应用笔记 4132

机电SFN封装的连接方法


摘要 : 本应用笔记介绍Maxim的SFN封装方案,设计用于机电接触方案。文章讨论了传统的机电连接封装方案,介绍了替代方案SFN。本文还提供了SFN的机械尺寸,给出了SFN与附件或耗材设备的连接方法,并给出了与机电接口的连接方案,最后对封装进行了可靠性分析。

引言

在传统的非电子外设和耗材设备中加入电子功能已经成为常见的系统需求。推动这一需求的典型应用包括系统的校准数据或制造信息存储以及外设、附件和耗材设备的OEM认证等。为了满足这些电子需求需要选择合适的存储器和安全功能,还必须在主机系统和外设之间加入电气连接方案。

本应用笔记详细介绍了设计用于机电连接的Maxim SFN封装方案,并介绍了SFN的机械尺寸。文章给出了SFN与附件或耗材设备的连接方法,并给出了与机电接口的连接方案,最后对封装进行了可靠性分析。

传统的封装方案

传统的IC封装用于印刷电路板的装配。在电路板上将引脚连接到焊盘,由焊盘提供与主机系统的连接。图1给出了电路板连接的例子。在例a)中,芯片安装在双面电路板的背面,中心和右侧的焊盘是IO;左侧焊盘是GND。这种冗余设计提供了两种不同的连接配直。例b)中,芯片和焊盘都位于单层电路板的同一侧,这种方式降低了成本。在每一种情况下,电路板尺寸几乎相同(1cm × 2cm)。图2所示例a),设计安装在商用打印机墨盒内。

图1. 带有连接焊盘的电路板设计实例,标尺单位为厘米。
图1. 带有连接焊盘的电路板设计实例,标尺单位为厘米。

图2. 实例a)的产品照片
图2. 实例a)的产品照片

图1所示传统方案的主要不足是尺寸较大(为便于操作,螺钉固定)、需要额外的元件(电路板),并且成本较高(电路板和目标元件安装)。尽管这种连接方法能够保证工作,但是,对于解决最初的问题,在电路板上安装这种封装并不是性价比最高的解决方案。具有焊盘触点的IC封装(与引线相比)体积较大,很容易直接安装在外设上,是理想的解决方案。

SFN封装

SFN代表“单点(触点)、扁平、无引线”封装。SFN (图3)在一个封装内组合了芯片和接触焊盘,符合标准IC封装工艺。SFN不需要电路板,可直接卡扣安装,或粘合在外设的凹陷区域。借助其两个接触焊盘,SFN只支持寄生供电的1-Wire®器件。考虑ESD保护等因素,首先进行连接,使得极性可以从外部观察到,GND焊盘要比IO焊盘大。

与传统的IC封装相比,SFN仅设计用于连接。封装不适合SMT焊接,原因是焊盘尺寸较大,有可能出现剥离(焊盘与塑封材料分离)。因此,SFN不适合焊接。

图3. SFN封装的小焊盘是IO,大焊盘是GND,标尺单位为厘米。
图3. SFN封装的小焊盘是IO,大焊盘是GND,标尺单位为厘米。

SFN封装的主要应用是目标识别和认证,利用存储器芯片中存储的数据进行自动校准。产品认证保证了可靠性和质量,否则可能会受劣质克隆产品的侵害。SFN的理想应用包括打印机耗材、医用传感器以及试剂瓶等。

封装特性

SFN封装的物理尺寸是6mm × 6mm × 0.9mm,容差为±0.05mm。其导线结构采用了CDA194铜合金。触点焊盘宽2.6mm,间隔0.3mm;GND长度为5.05mm,IO长度为3.55mm。焊盘镀有1.02µm镍、0.02µm钯,最外层是0.005µm金。塑封材料是Sumitomo® G600、G770或类似产品。对于其他机械数据,请参考SFN封装外形图(PDF)。4mm × 4mm × 0.9mm的SFN封装在技术上也是可行的,详细信息请联系Maxim。

考虑到其应用目的,SFN尺寸较大,因此,为传统的IC标记提供了空间(图4)。从这一层看不到焊盘触点,而是以点线标出,表示相对的焊盘位置。标记的第一行为序号,第二行是含有管芯版本的制造日期代码,第三行是生产标识,第四行是器件装配地(可选),左下角加号(+)表示无铅封装。

图4. SFN封装顶标,为顶视图,看不到触点。
图4. SFN封装顶标,为顶视图,看不到触点。

SFN封装零件只提供卷带包装,图5所示为带上零件的位置。带宽16mm,孔距12mm (也称为“元件孔”或“带孔”)。一条直径13英寸的卷带可容纳2500个器件。

图5. SFN在带上的位置。图中所示位置中,导线面朝上。
图5. SFN在带上的位置。图中所示位置中,导线面朝上。

连接方法

为便于连接焊盘触点,SFN必须顶部朝向外设进行连接。因此,连接后,无法再看到顶标。SFN和目标物体连接时有两种方式:1) 机械夹,2) 粘合带。虽然有比较适合的液体粘合剂,但使用不方便,因此,这里不进行讨论。

最好的连接方式是夹子,如图6所示。很明显,夹距必须足够大以容纳SFN封装。用于固定SFN位置的软钩的实际尺寸取决于夹子的材料。图7所示为集成到需要认证的外设中的类似夹子。SFN封装也可以注模在塑料物体上,更多信息请参见应用笔记4717:“Injection molding an IC into a connector or consumable item”。

图6. SFN封装的固定夹,图示为SFN插入前后的情况。
图6. SFN封装的固定夹,图示为SFN插入前后的情况。

图7. 最终产品SFN夹具装配的实例
图7. 最终产品SFN夹具装配的实例

替代夹子的一种可行方案是采用双面胶带。有几种胶带都能够很好地粘合SFN封装塑封材料,3M®公司生产了多种压敏胶带,用于不同的应用环境。

可以考虑两组粘合产品:1) 双涂层泡沫带,2) 双涂层带。第三组产品用于电气连接,包括需要加热或溶解的导电产品,以及专为不同SFN连接所开发的产品。由于SFN应用不需要导电,而加热和溶解需要其他步骤,因此,不考虑第三组产品。

在3M网站进行查找时,请访问www.3m.com,搜索“adhesive transfer and double coated tapes”。从标题Double Coated Foam TapesDouble Coated Tapes中可以找到各类产品。从双面涂层带中,选择与SFN连接的目标物体材料相同的产品。粘合泡沫带的厚度在0.8mm至6.4mm之间,最高工作温度为+49°C、+70°C、+104°C和+152°C。双面涂层带产品要更薄一些,厚度在0.03mm至0.26mm之间;最适宜工作在+70°C或更高温度。注意:不应该考虑橡皮带,因为其工作温度范围有限(室内和室温)。

选择连接

访问SFN封装目标的数据时,主机系统需要适当的电气连接方式。这些连接方式可以在Suyin Corporation的“Battery connectors”分类中查找到。图8图10所示Suyin产品针对SFN封装进行了评估。为简单起见,在本文档中将这些连接器表示为A、B和C连接器。每一图片下面列出了制造商的序列号和原始产品说明。

图8. A连接器,Suyin 060191MA系列。序列号为:060191MA002__02ZR (_ = 符合镀层规范的固定器)。说明:3.90mm间距电池连接器,SMD型(插装塑封材料)。
图8. A连接器,Suyin 060191MA系列。序列号为:060191MA002__02ZR (_ = 符合镀层规范的固定器)。说明:3.90mm间距电池连接器,SMD型(插装塑封材料)。

图9. B连接器,Suyin 060121MR系列。序列号:060121MR002G_00ZU (_ = 符合镀层规范的固定器)。说明:3.60mm间距、2引脚电池连接器,DIP弹簧型。注意:图中产品“表面朝下”,即,引脚和中心柱设计用于电路板直通装配。
图9. B连接器,Suyin 060121MR系列。序列号:060121MR002G_00ZU (_ = 符合镀层规范的固定器)。说明:3.60mm间距、2引脚电池连接器,DIP弹簧型。注意:图中产品“表面朝下”,即,引脚和中心柱设计用于电路板直通装配。

图10. C连接器,Suyin 425122MA系列。序列号:425122MA002G_00Z_ ( _ = 符合镀层规范的固定器或管、卷)。说明:4.25mm间距、2引脚电池连接器,SMT型。
图10. C连接器,Suyin 425122MA系列。序列号:425122MA002G_00Z_ ( _ = 符合镀层规范的固定器或管、卷)。说明:4.25mm间距、2引脚电池连接器,SMT型。

图11中的D连接器为直通装配、定制弹簧设计,也通过了SFN连接测试,附录给出了设计图。

图11. D连接器,定制设计
图11. D连接器,定制设计

表1总结了4种连接设计(图8到图11)中的关键特征参数。要实现可靠的工作(即,连接可靠),当外设插入到主机系统时,需要对SFN触点进行擦拭。A、C和D连接器要求目标物体滑向弹簧。只有B连接器的设计使目标推向触点,实现电接触。

表1. 连接实例对比
  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文档中采用的尺寸标准不一致。为方便起见,将所有的尺寸都转换为公制。力的SI单位是N (牛顿);很多机械产品的数据资料还使用过时的单位“gf”,转换公式是:1000gf = 1kp (千克力) = 9.80665N。

可靠性测试

对SFN封装进行了两组可靠测试,测试参数如表2所示。

表2. 两组SFN测试数据
a)
  • Operating life (+125°C, 5.5V, 1000 hours)
  • Mechanical verification (X-ray, dimensions, marking, lead integrity)
  • Storage life (+150°C, unbiased, 1000 hours)
  • Temperature cycle (-55°C to +125°C, 1000 cycles)
  • Temperature humidity bias (+85°C, 85% R.H., 5.5V, 1000 hours)
  • Unbiased moisture resistance (85°C, 85% R.H., 1000 hours)
b)
  • Mechanical life (shock test 200g, 30 cycles) followed by temperature cycle (-55°C to +125°C, 1000 cycles)
  • Mechanical life (vibration 10g, 5Hz to 2kHz in X Y Z axes, 30 hours), followed by temperature humidity bias (+85°C, 85% R.H., 5.5V, 1000 hours).

在两组测试中,所有SFN器件都通过了测试,没有出现失效。关于详细信息,请参考各自的测试报告(参见附录)。从测试结果看:SFN封装和传统的IC封装满足相同的可靠性要求。SFN可工作在-40°C至+85°C工业级温度范围。在一次单独的测试中,SFN封装的定制设计D连接器通过了1000次接触测试。

没有进行高压测试,因为2007年1月JESD47E不再推荐为有机基底封装的合格测试标准。+130°C和85% R.H.下96小时无偏或有偏强加速应力测试(HAST)是针对有机基底所采用的测试标准。对于已经通过了+85°C和85% R.H.下1000小时测试的零件,一般不需要进行HAST测试。

结论

SFN封装是将芯片模块装配到待识别外设目标上性价比最好的选择方案。SFN连接选择有集成到绝缘目标中的夹型固定器和双面粘合带。价格低廉的移动电池连接器为主机系统和SFN提供了电气连接。SFN封装的可靠性和传统IC封装相同。

附录

  1. 合格测试报告a (PDF)
  2. 合格测试报告b (PDF)
  3. D连接器设计图

    D连接器设计图