MEMS-Inertialsensoren sind empfindlich gegenüber den bei Leiterplatten angewandten Design- und Befestigungsprozessen wie etwa dem Reflow-Löten. Werden die Belastungen, denen ein MEMS-Gehäuse ausgesetzt wird, verringert, trägt man dazu bei, die Leistungsfähigkeit der gesamten Inertialsensor-Applikation zu verbessern. Dazu sind die Richtlinien für das Layout, das Löten und das Befestigen von MEMS-Inertialsensoren mit LGA-Gehäuse, wie man sie in Beschleunigungsaufnehmern und Gyroskopen findet, zu beachten.

So ein Dokument mit seinen Maßangaben, Anmerkungen und Spezifikationen gibt Empfehlungen, die sich auf typische Parameter der Leiterplattenfertigung stützen. Allerdings haben zahlreiche unbekannte Faktoren, wie etwa die spezifischen Leiterplattenfertigungs-Spezifikationen des jeweiligen Anwenders, Einfluss auf das Design der Anschlussflächen. Über die Anwendbarkeit der Richtlinien auf den einzelnen Anwendungsfall muss deshalb der jeweilige Entwickler entscheiden. Zusätzlich zu den gängigen Leiterplatten-Entwurfsregeln und industriellen Arbeitsverfahren sind beim Löten von LGA-Sensoren einige einfache Layout- und Verarbeitungsrichtlinien zu beachten.

Layoutrichtlinien

Bild 1: Bei U1 ist das optimale Routing für Sensoren im LGA-Gehäuse zu sehen. Bei U2 dagegen wurden die Layoutrichtlinien nicht beachtet.

Bild 1: Bei U1 ist das optimale Routing für Sensoren im LGA-Gehäuse zu sehen. Bei U2 dagegen wurden die Layoutrichtlinien nicht beachtet.Maxim

Um die Belastungen zu mindern und die Funktion des Bauelements zu verbessern, ist es notwendig, dem Design und Layout der Leiterplatte unbedingt Beachtung zu schenken. Bezüglich des Layouts gelten folgende Empfehlungen und Richtlinien:

  • Es wird empfohlen, die Anschlussflächen auf der Leiterplatte als NSMD (Non-Solder-Mask Defined) anzulegen.
    Von der vom LGA-Gehäuse bedeckten Fläche muss man sich fernhalten („Keep Out Area“).
  • Es wird dringend empfohlen, unterhalb des LGA-Gehäuses keine metallischen Strukturen – zum Beispiel Leiterbahnen, so genannte „Copper Pours“ oder Vias – anzuordnen (Bild 1), da diese zu unregelmäßigen mechanischen Belastungen für die interne Masse führen können.
  • Bauelemente in der Nähe der MEMS-Anschlussfläche können zusätzliche Belastungen hervorrufen.
  • Es wird dringend empfohlen, in einem Umkreis von 2 mm um das Sensorgehäuse keine großen Durchsteck-Komponenten (also Abschirmungen, Taster, Gehäusebefestigungen oder Schrauben) zu platzieren.
  • Um eine ordnungsgemäße Funktion zu gewährleisten, darf die Pin-1-Markierung nicht angeschlossen werden.
  • Damit sich das Gehäuse während des Reflow-Lötens optimal auf die Anschlussflächen der Leiterplatte ausrichtet, ist auf eine symmetrische Anordnung der Lötflächen zu achten. Für unbelegte Anschlüsse sind deshalb blinde Anschlussflächen vorzusehen.

Hinweise für das richtige Design der Anschluss- und Lötmaske für eine Leiterplatte enthält das Datenblatt [2] des jeweiligen Bausteins. Auf der Seite Packaging and Reliability [1] von Maxim Integrated finden sich außerdem Informationen über den Gehäuseumriss.

Prozess-Richtlinien

Für ein korrektes Löten sind die Hinweise für das Design der Anschlussflächen, die Dicke der Lotpaste und die Reflow-Profile zu beachten. Die Prozess-Empfehlungen und deren Richtlinien lauten wie folgt:

Dicke und Öffnungsweite der Lotpasten-Schablone sollten so gewählt werden, dass Flussmittelrückstände einwandfrei entfernt werden können und ausreichend Platz zwischen Leiterplatte und Gehäuse bleibt.

  • Das Lot darf nicht auf die Seitenflächen des Gehäuses fließen, damit es zu keinen Kurzschlüssen zwischen den lateralen Metallbahnen innerhalb des LGA-Gehäuses kommt.
  • Eine zusätzliche Reinigung der Leiterplatte nach dem Löten wird dringend empfohlen, damit es zu keinen durch Flussmittelrückstände verursachten Kriechströmen zwischen benachbarten Anschlussflächen kommt.
Bild 2: Blockdiagramm des äußerst präzisen Drei-Achsen-Gyroskop mit Digitalausgang.

Bild 2: Blockdiagramm des äußerst präzisen Drei-Achsen-Gyroskop mit Digitalausgang.Maxim

Die von Maxim für Inertialsensoren verwendeten LGA-Gehäuse entsprechen in ihrer Beständigkeit gegen Wärmeeinwirkung während des Lötens der Feuchteempfindlichkeitsstufe 3 gemäß der JEDEC-Norm J-STD-020D. Weitere Informationen bezüglich der Beständigkeit gegen Lötwärme sowie Einzelheiten über den Bleifrei- und RoHS-Status eines Bauelements sind im Datenblatt des jeweiligen Produkts spezifiziert.

Der MEMS-Inertialsensor

Pinbelegung des hochintegrierten, im LGA-Gehäuse integrierten MAX21000.

Pinbelegung des hochintegrierten, im LGA-Gehäuse integrierten MAX21000.Maxim

Mit dem MEMS-Bewegungssensor MAX21000 hat Maxim ein weiteres zentrales Element mobiler Systeme im Angebot. Das äußerst präzise Drei-Achsen-Gyroskop mit Digitalausgang (Bild 2) zeichnet sich durch eine hohe Langzeit- und Temperaturstabilität aus. Der hochintegrierte, in einem nur 3 mm x 3 mm x 0.9 mm großen Plastik-Land-Grid-Array (LGA, Bild 3) untergebrachte Baustein kommt ohne externe Bauelemente aus. Geringes Rauschen, eine große Bandbreite und ein schnelles Interface sind weitere Vorteile des Bausteins, der sich für Benutzeroberflächen (UI) und optische Bildstabilisatoren (OIS – Optical Image Stabilization) eignet.

Empfehlungen befolgen

MEMS-Inertialsensoren sind sehr empfindlich gegenüber Belastungen, die sich durch die Leiterplattendesign- und Bestückungs- bzw. Montageprozesse ergeben. Diese Belastungen lassen sich jedoch bei Beachtung der empfohlenen Layout- und Verarbeitungsprozeduren vermeiden, sodass die optimale Performance sichergestellt ist.

Nützliche Links:

[1] www.maximintegrated.com/design/manufacturing.cfm (Packaging and Reliability)

[2] www.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/7982 (MAX21000)