RF-भारी IoT बोर्ड्स पर Bester पीसीबीए: असेम्बली जो एंटेना को ड्यून नहीं करता

आपके IoT उत्पाद की डेटा शीट पर वायरलेस रेंज एक नियंत्रित प्रयोगशाला में की गई वादा है। जब असेंबली एंटेना के विद्युत चुंबकीय व्यवहार को बदलती है, तो यह वादा चुपके से उत्पादन फर्श पर टूट जाता है। एक बोर्ड जिसने –2 डिब्ल्यू वापसी हानि और 85% रेडिएटेड दक्षता प्राप्त की थी, वह आसानी से मात्रा असेंबली के बाद –6 डिब्ल्यू और 60% दक्षता तक गिर सकती है। असफलता तब तक दिखाई नहीं देती जब तक कि डिवाइस क्षेत्र में न हो।

Bester PCB पर, असेंबली के दौरान RF प्रदर्शन को बनाए रखना कोई इच्छा नहीं है; यह एक अभियांत्रिक परिणाम है। हम चार अलग-अलग निर्माण अनुशासन लागू करते हैं: एंटेना की किपआउट जोन अनुपालन, नियंत्रित प्रतिबाधा स्टैकअप संरक्षण, RF-आवश्यक क्षेत्रों में कम अवशेष फ्लक्स प्रक्रियाएँ, और टेस्ट जिग डिज़ाइन जो रेडिएटेड प्रदर्शन को सत्यापित करता है बिना नए वेरिएबल्स बनाए। ये नियंत्रण केवल सुरक्षा नहीं हैं। ये एक अंतःनिर्भर प्रणाली हैं, और एक अनुशासन में विफलता अन्य को प्रभावित करता है।

मुख्य समस्या ट्यूनिंग टूटा होना है। एक एंटेना एक आवृत्तीय संरचना है जिसकी प्रदर्शन उसकी सटीक विद्युत लंबाई और ट्रांसमिशन लाइन के साथ प्रतिबाधा मिलान पर निर्भर करती है। असेंबली में ऐसे वेरिएबल्स शामिल होते हैं जैसे सामग्री प्रदूषण, dielectric परिवर्तन, और ग्राउंड प्लेन बाधा, जो इन गुणों को बदलते हैं। यद्यपि परिवर्तन छोटे हो सकते हैं, वे RF प्रदर्शन के लिए विनाशकारी हैं। 2.4 GHz के पास एक प्रभावी dielectric स्थिरता में mere 5% का परिवर्तन उसके रेजोनेंस को 120 MHz तक फिर सकता है, जिससे एक अच्छी तरह मेल खाती रेडिएटर खराब मेल खाने वाले लोड में बदल जाता है, जो शक्ति को प्रसारित करने के बजाय परावर्तित करता है।

PCB असेंबली के दौरान एंटीना क्यों ट्यून डिट्यू हो जाते हैं

एक एंटेना तब resonate करता है जब उसकी भौतिक ज्यामिति उसके लक्ष्य विद्युत चुम्बकीय तरंगदैর্ঘ्य के एक अंश के बराबर होती है। 2.4 GHz के लिए एक क्वार्टर-वेव मोनोपोल एंटेना लगभग 31 मिलीमीटर लंबा होता है मुक्त स्थान में, लेकिन कोई भी एंटेना कभी भी मुक्त स्थान में नहीं काम करता है। यह PCB सब्सट्रेट, उसकी ग्राउंड प्लेन, और किसी भी पास के सामग्री के विद्युत môi पर्यावरण में मौजूद रहता है। एंटेना की प्रभावी विद्युत लंबाई उसके भौतिक आयामों और उसके आसपास के ड dielectric स्थिरता द्वारा निर्धारित होती है। जब असेंबली उस पर्यावरण को बदलती है, तो एंटेना ट्यूनिंग से बाहर हो जाता है।

तीन प्रमुख मेकानिज्म इस ट्यूनिंग को बदलते हैं, प्रत्येक अलग भौतिक मार्ग से संचालित होता है। इन्हें समझना निर्माण नियंत्रण की नींव है जो मूल कारणों को संभालते हैं, न कि केवल लक्षणों को।

सामग्री प्रदूषण dielectric नुकसान को बदलता है। फ्लक्स अवशेष, सोल्डर पेस्ट कण, और सफाई एजेंट जो एंटेना के पास छोड़े जाते हैं, उसके निकटस्थ क्षेत्र में हानिकारक dielectric सामग्री डालते हैं। ये प्रदूषक आसपास के माध्यम के लॉस टेंजन को बढ़ाते हैं, जिससे विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा गर्मी के रूप में dissipate होती है, बजाय कि दूर के क्षेत्र में रेडिएट होने के। व्यावहारिक रूप से, 0.02 के लॉस टेंजन वाले प्रदूषण परत से एक पैच एंटेना की रेडिएटेड दक्षता को 80% से 65% तक कम किया जा सकता है - लगभग 1 डिब्ल्यू की दक्षता में कमी।

ड dielectric स्थिरता में परिवर्तन प्रभावी तरंगदैর্ঘ्य को बदलता है। एक PCB सब्सट्रेट की dielectric स्थिरता स्थिर नहीं है; यह तापमान, आर्द्रता, और अवशोषित नमी के साथ बदलती है। रीफ्लो सोल्डरिंग के दौरान, सब्सट्रेट 250°C तक पहुंच सकता है। यदि एक एंटेना को कमरे के तापमान पर 4.4 की dielectric स्थिरता वाले सब्सट्रेट पर ट्यून किया गया हो, और रीफ्लो के कारण इस मान को बढ़ाकर 4.6 कर दिया जाए, तो रेजोनेंट फ्रीक्वेंसी नीचे की ओर खिसक जाएगी। 2.4 GHz के लिए, यह 4.5% का बढ़ावा लगभग 100 MHz के फ्रीक्वेंसी शिफ्ट के बराबर है। अब एंटेना 2.3 GHz पर रेजोनेंट हो रहा है, और इसके प्रदर्शन में महत्वपूर्ण गिरावट हो जाती है।

ग्राउंड प्लेन में बाधा impedance मिलान को बदलती है। एक एंटेना का ग्राउंड प्लेन निष्क्रिय नहीं है; यह विकिरण प्रणाली का एक सक्रिय भाग है, जो एक काउंटरप्वाइज या परावर्तक तत्त्व के रूप में कार्य करता है। इसका आकार, आकार और सततता सीधे एंटेना के इनपुट impedance को प्रभावित करती है। डिपनेलाइजेशन या फिक्स्चरिंग से mechanical तनाव लाने वाली असेंबली प्रक्रियाएँ ग्राउंड प्लेन को विकृत कर सकती हैं या प्लेटेड थ्रू-होल में माइक्रोफ्रैक्चर बना सकती हैं। एक इनवर्टिड-एफ एंटेना के पास ग्राउंड प्लेन किनारे पर 2 मिलीमीटर का विक्षेपण उसके इनपुट impedance को 50 ओम से 65 ओम तक बदल सकता है, जिससे ऐसा mismatch होता है जो रेडिएटेड पावर को प्रभावित करता है।

ये मैकेनिज़म समानांतर संचालित होते हैं। एक बोर्ड जिसमें flux संदूषण, reflow-प्रेरित dielectric बदलाव, और ग्राउंड प्लेन तनाव है, उसे अनेक स्वतंत्र मार्गों से detune किया जा रहा है। केवल एक ही रक्षा है प्रत्येक चर पर व्यवस्थित नियंत्रण।

एंटेना की किपआउट जोन लागू करना

एवं असेंबली-प्रेरित detuning को रोकने का सबसे प्रत्यक्ष तरीका है कि एंटेना के चारों ओर एक कड़ा keepout क्षेत्र लागू किया जाए। यह एक परिभाषित तीन-आयामी क्षेत्र है जिसमें कोई भी संवाहित सामग्री, घटक या असेंबली उपकरण अनुमति नहीं है। इसका तर्क निकट-क्षेत्र विद्युतचुंबकीय coupling के भौतिक विज्ञान में निहित है।

निकटता प्रभावों का भौतिक विज्ञान

एक एंटेना ऊर्जा को निकट-क्षेत्र क्षेत्र से विकिरित करता है जहाँ इसकी बिजली और चुम्बकीय क्षेत्र प्रतिक्रियाशील हैं, ऊर्जा को संग्रहित करता है और छोड़ता है। एंटेना का इनपुट impedance इस क्षेत्र में मौजूद किसी भी सामग्री के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है।

जब कोई सिप्लाय या घटक का नेतृत्व, सोल्डर ज joints या धातु वाली फिक्स्चर पिन निकट-क्षेत्र में प्रवेश करती है, तो यह इन प्रतिक्रियाशील क्षेत्रों के साथ संलग्न हो जाती है और पराशारी तत्व के रूप में कार्य करती है। इससे एंटेना द्वारा अपनी ट्रांसमिशन लाइन को प्रदर्शित करने वाली प्रभावी कैपेसिटेंस और इंडक्टेंस बदल जाती है। एक पैच एंटेना के लिए, इसकी विकिरण किनारे से 5 मिलीमीटर के भीतर कोई धातु वस्तु आवृत्ति को 50 से 150 एमएचज़ तक स्थानांतरित कर सकती है। एक इनवर्टिड-एफ एंटेना के लिए, इसकी फीड प्वाइंट से 3 मिलीमीटर के भीतर कोई घटक रखे जाने से इनपुट impedance लगभग 20 ओम या अधिक बदल सकती है। प्रभाव दूरी के साथ कम होता है, लेकिन 2.4 GHz पर अधिकांश IoT अनुप्रयोगों के लिए, keepout क्षेत्र 6 से 12 मिलीमीटर के बीच परिभाषित किया जाता है — विद्युतचुंबकीय पृथक्करण और PCB की कुशल रियल एस्टेट का एक समझौता।

Keepout अनुपालन के लिए विनिर्माण रणनीतियाँ

डिजाइन फ़ाइल में एक keepout क्षेत्र को परिभाषित करना आसान है; असेंबली के दौरान इसे लागू करने के लिए एक सावधानीपूर्वक विनिर्माण रणनीति चाहिए। PCBA पर, enforcement शुरू होता है टूलिंग से। असेंबली फिक्स्चर इस प्रकार डिज़ाइन किए जाते हैं कि कोई पिन, वैक्यूम पोर्ट या समर्थन रेल keepout क्षेत्र में प्रवेश न करे, जिसे 3D CAD मॉडल का उपयोग करके सत्यापित किया जाता है। एक फिक्स्चर जो even 2 मिलीमीटर द्वारा keepout का उल्लंघन करता है, किसी भी RF परीक्षण को मान्य नहीं कर सकता है जो बोर्ड को फिक्स्ड करके किया गया हो।

घटक प्लेसमेंट की पुष्टि दूसरी परत है। स्वचालित ऑप्टिकल निरीक्षण प्रणालियों को keepout सीमा के साथ प्रोग्रामित किया जाता है क्योंकि इसे एक कठोर बाधा के रूप में माना जाता है। कोई भी घटक जो क्षेत्र में घुसपैठ करता है, उसे अस्वीकार कर दिया जाता है। यह एक कठोर रोक है; जब तक त्रुटि ठीक नहीं हो जाती, तब तक बोर्ड पुनः प्रवाह के लिए आगे नहीं बढ़ता।

हैंडलिंग भी महत्वपूर्ण है। ऑपरेटरों और स्वचालित उपकरणों को एंटेना के पास पीसीबी पर यांत्रिक दबाव नहीं डालना चाहिए, क्योंकि सब्सट्रेट को मोड़ने से अस्थायी रूप से detune हो सकता है। उन बोर्डों के लिए जिनमें एंटेना पैनल किनारों के पास हैं, depanelization टूलिंग को इस तरह रखा जाना चाहिए कि shear forces keepout क्षेत्र से पार न करें।

नियंत्रित प्रतिबाधा स्टैकअप की अखंडता बनाए रखना

एक RF ट्रेस एक ट्रांसमिशन लाइन है, केवल एक तार नहीं। इसकी impedance इसकी चौड़ाई, सब्सट्रेट मोटाई और कोर सामग्री की dielectric स्थिरता पर निर्भर है। यदि असेंबली के दौरान इनमें से कोई भी पैरामीटर बदलता है, तो impedance बदल जाएगा, जो परावर्तनों को जन्म देगा और प्रदर्शन को खराब करेगा।

डायलेक्ट्रिक स्थिरता

एक सब्सट्रेट का dielectric स्थिरता एक संदर्भ तापमान पर निर्दिष्ट की जाती है, लेकिन reflow सोल्डरिंग बोर्ड को 250°C के शिखर पर ले जाती है। कम लागत वाले FR-4 संस्करण इस सीमा में dielectric स्थिरता में 5% से 8% का बदलाव दिखा सकते हैं। 50-ओम ट्रेस के लिए, यह impedance को कई ओम तक बदल सकता है, जो परावर्तनों का जन्म देता है जो RF पथ में अन्य विक्षेपणों के साथ मिलकर प्रदर्शन को खराब कर सकते हैं।

ए Bester पीसीबीए में, हमें सभी आरएफ बिल्ड के लिए रिफ्लो तापमान सीमा के ऊपर ±2% स्थिरता वाली डाइलेक्ट्रिक स्थिरता प्रायिकता वाली सबस्ट्रेट सामग्री की आवश्यकता होती है। यह पीसीबी निर्माता द्वारा प्रमाणपत्र के माध्यम से सत्यापित किया जाता है, जिसमें उपयोग किए गए मापन विधि का उल्लेख होना चाहिए; आईपीसी-टीएम-650 स्ट्रीपलाइन रेसोनटोर विधि हमारी आवश्यक मानक है।

स्टैकअप प्रलेखन और सत्यापन

भौतिक स्टैकअप—तत्त्व और डाइलेक्ट्रिक परत की अनुक्रम और मोटाई—सटीक होनी चाहिए। एक चार-परत वाली बोर्ड के लिए, शीर्ष पर सिग्नल ट्रेस से लेकर दूसरी परत पर ग्राउंड प्लेन तक की दूरी महत्वपूर्ण है। एक डिज़ाइन 50 ओम प्राप्त करने के लिए 10-मिल ट्रेस को 5-मिल कोर के ऊपर कह सकता है। यदि विनिर्माण सहिष्णुता के कारण 6-मिल कोर हो, तो इम्पीडेंस 53 ओम में बदल जाता है।

हम सभी आरएफ बिल्ड के लिए क्रॉस-सेक्शनल विश्लेषण के माध्यम से स्टैकअप सत्यापन आवश्यक मानते हैं। यदि नमूने की मापी गई कोर मोटाई विशेषता से 10% से अधिक भिन्न होती है, तो संपूर्ण पैनल को असेंबली शुरू होने से पहले अस्वीकार कर दिया जाता है। बोर्ड में एकीकृत इम्पीडेंस त्रुटियों को बाद में सुधारा नहीं जा सकता। रिफ्लो प्रोफ़ाइल नियंत्रण भी स्टैकअप की अखंडता के लिए महत्वपूर्ण है। हम तापीय तनाव को न्यूनतम करने के लिए RF बोर्ड प्रोफाइल को एक चोटी तापमान के साथ मान्य करते हैं जो 245°C से अधिक नहीं है और तरलता से ऊपर का समय 60 सेकंड से कम है—मानक प्रोफ़ाइल की तुलना में कड़ी सीमाएं।

RF क्षेत्र के लिए कम अवशेष प्रक्रियाएँ

फ्लक्स एक रासायनिक एजेंट है जो सोल्डरिंग के लिए आवश्यक है, लेकिन इसके अवशेष डाइलेक्ट्रिक्स होते हैं जिनमें शून्य से भिन्न लोस टैंजेंट होता है। जब इन्हें RF सर्किटों के ऊपर या उनके पास रखा जाता है, तो ये मापने योग्य हानियों का परिचय कराते हैं। समस्या तब बढ़ जाती है जब फ्लक्स के अवशेष हायग्रोस्कोपिक होते हैं; वे हवा से नमी सोखते हैं, और पानी एक उच्च-हानि डाइलेक्ट्रिक है। नमी वाले फ्लक्स के पतले स्तर के अवशेष एंटेना के नजदीक क्षेत्र में हानियों को एक मात्रा से बढ़ा सकते हैं।

फ्लक्स रसायनविज्ञान और सफाई प्रोटोकॉल

नो-क्लीन फ्लक्स, उद्योग मानक, अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए सुरक्षित अवशेष छोड़ने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। RF सर्किट अधिकांश अनुप्रयोग नहीं हैं। यहां तक कि कम अवशेष वाली नो-क्लीन फ्लक्स से बना एक पतला फिल्म भी डाइलेक्ट्रिक लॉस बढ़ा सकता है, जिससे विकिरण क्षमता 1 से 2 dB कम हो जाती है।

हमारा RF बिल्डिंग प्रक्रिया कम-अवशेष, कम-हैलाइड नो-क्लीन फ्लक्स के साथ शुरू होती है, लेकिन हम वहीं नहीं रुकते। हम RF-महत्वपूर्ण क्षेत्रों के लिए लक्षित सफाई प्रक्रिया लागू करते हैं। रिफ्लो के बाद, बोर्डों की इनलाइन प्रणाली में आइसोप्रोपाइल अल्कोहल और डियोनाइज्ड वाटर के साथ सफाई की जाती है, जिसमें एन्टेना और RF ट्रेस की ओर नोजल निर्देशित होते हैं। हम आयनिक संदूषण परीक्षण के माध्यम से सफाई की प्रभावशीलता को सत्यापित करते हैं, जिसमें अधिकतम स्तर 5 µg/cm² है, जो IPC-A-610 क्लास 3 सीमा से दोगुना सख्त है।

सोल्डर मास्क की समानता एक और कारक है। एक डाइलेक्ट्रिक सामग्री के रूप में, इसकी मोटाई में भिन्नता इम्पीडेंस को बदल सकती है। हम RF क्षेत्रों के लिए ±10 माइक्रोन की सोल्डर मास्क मोटाई सहिष्णुता निर्दिष्ट करते हैं और इनकमिंग PCB निरीक्षण के दौरान इसकी जांच करते हैं।

सही टेस्ट जिग डिज़ाइन के साथ प्रदर्शन का मान्यकरण

निर्माण नियंत्रण तभी प्रभावी होते हैं जब उनके परिणाम सत्यापित किए जाते हैं। RF असेंबली के लिए, इसका मतलब है असेंबली के बाद विकिरित प्रदर्शन—वापसी हानि, विकिरण पैटर्न, और दक्षता—को मापना। चुनौती यह है कि परीक्षण फिक्स्चर भी ट्यूनिंग के स्रोत बन सकता है।

वह विकिरित मेट्रिक्स जो मायने रखते हैं

वापसी हानि सबसे सामान्य RF माप है, जो इम्पीडेंस मेल न खाने के कारण एंटेना से परावर्तित शक्ति को दिखाता है। –10 dB या बेहतर मान पारित करने का मानक मानदंड है। लेकिन अच्छी वापसी हानि अच्छी विकिरण की गारंटी नहीं देती। एक एंटेना शक्ति को प्रभावी ढंग से स्वीकार कर सकती है लेकिन निकट-क्षेत्र लॉस के कारण इसे गर्मी में परिवर्तित कर सकती है।

विकिरित दक्षता—प्राप्त शक्ति की तुलना में विकीर्ण शक्ति—असली प्रदर्शन का माप है। इसे मापने के लिए एक एनाहोगिक चैंबर, रिवर्बरेसन चैंबर, या नियर-फील्ड स्कैनर में विकिरित परीक्षण आवश्यक है। उत्पादन के लिए, नियर-फील्ड स्कैंगिंग या रिवर्बरेसन चैंबर सबसे व्यावहारिक विधियां हैं। विकिरण पैटर्न का विकृत होना, जो महत्वपूर्ण दिशाओं में नल बनाता है, एक और विफलता मोड है जिसकी जाँच जरूरी है।

फील्ड्स को संरक्षित करने वाला फिक्स्चर डिज़ाइन

एक परीक्षा उपकरण को एंटेना के विद्युतचुम्बकीय वातावरण को नहीं बदलना चाहिए। निकट क्षेत्र में कोई भी धातु समर्थन रेल या ग्राउंडिंग क्लिपें एंटेना से जुड़ जाएंगी और इसकी आवृत्ति को स्थानांतरित कर देंगी। Bester PCBA पर, हमारे RF परीक्षण उपकरण सख्त सिद्धांतों के साथ डिज़ाइन किए गए हैं। पहली बात, एंटेना से एक तरंगदैर्ध्य के भीतर सभी उपकरण सामग्री गैर-धातु हैं, जैसे PEEK या पॉलीकार्बोनेट। दूसरा, पावर और ग्राउंड कनेक्शन वसंत-लोडेड पिनों के माध्यम से किए जाते हैं जो RF सर्किट्री से दूर स्थित होते हैं। तीसरा, एंटेना फीड से कनेक्ट करने वाला कोएक्सियल केबल संरचना से दूर मार्गित किया जाता है और इसके शील्ड को विकिरण और माप को विकृत करने से रोकने के लिए फेराइट शमन के साथ ढंका जाता है।

हम प्रत्येक उपकरण का सत्यापन एक सोने के नमूना बोर्ड की माप को मुक्त स्थान में और उपकरण में तुलना करके करते हैं। यदि उपकरण 0.5 डेसिबल से अधिक त्रुटि या 20 MHz से अधिक आवृत्ति परिवर्तन करता है, तो उसे पुनः डिज़ाइन किया जाता है।

अंत में, प्रत्येक बोर्ड का अनुक्रमण किया जाता है, और उसके परीक्षण डेटा को हमारे विनिर्माण निष्पादन प्रणाली में दर्ज किया जाता है। यह ट्रेसबिलिटी यदि कभी क्षेत्र में कोई खराबी हो तो त्वरित मूल कारण विश्लेषण की अनुमति देती है।

निर्माण अनुशासन ही RF प्रदर्शन बीमा है

ये चार अनुशासन स्वतंत्र सुरक्षा उपाय नहीं हैं। वे एक प्रणाली हैं। यदि सब्सट्रेट की डायलेक्ट्रिक स्थिरता प्रवाह के दौरान नहीं बदलती है, तो रोकथाम लागू करना बेकार है। यदि फ्लक्स अवशेष दक्षता को नष्ट कर रहा है, तो एक आदर्श प्रतिबाधा स्टैकअप का कोई महत्व नहीं है। एक साफ बोर्ड का सत्यापन नहीं किया जा सकता यदि परीक्षण उपकरण एंटेना को डिट्यून करता है।

ऐसे RF प्रदर्शन को प्राप्त करने के लिए जो संयोजन के बाद बच जाए, आवश्यक है कि हर निर्माण में इन चारों अनुशासन का व्यवस्थित प्रवर्तन हो। यदि किसी भी क्षेत्र में चूक होती है, तो पूरे प्रयास का समझौता हो जाता है। यह कोई मनोविकृति नहीं है; यह इंजीनियरिंग कठोरता है। अधिकांश RF असेंबली असफलताएँ इन नियंत्रणों के असंपूर्ण कार्यान्वयन से जुड़ी होती हैं: टूलिंग में निर्धारित लेकिन लागू नहीं की गई रोकथाम क्षेत्र, निर्दिष्ट लेकिन सत्यापित नहीं स्टैकअप, या असत्यापित उपकरण में मापी गई वापसी हानि।

इन नियंत्रणों की लागत मामूली है—आमतौर पर प्रति बोर्ड 50 सेंट से 2 डॉलर तक। इनका कार्यान्वयन न करने की लागत क्षेत्र में असफलताएँ, उत्पाद पुनः प्राप्ति, और प्रतिष्ठा को नुकसान है। निवेश पर लाभ स्पष्ट है। Bester PCBA में, हम RF असेंबली को विशेष मामला नहीं मानते। यदि आपके डिज़ाइन में एंटेना है, तो हमारा प्रक्रिया स्वचालित रूप से इन अनुशासन को शामिल करती है। परिणाम है ऐसा RF प्रदर्शन जो डिज़ाइन की मंशा का मिलान करता है, माप द्वारा सत्यापित, और मात्रा उत्पादन की मांग के साथ समरूपता के साथ प्रदान किया जाता है।