硬件設(shè)計漫談之一 —模組設(shè)計

• 引言
• 模組的定義
• 模組的優(yōu)點(diǎn)
• • 射頻的設(shè)計和測試是個難點(diǎn)。
  • 用模塊可以大大的減少客戶設(shè)計的復(fù)雜度
  • 可以節(jié)省客戶的PCB空間
  • 可以省去很多客戶認(rèn)證的工作
• 設(shè)計模組的關(guān)鍵點(diǎn)
• • 關(guān)于屏蔽罩
  • 關(guān)于模組的封裝形式
  • 關(guān)于模組的平整度
  • 關(guān)于屏蔽罩的焊接

引言

5G最近的熱度不減，5G模組的討論也很熱烈。據(jù)說5G的模組價格已經(jīng)能做到1000圓左右。其實(shí)不但是5G有模組，從2G，3G，4G,
NB-IOT，到wifi,
BT, LoRa, 這些射頻也有模組，本文就討論一下模組相比于COB有什么優(yōu)勢，同時在設(shè)計時需要注意些什么。

模組的定義

模組在英文中叫module。其實(shí)在以前有一個名詞也能很好的反應(yīng)模組的特性，叫SIP(system in
package)。就是一個封裝單元里的子系統(tǒng)。通常來說模塊的載板都是一個PCB（當(dāng)然也有特殊的，比如說LTCC
），也就以一個PCB為基板，上面焊接了一些IC和其他的必要的器件。 一般來說module都是有屏蔽的，有的是用金屬屏蔽罩，有的是用resin +鍍銀的方式。

模組的優(yōu)點(diǎn)

也許有些人會問，為什么要用module呢，直接用原廠的芯片進(jìn)行設(shè)計好了，下面就來說一下用模組的一些優(yōu)點(diǎn)。

射頻的設(shè)計和測試是個難點(diǎn)。

目前射頻器件的集成度越來越高，對于射頻的設(shè)計的難度大大的降低了。但是即使是這樣，模塊的設(shè)計和測試還是有一定的門檻的。對于一些小公司來說，射頻測試儀器的投入費(fèi)用就是一筆不小的開支。同時在產(chǎn)線上的投入更是很驚人，尤其是對于那些沒有自己的工廠，需要ODM的公司來說。所以這時候用模塊就很有優(yōu)勢了?？蛻糁灰裼闷胀ǖ牡腎C器件一樣用模塊就可以了，對于具體射頻性能來說，在產(chǎn)線上就不用再測試具體的性能指標(biāo)，比如TX
power, RX sensitivity, spectral mask 等等，只要進(jìn)行一些功能性的測試就好了。當(dāng)然在設(shè)計階段，還是要去確認(rèn)一下的，但是模塊廠家一般都會提供設(shè)計和測試的支持。

用模塊可以大大的減少客戶設(shè)計的復(fù)雜度

對于很多的模塊的使用者來說，只要連上電源，接上必要的接口，把射頻接口設(shè)計成50歐姆就可以了。因?yàn)槟K的設(shè)計者在設(shè)計的時候已經(jīng)把射頻接口以50歐姆的impendence為基準(zhǔn)調(diào)試成了最優(yōu)的情況，這樣就省去了客戶在進(jìn)行復(fù)雜的射頻的調(diào)試和測試。同時時鐘信號一般都集成在了模塊的里面，所以在射頻電路里關(guān)鍵的時鐘信號的放置和布線也不必去擔(dān)心了?？傊?#xff0c;用模塊，尤其是射頻模塊那是相當(dāng)?shù)氖⌒牡摹?/p>

可以節(jié)省客戶的PCB空間

有人也許要問，怎么會省空間呢，不是浪費(fèi)空間了么，我用你的模塊等于是多了一些東西啊。其實(shí)在很多射頻模塊里用的器件的封裝形式和普通的封裝形式是不同的。一般能夠COB的封裝都是類似于QFN或者是BGA的，這些都是經(jīng)過了普通封裝的IC。但是模組里一般用的器件的封裝形式都是類似于WLCSP，Flip chip，這種封裝形式可以使得尺寸特別的小和薄，但是這對于PCB的設(shè)計又提出了很高的挑戰(zhàn)，這個下面再說。所以不但是芯片本身的尺寸有別于普通的封裝，即使是像電阻電容電感等，也會盡量的用小的。大家都知道0603,0402,0201等封裝形式。但是很多模塊里為了尺寸的優(yōu)化，都是采用01005的。也就是說這種封裝比0201還要小一半。拆開iphone，你會發(fā)現(xiàn)很多的模塊在里面，從wifi/BT模塊，到UWB
模塊，等等。用到模塊的目的之一就是可以減少尺寸。

同時為了使得模塊不但尺寸小，而且薄，PCB的厚度也要優(yōu)化。你能想象，0.25mm的6層板PCB么，你能想象0.06mm的via么,所有的一切都是為了模塊的尺寸小而薄，利于和方便客戶的使用和設(shè)計。

可以省去很多客戶認(rèn)證的工作

。對于射頻來說，在發(fā)布產(chǎn)品前需要很多的認(rèn)證和測試。類似于CCC,CCC, CE,Telec或者wifi,BT, 4G, Lora 等聯(lián)盟的認(rèn)證都需要很大的精力。同時認(rèn)證費(fèi)用也是一筆很大的開銷。對于很多模塊來說，雖然說最終的產(chǎn)品還是進(jìn)行一些測試，但是有很多測試項(xiàng)目是可以繼承的。也就是說如果模塊已經(jīng)通過了某一項(xiàng)認(rèn)證，在終端產(chǎn)品上用到了此模塊，那么有些測試項(xiàng)目是可以不測的。只要測試很少的一些項(xiàng)目就可以通過此認(rèn)證。這樣就大大降低的測試的難度，節(jié)省了測試費(fèi)用。對于有些模塊來說，整個認(rèn)證都是可以直接拿來用，省去了測試的過程。

設(shè)計模組的關(guān)鍵點(diǎn)

前面說了一些模塊優(yōu)點(diǎn)，下面討論一些模塊設(shè)計的一些關(guān)鍵點(diǎn)。
設(shè)計一款模塊，首先是確認(rèn)客戶定制化的還是一個通用的模塊。一般來說定制化模塊的都是比較大的公司。比如Apple,
Sumsung等（華為很少用模塊，一般是COB。一個是他有這個實(shí)力，再一個是為了low cost）。定制化的模塊一般來說都會給你一些尺寸上的要求，性能指標(biāo)的要求，可靠性測試的要求，反正是一大堆要求。

通用化的模塊說白了，就是根據(jù)設(shè)計者的經(jīng)驗(yàn)，自己去定義concept, 自己定義大小，自己定義pin的擺放，自己定義有沒有屏蔽罩，什么形式的屏蔽等等。

關(guān)于屏蔽罩

一般來說模塊都是有屏蔽罩的。屏蔽罩是有一些優(yōu)點(diǎn)的，比如說可以隔離和其他電路部分的相互干擾，增減靈敏度，增加模塊本身的平整度，利于器件的貼裝（客戶在用模塊的時候要用SMT,
吸嘴要有一個能吸的地方，沒有屏蔽罩就不好吸了）等等。當(dāng)然你也可以看到一些無屏蔽罩的模塊在某寶上售賣。屏蔽罩一般都是金屬殼樣式的。當(dāng)然現(xiàn)在有很多小的模塊，現(xiàn)在也先用樹脂封裝，然后再再樹脂的外面鍍一層銀作屏蔽。這種方式對于尺寸和大小有一定的限制。也就是說如果模塊的尺寸太大，高度太高，那么這種方式是不太合適的。所以你在市面上所看到的很多4G,5G模塊都是金屬殼的。但是很多的wifi/BT模塊都是做成resin+shieding的。

關(guān)于模組的封裝形式

模塊的封裝形式一般都是作為LGA(Land grid Array)的形式。說白了，就是在PCB的底部設(shè)計成QFN的形式。大部分的模塊的pad是直接的裸的PCB焊盤，當(dāng)然有的小的模塊也會在pad上獨(dú)上一層錫。

關(guān)于模組的平整度

對于模塊的設(shè)計來說，平整度是一個重點(diǎn)關(guān)注的問題。無論如何，模塊本身不是最終的產(chǎn)品， 它是要最終要焊接在客戶的板子上的。如果他的平整度不夠的話，那么在客戶焊接的過程中會出現(xiàn)很大的質(zhì)量問題。對于尺寸小的模塊來說，平整度是比較容易達(dá)到100um的標(biāo)準(zhǔn)的，但是對于像大于25x25mm尺寸的模塊來說，可能就需要特別注意了。一般來說，需要從以下幾個方面提高模塊的平整度。首先是PCB的厚度，越是尺寸大的模塊，為了保證平整度而增加PCB的厚度，這沒有什么疑問。但是前面說了，模塊還要保證盡量的薄，所以如何保證他們之間的平衡是要仔細(xì)評估的。其次可以從placement的角度，我們在做layout布局的時候盡量的確保他的平衡性。我們還可以優(yōu)化layout來保證平整度。比如說在做layout的時候，走線盡量在層與層之間盡量對稱，在鋪地的時候不用全鋪地，而用麻花鋪地以減緩在回流焊時的應(yīng)力等等。

關(guān)于屏蔽罩的焊接

在金屬屏蔽殼的焊接中也有一些不同的方法。有一些規(guī)模比較小的模組生產(chǎn)廠家在進(jìn)行模組貼裝的時候是直接把器件和屏蔽殼一起貼裝的。對于模組內(nèi)部器件的貼裝質(zhì)量只是通過一些性能的測試進(jìn)行判別。我們說這種方法是比較受限的，比如說有些IC所引出的IO引腳，如果IC焊接的不好而造成短路，斷路，或者虛焊，這個是不一定能檢查不的。還有一些模組的廠家是進(jìn)行100%Xray的方式對模塊進(jìn)行檢查，這種方式對于器件因?yàn)檫B錫而造成的短路是可以檢查的，但是對于短路或虛焊還是檢查不出來。我覺得目前較好的方法是所謂open/short的測試方法。這種測試的原理是先得到一組已經(jīng)驗(yàn)證是完全沒有問題的模塊open/short的測試數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)是所謂的golden data，然后在產(chǎn)線上測試每一個模塊的open/short的數(shù)據(jù)和這個golden數(shù)據(jù)做對比。

當(dāng)然還有的一些其他的測試方法，比如說驗(yàn)證所有模塊引腳的電性能，這種方法對于產(chǎn)線測試來說較為復(fù)雜。

剛才說到和直接把器件和屏蔽殼一起焊接的方法相對應(yīng)的，是采用兩次reflow的方法。也就是說在第一個assembly和reflow的時候只貼裝模塊內(nèi)部的元器件，回流焊之后會目視檢查器件的焊接情況。如果目視沒有問題，那么就會進(jìn)行第二次的貼裝，也就是屏蔽殼的貼裝，然后再過一遍reflow。這種方法的好處就是可以在第一遍reflow后進(jìn)行目檢或者VOI,以確認(rèn)焊接的質(zhì)量。但是這種方法也帶了一些問題，最直接的不利之處在于多了一遍reflow.同時也增加了生產(chǎn)工序和時間，也就是增加了成本。

先就寫這么多吧。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的硬件设计漫谈1 —模组设计的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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