Second-Source-Optionen für Verstärker in kleinen Gehäusen

| Autor / Redakteur: Tim Claycomb * / Kristin Rinortner

Verstärker: Beispiel für eine Lösung für das Leiterplatten-Layout, wenn es bei einem Gehäuse keine Second Source gibt.
Verstärker: Beispiel für eine Lösung für das Leiterplatten-Layout, wenn es bei einem Gehäuse keine Second Source gibt. (Bild: Texas Instruments)

Neue Verstärker in kleinen Gehäusen sind oft nicht bei mehreren Herstellern verfügbar. Wir stellen eine Möglichkeit vor, wie Sie eine Second-Source-Option realisieren, für die es kein 1:1 pinkompatibles Ersatzprodukt gibt.

Die wachsende Nachfrage nach kostengünstigen Endprodukten zwingt Entwickler dazu, innovativ zu werden, um die Kosten für ihre Systeme zu verringern und gleichzeitig die gesetzten Leistungsparameter einzuhalten. So müssen sie zum Beispiel neben der Leistungsfähigkeit der Verstärker auch die die Kosten und die Gehäusegrößen im Blick behalten.

Bei kostengünstigen Designs spielt die Gehäusegröße eine große Rolle, da sich die verschiedenen Verstärkergehäuse unterschiedlich auf die Kosten des Systems auswirken können. Viele neue Bauelemente werden in kleinen Gehäusen angeboten. Ist ein Verstärker mit einem kleinen Gehäuse nicht bei mehreren Halbleiterherstellern lieferbar, schränkt dies zwangsläufig die Second-Sourcing-Optionen ein.

Um Komplikationen bei der Produktherstellung bei Lieferschwierigkeiten zu vermeiden, geht es häufig aber nicht ohne Zweitlieferanten. Tatsächlich kann das Fehlen einer zweiten Lieferquelle für den Hersteller des finalen Produkts hohe Kosten mit sich bringen, wenn der Halbleiterhersteller nicht die benötigten Stückzahlen liefern kann.

Der folgende Artikel beschreibt, wie sich eine Second-Source-Option für Verstärker in kleinen Gehäusen realisieren lässt, für die es kein 1:1 pinkompatibles Second-Source-Produkt gibt. In diesem Zusammenhang werden auch die möglichen Fertigungsprobleme sowie die Herausforderungen beim Leiterplatten-Layout angesprochen.

Modifikationen am Leiterplatten-Layout

Modifiziert man das Leiterplatten-Layout für einen Operationsverstärker, um zwei verschiedene Gehäuse-Grundflächen zu berücksichtigen, lässt sich die Option offen halten, einen zweiten Footprint nach Industriestandard zu nutzen (Bild 1).

Die gängigsten Gehäusebauformen sind SOIC (Small-Outline Integrated Circuit), TSSOP (Thin-Shrink Small-Outline Package) und VSSOP (Very-Thin-Shrink Small-Outline Package). Diese Bauformen bieten sich somit auch als Ersatz-Footprint an, da es für sie zahlreiche Zweitlieferanten gibt.

Der Beitrag konzentriert sich auf das Leiterplatten-Layout für zweikanalige Verstärker mit Anschlussbelegungen nach Industriestandard (Bild 2) und zweikanalige Verstärker in kleinen Gehäusen wie den Bauformen SON (Small-Outline No-Lead) und SOT (Small-Outline Transistor). Die beschriebene Methode kann allerdings auch auf Bausteine mit beliebig vielen Kanälen und beliebigen Gehäusen angewandt werden.

Anforderungen an Layout für das SOIC-Gehäuse

Der Pad-Abstand des SOIC-Footprints lässt es zu, zwischen den Pads viele Verstärker mit kleinem Gehäuse unterzubringen. Somit eignet das SOIC-Gehäuse hervorragend als Zweitvariante. Bild 3 zeigt Leiterplatten-Layouts für die Verwendung von SON- bzw. SOT-Gehäusen zusätzlich zum SOIC-Gehäuse.

Dieses Layout lässt sich einfach kopieren, indem man die Kontakte 1 bis 8 des SOIC-Gehäuses mit den Pins 1 bis 8 des kleinen Verstärkergehäuses verbindet. Allerdings gibt es gewisse Einschränkungen und mögliche Konsequenzen für die Fertigung, wenn das SOIC-Gehäuse zusammen mit dem SOT-Gehäuse eingesetzt werden soll.

Anforderungen an das Layout für das TSSOP-Gehäuse

Zwar weisen das TSSOP- und das SOIC-Gehäuse ähnliche Vorteile auf, jedoch bietet das TSSOP-Gehäuse mehr Platz zwischen den Pads der Grundfläche. Aus diesem Grund lassen sich breitere kleine Verstärkergehäuse einsetzen und außerdem entfallen einige Einschränkungen und mögliche Fertigungsprobleme, die bei der Kombination aus SOIC und SOT zu beachten sind. Da das TSSOP-Gehäuse darüber hinaus kleiner ist, wird weniger Fläche benötigt als für ein SOIC-Gehäuse – ein Vorteil für Leiterplatten mit beengten Platzverhältnissen.

In Bild 4 ist das Leiterplatten-Layout für kleine Verstärker im SON- und SOT-Gehäuse innerhalb der Grundfläche des TSSOP-Gehäuses dargestellt, das Standard ist. Das Layout hat Ähnlichkeit mit jenem für das SOIC-Gehäuse. Die Pins 1 bis 8 der TSSOP-Grundfläche werden mit den Kontakten 1 bis 8 der Grundfläche für das kleine Verstärkergehäuse verbunden.

Anforderungen an das Layout für das VSSOP-Gehäuse

Das VSSOP-Gehäuse ist kleiner als das SOIC- und das TSSOP-Gehäuse. Es ist damit die Minimal-Option für ein als Second Source in Frage kommendes Verstärkergehäuse. Beim VSSOP-Gehäuse ist weniger Platz zwischen den Pads des Footprints, sodass sich die Zahl der in Frage kommenden kleinen Verstärkergehäuse reduziert. Trotzdem kann das VSSOP-Gehäuse mit dem SOT-Gehäuse kombiniert werden, weil der Pin-Abstand bei beiden Bauformen identisch ist, sodass sich die Pads jeweils genau gegenüberliegen.

Bild 5 illustriert die Layouts für die Kombination der VSSOP-Grundfläche mit den Pads für das SON- und das SOT-Gehäuse. Wie schon zuvor, werden auch hier die Pins 1 bis 8 des VSSOP-Footprints mit den Kontakten 1 bis 8 der Grundfläche für das kleine Verstärkergehäuse verbunden.

Fertigungs- und Designaspekte bei zweiter Grundfläche

Bei der Einbeziehung einer sekundären Grundfläche sind einige Fertigungs- und Designaspekte zu beachten. Der wichtigste Faktor bei der Produktion ist ein unzureichender Abstand zwischen den Pads der sekundären Grundfläche und den Pads des Footprints für das kleine Verstärkergehäuse. Ein zu geringer Abstand könnte dazu führen, dass die Lötstoppmaske die Flächen zwischen den Pads beider Footprints nicht oder nur unzureichend ausfüllt. Dies wiederum könnte zur Folge haben, dass sich der Verstärker während des Reflow-Lötens verschiebt und ein Kurzschluss entsteht oder dass keine Verbindung zu den Pins des Bausteins hergestellt wird.

Wenn zwischen den Pads ein Abstand von mindestens 0,1 mm (4 mil) gelassen wird, lässt sich das Risiko solcher Vorkommnisse allerdings minimieren. Der Abstand von 0,1 mm entspricht der gängigen Designregel beim Leiterplatten-Layout und lässt zwischen zwei Pads genügend Platz für die Lötstoppmaske. In Bild 6 ist zu sehen, wie sich ein Baustein infolge des Reflow-Lötens verschiebt, wenn die nötigen Abstände für die Lötstoppmaske nicht eingehalten werden.

Der Entwickler muss ebenfalls beachten, dass sich durch die zweite Grundfläche im Leiterplatten-Layout die Leiterbahnlänge beim Routing erhöht. Dies führt beispielsweise dazu, dass Bauelemente wie etwa Entkoppel-Kondensatoren weiter vom Pin des Bausteins entfernt angeordnet werden müssen, wenn das finale Produkt mit dem kleinen Verstärkergehäuse bestückt wird.

Wenn sich die Entkoppel-Kondensatoren nicht unmittelbar neben dem jeweiligen Baustein befinden, kann es in Umgebungen mit hohem Störaufkommen passieren, dass Störgrößen in den Baustein einkoppeln. Ebenso ist es möglich, dass beim Platzieren verstärkungsbestimmender passiver Bauelemente in größerer Distanz zum invertierenden Anschluss des Verstärkers Störungen in die Schaltung gelangen. Bild 7 zeigt die Zunahme der Leiterbahnlänge, wenn ein Verstärker mit kleinem Gehäuse verwendet wird.

Fazit: Die in der Industrie vielfach eingesetzten Gehäusebauformen SOIC, TSSOP und VSSOP besitzen eine in der Industrie standardisierte Anschlussbelegung, was Enwicklern zahlreiche Second-Source-Optionen einräumt. Viele Second-Source-Möglichkeiten existieren beim SOIC-Gehäuse, dessen Footprint genügend Platz für die meisten kleinen Verstärkergehäuse bietet. Der größere Abstand zwischen den Pads der Grundfläche beim TSSOP-Gehäuse erlaubt die Verwendung kleiner Verstärkergehäuse von größerer Breite und minimiert potenzielle Fertigungsprobleme. Das VSSOP-Gehäuse bietet die kleinste Option für eine zweite Grundfläche und kommt damit Designs mit beengten Platzverhältnissen zugute.

Die insgesamt benötigte Leiterplattenfläche verringert sich durch einen sekundären Footprint zwar nicht, aber es handelt sich hier um eine ebenso effektive wie einfache Möglichkeit, eine zweite Lieferquelle für Verstärker in kleinen Gehäusen zu erschließen und so die Kosten für das finale Produkt zu senken.

* Tim Claycomb ist Applikationsingenieur General-Purpose-Verstärker bei Texas Instruments in Dallas / U.S.A.

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