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摘要：本應用筆記介紹Maxim的SFN封裝方案，設計用于機電接觸方案。文章討論了傳統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。
本應用筆記詳細介紹了設計用于機電連接的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。
圖1. 帶有連接焊盤的電路板設計實例，標尺單位為厘米。
圖2. 實例a)的產品照片
圖1所示傳統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上，是理想的解決方案。
與傳統的IC封裝相比，SFN僅設計用于連接。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，標尺單位為厘米。
SFN封裝的主要應用是目標識別和認證，利用存儲器芯片中存儲的數據進行自動校準。產品認證保證了可靠性和質量，否則可能會受劣質克隆產品的侵害。SFN的理想應用包括打印機耗材、醫用傳感器以及試劑瓶等。
考慮到其應用目的，SFN尺寸較大，因此，為傳統的IC標記提供了空間(圖4)。從這一層看不到焊盤觸點，而是以點線標出，表示相對的焊盤位置。標記的第一行為序號，第二行是含有管芯版本的制造日期代碼，第三行是生產標識，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，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?公司生產了多種壓敏膠帶，用于不同的應用環境。
可以考慮兩組粘合產品：1) 雙涂層泡沫帶，2) 雙涂層帶。第三組產品用于電氣連接，包括需要加熱或溶解的導電產品，以及專為不同SFN連接所開發的產品。由于SFN應用不需要導電，而加熱和溶解需要其他步驟，因此，不考慮第三組產品。
在3M網站進行查找時，請訪問www.3m.com，搜索“adhesive transfer and double coated tapes”。從標題Double Coated Foam Tapes或Double Coated Tapes中可以找到各類產品。從雙面涂層帶中，選擇與SFN連接的目標物體材料相同的產品。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：不應該考慮橡皮帶，因為其工作溫度范圍有限(室內和室溫)。
圖8. A連接器，Suyin 060191MA系列。序列號為：060191MA002__02ZR (_ = 符合鍍層規范的固定器)。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：圖中產品“表面朝下”，即，引腳和中心柱設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、定制彈簧設計，也通過了SFN連接測試，附錄給出了設計圖。
圖11. D連接器，定制設計
表1總結了4種連接設計(圖8到圖11)中的關鍵特征參數。要實現可靠的工作(即，連接可靠)，當外設插入到主機系統時，需要對SFN觸點進行擦拭。A、C和D連接器要求目標物體滑向彈簧。只有B連接器的設計使目標推向觸點，實現電接觸。
表1. 連接實例對比
Suyin文檔中采用的尺寸標準不一致。為方便起見，將所有的尺寸都轉換為公制。力的SI單位是N (牛頓)；很多機械產品的數據資料還使用過時的單位“gf”，轉換公式是：1000gf = 1kp (千克力) = 9.80665N。
表2. 兩組SFN測試數據
在兩組測試中，所有SFN器件都通過了測試，沒有出現失效。關于詳細信息，請參考各自的測試報告(參見附錄)。從測試結果看：SFN封裝和傳統的IC封裝滿足相同的可靠性要求。SFN可工作在-40°C至+85°C工業級溫度范圍。在一次單獨的測試中，SFN封裝的定制設計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準。+130°C和85% R.H.下96小時無偏或有偏強加速應力測試(HAST)是針對有機基底所采用的測試標準。對于已經通過了+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。
引言
在傳統的非電子外設和耗材設備中加入電子功能已經成為常見的系統需求。推動這一需求的典型應用包括系統的校準數據或制造信息存儲以及外設、附件和耗材設備的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，還必須在主機系統和外設之間加入電氣連接方案。本應用筆記詳細介紹了設計用于機電連接的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。
傳統的封裝方案
傳統的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，中心和右側的焊盤是IO；左側焊盤是GND。這種冗余設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，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)，設計安裝在商用打印機墨盒內。圖1. 帶有連接焊盤的電路板設計實例，標尺單位為厘米。
圖2. 實例a)的產品照片
圖1所示傳統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)在一個封裝內組合了芯片和接觸焊盤，符合標準IC封裝工藝。SFN不需要電路板，可直接卡扣安裝，或粘合在外設的凹陷區域。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。與傳統的IC封裝相比，SFN僅設計用于連接。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，標尺單位為厘米。
SFN封裝的主要應用是目標識別和認證，利用存儲器芯片中存儲的數據進行自動校準。產品認證保證了可靠性和質量，否則可能會受劣質克隆產品的侵害。SFN的理想應用包括打印機耗材、醫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。其導線結構采用了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或類似產品。對于其他機械數據，請參考SFN封裝外形圖。4mm × 4mm × 0.9mm的SFN封裝在技術上也是可行的，詳細信息請聯系Maxim。考慮到其應用目的，SFN尺寸較大，因此，為傳統的IC標記提供了空間(圖4)。從這一層看不到焊盤觸點，而是以點線標出，表示相對的焊盤位置。標記的第一行為序號，第二行是含有管芯版本的制造日期代碼，第三行是生產標識，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，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必須頂部朝向外設進行連接。因此，連接后，無法再看到頂標。SFN和目標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?公司生產了多種壓敏膠帶，用于不同的應用環境。
可以考慮兩組粘合產品：1) 雙涂層泡沫帶，2) 雙涂層帶。第三組產品用于電氣連接，包括需要加熱或溶解的導電產品，以及專為不同SFN連接所開發的產品。由于SFN應用不需要導電，而加熱和溶解需要其他步驟，因此，不考慮第三組產品。
在3M網站進行查找時，請訪問www.3m.com，搜索“adhesive transfer and double coated tapes”。從標題Double Coated Foam Tapes或Double Coated Tapes中可以找到各類產品。從雙面涂層帶中，選擇與SFN連接的目標物體材料相同的產品。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：不應該考慮橡皮帶，因為其工作溫度范圍有限(室內和室溫)。
選擇連接
訪問SFN封裝目標的數據時，主機系統需要適當的電氣連接方式。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品說明。圖8. A連接器，Suyin 060191MA系列。序列號為：060191MA002__02ZR (_ = 符合鍍層規范的固定器)。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：圖中產品“表面朝下”，即，引腳和中心柱設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、定制彈簧設計，也通過了SFN連接測試，附錄給出了設計圖。
圖11. D連接器，定制設計
表1總結了4種連接設計(圖8到圖11)中的關鍵特征參數。要實現可靠的工作(即，連接可靠)，當外設插入到主機系統時，需要對SFN觸點進行擦拭。A、C和D連接器要求目標物體滑向彈簧。只有B連接器的設計使目標推向觸點，實現電接觸。
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準不一致。為方便起見，將所有的尺寸都轉換為公制。力的SI單位是N (牛頓)；很多機械產品的數據資料還使用過時的單位“gf”，轉換公式是：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，測試參數如表2所示。表2. 兩組SFN測試數據
| a) |
|
| b) |
|
在兩組測試中，所有SFN器件都通過了測試，沒有出現失效。關于詳細信息，請參考各自的測試報告(參見附錄)。從測試結果看：SFN封裝和傳統的IC封裝滿足相同的可靠性要求。SFN可工作在-40°C至+85°C工業級溫度范圍。在一次單獨的測試中，SFN封裝的定制設計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準。+130°C和85% R.H.下96小時無偏或有偏強加速應力測試(HAST)是針對有機基底所采用的測試標準。對于已經通過了+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。
結論
SFN封裝是將芯片模塊裝配到待識別外設目標上性價比最好的選擇方案。SFN連接選擇有集成到絕緣目標中的夾型固定器和雙面粘合帶。價格低廉的移動電池連接器為主機系統和SFN提供了電氣連接。SFN封裝的可靠性和傳統IC封裝相同。附錄
- 合格測試報告a)：www.maxim-ic.com/reliability/dallas/NSEB_2SFN_LF.pdf
- 合格測試報告b)：www.maxim-ic.com/reliability/dallas/DSQ3301_CONTACTOR.pdf
- D連接器設計圖
工商網監
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