如何用小型封装放大器替代零件选项以及PCB布局常见的难题

2018-06-27 14:51 次阅读

作者:德州仪器 Tim Claycomb

引言

随着低成本终端产品需求不断增加,设计师需要设计出既能够满足产品的性能规格,又可以保持低于系统目标价格的创新方案。例如,除了放大器性能外,设计师还必须考虑所有放大器特性,包括成本和封装尺寸。

在低成本设计中考虑封装尺寸是很重要的,因为不同尺寸的放大器在系统中可能具有不同的成本。设计师可获得许多具有创新的小型包装的新设备,以更好实现目标。如果半导体制造商无法提供小型封装的放大器,则会限制替代零件的选项。通常如果供应商无法满足需求,则需要寻找替代零件来防止产品制造复杂化。如果半导体制造商无法满足供应需求,又没有替代零件,最终产品制造商可能需要花费大量资金来解决问题。

本文讨论的是如何为不具有直接引脚兼容替代零件的小型封装放大器提供替代零件选项。同时,本文还涵盖了设计人员在印刷电路板(PCB)布局过程中可能面临的制造和设计方面的挑战。

PCB布局修改

修改运算放大器(op amp)的PCB布局使之能够包含两个不同封装尺寸的运算放大器,并在PCB上安装一个含有小封装的次要的、常用的且满足行业标准的组件。图1说明了它是如何在PCB布局中工作的。

小外形集成电路(SOIC),轻薄小外形封装(TSSOP)和超薄小外形封装(VSSOP)是业界最常见的封装。因为有许多替代零件可以应用,所以这些包装可以成为很好的二次封装。本文重点介绍采用业界标准引脚封装(图2)的双放大器的PCB布局与双小型封装放大器(如小外形无引脚(SON)和小外形晶体管(SOT)封装)的关系。任何情况下,设计人员都可以将此方法用于任何通道数和包装中。

如何用小型封装放大器替代零件选项以及PCB布局常见的难题

SOIC封装布局

SOIC封装的焊盘之间的间距允许许多小型封装放大器安装在其间,这使得SOIC封装成为作辅助封装的绝佳选择。图3展示了SOIC封装工业标准的引脚内的SON和SOT小型封装放大器的双封装放大器的PCB布局。

设计人员可以通过执行从SOIC封装的引脚1至引脚8到小型封装放大器的引脚1至引脚8的程序,轻松复制该布局。但是,在使用SOIC封装和SOT封装时,设计人员应该考虑到一些限制和可能面临的制造方面的问题。

如何用小型封装放大器替代零件选项以及PCB布局常见的难题

TSSOP封装布局

尽管TSSOP封装和SOIC封装具有相似的优点,但TSSOP封装可在封装的焊盘之间提供更多空间。这些额外的空间允许在设计中使用更宽的小型封装放大器,并消除引入SOIC和SOT封装组合带来的限制和可能存在的制造问题。TSSOP封装还具有更小的外形尺寸,与SOIC封装相比,它将在PCB上占用更小的面积 - 这对于空间有限的PCB来说是它的一大优点。

图4展示了,工业标准引脚排列TSSOP封装内,适用于SON和SOT小外型封装放大器的双封装放大器的PCB布局。PCB布局与SOIC封装类似,TSSOP封装的引脚1至引脚8连接至小型封装放大器的引脚1至引脚8。

如何用小型封装放大器替代零件选项以及PCB布局常见的难题

VSSOP封装布局

VSSOP封装具有比TSSOP和SOIC封装更小的外形尺寸,使其成为用作替代零件的最小的公共次要封装选项。VSSOP封装在封装的焊盘之间没有太多间距,这减少了设计人员可使用VSSOP封装的小型封装器件的数量。然而,VSSOP封装仍然可以与SOT封装一起使用,因为这两种器件具有相同的间距,可使两个封装的焊盘对齐。

图5展示了VSSOP封装的工业标准引脚SON和SOT小型封装放大器的双封装放大器PCB布局。再次,VSSOP封装的引脚1至引脚8连接至小型封装放大器的引脚1至引脚8。

如何用小型封装放大器替代零件选项以及PCB布局常见的难题

制造和设计考虑

当包含二次封装时,需要考虑一些制造和设计效果。制造中的主要问题是二次封装垫与小型封装放大器封装垫之间的间距不足。焊盘之间的间隔不足导致缺少甚至没有阻焊层来填充两个覆盖区焊盘之间的空间。

在回流焊接过程中,缺少阻焊层会导致放大器移动和短路,或使器件引脚悬空。在器件的焊盘之间留出至少4mil的空间可以最大限度地减少这种情况的发生。4mil的空间是PCB制造商中常见的设计规则,并且它提供了足够的空间在两个器件焊盘之间放置阻焊膜。图6展示了如果没有保持适当的阻焊层间隙,器件在回流过程中可能会如何移动。

如何用小型封装放大器替代零件选项以及PCB布局常见的难题

设计人员还必须考虑的是,在PCB布局中使用二次封装可能会导致线路中的出现附加长度。例如,在最终产品中安装小型封装放大器时,必须将诸如去耦电容器和其他无源器件等组件放置在远离器件引脚的位置。若放置在器件引脚旁边时不放置去耦电容,很容易导致在嘈杂环境中耦合到器件中的噪声。除此之外,若将增益放大器的无源元件放置在远离小包装放大器的倒置销中,也会引起电路的噪声。图7展示了填充小型封装放大器时出现的附加走线长度。

结论

整个行业常用的SOIC、TSSOP和VSSOP封装具有符合行业标准的引脚排列可以为设计人员提供多种替代零件选项。SOIC封装提供了许多次级封装选项。由于封装足够大,可以被用于大多数小外型封装放大器。TSSOP封装在封装焊盘之间具有更多空间,因此可以使用更宽的小型封装放大器,并将潜在的制造问题降至最低。VSSOP封装具有最小的二次封装选项,这对空间有限的设计有益。

尽管修改PCB使之包含的二次封装不会减少总PCB面积,但它是为小型封装放大器提供第二来源以及降低最终产品成本的有效且简单的方法。

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