что влага удалена перед оплавлением SMT, чтобы предотвратить "попкорнинг" (взрывное расслоение из-за давления пара).

В: Возможна ли настройка и подгонка антенны после формования? О: В целом, нет. Лазерная подгонка требует прямой видимости. Вся настройка должна быть динамической (электронной), или конструкция должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать смещение формы без физической подгонки.

В: Какова разница в стоимости между овермолдингом и металлическими корпусами? О: При малых объемах металлические корпуса дешевле (нет затрат на оснастку). При больших объемах (>100 тыс. единиц) овермолдинг значительно дешевле за единицу и занимает меньше места на печатной плате.

Производство СВЧ печатных плат: Понимание базового субстрата является первым шагом, прежде чем рассматривать формовочный компаунд, который наносится поверх него.
NPI и сборка малых партий: Узнайте, как проверить ваш ВЧ-дизайн в малых партиях, прежде чем приступать к дорогостоящей оснастке для жесткого формования.
Услуги рентгеновского контроля: Критический этап проверки для обнаружения смещения проводов и пустот внутри формованного корпуса.
Сборка печатных плат под ключ: Узнайте, как APTPCB управляет всем процессом от изготовления печатных плат до закупки компонентов и окончательного формования.
Материалы для печатных плат Rogers: Высокочастотные ламинаты часто требуются для подложки переформованных ВЧ-модулей для поддержания целостности сигнала.

Запросить расценки

Готовы перевести ваш ВЧ-проект из концепции в полностью инкапсулированный модуль? APTPCB предлагает комплексные DFM-обзоры для выявления рисков формования до начала производства.

Для получения точного предложения и DFM, пожалуйста, подготовьте:

Файлы Gerber (для подложки).
3D STEP-файл (для проектирования крышки формы).
BOM (Спецификация) (с указанием высоты компонентов).
Требования к ВЧ (Частота, Макс. потери).
Оценки объема (для определения стратегии оснастки).

Нажмите здесь, чтобы запросить расценки и DFM-обзор – Наша инженерная команда рассмотрит ваш стек и требования к форме, чтобы обеспечить успешное масштабирование.

Заключение

Овермолдинг для ВЧ-фронтенда — это преобразующая технология корпусирования, которая обеспечивает плотность, необходимую для систем 5G и будущих беспроводных систем. Однако это не просто механический корпус; это неотъемлемая часть ВЧ-схемы, которая изменяет импеданс, тепловые характеристики и надежность. Определяя строгие требования к материалам, предвидя риски, такие как смещение проводов (wire sweep) и расстройка диэлектрика (dielectric detuning), и применяя строгий план валидации, вы можете использовать преимущества овермолдинга без ущерба для целостности сигнала. Успех заключается в рассмотрении формовочного компаунда как критически важного ВЧ-компонента, а не просто защитной оболочки.