Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
CControls
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Rzadko zadawane pytania: co z tym odsłoniętym padem w SMD?

ghost666 13 Lip 2015 18:49 3441 7
  • W poniższym artykule przyjrzymy się odsłoniętemu polu lutowniczemu, obecnym w obudowach QFN czy LFCSP. Odpowiemy na trzy rzadko zadawane pytania, które mają bezpośredni związek z tym padem i tym jak go traktować projektując płytkę drukowaną.

    Rzadko zadawane pytania: co z tym odsłoniętym padem w SMD?


    Pytanie: Jak to jest, że wysokiej klasy konwertery analogowo-cyfrowe (które pobierają zazwyczaj dużo prądu - przyp.red.) mają tylko kilka pinów przeznaczonych do podłączenia masy?

    Odpowiedź: Układy scalone produkowane w obudowach typu LFCSP i QFN wyposażone są często w odsłonięte pole lutownicze na spodzie układu scalonego. Jest to efektywna metoda, wykorzystywana do poprawy przenoszenia ciepła z układu scalonego do PCB (ścieżki pełnią rolę radiatora, a odsłonięte pole redukuje impedancję termiczną pomiędzy krzemową strukturą układu, a ścieżkami - przyp.red.). Rekomendacje do projektów z wykorzystaniem układów w tego rodzaju obudowach sugerują, aby pole lutownicze na PCB pod układem, służące do przylutowania odsłoniętego pola lutowniczego układu, podłączone było do wylewki masy z wykorzystaniem dużej ilości przelotek w PCB. Powoduje to tworzenie połączenia o niskiej impedancji termicznej (i elektrycznej - przyp.red.).

    Odsłonięte pole lutownicze na spodzie układu daje także dodatkową zaletę w postaci elastyczności prowadzenia ścieżek masy, do podłączenia wyprowadzeń układu scalonego. Pozwala to na prowadzenie tych połączeń bezpośrednio do pola masy pod układem, a nie poza jego obrysem. Piny podłączone w ten sposób charakteryzują się niską impedancją elektryczną do masy. Doświadczeni projektanci obwodów drukowanych wiedzą, że wyprowadzenia masy i podłączenia zasilania do układu zazwyczaj występują obok siebie w obudowie, co pozwala na stworzenie niewielkiej pętli zasilania o niskiej impedancji elektrycznej do masy, dla prądu powracającego z układu scalonego do masy. W układach mieszanych (tj. analogowo-cyfrowych - przyp.red.) prądy impulsowe generowane są przez cyfrową cześć układu i przełączanie sygnałów analogowych. Zakłócenia generowane w ten sposób powodować mogą degradację sygnału w sekcji analogowej układu, generując szum czy sprzęgając się z czułymi układami analogowymi. Połączenia do masy o niskiej impedancji elektrycznej pozwalają odprowadzać energię zakłóceń do masy poprzez ścieżki do pola lutowniczego pod układem. Dzięki temu nie trzeba zajmować dodatkowej powierzchni na płytce PCB. Zapewnia to większą elastyczność w prowadzeniu ścieżek i możliwość implementacji dodatkowych funkcji i podłączeń linii zasilania.





    Połączenia wewnętrzne pomiędzy pinami masy, a polem masy pod układem, nie są zazwyczaj zadokumentowane w kartach katalogowych układów, co prowadzi do pewnych niejasności, jak zrealizować w układach przetworników ADC i DAC sekcję zasilania, bez równej liczby połączeń zasilania i masy. W skrajnych przypadkach układy scalone nie mają w ogóle jawnie wyprowadzonych połączeń masy, co oznacza, że działanie układu opiera się wyłącznie na odsłoniętym polu pod układem, jako podłączeniu do masy systemu.

    Rzadko zadawane pytania: co z tym odsłoniętym padem w SMD?
    Schemat pokazujący wewnętrzne połączenia w układzie w obudowie LLP łączące wyprowadzenia masy struktury krzemowej i odsłonięte pole lutownicze na spodzie układu.


    Pytanie: Jakie są istotne zasady przy prowadzeniu ścieżek na PCB przy implementowaniu w układzie ultraszybkich przetworników analogowo-cyfrowych?

    Odpowiedź: (Jest to fragment szerszego artykułu dot. prowadzenia ścieżek, poświęcony odsłoniętemu polu lutowniczemu na spodzie niektórych układów scalonych - przyp.red.) Odsłonięte pole lutownicze, występujące w wielu układach scalonych pozwala na podłączenie masy układu do centralnego wyprowadzenia. Taka architektura jest odpowiedzialna za brak wyprowadzeń masy w wielu układach scalonych. Pozwala także na elastyczne projektowanie ścieżki odprowadzania ciepła z układu scalonego. Kluczowym aspektem jest odpowiednie podłączenie tego pola do masy, aby impedancja termiczna i elektryczna tego połączenia była niska. Jeśli nie - może być kiepsko.

    Trzy kroki pozwalają zapewnić sobie dobre połączenie tego pola w układzie. Po pierwsze, jeśli to możliwe, należy w każdej warstwie ścieżek pod układem stworzyć takie samo pole, wszystkie na potencjale masy, co pozwala na szybkie i efektywne odprowadzanie ciepła z układu i jest szczególnie istotne dla układów o dużej mocy. Daje to także dobre i równomierne podłączenie do wszystkich warstw masy na PCB oraz zapewnia dobry punkt masy dla kondensatorów filtrujących zasilanie i zapewnia dobry punkt umieszczenia radiatora lub podobnego elementu.

    Po drugie, podzielić trzeba układ na równe segmenty. Wzór szachownicy jest bardzo dobrym rozwiązaniem i może być zapewniony np. maską lutowniczą. Nie ma gwarancji w tym jak pasta lutownicza rozpływać będzie się po polu lutowniczym, dlatego wielosegmentowe podłączenie do odsłoniętego pola masy w układzie, zapewni powstanie dobrego połączenia z każdym segmentem, co daje równomierne i pewne połączenie układu do masy na PCB.

    Finalnie, należy zapewnić połączenie każdego segmentu pola masy pod układem z innymi polami masy poprzez przelotki w PCB. Zazwyczaj segmenty masy są na tyle duże, że możliwe jest wstawienie kilku przelotek do masy. Należy upewnić się, że przelotki te są wypełnione pastą lutowniczą lub żywicą epoksydową przed lutowaniem. Krok ten pozwoli zapewnić, że lutowie nie stworzy pustych jam w PCB, które zmniejszają szanse na powstanie połączenia o niskiej impedancji elektrycznej i termicznej.

    Pytanie: Czy odsłonięte pole masy pod układem we wzmacniaczu musi być zawsze podłączone do masy?

    Odpowiedź:

    W mieścinie pewnej, prowincji Manchy, której nazwiska nie powiem, żył niedawnymi czasy hidalgo pewien, z liczby tych, co to prócz spisy u siodła, szabliska starego, szkapy chudziny i paru gończych, niewiele co więcej mają. (...) Owóż tedy, trzeba wam wiedzieć, mili czytelnicy, że ów jegomość hidalgo, w chwilach pracy, kiedy miał pełno roboty (co bodajże cały rok się wydarzało), oddał się podłączaniu wszystkich odsłoniętych pół lutowniczych do masy i tak się do tego zapalił, że nawet o czytaniu kart katalogowych całkiem zapomniał i myśleniu o ich wewnętrznych połączeniach zaniechał. Aż pewnego dnia, ku jego zaskoczeniu, przepalił się bezpiecznik, a jego płytka drukowana obróciła się w PCB nie więcej niż sterta kamieni warte (parafraza za tłumaczeniem Don Kichota przez Walentego Zakrzewskiego - przyp.red.).

    Opisywany powyżej bohater - bez wątpienia inżynier elektronik, wdał się w dużą liczbę bitew, z których wyszedł triumfując nad odpowiednim projektem PCB, ale ta jedna była z pewnością wyjątkiem. Zrozumiał jak ważne jest zapewnienie układom porządnego połączenia do masy, poprzez odsłonięte pole lutownicze w układzie scalonym, podobnie jak większość ludzi po przeczytaniu niniejszych artykułów. Jednakże zapomniał, o bardzo istotnej kwestii, że jeśli chodzi o odsłonięte pole lutownicze na spodzie układu, nie ma uniwersalnej zasady, mówiącej do czego pole to powinno być podłączone.

    Rzadko zadawane pytania: co z tym odsłoniętym padem w SMD?


    Większość scalonych wzmacniaczy nie jest wyposażonych w wyprowadzenie masy, co oznacza, że pole lutownicze na spodzie układu musi być podłączone do masy. Można spierać się, że wyjątkiem od tej zasady są wzmacniacze o niesymetrycznym zasilaniu, gdyż w takiej sytuacji ujemne zasilanie jest po prostu masą, ale w takiej sytuacji pole to powinno być podłączone do układu wewnątrz, jest w inny sposób niż ujemna szyna zasilania (nawet gdy jest masą). Może to być sporym wyzwaniem dla projektantów pragnących wykorzystać odsłonięte pole na spodzie układu do odprowadzania ciepła z układu.

    Na przykład są układy izolowane złączowo i tlenkowo. Dla tych pierwszych przewodzenie jest możliwe poprzez złącze PN pomiędzy tylną stroną układu scalonego i dowolnym innym terminalem (np. polem pod układem). W przypadku tych drugich warstwa izolującej krzemionki zapobiega przewodzeniu prądu elektrycznego. Jako że tylna strona struktury krzemowej przyklejona jest do odsłoniętego pola w układzie, a materiał łączący strukturę krzemową i obudowę nie jest generalnie izolatorem, odsłonięte pole jest połączone elektrycznie ze strukturą krzemową i odpowiednia polaryzacja pola pod układem staje się istotna w układach izolowanych złączowo. Jednakże nawet jeśli izolacja zrealizowana jest tlenkiem krzemu, w układzie mogą istnieć połączenia elektryczne do pola pod układem, jeśli projektanci układu scalonego tak zadecydowali. Konsekwencją tego jest fakt, że odsłonięte pole lutownicze pod układem musi być w odpowiedni sposób spolaryzowane. Problemem jest to, że pole to nie jest zawsze najbardziej ujemnym potencjałem w układzie scalonym, może być nawet najbardziej dodatnim.

    Więc jak rozwiązać zagadkę podłączania tego pola we wzmacniaczach? Czytając kartę katalogową. Jeśli element produkowany jest w obudowie z odsłoniętym polem pod układem, na pewno w dokumentacji znajdziemy informację co zrobić z tym polem. Na przykład we wzmacniaczu AD8224 odsłonięte pole podłączone musi być do najbardziej dodatniego potencjału w systemie, czyli zasilania dodatniego układu. A z kolei z układzie ADA4610-2 pole pod układem musi mieć taki sam potencjał jak ujemna szyna zasilania. Finalnie układy takie jak na przykład ADA4807-2 mogą mieć pole podłączone do dowolnego potencjału - masy lub jednego z zasilań, co oznacza że najsensowniej jest podłączyć je do wylewki masy, z uwagi na najefektywniejsze odprowadzanie ciepła w ten sposób.

    Jeśli nasz inż. Don Kichote korzystałby z układu na dielektryku, bez wewnętrznych połączeń, jego płytka byłaby ocalona, a przeoczenie przeszłoby bez uwagi. Jednakże, tak jak książkowy Don Kichote wycelował on swą lancę we wiatraki (i połączył wszystkie pola z masą), nie zważając uwagi na rady swojego giermka (który dokładniej przeczytał kartę katalogową wykorzystywanych układów scalonych - przyp.red.).

    Źródła:
    http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/48-12/RAQ_112.html
    http://www.analog.com/en/education/education-library/raqs/raq_pcb_design_part3_issue69.html
    http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/49-07/RAQ_119.html
    https://wolnelektury.pl/katalog/lektura/don-kichot-z-la-manchy.html


    Fajne! Ranking DIY
  • CControls
  • #2 14 Lip 2015 09:28
    miono
    Poziom 15  

    Warto też dodać, że jak ktoś nie ma sprzętu i robi prototyp urządzenia to zamiast tych wielu małych przelotek, trzeba dać jedną dużą pod tym padem tak żeby można tam cyne wpuścić od drugiej strony. W ten sposób ostrym grotem od lutownicy da się ładnie przylutować ten termiczny pad.

  • #3 14 Lip 2015 09:33
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    miono napisał:
    Warto też dodać, że jak ktoś nie ma sprzętu i robi prototyp urządzenia to zamiast tych wielu małych przelotek, trzeba dać jedną dużą pod tym padem tak żebym można tam cyne wpuścić od drugiej strony. W ten sposób ostrym grotem od lutownicy da się ładnie przylutować ten termiczny pad.


    Bardzo pomysłowe! ale w dzisiejszych czasach jeśli hobbysta lutuje obudowy QFN cy LFCSP to raczej lutownicę na gorące powietrze już ma.

  • CControls
  • #4 14 Lip 2015 09:59
    miono
    Poziom 15  

    ghost666 napisał:

    Bardzo pomysłowe! ale w dzisiejszych czasach jeśli hobbysta lutuje obudowy QFN cy LFCSP to raczej lutownicę na gorące powietrze już ma.


    Obawiam się że sama lutownica na gorące powietrze nie wystarczy. Polutowanie takiego scalaka nie jest proste i trzeba dośc dobrze nasmarować ten pad pastą lutowniczą tak żeby nie było ani zbyt dużo ani zbyt mało pasty bo te małe przelotki nie odprowadzą nadmiaru cyny a gdy cyny będzie zbyt dużo to wtedy inne pady będą niedolutowane. Z tym dużym otworem to kiedyś był niejako standard i pamiętam nawet że do niektórych scalaków były dokumentacje z takim padem, były też takie footprinty w których podawali żeby nie robić żadnych przelotek. Obecnie standard to dużo malutkich przelotek pewnie dlatego że od kilku lat firmy produkujące PCB nie mają już problemów z malutkimi przelotkami a takie rozwiązanie zapewnia najlepsze odprowadzanie ciepła.

  • #5 14 Lip 2015 10:27
    deus.ex.machina
    Poziom 32  

    Można (w akcie desperacji i w wczesnym prototypie) tez obrócić układ i zwyczajnie przylutować szerokie odcinki foli z kilku stron (plecionka do odsysania jest całkiem niezła) działa taki sposób nie najgorzej.

  • #6 14 Lip 2015 19:33
    Bartek.k.k
    Poziom 21  

    miono napisał:
    ghost666 napisał:

    Bardzo pomysłowe! ale w dzisiejszych czasach jeśli hobbysta lutuje obudowy QFN cy LFCSP to raczej lutownicę na gorące powietrze już ma.


    Obawiam się że sama lutownica na gorące powietrze nie wystarczy. Polutowanie takiego scalaka nie jest proste i trzeba dośc dobrze nasmarować ten pad pastą lutowniczą tak żeby nie było ani zbyt dużo ani zbyt mało pasty bo te małe przelotki nie odprowadzą nadmiaru cyny a gdy cyny będzie zbyt dużo to wtedy inne pady będą niedolutowane. Z tym dużym otworem to kiedyś był niejako standard i pamiętam nawet że do niektórych scalaków były dokumentacje z takim padem, były też takie footprinty w których podawali żeby nie robić żadnych przelotek. Obecnie standard to dużo malutkich przelotek pewnie dlatego że od kilku lat firmy produkujące PCB nie mają już problemów z malutkimi przelotkami a takie rozwiązanie zapewnia najlepsze odprowadzanie ciepła.


    Można też nanieść odpowiednią ilość cyny lutownicą, następnie polać to topnikiem i grzać hotem. Układ powinien ładnie siąść, a później można poprawić nogi cienką cyną i grotem. Taki sposób stosuje do m.in SON6, gdy nie mam czasu nakładać pasty.

  • #8 14 Lip 2015 22:50
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    leonow32 napisał:
    Kto uwierzy, że to jest ręcznie lutowany QFN z rastrem 0,5mm do ręcznie trawionej płytki? Bez hot air!!! Cały sekret to właściwy grot do lutownicy (wcale nie wychwalana przez niektórych minifala) oraz topnik aktywny.

    Rzadko zadawane pytania: co z tym odsłoniętym padem w SMD?


    Czy ten QFN ma odsłonięty pad pod spodem? Na tym głównie polega problem i konieczność korzystania z HA :)