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摘要：本應(yīng)用筆記介紹Maxim的SFN封裝方案，設(shè)計(jì)用于機(jī)電接觸方案。文章討論了傳統(tǒng)的機(jī)電連接封裝方案，介紹了替代方案SFN。本文還提供了SFN的機(jī)械尺寸，給出了SFN與附件或耗材設(shè)備的連接方法，并給出了與機(jī)電接口的連接方案，最后對(duì)封裝進(jìn)行了可靠性分析。
本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)用于機(jī)電連接的Maxim SFN封裝方案，并介紹了SFN的機(jī)械尺寸。文章給出了SFN與附件或耗材設(shè)備的連接方法，并給出了與機(jī)電接口的連接方案，最后對(duì)封裝進(jìn)行了可靠性分析。
圖1. 帶有連接焊盤(pán)的電路板設(shè)計(jì)實(shí)例，標(biāo)尺單位為厘米。
圖2. 實(shí)例a)的產(chǎn)品照片
圖1所示傳統(tǒng)方案的主要不足是尺寸較大(為便于操作，螺釘固定)、需要額外的元件(電路板)，并且成本較高(電路板和目標(biāo)元件安裝)。盡管這種連接方法能夠保證工作，但是，對(duì)于解決最初的問(wèn)題，在電路板上安裝這種封裝并不是性?xún)r(jià)比最高的解決方案。具有焊盤(pán)觸點(diǎn)的IC封裝(與引線相比)體積較大，很容易直接安裝在外設(shè)上，是理想的解決方案。
與傳統(tǒng)的IC封裝相比，SFN僅設(shè)計(jì)用于連接。封裝不適合SMT焊接，原因是焊盤(pán)尺寸較大，有可能出現(xiàn)剝離(焊盤(pán)與塑封材料分離)。因此，SFN不適合焊接。
圖3. SFN封裝的小焊盤(pán)是IO，大焊盤(pán)是GND，標(biāo)尺單位為厘米。
SFN封裝的主要應(yīng)用是目標(biāo)識(shí)別和認(rèn)證，利用存儲(chǔ)器芯片中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。產(chǎn)品認(rèn)證保證了可靠性和質(zhì)量，否則可能會(huì)受劣質(zhì)克隆產(chǎn)品的侵害。SFN的理想應(yīng)用包括打印機(jī)耗材、醫(yī)用傳感器以及試劑瓶等。
考慮到其應(yīng)用目的，SFN尺寸較大，因此，為傳統(tǒng)的IC標(biāo)記提供了空間(圖4)。從這一層看不到焊盤(pán)觸點(diǎn)，而是以點(diǎn)線標(biāo)出，表示相對(duì)的焊盤(pán)位置。標(biāo)記的第一行為序號(hào)，第二行是含有管芯版本的制造日期代碼，第三行是生產(chǎn)標(biāo)識(shí)，第四行是器件裝配地(可選)，左下角加號(hào)(+)表示無(wú)鉛封裝。
圖4. SFN封裝頂標(biāo)，為頂視圖，看不到觸點(diǎn)。
SFN封裝零件只提供卷帶包裝，圖5所示為帶上零件的位置。帶寬16mm，孔距12mm (也稱(chēng)為“元件孔”或“帶孔”)。一條直徑13英寸的卷帶可容納2500個(gè)器件。
圖5. SFN在帶上的位置。圖中所示位置中，導(dǎo)線面朝上。
最好的連接方式是夾子，如圖6所示。很明顯，夾距必須足夠大以容納SFN封裝。用于固定SFN位置的軟鉤的實(shí)際尺寸取決于夾子的材料。圖7所示為集成到需要認(rèn)證的外設(shè)中的類(lèi)似夾子。
圖6. SFN封裝的固定夾，圖示為SFN插入前后的情況。
圖7. 最終產(chǎn)品SFN夾具裝配的實(shí)例
替代夾子的一種可行方案是采用雙面膠帶。有幾種膠帶都能夠很好地粘合SFN封裝塑封材料，3M?公司生產(chǎn)了多種壓敏膠帶，用于不同的應(yīng)用環(huán)境。
可以考慮兩組粘合產(chǎn)品：1) 雙涂層泡沫帶，2) 雙涂層帶。第三組產(chǎn)品用于電氣連接，包括需要加熱或溶解的導(dǎo)電產(chǎn)品，以及專(zhuān)為不同SFN連接所開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。由于SFN應(yīng)用不需要導(dǎo)電，而加熱和溶解需要其他步驟，因此，不考慮第三組產(chǎn)品。
在3M網(wǎng)站進(jìn)行查找時(shí)，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.3m.com，搜索“adhesive transfer and double coated tapes”。從標(biāo)題Double Coated Foam Tapes或Double Coated Tapes中可以找到各類(lèi)產(chǎn)品。從雙面涂層帶中，選擇與SFN連接的目標(biāo)物體材料相同的產(chǎn)品。粘合泡沫帶的厚度在0.8mm至6.4mm之間，最高工作溫度為+49°C、+70°C、+104°C和+152°C。雙面涂層帶產(chǎn)品要更薄一些，厚度在0.03mm至0.26mm之間；最適宜工作在+70°C或更高溫度。注意：不應(yīng)該考慮橡皮帶，因?yàn)槠涔ぷ鳒囟确秶邢?室內(nèi)和室溫)。
圖8. A連接器，Suyin 060191MA系列。序列號(hào)為：060191MA002__02ZR (_ = 符合鍍層規(guī)范的固定器)。說(shuō)明：3.90mm間距電池連接器，SMD型(插裝塑封材料)。
圖9. B連接器，Suyin 060121MR系列。序列號(hào)：060121MR002G_00ZU (_ = 符合鍍層規(guī)范的固定器)。說(shuō)明：3.60mm間距、2引腳電池連接器，DIP彈簧型。注意：圖中產(chǎn)品“表面朝下”，即，引腳和中心柱設(shè)計(jì)用于電路板直通裝配。
圖10. C連接器，Suyin 425122MA系列。序列號(hào)：425122MA002G_00Z_ ( _ = 符合鍍層規(guī)范的固定器或管、卷)。說(shuō)明：4.25mm間距、2引腳電池連接器，SMT型。
圖11中的D連接器為直通裝配、定制彈簧設(shè)計(jì)，也通過(guò)了SFN連接測(cè)試，附錄給出了設(shè)計(jì)圖。
圖11. D連接器，定制設(shè)計(jì)
表1總結(jié)了4種連接設(shè)計(jì)(圖8到圖11)中的關(guān)鍵特征參數(shù)。要實(shí)現(xiàn)可靠的工作(即，連接可靠)，當(dāng)外設(shè)插入到主機(jī)系統(tǒng)時(shí)，需要對(duì)SFN觸點(diǎn)進(jìn)行擦拭。A、C和D連接器要求目標(biāo)物體滑向彈簧。只有B連接器的設(shè)計(jì)使目標(biāo)推向觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電接觸。
表1. 連接實(shí)例對(duì)比
Suyin文檔中采用的尺寸標(biāo)準(zhǔn)不一致。為方便起見(jiàn)，將所有的尺寸都轉(zhuǎn)換為公制。力的SI單位是N (牛頓)；很多機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)據(jù)資料還使用過(guò)時(shí)的單位“gf”，轉(zhuǎn)換公式是：1000gf = 1kp (千克力) = 9.80665N。
表2. 兩組SFN測(cè)試數(shù)據(jù)
在兩組測(cè)試中，所有SFN器件都通過(guò)了測(cè)試，沒(méi)有出現(xiàn)失效。關(guān)于詳細(xì)信息，請(qǐng)參考各自的測(cè)試報(bào)告(參見(jiàn)附錄)。從測(cè)試結(jié)果看：SFN封裝和傳統(tǒng)的IC封裝滿(mǎn)足相同的可靠性要求。SFN可工作在-40°C至+85°C工業(yè)級(jí)溫度范圍。在一次單獨(dú)的測(cè)試中，SFN封裝的定制設(shè)計(jì)D連接器通過(guò)了1000次接觸測(cè)試。
沒(méi)有進(jìn)行高壓測(cè)試，因?yàn)?007年1月JESD47E不再推薦為有機(jī)基底封裝的合格測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。+130°C和85% R.H.下96小時(shí)無(wú)偏或有偏強(qiáng)加速應(yīng)力測(cè)試(HAST)是針對(duì)有機(jī)基底所采用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于已經(jīng)通過(guò)了+85°C和85% R.H.下1000小時(shí)測(cè)試的零件，一般不需要進(jìn)行HAST測(cè)試。
引言
在傳統(tǒng)的非電子外設(shè)和耗材設(shè)備中加入電子功能已經(jīng)成為常見(jiàn)的系統(tǒng)需求。推動(dòng)這一需求的典型應(yīng)用包括系統(tǒng)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)或制造信息存儲(chǔ)以及外設(shè)、附件和耗材設(shè)備的OEM認(rèn)證等。為了滿(mǎn)足這些電子需求需要選擇合適的存儲(chǔ)器和安全功能，還必須在主機(jī)系統(tǒng)和外設(shè)之間加入電氣連接方案。本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)用于機(jī)電連接的Maxim SFN封裝方案，并介紹了SFN的機(jī)械尺寸。文章給出了SFN與附件或耗材設(shè)備的連接方法，并給出了與機(jī)電接口的連接方案，最后對(duì)封裝進(jìn)行了可靠性分析。
傳統(tǒng)的封裝方案
傳統(tǒng)的IC封裝用于印刷電路板的裝配。在電路板上將引腳連接到焊盤(pán)，由焊盤(pán)提供與主機(jī)系統(tǒng)的連接。圖1給出了電路板連接的例子。在例a)中，芯片安裝在雙面電路板的背面，中心和右側(cè)的焊盤(pán)是IO；左側(cè)焊盤(pán)是GND。這種冗余設(shè)計(jì)提供了兩種不同的連接配直。例b)中，芯片和焊盤(pán)都位于單層電路板的同一側(cè)，這種方式降低了成本。在每一種情況下，電路板尺寸幾乎相同(1cm × 2cm)。圖2所示例a)，設(shè)計(jì)安裝在商用打印機(jī)墨盒內(nèi)。圖1. 帶有連接焊盤(pán)的電路板設(shè)計(jì)實(shí)例，標(biāo)尺單位為厘米。
圖2. 實(shí)例a)的產(chǎn)品照片
圖1所示傳統(tǒng)方案的主要不足是尺寸較大(為便于操作，螺釘固定)、需要額外的元件(電路板)，并且成本較高(電路板和目標(biāo)元件安裝)。盡管這種連接方法能夠保證工作，但是，對(duì)于解決最初的問(wèn)題，在電路板上安裝這種封裝并不是性?xún)r(jià)比最高的解決方案。具有焊盤(pán)觸點(diǎn)的IC封裝(與引線相比)體積較大，很容易直接安裝在外設(shè)上，是理想的解決方案。
SFN封裝
SFN代表“單點(diǎn)(觸點(diǎn))、扁平、無(wú)引線”封裝。SFN (圖3)在一個(gè)封裝內(nèi)組合了芯片和接觸焊盤(pán)，符合標(biāo)準(zhǔn)IC封裝工藝。SFN不需要電路板，可直接卡扣安裝，或粘合在外設(shè)的凹陷區(qū)域。借助其兩個(gè)接觸焊盤(pán)，SFN只支持寄生供電的1-Wire?器件?？紤]ESD保護(hù)等因素，首先進(jìn)行連接，使得極性可以從外部觀察到，GND焊盤(pán)要比IO焊盤(pán)大。與傳統(tǒng)的IC封裝相比，SFN僅設(shè)計(jì)用于連接。封裝不適合SMT焊接，原因是焊盤(pán)尺寸較大，有可能出現(xiàn)剝離(焊盤(pán)與塑封材料分離)。因此，SFN不適合焊接。
圖3. SFN封裝的小焊盤(pán)是IO，大焊盤(pán)是GND，標(biāo)尺單位為厘米。
SFN封裝的主要應(yīng)用是目標(biāo)識(shí)別和認(rèn)證，利用存儲(chǔ)器芯片中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。產(chǎn)品認(rèn)證保證了可靠性和質(zhì)量，否則可能會(huì)受劣質(zhì)克隆產(chǎn)品的侵害。SFN的理想應(yīng)用包括打印機(jī)耗材、醫(yī)用傳感器以及試劑瓶等。
封裝特性
SFN封裝的物理尺寸是6mm × 6mm × 0.9mm，容差為±0.05mm。其導(dǎo)線結(jié)構(gòu)采用了CDA194銅合金。觸點(diǎn)焊盤(pán)寬2.6mm，間隔0.3mm；GND長(zhǎng)度為5.05mm，IO長(zhǎng)度為3.55mm。焊盤(pán)鍍有1.02μm鎳、0.02μm鈀，最外層是0.005μm金。塑封材料是Sumitomo? G600、G770或類(lèi)似產(chǎn)品。對(duì)于其他機(jī)械數(shù)據(jù)，請(qǐng)參考SFN封裝外形圖。4mm × 4mm × 0.9mm的SFN封裝在技術(shù)上也是可行的，詳細(xì)信息請(qǐng)聯(lián)系Maxim。考慮到其應(yīng)用目的，SFN尺寸較大，因此，為傳統(tǒng)的IC標(biāo)記提供了空間(圖4)。從這一層看不到焊盤(pán)觸點(diǎn)，而是以點(diǎn)線標(biāo)出，表示相對(duì)的焊盤(pán)位置。標(biāo)記的第一行為序號(hào)，第二行是含有管芯版本的制造日期代碼，第三行是生產(chǎn)標(biāo)識(shí)，第四行是器件裝配地(可選)，左下角加號(hào)(+)表示無(wú)鉛封裝。
圖4. SFN封裝頂標(biāo)，為頂視圖，看不到觸點(diǎn)。
SFN封裝零件只提供卷帶包裝，圖5所示為帶上零件的位置。帶寬16mm，孔距12mm (也稱(chēng)為“元件孔”或“帶孔”)。一條直徑13英寸的卷帶可容納2500個(gè)器件。
圖5. SFN在帶上的位置。圖中所示位置中，導(dǎo)線面朝上。
連接方法
為便于連接焊盤(pán)觸點(diǎn)，SFN必須頂部朝向外設(shè)進(jìn)行連接。因此，連接后，無(wú)法再看到頂標(biāo)。SFN和目標(biāo)物體連接時(shí)有兩種方式：1)機(jī)械夾，2)粘合帶。雖然有比較適合的液體粘合劑，但使用不方便，因此，這里不進(jìn)行討論。最好的連接方式是夾子，如圖6所示。很明顯，夾距必須足夠大以容納SFN封裝。用于固定SFN位置的軟鉤的實(shí)際尺寸取決于夾子的材料。圖7所示為集成到需要認(rèn)證的外設(shè)中的類(lèi)似夾子。
圖6. SFN封裝的固定夾，圖示為SFN插入前后的情況。
圖7. 最終產(chǎn)品SFN夾具裝配的實(shí)例
替代夾子的一種可行方案是采用雙面膠帶。有幾種膠帶都能夠很好地粘合SFN封裝塑封材料，3M?公司生產(chǎn)了多種壓敏膠帶，用于不同的應(yīng)用環(huán)境。
可以考慮兩組粘合產(chǎn)品：1) 雙涂層泡沫帶，2) 雙涂層帶。第三組產(chǎn)品用于電氣連接，包括需要加熱或溶解的導(dǎo)電產(chǎn)品，以及專(zhuān)為不同SFN連接所開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。由于SFN應(yīng)用不需要導(dǎo)電，而加熱和溶解需要其他步驟，因此，不考慮第三組產(chǎn)品。
在3M網(wǎng)站進(jìn)行查找時(shí)，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.3m.com，搜索“adhesive transfer and double coated tapes”。從標(biāo)題Double Coated Foam Tapes或Double Coated Tapes中可以找到各類(lèi)產(chǎn)品。從雙面涂層帶中，選擇與SFN連接的目標(biāo)物體材料相同的產(chǎn)品。粘合泡沫帶的厚度在0.8mm至6.4mm之間，最高工作溫度為+49°C、+70°C、+104°C和+152°C。雙面涂層帶產(chǎn)品要更薄一些，厚度在0.03mm至0.26mm之間；最適宜工作在+70°C或更高溫度。注意：不應(yīng)該考慮橡皮帶，因?yàn)槠涔ぷ鳒囟确秶邢?室內(nèi)和室溫)。
選擇連接
訪問(wèn)SFN封裝目標(biāo)的數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)系統(tǒng)需要適當(dāng)?shù)碾姎膺B接方式。這些連接方式可以在Suyin Corporation的“Battery connectors”分類(lèi)中查找到。圖8至圖10所示Suyin產(chǎn)品針對(duì)SFN封裝進(jìn)行了評(píng)估。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在本文檔中將這些連接器表示為A、B和C連接器。每一圖片下面列出了制造商的序列號(hào)和原始產(chǎn)品說(shuō)明。圖8. A連接器，Suyin 060191MA系列。序列號(hào)為：060191MA002__02ZR (_ = 符合鍍層規(guī)范的固定器)。說(shuō)明：3.90mm間距電池連接器，SMD型(插裝塑封材料)。
圖9. B連接器，Suyin 060121MR系列。序列號(hào)：060121MR002G_00ZU (_ = 符合鍍層規(guī)范的固定器)。說(shuō)明：3.60mm間距、2引腳電池連接器，DIP彈簧型。注意：圖中產(chǎn)品“表面朝下”，即，引腳和中心柱設(shè)計(jì)用于電路板直通裝配。
圖10. C連接器，Suyin 425122MA系列。序列號(hào)：425122MA002G_00Z_ ( _ = 符合鍍層規(guī)范的固定器或管、卷)。說(shuō)明：4.25mm間距、2引腳電池連接器，SMT型。
圖11中的D連接器為直通裝配、定制彈簧設(shè)計(jì)，也通過(guò)了SFN連接測(cè)試，附錄給出了設(shè)計(jì)圖。
圖11. D連接器，定制設(shè)計(jì)
表1總結(jié)了4種連接設(shè)計(jì)(圖8到圖11)中的關(guān)鍵特征參數(shù)。要實(shí)現(xiàn)可靠的工作(即，連接可靠)，當(dāng)外設(shè)插入到主機(jī)系統(tǒng)時(shí)，需要對(duì)SFN觸點(diǎn)進(jìn)行擦拭。A、C和D連接器要求目標(biāo)物體滑向彈簧。只有B連接器的設(shè)計(jì)使目標(biāo)推向觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電接觸。
表1. 連接實(shí)例對(duì)比
| ? | Contact A 060191MA Series | Contact B 060121MR Series | Contact C 425122MA Series | Contact D Custom Design |
| Design Objective | Object slides against the spring and wipes; high force | Object pushes against the spring; spring yields and wipes; high force | Object slides against the spring and wipes; high stroke | Object slides against the spring and wipes; low stroke |
| Footprint on PCB | 6mm × 6.7mm | 4.5mm × 6.75mm | 6.2mm × 7mm | 2.3mm × 6.2mm |
| Height | 4.65mm | 6.5mm | 6.8mm | 2.1mm |
| Mounting Type | SMD | Through-mount | SMT | Through-mount |
| Stroke | 0.9mm (max) | 0.6mm (2mm, abs max) | 1.2mm (max) | 0.2mm |
| Spring Durability | 10k cycles | 10k cycles | 3k cycles | 1k cycles |
| Force per Contact | 500g at 0.9mm stroke | 250g to 300g at 0.3mm (= half) stroke | 150g to 260g at 1.2mm stroke | 90g to 115g at 0.2mm stroke |
| Force per Contact at 0.2mm Stroke | 111g | 167g to 200g | 25g to 43g | 90g to 115g |
| PCB Thickness | 1.2mm | 1.2mm | 0.8mm | 0.8mm |
Suyin文檔中采用的尺寸標(biāo)準(zhǔn)不一致。為方便起見(jiàn)，將所有的尺寸都轉(zhuǎn)換為公制。力的SI單位是N (牛頓)；很多機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)據(jù)資料還使用過(guò)時(shí)的單位“gf”，轉(zhuǎn)換公式是：1000gf = 1kp (千克力) = 9.80665N。
可靠性測(cè)試
對(duì)SFN封裝進(jìn)行了兩組可靠測(cè)試，測(cè)試參數(shù)如表2所示。表2. 兩組SFN測(cè)試數(shù)據(jù)
| a) |
|
| b) |
|
在兩組測(cè)試中，所有SFN器件都通過(guò)了測(cè)試，沒(méi)有出現(xiàn)失效。關(guān)于詳細(xì)信息，請(qǐng)參考各自的測(cè)試報(bào)告(參見(jiàn)附錄)。從測(cè)試結(jié)果看：SFN封裝和傳統(tǒng)的IC封裝滿(mǎn)足相同的可靠性要求。SFN可工作在-40°C至+85°C工業(yè)級(jí)溫度范圍。在一次單獨(dú)的測(cè)試中，SFN封裝的定制設(shè)計(jì)D連接器通過(guò)了1000次接觸測(cè)試。
沒(méi)有進(jìn)行高壓測(cè)試，因?yàn)?007年1月JESD47E不再推薦為有機(jī)基底封裝的合格測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。+130°C和85% R.H.下96小時(shí)無(wú)偏或有偏強(qiáng)加速應(yīng)力測(cè)試(HAST)是針對(duì)有機(jī)基底所采用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于已經(jīng)通過(guò)了+85°C和85% R.H.下1000小時(shí)測(cè)試的零件，一般不需要進(jìn)行HAST測(cè)試。
結(jié)論
SFN封裝是將芯片模塊裝配到待識(shí)別外設(shè)目標(biāo)上性?xún)r(jià)比最好的選擇方案。SFN連接選擇有集成到絕緣目標(biāo)中的夾型固定器和雙面粘合帶。價(jià)格低廉的移動(dòng)電池連接器為主機(jī)系統(tǒng)和SFN提供了電氣連接。SFN封裝的可靠性和傳統(tǒng)IC封裝相同。附錄
- 合格測(cè)試報(bào)告a)：www.maxim-ic.com/reliability/dallas/NSEB_2SFN_LF.pdf
- 合格測(cè)試報(bào)告b)：www.maxim-ic.com/reliability/dallas/DSQ3301_CONTACTOR.pdf
- D連接器設(shè)計(jì)圖
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論