6-канальный МЭМС-коммутатор для ВЧ приложений. Часть 3

Данная публикация является третьей частью перевода руководства «Application Note. MM3100 – 6 Channel SPST Digital-Micro-Switch» от Menlo Micro. В статье рассказывается об особенностях проектирования печатной платы и монтаже 6-канальных МЭМС-коммутаторов MM3100
268
В избранное

6. Тестирование и отладочная плата

Техническое описание

Для тестирования и отладки коммутаторов MM3100 предлагается отладочная плата MM3100-EVK, представленная на рис. 24. MM3100-EVK позволяет изучить возможности MM3100 в различных режимах работы и конфигурациях. Кроме того, MM3100-EVK обладает достаточной гибкостью и может стать основой для многих исследовательских и экспериментальных разработок. Плата имеет комбинированную конструкцию. Базовым материалом является FR-4. В качестве ВЧ/ микроволнового слоя выступает RO4350B 0,010” от Rogers Corporation с диэлектрической проницаемостью εr = 3,48 ± 0,05. Толщина металлизации (меди) составляет 1,5 oz (около 50 мкм). Контактные площадки имеют золотое покрытие. Для подключения применяются позолоченные высокочастотные SMA-разъемы (рис. 24). Внешний вид программы управления для работы с MM3100 EVK представлен на рис. 25.

Отладочная плата MM3100-EVK

Рис. 24. Отладочная плата MM3100-EVK

Внешний вид программы управления для работы с MM3100 EVK

Рис. 25. Внешний вид программы управления для работы с MM3100 EVK

7. Проектирование печатной платы и монтаж

Рекомендации по трассировке печатной платы

При расстановке компонентов и трассировке печатной платы необходимо руководствоваться следующими рекомендациями:

  • Используйте рекомендуемое посадочное место, представленное на рис. 26;
  • Свободные участки печатной платы следует заливать полигонами и заземлять их с помощью переходных отверстий;
  • Для покрытия контактных площадок используйте иммерсионное золочение (ENIG – Electroless Nickel/ Immersion Gold);
  • Используйте паяльную маску толщиной 100 микрон;
  • Используйте безотмывочную паяльную пасту типа 3 или выше;
  • Усилие при размещении компонентов не должно превышать 100 грамм.

Рекомендуемое посадочное место для MM3100

Рис. 26. Рекомендуемое посадочное место для MM3100 

Выбор материала для печатной платы

Выбор материала для печатной платы является важной задачей, особенно с учетом необходимости эффективного отвода тепла от высокочастотных ВЧ/ СВЧ-переключателей, таких как MM3100. Если учесть, что коммутаторы MM3100 поставляются в компактном корпусном исполнении, то задача по отводу тепла оказывается достаточно сложной. Как правило, при разработке ВЧ-устройств большой мощности, таких как радары и системы связи, обычно основное внимание уделяют электрическим характеристикам материалов, чтобы не допустить перегрева, вызванного ВЧ-потерями. Материалы с низкой диэлектрической проницаемостью уменьшают вносимые потери, что снижает общий перегрев платы. Такой подход хорошо себя показал и используется уже в течение многих лет. Однако описанный способ не использует преимущества, которые может обеспечить высокая теплопроводность подложки. Эффективно ограничить перегрев можно за счет быстрого отвода тепла. Для этой цели используются материалы с керамическими наполнителями.

В течение многих лет стеклотекстолит FR-4 являлся наиболее популярным материалом для изготовления печатных плат, в том числе и для ВЧ-приложений. Он до сих пор широко используется, в частности, для крупносерийных изделий, благодаря меньшей стоимости, по сравнению с различными экзотическими материалами. В то же время многие исполнения стеклотекстолита FR-4 отсутствуют в списках рекомендованных материалов для печатных плат ВЧ-устройств. Это связано с тем, что диэлектрическая проницаемость стеклотекстолита зависит от производителя и даже варьируется от партии к партии. На рис. 27 показано сравнение потерь FR-4 и RO4350B от Rogers Corporation.

Сравнение потерь FR-4 и RO4350B

Рис. 27. Сравнение потерь FR-4 и RO4350B

Menlo Micro рекомендует использовать продукцию корпорации Rogers. В настоящий момент Rogers является лидером в отрасли и предлагает самый широкий выбор материалов для ВЧ-печатных плат. Оптимальным материалом для работы с MM3100 является RT/ Duroid RO4003, который обладает самыми лучшими ВЧ-характеристиками и максимальной теплопроводность среди всех материалов, доступных на рынке. Стоит отметить, что существует и много других отличных ламинатов от Roger. Например, RT/ duroid RO4350B является очень хорошим выбором для бюджетных и коммерческих приложений.

Анализ тепловых характеристик

Анализ тепловых характеристик помогает определить элементы схемы, которые генерируют наибольшее количество тепла. Долгое время для охлаждения таких элементов использовали радиаторы. Однако в последнее время габариты устройств стремительно уменьшаются, что хорошо видно на примере мобильных телефонов. По этой причине использование радиаторов оказывается не всегда возможным. Чтобы решить проблему, необходимо спроектировать печатную плату таким образом, чтобы она выполняла функцию теплоотвода. Это означает, что тепло должно эффективно распространяться по печатной плате и рассеиваться за счет теплопроводности, конвекции и излучения.

Внутри BGA-корпуса MM3100 кристалл модуля микропереключателей не подключен к радиатору. Следовательно, тепло должно отводится от микросхемы главным образом через проводники печатной платы. Чтобы оптимизировать не только ВЧ-характеристики, но и обеспечить эффективный теплоотвод, необходимо гарантировать хороший тепловой и электрический контакт MM3100 с печатной платой. Генерируемое тепло должно не только распространяться по печатной плате, но и эффективно переносится в окружающую среду, тем самым обеспечивая охлаждение BGA-корпуса.

Процесс теплопередачи и нагрев устройства зависят от следующих факторов:

  • От объема тепловой энергии, генерируемой в MM3100;
  • От теплового сопротивления между BGA-корпусом MM3100 и окружающими теплоотводящими элементами;
  • От теплопроводности печатной платы.

Большая часть тепла, генерируемого BGA-корпусом MM3100, передается на печатную плату через выводы и поверхность корпуса, а затем излучается, как показано на рис. 28. Согласно проведенным исследованиям 70% тепла, генерируемого BGA-корпусом, отводится в воздух через печатную плату.

Теплообмен между BGA-корпусом и печатной платой

Рис. 28. Теплообмен между BGA-корпусом и печатной платой

Рекомендации по пайке и работе с BGA

Рекомендуемый режим пайки предполагает следующие особенности:

  • Пайка с конвекционным перемешиванием воздуха в среде азота
  • Равномерность температуры должна составлять ± 5 °C
  • При монтаже важно выполнение следующих условий:
    1. Следуйте спецификации производителя паяльной пасты.
    2. Для получения идеального температурного профиля необходимо учитывать параметры печатной платы: размер, толщину и плотность проводящего рисунка.
    3. При использовании технологии PPF (Palladium Pre-Plated Frame) палладий растворяется в припое, и соединяется со слоем никеля, расположенным ниже. Для формирования качественного паяного соединения требуется более высокая температура оплавления.

Температурный режим пайки

График температурного режима пайки представлен на рис. 29 и содержит несколько этапов:

  • Разогрев со скоростью 1…3 °C в секунду до 140 ° C.
  • Разогрев от 140 до 150 °С в течение 120…160 секунд.
  • Разогрев со скоростью 2…3 °C в секунду до пиковой температуры. Пиковая температура зависит от припоя: для припоя 63Sn/ 37Pb или 62Sn/ 36Pb / 2Ag она составляет от 220 до 225 °C, а для Sn/ Ag/ Cu она составляет от 250 до 260 °C.
  • Для припоев 63Sn/ 37Pb или 62Sn/ 36Pb/ 2Ag длительность нахождения в фазе оплавления (температура выше 183 °C) должна составлять 45…75 секунд. Для припоев Sn/ Ag/ Cu длительность нахождения в фазе оплавления также должна составлять 45…75 секунд, но температура оплавления оказывается значительно выше – 217 °C.
  • Охлаждение до 25 °C или до комнатной температуры со скоростью от 4…2 °C в секунду, чтобы избежать образования нежелательного интерметаллического слоя.

График рекомендуемого температурного режима пайки

Рис. 29. График рекомендуемого температурного режима пайки

Меры предосторожности, защита от статики ESD и максимально допустимые характеристики

При работе с MM3100 необходимо тщательно соблюдать меры защиты от статического электричества, точно также как и при использовании других чувствительных полупроводниковых приборов. Не допускается воздействие на выводы микросхемы электростатических разрядов, превышающих 250 В согласно модели человеческого тела JEDEC (HBM).

Обращение с микросхемами

Из-за небольшого размера и жестких допусков при монтаже корпусов BGA, требуется аккуратное обращение с такими микросхемами. Работать с BGA следует только в чистых и безопасных условиях, исключающих разряды статического электричества. Рекомендуется использование непроводящих или вакуумных пинцетов. Запрещено прикасаться к корпусу BGA пальцами, так как при этом может произойти загрязнение контактных площадок, что в дальнейшем помешает оплавлению припоя. Необходимо хранить BGA в оригинальной упаковке до момента использования. Кроме того, BGA-исполнение подвержено образованию трещин, в которых может накапливаться влага. По этой причине следует хранить BGA-микросхемы в помещениях с контролируемой низкой влажностью.

Предельно допустимые характеристики MM3100 представлены в таблице 1.

Таблица 1. Предельно допустимые характеристики (примечание 1)

Параметр Единицы измерений Минимальное значение Максимальное значение
Напряжение питания логики (VDD)  В (DC)   7,5
Высоковольтное напряжение смещения (VBB)  В (DC)   90
Напряжение на логических входах В -0,3 VDD + 0.3 
Мощность на канал  Вт   25
Рейтинг напряжения (вход-выход) В   +/-200 
Постоянный ток на канал мА   1000
Диапазон рабочих температур ?C -40 85
Защита о статики ESD (все выводы) (примечание 2)  В   250
Диапазон температур хранения ºC -70 150


Примечания:

  • При использовании MM3100 все параметры должны находиться в рамках рекомендованных значений. Предельные значения мощности могут быть приложены только при замкнутых контактах (мягкие переключения).
  • Согласно JEDEC HBM.

Важная информация

Дисклеймер (Письменный отказ от ответственности)

Данные, представленные в этом руководстве, носят информационный характер и относятся к инженерным опытным образцам, которые еще не были квалифицированы для производства. Данная информация ни в коем случае не должна рассматриваться как гарантия окончательных характеристик. Гарантии или лицензии на этот продукт должны быть указаны и регулироваться условиями отдельного соглашения о покупке. Menlo Micro не несет никакой ответственности, связанной с применением или использованием данного продукта; компания также не передает никаких лицензий в соответствии со своими патентными правами или правами других лиц.

В целях повышения надежности и функциональности Menlo Micro оставляет за собой право вносить изменения в описание характеристик и функций, представленных в настоящем документе. Кроме того, компания оставляет за собой право останавливать производство продукта в любое время без предварительного уведомления или каких-либо обязательств.

Предупреждение

Коммутатор MM3100 не может использоваться:

  • В любых системах жизнеобеспечения.
  • Для имплантации в организм человека без письменного разрешения Menlo Micro.

Предыдущие части:

 

Производитель: Menlo Micro Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MM3100-00
MM3100-00
Menlo Micro Inc.
Арт.: 3210512 ИНФО PDF
Поиск
предложений
6-канальный SPST-переключатель в корпусе 6 x 6 мм 49-BGA. Диапазон рабочих температур: -40…+85°C.
MM3100-00
-
Поиск
предложений
MM3100-0Y
MM3100-0Y
Menlo Micro Inc.
Арт.: 3210513 ИНФО PDF
Поиск
предложений
6-канальный SPST-переключатель в корпусе 6 x 6 мм 49-BGA. Диапазон рабочих температур: -40…+100°C.
MM3100-0Y
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()