RF遮罩與窗式通孔的反對論

當回流爐完成其熱輪廓，板子從蒸氣階段出來，RF屏蔽完好無損地焊接到焊盤時，組裝看起來毫無瑕疵。然而，在功能測試進行三週後，閃現的故障開始浮現。當你拆除屏蔽時，證據一清二楚：散布在板上的微小焊珠、由孔洞擴散的潮濕跡象，以及在最壞情況下，焊橋短路電路。

根本原因？一個看似保守的設計決定，這個原則是從一般PCB設計借來的標準做法，沒有考慮到屏蔽下的獨特環境。那個決定是孔洞封堵（via tenting）。

雖然孔洞封堵在許多情況下是合理的，但在RF屏蔽之下封閉空間會將回流過程轉變為壓力容器實驗。陷阱中的濕氣、焊膏中的揮發物以及環氧樹脂的分解產物都試圖尋找逃逸路徑，當溫度飆升時。由於金屬罩密封在板子上，這些路徑變得稀少。後果表現為出氣損傷、焊球缺陷以及可靠性受損。我們認為，應完全避免在RF屏蔽下及其附近使用孔洞封堵。反對的理由根植於回流的物理學和焊膏在熱應力下的物料行為。

常見做法：隱藏反應焊接炸彈

孔洞封堵，即在孔洞上方施加焊膏的做法，旨在封閉孔洞。這可以防止焊膏在回流過程中從孔中滲出，對許多設計來說是合理的做法。這個做法在IPC標準中被廣泛記錄，並已成為可靠的選擇數十年。在大多數應用中，它可以正常工作，未出現意外。

RF屏蔽打破了這個模型。屏蔽是一個焊接在板子上的金屬結構，用來創建電磁屏障。在回流過程中，這個結構變成半封閉的腔室，將內部與爐子大氣隔離。內部產生的氣體被困住了。這與大多數元件生活在開放式板子上的情況根本不同。

困境由這個封閉空間與板子材料的相互作用而形成。焊膏，一種基於環氧樹脂的聚合物，會吸收空氣中的濕氣。當受熱超過其玻璃轉化點時，這些陷阱中的揮發物會膨脹並尋找釋放途徑。在開放板上，它們會直接排入爐中。在屏蔽之下，它們被困住了。用於封堵的封堵孔，現在變成了弱點。孔洞上的焊膏膜比周圍的更薄，當出氣產生內壓時，這層薄膜可能破裂或起泡。出現的不是蒸氣的乾淨釋放，而是一個局部缺陷，從融化的焊料中爆炸出來。

盾牌下的發生了什麼

無鉛焊料的回流過程通常在250°C左右達到峰值，遠高於大多數焊膏的120-150°C玻璃轉變溫度。當電路板加熱時，膏的環氧樹脂會從玻璃狀、剛性狀態轉變為更有彈性的狀態。這使得吸收的水分能蒸發並移動，形成內部壓力梯度，找到其最弱點：導孔上方的薄膏層。

出氣機制

出氣是指在受熱時，材料內被困的氣體劇烈釋放的過程。在30到90秒的峰值回流期間，覆蓋孔洞的焊膏膜（通常只有15-25微米厚）必須能夠承受這個壓力。如果膜破裂，氣體會迅速逸出，進入焊膏完全融化的環境中。

這股逸出的氣體和環氧分解產物造成湍流，推動微小的焊珠遠離焊盤。這些焊珠散布在屏蔽罩內部，形成潛在缺陷的雷區。

焊球形成的原因以及它們為何重要

焊球是當融化的焊料被排出並孤立固化時形成的微小合金球。由裂開的通孔噴射出的氣流會將這些液滴噴出，這些液滴由於表面張力會自然形成球體。隨著電路板冷卻，它們會在落地的地方固化。

電氣風險是直接的。導電球體可以橋接兩條走線，形成短路。即使不會導致立即失效，鬆動的焊球也是一個可靠性定時炸彈；振動或熱循環可能將其脫離，導致產品壽命中後來短路。對於汽車、醫療或航天等高可靠性應用場景，焊球的存在本身就是拒絕的標準之一。

機械風險較為微妙。被卡在屏蔽罩下的焊球可能會阻礙其緊貼在板子上的位置，降低屏蔽效能。在極端情況下，卡在屏蔽罩和元件之間的焊球可能產生機械應力，導致元件破裂或焊點疲勞。重新加工一塊板以移除屏蔽罩既耗時又昂貴，通常需要完整的再回流流程，並有損板子和屏蔽罩本身的風險。

通過能在回流中存活的處理方式

解決方案是刪除通孔上的薄焊料膜，並提供一個受控的排氣路徑。目前，晶振罩下的通孔主要有三個選擇。

開放通孔： 最簡單的選擇是保持通孔開放，並且沒有焊料遮罩覆蓋開口。這為層壓材料中的任何水分或揮發物提供一條明確的排氣路徑，有助於防止壓力積聚。通常情況下，焊料沿通孔桶壁滲入的問題在罩子下很少出現，因為罩子的安裝墊較大，且通常不會靠近細距離元件。這是成本最低、最直接的解決方案。

填充通孔： 這裡，通孔桶壁被填充非導電性環氧樹脂，並經過平整化和鍍層處理。這樣可以消除陷入水分的空隙，有效防止氣體從通孔桶壁逸出。填充通孔的成本顯著較高，通常用於需要在通孔上放置元件的通孔內元件設計（via-in-pad）。雖然效果良好，但對於屏蔽罩下的區域來說，這常常是過度設計。

封閉通孔： 中間折衷方案是，使用焊料遮罩或樹脂塞子填充通孔，並保持在表面以下。這個塞子可以防止焊料滲入，但不能達到密封效果。相比完全填充通孔，這種方式成本較低，但在本特定應用中，並不比開放通孔具有明顯的優勢，因為主要目標是排氣，而不是密封。

一個相關且更具成本效益的方法是 通孔在垂直墊片附近. 通過將開放通孔設置在屏蔽罩安裝墊片外側，並與焊膏沉積保持至少0.2毫米的間隙，可以實現必要的電氣連接，同時避免滲入或填充的成本。

設計以便返工

避免封閉通孔是第一步，下一步則是考慮到屏蔽罩經常需要拆除進行調試、修理或升級的現實情況，合理設計。

屏蔽罩周圍的焊料遮罩開口應該設計成可以進行返工作業的尺寸。常用做法是確定一個開口，擴展0.1至0.15毫米超過屏蔽墊片範圍，這樣可以提供視覺指引，並且確保整個焊點都能夠接觸到。如果開口太小，遮罩會像散熱器一樣，讓返工變得困難；如果太大，則可能暴露附近的走線而造成損害。

假設從一開始就要移除屏蔽罩。在設計安裝墊時，應具有足夠的熱質量和焊料掩模餘裕，以便多次返修而不脫落。這意味著使用比最低連接所需更大的墊片，並記錄正確的返修程序，包括工具的溫度和停留時間。

當屏蔽阻擋訪問時的測試點策略

RF屏蔽罩是一堵牆，阻擋直接探針接觸內部信號。在設計階段，必須將關鍵測試點移到屏蔽罩的外圍。

對於電源和地線網路，這很簡單，因為它們可以在電路板的其他位置接觸。對於敏感的RF或高速信號，常用的解決方案是在屏蔽牆外側設置一個小的交流耦合探針墊。有了這個，可以在不破壞屏蔽完整性的情況下進行測試，雖然還需要考慮到小的寄生電容。

區分通孔縫合與測試通孔。屏蔽罩下密集的小孔陣列用於接地，而非測試。如果需要探測接地連接，應在周邊添置帶有較大直徑的專用測試通孔，並在絲印層明確標示。

修復現有設計

如果你在帶有遮蔽孔的電路板上已遇到逸散氣體問題，選擇有限。最佳方案是進行Gerber層次的修訂，請求生產商移除受影響區域的焊料掩模。如果電路板已經制造出來，可以在組裝前將其在120°C下預烘幾小時，以排除部分水分，減少逸散氣體的嚴重程度。然而，這些工藝調整都不能替代從一開始就正確設計電路板的方法。