Einfacher Entwickeln Mit Einlötmodulen in die Zukunft

Immer mehr MCU-Designs wandern in Richtung SoC- oder CoM-Module, die in ein austauschbares Träger- oder Baseboard integriert werden. Um den steigenden Anforderungen gerecht zu werden, greifen Entwickler verstärkt auf Einlötmodule zurück.

Durch die gestiegenen Anforderungen an moderne Applikationen ersetzen oder ergänzen immer häufiger Mikroprozessor-Boards die klassischen Mikrocontroller-Schaltungen. Ein Grund ist der Bedarf an modernen Kommunikationsschnittstellen wie Ethernet, USB oder auch PCIe. Auch werden immer häufiger TFTs eingesetzt, die angesteuert und bedient werden wollen. Allerdings bringt der Einsatz von Prozessoren auch neue hohe Anforderungen im Hardwaredesign, in der Fertigung und bei der Softwareentwicklung mit sich. Zum Beispiel sind aktuelle Prozessoren der populären i.MX8-Serie im 14 × 14 mm2 FCBGA-Gehäuse (Flip Chip Ball Grid Array) eingebaut und werden mit bis zu 1,8 GHz getaktet. Für viele Entwickler bedeutet das eine Herausforderung an das Design, die nicht in absehbarer Zeit gelöst werden kann. Hier können Einlötmodule die Entwicklung entscheidend vereinfachen. Sie erlauben dem Kunden (Glyn), ein eigenes Baseboard in einer angemessenen Zeit zu konzeptionieren und zu fertigen. Darüber hinaus steht für sie meist eine umfangreiche Softwareunterstützung in Form eines BSPs (Board Support Package) zur Verfügung.

Die Vorteile von Löten nutzen

Da ein Lötmodul alle wesentlichen Funktionseinheiten auf einem Modul vereint, kann der Entwickler sich auf das applikationsspezifische Trägerboard konzentrieren. Zu den Kerneinheiten des Moduls zählen ein Prozessor, der Arbeitspeicher (RAM) sowie der Programmspeicher (Flash) und das Power Management. Dieses Kerndesign ist extrem aufwendig und nur auf Multilayer-PCBs mit mehr als zehn Lagen realisierbar. Das für Kunden zu entwickelnde Trägerboard kann dagegen in 2- bis 4-Lagentechnik erstellt werden. Es enthält neben dem Lötmodul alle weiteren erforderliche Bauteile wie Komponenten zur Stromversorgung, externe Steckverbinder und notwendige Peripheriebausteine.

Bei Einsatz eines Lötmoduls entsteht durch den Wegfall eines Steckverbinders ein deutlich geringerer Platzbedarf an Bauhöhe und Fläche. Der direkte Kontakt zur Trägerplatine führt zu einer erheblich geringeren Wärmeentwicklung, sodass auch Quadcore-Prozessoren in den meisten Fällen keinen extra Kühlkörper mehr benötigen. Diese Vorteile und die effizientere Herstellung solcher Module sparen an allen Ecken Kosten ein. Lediglich die Freiheit, ein Modul wechseln zu können oder gegen ein anderes auszutauschen, spricht für die klassischen Module im SO-DIMM-Package (Small Outline Dual Inline Memory Module). Wer also weiß, was er will, kann nur profitieren.

Die Integration von Einlötmodulen in das eigene Design lässt sich am Beispiel der neuen QS-Familie von Ka-Ro näher bringen. Die QS-Familie beinhaltet alle wichtigen Schnittstellen, unter anderem USB, Gigabit-Ethernet sowie viele serielle Schnittstellen. Zum Betrieb benötigen die Module lediglich eine 3.3-V-Spannungsversorgung.

Im Gegensatz zu anderen am Markt befindlichen Lötmodulen kommt die QS-Familie in einem QFN-Design (Quad Flat No Leads). Diese Bauform hat gegenüber anderen Lötmodulen, die meist als LGA (Land Grid Array) kommen, viele Vorteile. Zur Erklärung: Die Anschlusspunkte sind nicht kugelförmig ausgebildet wie beim BGA-Package, sondern als flache Anschlusskontakte. Beim LGA-System werden die Anschlüsse auf der Unterseite in Form eines schachbrettartigen Feldes von Kontaktflächen (englisch land) ausgeführt. Module die als LGA ausgeführt werden, müssen bei der Produktion zweimal durch die Reflow-Lötanlage – einmal zum Aufbringen der Bauteile und ein zweites Mal, um die flachen Anschlusskontakte zu verzinnen. Die bestückte Leiterplatte wird dabei jedes Mal stark erhitzt, sodass das in der Lotpaste enthaltene Lot schmilzt. Ein drittes Mal kommt hinzu, wenn das Modul später in der eigentlichen Applikation bestückt wird. Die Leiterplattenhersteller empfehlen allerdings Platinen nur maximal zweimal durch Reflowlöten zu erhitzen. Bei dem QFN-Design kann dieser Forderung nachgekommen werden, da es lediglich einmal bei der Herstellung durch die Reflow-Lötanlage geht und ein zweites Mal bei der Bestückung durch den Kunden.

Ein weiteres Problem kann durch das Eigengewicht der Baugruppen in LGA-Bauform beim Reflowlöten entstehen. Im Gegensatz zu BGA-Gehäusen, deren Anschlüsse als Kugel ausgebildet sind, kann es bei LGA-Gehäusen zum Zusammenpressen des Lotes kommen und somit zu Kurzschlüssen. Verhindert wird das, wenn man einen sogenannten Hard-Ball verwendet. Dabei wird eine kleine Kugel aufgelötet, die im Reflow-Prozess nicht schmilzt und als Abstandshalter dient. Bei dem QFN-Gehäuse kann das Lot lediglich nach außen gedrückt werden, hier wird dieser Fehler nicht auftreten.

Durch die kompakte Größe von lediglich 27 x 27 mm2 kann es mit dem Modul auch nicht so schnell zu mechanischen Fehlern bei der Bestückung kommen, denn je größer das Modul ist, desto stärker können sich Unebenheiten der Platinen auswirken – Wölbung und Verwindung. Ein weiterer, wesentlicher Vorteil ist, dass sämtliche Anschlüsse einfach messtechnisch, also mit einer Messspitze, erreicht werden können. Eine schnelle visuelle Prüfung ist möglich und reicht völlig aus. Dies ist bei LGA-Bauformen nicht möglich, da die Anschlusspunkte sich unter dem Modul befinden. Die Anschlüsse derartiger Komponenten entziehen sich sowohl der physikalischen Antastung, als auch der einfachen visuellen Überprüfung. Für die schnelle maschinelle Verarbeitung werden die Module auf einem Gurt geliefert.

EMV-Ansprüche an das Design

Ein durchdachtes Platinenlayout wird immer wichtiger, durch den Trend zu immer höher integrierten Schaltkreisen, kleinen Formfaktoren und geringerer Leistungsaufnahme. Je höher die Schaltfrequenzen sind, desto mehr Strahlung kann von einer Leiterplatte generiert werden. Mit einem guten Layout können viele EMV-Probleme minimiert werden, um die erforderlichen Spezifikationen zu erfüllen.

Wenn ein Modul oder eine Komponente verwendet wird, gibt der Lieferant die Grundlage für ein solches Layout an. Es ist nicht nur die Pinbelegung, die zu einer einfachen Verkabelung ohne Kreuzungen führen sollte. Es muss auch eine geeignete Lösung für den Signalweg zurück zum Modul bereitgestellt werden. Wenn dieser Rückweg, meistens die Masseebene, nicht in der Nähe des Signalstifts angeschlossen werden kann, muss der Rückstrom einen anderen Weg einschlagen, was zu einem Schleifenbereich führen kann. Je größer die Fläche, desto mehr Strahlungs- und EMV-Probleme können auftreten.

Darum verwenden Ka-Ro QSCOM-Module ein großes Groundpad auf der Unterseite. Damit steht für alle Signale eine definierte Masseverbindung zur Verfügung. Dieses große Erdungspad bietet nicht nur einen guten Rückweg für alle Signale, sondern dient, wie schon erwähnt, zur Wärmeableitung.

Zusätzlich ist das Erdungspad auf der Unterseite des QSCOM-Moduls in Abschnitte unterteilt, um die Zuverlässigkeit der Lötstelle, sowie die Selbstausrichtung des Bauteils zu verbessern.

Das optimierte Pinout ist so gestaltet, dass es direkte Verbindungen ohne Überkreuzungen der Leiterbahnen ermöglicht. Es befinden sich keine Anschlüsse für den Anwender unter dem Gehäuse, lediglich das zentrale GND-Pad – hierdurch stehen gleiche, kontrollierte Impedanzen an allen Anschlüssen des Moduls zur Verfügung. Dies ist die Grundlage für ein modernes Highspeed-Design. Hintergrund ist wieder, das Design der eigenen Basiskarte so einfach wie möglich zu halten.

 

Vorteile des direkten Einlötens

Die Verwendung eines großen Lötpads unter dem Bauteil hat nicht nur elektrische und thermische Vorteile. Es wird auch verwendet, um das Lötmodul während des Lötens auf einer definierten Höhe zu halten, ohne dass das Lot durch das Gewicht der Komponenten komprimiert wird, was zu Kurzschlüssen führen kann. Durch das direkte Auflöten erhöht sich die Betriebssicherheit in rauen Umgebungen. Weitere Kosten werden eingespart, da die Module automatisch bestückt und verlötet werden können. 

Die Module müssen nicht händisch eingesteckt werden oder eventuell verschraubt werden, auch das spart einen Arbeitsgang in der Produktion ein. Dank Single-Sided-Design der SOM‘s benötigen Entwickler damit keinerlei Fixierungspunkte, vorgefräste Löcher oder ähnliches auf Ihrer Grundplatine. Einer großen Serienproduktion steht somit nichts mehr im Weg.

 

Fazit

Einlötmodule gibt es schon länger, allerdings war es noch nie so einfach, diese in die eigene Schaltung zu integrieren wie mit der Ka-Ro QS-Familie. Auf Anschlüsse unter dem Modul wurde komplett verzichtet. Genauso wie auf Bauteile auf der Unterseite des Moduls. Besonders stand die einfache Integration der Module ins eigene Design im Mittelpunkt – ganz nach dem Motto »Easy to Use«. Zum schnellen Einstieg gibt es ein Evaluation Kit. Es dient gleichzeitig als Referenz und zeigt, wie einfach das Design eines Baseboards durch Verwendung der QSM-Familie ist. Ein einfaches, zwei- lagiges PCB reichte aus, um das Board mit dem QSMP-1570-Modul zu realisieren. Für höhere Ansprüche an die Performance gibt es ein weiteres Kit mit dem NXP basierenden Quad-Core-Modul QSQM-MQ00. EDT-Familienkonzept-TFTs lassen sich an dieses Kit ebenfalls einfach anbinden. Dank einheitlicher Schnittstelle kann man die Displays in den Größen von 3,5“ bis 7“ komfortabel untereinander austauschen. Zusätzlich gibt es das NXP-basierende Quad-Core Kit Q8SM-SVMQ.

Verlosung zum Produktstart

Für einen schnellen Einstieg haben unsere Leser die Chance zehn Exemplare des QSMP-SV57-Kits sowie drei Exemplare des QS8M-SVMQ-Kits von Glyn zu gewinnen. Zum Mitmachen einfach unter

www.glyn.de/karo registrieren.

Wir wünschen viel Glück!

 

Der Autor

Christoph Tenbergen

ist seit 2001 bei Glyn im Vertriebsbüro Nettetal tätig. Gestartet als Ingenieur in der technischen Kundenbetreuung hat er maßgeblich bei der Einführung der Produktgruppe Computer-on-Modules beim Distributor mitgewirkt. Seit 2016 betreut er diesen Bereich als Product Manager und sorgt für den stetigen Ausbau der technischen Expertise.