機電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)計用于機電接觸方案。文章討論了傳統(tǒng)的機電連接封裝方案，介紹了替代方案SFN。本文還提供了SFN的機械尺寸，給出了SFN與附件或耗材設(shè)備的連接方法，并給出了與機電接口的連接方案，最后對封裝進行了可靠性分析。

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)成為常見的系統(tǒng)需求。推動這一需求的典型應(yīng)用包括系統(tǒng)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)或制造信息存儲以及外設(shè)、附件和耗材設(shè)備的OEM認證等。為了滿足這些電子需求需要選擇合適的存儲器和安全功能，還必須在主機系統(tǒng)和外設(shè)之間加入電氣連接方案。

本應(yīng)用筆記詳細介紹了設(shè)計用于機電連接的Maxim SFN封裝方案，并介紹了SFN的機械尺寸。文章給出了SFN與附件或耗材設(shè)備的連接方法，并給出了與機電接口的連接方案，最后對封裝進行了可靠性分析。

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，由焊盤提供與主機系統(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)的焊盤是IO；左側(cè)焊盤是GND。這種冗余設(shè)計提供了兩種不同的連接配直。例b)中，芯片和焊盤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)計安裝在商用打印機墨盒內(nèi)。

圖1. 帶有連接焊盤的電路板設(shè)計實例，標(biāo)尺單位為厘米。

圖2. 實例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，對于解決最初的問題，在電路板上安裝這種封裝并不是性價比最高的解決方案。具有焊盤觸點的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(觸點)、扁平、無引線”封裝。SFN (圖3)在一個封裝內(nèi)組合了芯片和接觸焊盤，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。借助其兩個接觸焊盤，SFN只支持寄生供電的1-Wire?器件。考慮ESD保護等因素，首先進行連接，使得極性可以從外部觀察到，GND焊盤要比IO焊盤大。

與傳統(tǒng)的IC封裝相比，SFN僅設(shè)計用于連接。封裝不適合SMT焊接，原因是焊盤尺寸較大，有可能出現(xiàn)剝離(焊盤與塑封材料分離)。因此，SFN不適合焊接。

圖3. SFN封裝的小焊盤是IO，大焊盤是GND，標(biāo)尺單位為厘米。

SFN封裝的主要應(yīng)用是目標(biāo)識別和認證，利用存儲器芯片中存儲的數(shù)據(jù)進行自動校準(zhǔn)。產(chǎn)品認證保證了可靠性和質(zhì)量，否則可能會受劣質(zhì)克隆產(chǎn)品的侵害。SFN的理想應(yīng)用包括打印機耗材、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。觸點焊盤寬2.6mm，間隔0.3mm；GND長度為5.05mm，IO長度為3.55mm。焊盤鍍有1.02μm鎳、0.02μm鈀，最外層是0.005μm金。塑封材料是Sumitomo? G600、G770或類似產(chǎn)品。對于其他機械數(shù)據(jù)，請參考SFN封裝外形圖。4mm × 4mm × 0.9mm的SFN封裝在技術(shù)上也是可行的，詳細信息請聯(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觸點，而是以點線標(biāo)出，表示相對的焊盤位置。標(biāo)記的第一行為序號，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，第四行是器件裝配地(可選)，左下角加號(+)表示無鉛封裝。

圖4. SFN封裝頂標(biāo)，為頂視圖，看不到觸點。

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 (也稱為“元件孔”或“帶孔”)。一條直徑13英寸的卷帶可容納2500個器件。

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

為便于連接焊盤觸點，SFN必須頂部朝向外設(shè)進行連接。因此，連接后，無法再看到頂標(biāo)。SFN和目標(biāo)物體連接時有兩種方式：1)機械夾，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位置的軟鉤的實際尺寸取決于夾子的材料。圖7所示為集成到需要認證的外設(shè)中的類似夾子。

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，以及專為不同SFN連接所開發(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)站進行查找時，請訪問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，因為其工作溫度范圍有限(室內(nèi)和室溫)。

選擇連接

訪問SFN封裝目標(biāo)的數(shù)據(jù)時，主機系統(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”分類中查找到。圖8至圖10所示Suyin產(chǎn)品針對SFN封裝進行了評估。為簡單起見，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和原始產(chǎn)品說明。

圖8. A連接器，Suyin 060191MA系列。序列號為：060191MA002__02ZR (_ = 符合鍍層規(guī)范的固定器)。說明：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：060121MR002G_00ZU (_ = 符合鍍層規(guī)范的固定器)。說明：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)計用于電路板直通裝配。

圖10. C連接器，Suyin 425122MA系列。序列號：425122MA002G_00Z_ ( _ = 符合鍍層規(guī)范的固定器或管、卷)。說明：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，也通過了SFN連接測試，附錄給出了設(shè)計圖。

圖11. D連接器，定制設(shè)計

表1總結(jié)了4種連接設(shè)計(圖8到圖11)中的關(guān)鍵特征參數(shù)。要實現(xiàn)可靠的工作(即，連接可靠)，當(dāng)外設(shè)插入到主機系統(tǒng)時，需要對SFN觸點進行擦拭。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)計使目標(biāo)推向觸點，實現(xiàn)電接觸。

表1. 連接實例對比

?	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，將所有的尺寸都轉(zhuǎn)換為公制。力的SI單位是N (牛頓)；很多機械產(chǎn)品的數(shù)據(jù)資料還使用過時的單位“gf”，轉(zhuǎn)換公式是：1000gf = 1kp (千克力) = 9.80665N。

可靠性測試

對SFN封裝進行了兩組可靠測試，測試參數(shù)如表2所示。

表2. 兩組SFN測試數(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).

在兩組測試中，所有SFN器件都通過了測試，沒有出現(xiàn)失效。關(guān)于詳細信息，請參考各自的測試報告(參見附錄)。從測試結(jié)果看：SFN封裝和傳統(tǒng)的IC封裝滿足相同的可靠性要求。SFN可工作在-40°C至+85°C工業(yè)級溫度范圍。在一次單獨的測試中，SFN封裝的定制設(shè)計D連接器通過了1000次接觸測試。

沒有進行高壓測試，因為2007年1月JESD47E不再推薦為有機基底封裝的合格測試標(biāo)準(zhǔn)。+130°C和85% R.H.下96小時無偏或有偏強加速應(yīng)力測試(HAST)是針對有機基底所采用的測試標(biāo)準(zhǔn)。對于已經(jīng)通過了+85°C和85% R.H.下1000小時測試的零件，一般不需要進行HAST測試。