手机超薄高集成度对主板DFX的挑战

手机超薄高集成度对主板DFX的挑战
作者：韩磊
来源：《消费电子·理论版》2013年第05期
摘要：随着智能手机的普及进程日渐推进，人们对智能手机的功能、外观等有了越来越多的要求，大触摸屏幕、超薄成了智能手机发展的主流方向。

而这给手机的DFX设计、制造提出了严峻的挑战。

关键词：智能手机；超薄高集成度；DFX
中图分类号：TN79 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 10-0003-02
一、DFx简介
DFX是Design for x（面向产品生命周期各环节的设计）的缩写，其中x代表产品生命周期的某一环节或特性，如可制造性（M—Manufactura bility）、可装配性（A Assembly），可靠性（R Reliability）等。

DFX主要包括：可制造性设计DFM：Design for Manufacturability，可装配性设计DFA：Design for Assembly，可靠性设计DFR：Design for Reliabi lity，可服务性设计DFS：Design for Serviceability，可测试性设计DFT：Design for Test，面向环保的设计DFE：Design for Environ—ment等。

（图1）
二、采用DFx的意义
影响手机质量的设计因素：1）组装方式（工艺流程）；2）元器件封装；3）元器件布局与密度设计；4）焊点可靠性和工艺性设计；5）PCB结构，材料及工艺设计。

设计直接决定产品的制造效率、制造成本、产品质量等，对手机这种大批量制造产品更为重要，DFX基于并行设计的思想，在产品的概念设计和详细设计阶段就综合考虑到制造过程中的工艺要求、测试要求、组装的合理性，同时还考虑到维修要求、售后服务要求、可靠性要求等，通过设计手段保证产品满足成本、性能和质量的要求。

因此，良好的DFx设计将大大提升制程能力，缩短加工周期，提高产品质量。

三、手机超薄高集成度热点要求
图6
由上可见，手机迫切需要在不增大尺寸、成本和电耗的条件下增加新的声音、数据和多媒体功能。

为达到这一目标，需要有更高集成度的手机半导体解决方案。

在2000年前后的产业泡沫破灭之后，尽管需求和供给的天平时有变化，但半导体市场却始终面临一个僧多粥少的局面。

半导体供应商为了在激烈的市场竞争中取得主动，不断投入巨
资研发更先进的工艺，目标是提高芯片的性能，降低芯片的功耗，缩短产品设计时间，帮助客户在激烈的市场竞争中取得主动。

高集成度显然是应对这一产业发展趋势的重要途径，不仅可以使系统设计更加容易，而且可以减少外围器件数量，降低总体物料成本。

四、手机超薄高集成度对主板DFX的挑战
高集成度虽然可以带来许多优势，但却并非是件易事。

随着用户对智能手机的要求越来越多，智能手机对关键的硬件也提出了更高的要求。

由于手机的空间有限，大容量的电池必然导致单板越来越小，这就要求布局在单板上的器件越来越小，造成芯片贴装困难；其次，屏幕大、机身薄，组装的难度加大；第三，智能手机的功能多，这就导致生产测试周期长，拉低了效率。

因此，智能手机硬件走“高” 制造商DFX设计面临诸多新挑战：
（一）PCB（印刷电路板）
高集成意味着一个系统需要越来越少的芯片，目前，市场上还有很多手机单芯片的推出，这些使手机功能日益强大，性价比更高，功耗降低，尺寸更小更薄，设计门槛降低。

无论是高性能芯片组，或是为低成本初衷设计的单芯片方案，都是如此。

由此，与之相匹配的手机PCB （印刷电路板）面临下述挑战：
（1）0.4mm Pitch BGA手机芯片，要求PCB为二阶或以上的HDI产品，其中更有要求以电镀填孔工艺（Copper Filling）实现叠盲孔（Stack Via）连接者。

（2）精细线路。

目前不少手机PCB设计已采用3mil（1 mil约为25.4微米）线宽/间距设计。

随着布线密度提高，2mil线宽/间距设计即将面世。

（3）超薄芯板加工。

由于对PCB更薄的需求，采用的芯板厚度已从4mil降至3mil乃至2mil，PCB制造设备及工艺都面临升级换代的压力。

（4）高速信号传输的信号完整性（SI）要求PCB的特性阻抗控制更精准，从而对线宽的精度以及层压后介质厚度的均匀性要求更高。

对只有3mil甚至2mil的线宽而言，这是很大的挑战。

（5）刚挠结合HDI板（Rigid-Flex HDI PCB）的需求加大。

以前，对于翻盖手机，需要用连接器将刚性PCB与挠性PCB连接在一起，但连接器制约了手机向更薄发展的趋势，因此，刚挠结合HDI板成为一个方向。

目前国际上能够大批量生产刚挠结合HDI板的企业还不多。

（6）含有隐埋无源元件（Embedded Passive Components）PCB。

出于减小尺寸及提高信号完整性之考虑，某些高端手机设计已开始考虑在PCB中采用隐埋电阻、电容。

（二）POP焊接，POP即堆叠组装
对于智能手机来讲，为了减小体积，将信号处理芯片和存储芯片封装成一颗芯片。

从堆叠焊接的发展来说，有两个常规的种类，PIP和POP。

目前，业界普遍采用的是POP。

虽然PIP 封装的体积更小，但信号处理芯片和存储芯片的提供商必须是同一家厂商，终端厂商没有选择的自由，发挥的空间很小。

此外，在封装之前，单个的芯片不可以单独测试，所以封装的良率很低，导致总成本会高。

PIP是在底部元器件上面再放置元器件，外形高度虽然会稍微高些，但装配前的单个芯片可以单独测试，保障了更高的良率。

另外，芯片的组合可以由终端厂商自由选择。

因此，POP 成了智能手机的优选装配方案。

余宏发表示，由于POP的工艺制程，采用POP焊接目前普遍存在的问题可能是焊接开路或焊接短路，这可能是由于叠成翘曲或元器件封装过程中的变形，抑或回流过程中的热变形导致的。

如何解决呢？可通过选择合适的器件（TSV、硅穿孔）、优化工艺参数、浸蘸焊膏、氮气回流等方法来应对。

（三）FPC部件组装
在非智能手机上会用到一些FPC，但在智能手机上，FPC被用的越来越多。

目前，手机中的FPC部件的组装方式有：连接器、锡压压焊、ACF压焊以及手工焊接。

在组装的过程中也比较容易碰到一些问题，比较典型的是：FPC扭曲、FPC破损、连接器弹起，导致显示不良、拍照不良等故障。

应对这些问题，首先，定位要准确，否则会导致光感器件发生偏移，造成光感不良或失效；其次，长度要适中；第三，进行圆角设计，在FPC结合部位提供圆角，避免被轻易撕裂；第四，增加泡棉压紧设计，FPC连接器需要在对应位置增加泡棉。

（四）天线的贴合
手机天线可分为外置天线和内置天线两种，目前用的比较多的是后种。

而内置天线按按使用材料又可分为弹片天线、FPC天线和LDS天线三种，其中FPC天线是未来的发展趋势，不少国内外品牌厂家已在手机里导入FPC天线。

以FPC天线为例，在贴合的过程中可能会发生FPC边角起翘或FPC金手指起翘，这两个问题十分普遍。

FPC天线贴合起翘的原因大致有三个方面，一是FPC天线设计，二是天线贴合环境，三是贴合制程等。

对此，有如下应对措施：定位热熔、应力释放、曲面平面化以及活化、环境制程控制。

（五）射频连接的问题
目前主要有长距离射频线缆连接、短距离射频线缆连接和无射频线缆连接几种方式。

（六）TP LCD贴合组装的问题，屏大就会存在很多问题
目前，TP LCD的贴合组装有两种，一种是前壳支架分离式，一种是前壳支架一体式。

前一种，TP、LCD单独配送装配，白点较多，可以通过加强制程环境和工艺控制来改善。

后一种贴合组装方式，TP和LCD由一个厂家贴合，对整机组装，白点减少，但可能会出现TP翘起、合缝等问题，可通过加强平面控制、背胶控制、点胶和夹具贴合等方法解决。

此外，在智能手机的制造过程中还存在测试等一系列问题。

随着后期智能手机对软硬件的要求越来越高，手机制造商们面临的挑战会更大，因此坚强的技术后盾必不可少。