機(jī)電SFN封裝的連接方法

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。

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(xiàn)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(xiàn)”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(guān)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(fǎng)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)	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。