Effektförbrukning i viloläge styr batterilivslängden

Transkript

1 DEL2 TEKNIK Nr 8 5 MAJ BRANSCHTIDNINGEN FÖR NORDENS ELEKTRONIKER RoHS: Märkningen är kass SID 42 Håll INLEDAREN ner effekten För ett par år sedan skiftade halvledarindustrin prioritet från prestanda till effektförbrukning. Orsaken var enkel. Nya halvledarprocesser gav inte längre automatiskt lägre effektförbrukning. Tvärtom gjorde ökade läckströmmar att effektförbrukning i vila blev en allt viktigare faktor. Samtidigt gav ökade klockfrekvenser stigande effektförbrukning i aktivt läge. Resultatet blev att vanliga PC-processorer ökade sin effektförbrukning från några få watt till runt 100 W. Det här har hittills inte varit lika uppenbart bland enkapseldatorer. Den främsta orsaken är att processgeometrierna normalt sett är betydligt mera konservativa och klockfrekvenserna relativt låga. Men utvecklingen går mot enkapseldatorer med snabbare och mera avancerade processorer och det ger ändrade förutsättningar. Därför är det viktigt att hålla tungan rätt i mun när man konstruerar med enkapseldatorer. Att välja en mera avancerad enkapseldator kan leda till kraftigt ökade läckströmmar och i många fall är läckströmmen totalt avgörande för den totala effektförbrukningen. I andra fall är den aktiva effektförbrukningen helt avgörande och då kan en mera avancerad processorkärna ge en lägre total effektförbrukning. Första artikeln i temat tar upp effektförbrukning ur många olika aspekter och visar vilka möjligheter som står till buds. Vi har den här gången också ett applikationsexempel som visar hur man kan bygga strömsnåla tillämpningar med enkapseldatorer. Författaren byggde en avancerad cykeldator och visar exempel både på hård- och mjukvarulösningar. GÖTE FAGERFJÄLL INNEHÅLL: Enkapseldatorer SID Effektförbrukning SID 25 Cykeldator SID 28 Åtta bit håller ställningarna SID 32 Byggsätt D-strukturer i keramik SID 34 Polymerminnen SID 36 Bygg tredimensionellt SID 38 Stackade chip SID 39 Kemi för elektronik SID 40 Minsta kapseln SID 41 E-nytt SID 42 Effektförbrukningen hos en enkapseldator beror på en rad parametrar, där läckströmmen i många fall är den viktigaste. Asmund Saetre och Arne Martin Holberg från Atmel går här igenom de olika faktorerna och pekar på fallgropar som är lätt att hamna i. På en MCU är effektförbrukningen produkten av driftspänningen (Vcc) och strömförbrukningen (Icc). Ändå är det ofta strömförbrukningen som hamnar i fokus när man beskriver effektegenskaperna hos ett chip. Det är ett misstag. En sänkning av driftspänningen medför en sänkning av strömförbrukningen och det allmänna effektuttaget och vice versa. För att hålla nere effektförbrukningen är det därför nödvändigt att systemets Vcc hålls så låg som möjligt. Strömförbrukningen hänger nära samman med systemets klockfrekvens. Denna påverkas i sin tur av ett antal olika faktorer, bl a enkapseldatorns omgivning och periferisats, arkitekturen samt instruktionsuppsättningen. Enkapseldatorer baserade på RISC-processorer exekverar vanligtvis en instruktion i en enda klockcykel. En del av dem delar faktiskt ned klockan innan CPUn matas. Ibland är det svårt att avgöra exakt vilken klockfrekvens som krävs för att exekvera målapplikationen. Utvecklare måste vara uppmärksamma på instruktionsuppsättningen och klocksystemet när de avläser siffrorna för strömförbrukning i datablad. Siffrorna kan nämligen vara vilseledande. Den aktiva effektförbrukningen ägnas stor uppmärksamhet och mäts med den något suspekta metriken ma/mhz. Denna metrik är inte väldefinierad och kan ibland inbegripa strömmen som dras av periferikretsarna, vilket medför en drastisk ökning av effektförbrukningen. Dessutom tar den ingen hänsyn till det faktum att de flesta system tillbringar en majoritet av tiden i någon form av viloläge. På system för t ex klimatkontroll och säkerhet befinner sig kontrollenheten och periferikretsarna i viloläge 99 procent av tiden. De vaknar endast till liv under några mikrosekunder då och då för att begära information från sensorer eller svara på en interrupt. Sedan återgår de till viloläge. I andra applikationer, som t ex nyckellösa låssystem, befinner sig enkapseldatorn i viloläge ännu större andel av tiden. Den vaknar endast till när någon trycker på en knapp och en interrupt skickas till processorn för att låsa upp eller starta bilen. Sedan stängs processorn av igen. Batterierna i sådana system förväntas ha en livslängd på flera år. Varje nanoampere har därför betydelse. I vissa fall kanske slutanvändaren inte ens inser att det finns ett batteri eller en processor över huvud taget. Det är till exempel tveksamt om särskilt många människor någonsin har funderat på att byta batteri i sin bilnyckel. Effektförbrukning i viloläge styr batterilivslängden Effektbudget. Faktum är att ett systems totala effektförbrukning många gånger närmar sig effektförbrukning i viloläge. En 8-bits ATmega165P picopower AVR enkapseldator förbrukar 340 µa i aktivt läge och 650 na i effektsparläge. Om denna enkapseldator ingår i ett system som vaknar upp i 10 µs varje sekund för att begära information av en periferikrets eller uppdatera sin RTC så innebär detta att den är aktiv en tusendel av tiden och i viloläge resten av tiden. Ett systems totala effektförbrukning är summan av den aktiva effektförbrukningen plus effektförbrukningen i energisparläge, enligt följande: Egenskaper hos BOD-moduler med noll effekt. TEMA: BYGGSÄTT SID ATmega 169Pkrets. 0,00001 x 340 µa = 0,0034 µa aktiv effektförbrukning + 0,99999 x 0,65 µa = 0,6500 µa effektförbrukning i effektsparläge eller = 0,6534 µa total effektförbrukning. Effektförbrukning i viloläge är det viktigaste värdet som utvecklaren måste forts på nästa sida

2 ENKAPSELDATORER Komponenter Effektförbrukning... forts från föregående sida beakta. De flesta enkapseldatorer har flera vilolägen: avstängning ( power down, PWD), effektsparläge ( power save, PS) och vänteläge ( idle ). I läget avstängning stängs allting ned, inklusive klockkällan. I effektsparläge stängs allt av förutom en 32 khz klocka som körs från en kristall och håller koll på tiden. Vänteläge är ett särskilt viloläge, i vilket endast delar av enheten stängs ned medan enkapseldatorns huvudsakliga delar förblir aktiva som vanligt. Flera olika vilolägen ger stor flexibilitet, eftersom man kan stänga ned de delar av en krets som inte är absolut nödvändiga för en viss funktion. Effekten som kan sparas beror på vilket läge som används. Med en matningsspänning på 1,8 V vid 1 MHz förbrukar Atmels ATmega165P 340 µa i aktivt läge, 150 µa i vänteläge, 0,65 µa i effektsparläge och futtiga 0,1 µa i läget avstängning. Vilket viloläge som används beror på applikationen. Nyckellösa låssystem kan stängas ned helt och hållet, eftersom de aktiveras av en extern interrupt (en knapptryckning). Ingen klocka behövs. I sådana lägen är läget avstängning den viktigaste parametern. En termostat eller ett säkerhetssystem behöver å andra sidan försättas i aktivt läge regelbundet för att begära information från periferikretsar. En majoritet av alla applikationer med viloläge hör till den senare kategorin. De behöver en realtidsklocka och en pålitlig mekanism för att upptäcka spänningsfall ( brown-out ) när processorn är i viloläge. När det gäller effektförbrukning finns det huvudsakligen fyra faktorer som måste tas med i beräkningen när man bedömer controllers för dessa applikationer: matningsspänning, detektor för spänningsfall ( brown-out detector, BOD), realtidsklocka samt strömförlust i viloläge. LÄCKSTRÖM - INGET ATT SKRATTA ÅT Moderna enkapseldatorer är baserade på digital CMOS-logik som i teorin endast förbrukar effekt när de logiska signalerna eller klocksignalerna växlas. En signal växlas när den övergår från 0 till 1 eller vice versa. Baserat på detta borde strömförbrukningen i viloläge vara lika med noll. I praktiken är det dock lite mer komplicerat. Trots att effektförbrukningen i viloläge är nära noll kan strömförlust och aktiva periferikretsar innebära att en hel del effekt förbrukas. Strömförlust är en direkt funktion av processteknologin och den motsvarar ungefär effekten som förbrukas i läget avstängning. Strömförlust tär ständigt på batteriet, även i de djupaste vilolägena. Egenskaper hos BOD-moduler i viloläge. Principen för klockavstängning. Strömförlust är ett gott skäl till att undvika 32-bits enkapseldatorer, även sådana som påstås vara effektsnåla. De 32-bits enkapseldatorer som har prissatts för att konkurrera på 8-bitsmarknaden kan hållas på en låg prisnivå eftersom man använder väldigt aggressiva processteknologier med 0,18 eller t o m 0,15 µm CMOS. 8-bits enkapseldatorer tillverkas vanligen med mer konservativa processer. Ofta används multipla processer. 8-bits AVRprocessorer tillverkas t ex med flera olika processteknologier med ett genomsnitt på 0,35 µm. Aggressivare processer har högre strömförlust än de mer konservativa processorerna. Ett chip som tillverkats med en 0,18 µm processteknologi kan ha en strömförlust på 800 na, medan ett som tillverkats med en 0,15 µm-process kan öka förlusten till 1000 na eller mer. ATmega165P har 8 bits bredd, är tillverkad med en 0,35 µm-process och har en strömförlust på endast 100 na. Detta kan innebära en skillnad mellan att byta batteri varje år och att byta batteri vart tionde år. I en applikation som mestadels befinner sig i viloläge skall enkapseldatorn inte förbruka mer än 100 na i läget avstängning. Eftersom effektförbrukningen är produkten av den förbrukade strömmen gånger matningsspänngen och eftersom strömmen alltid ökar när spänningen ökar så är matningsspänningen kritisk när det handlar om att minimera effektförbrukningen. Trots att många enkapseldatorer påstås drivas av 1,8 V i reklamen så kan de kräva högre matningsspänning för vissa aktiviteter. Till exempel kan vissa enkapseldatorer som påstås drivas av 1,8 V kräva så hög spänning som 2,2 V för att analoga moduler skall fungera korrekt eller för att det skall gå att skriva till flashminnet. Andra enkapseldatorer, t ex AVR-enkapseldatorer, kan hålla höga analoga prestanda och skriva till flashminnet med 1,8 V. Om målsystemet ofta behöver skriva till ickeflyktiga minnen (NVMminnen) eller är beroende av analoga moduler, som t ex ADCmoduler eller spänningsdetektorer, måste utvecklaren verifiera att specifikationen 1,8 V gäller för alla operationer. 26 ELEKTRONIK I NORDEN 8/2006

3 ENKAPSELDATORER Forts nästa sida BOD ( Brown-out detection ) behövs vanligtvis för att säkerställa att systemet stängs ned innan matningsspänningen sjunker under en viss tröskel. Om enkapseldatorn tillåts arbeta vid en spänning som är lägre än den lägsta driftspänningen kommer den att bete sig oförutsägbart. Detta kan resultera i att kod exekveras fel och medföra korruption i NVM-minnet, vilket kan skada applikationen. Det är därför nödvändigt att matningsspänningen övervakas och att systemet stängs ned korrekt innan matningsspänningen sjunker för lågt. Om ett chip inte kan fungera pålitligt under 1,8 V så måste man stänga av det och spara dess tillstånd innan matningsspänningen sjunker under 1,8 V. Om det inte kan skriva till flashminnet under 2,2 V så skall man stänga av det och spara dess tillstånd innan matningsspänningen sjunker under 2,2 V. När det gäller enheter med låg effekt ger kravet på BOD upphov till två problem. Det ena är BOD-modulernas effektförbrukning och det andra är hur exakta och pålitliga de är. Detektionen av brown-out sköts av analoga moduler som av naturen kräver ström för att fungera ordentligt. Det är lite problematiskt. Oavsett hur det hanteras så måste BOD-modulerna garantera att det finns tillräcklig kapacitet för att enheten skall fortsätta att fungera korrekt. I de flesta enkapseldatorer innebär detta att BOD-modulerna hålls aktiva i viloläge. Problemet är bara att BOD-modulerna förbrukar effekt och därmed faktiskt blir en primär källa till effektförbrukningen i viloläge. En vanlig lösning på det här problemet är att använda BODmoduler med noll effekt som förbrukar så lite som några få na och är aktiva i viloläge. Med den här lösningen kan man hålla effektförbrukningen nere samtidigt som man skyddar enkapseldatorn. BOD-moduler med noll effekt är kanttriggade och har ofta detektionströsklar som är lägre än dem som behövs för att chipet skall fungera. Vissa BOD-moduler med noll effekt som används i enkapseldatorer som kräver 1,8 V för att fungera och 2,2 V för att skriva till flashminnet triggas t ex vid endast 1,4 V och kräver upp till 10 ms för att svara. Det är tydligt att detektionströskeln på sådana BOD-moduler inte är tillräckligt känslig och att deras svarstid är för långsam för många applikationer. Det är inte ovanligt att chipets återförsäljare rekommenderar att man använder externa BOD-moduler. När det gäller BOD-modulerna på MCUn kan man förbättra prestanda genom att öka strömmen. Den här lösningen kan dock öka effektförbrukningen i viloläge till oacceptabla nivåer. Tänk dig till exempel att du vill låsa upp din Konstruktion med och utan automatisk klocknedstängning. bil, men märker att nyckeln inte fungerar eftersom batteriet har tagit slut. Om effektförbrukningen i viloläge ökas med så lite som 20 eller 30 µa kommer batteriets livslängd att minska med flera år på vissa applikationer. En bättre lösning är att förse BOD-modulerna med tillräckligt mycket ström för att säkerställa exakthet och spara effekt genom att stänga av dem helt och hållet när systemet går in i viloläge. Den metoden används i Atmels picopower AVR-enkapseldatorer. BOD-modulerna fungerar korrekt samtidigt som man eliminerar deras effektförbrukning i viloläge. Enkapseldatorns kretsar startar alltid om BOD-modulerna och kontrollerar matningsspänningen innan resten av enkapseldatorn startas om. Om matningsspänningen är lägre än tröskeln kommer BOD-modulerna att starta om enheten. KONTROLLERA TIMERNS EXAKTHET OCH EFFEKTFÖRBRUKNING Många system som mestadels befinner sig i viloläge måste regelbundet väckas upp för att begära information eller genomföra andra uppgifter. Till sådana system hör bl a system för klimatkontroll och säkerhetssystem. För att de skall fungera korrekt måste en realtidsklocka (RTC) alltid vara aktiv och fungera exakt. Om enkapseldatorn skall kunna begära information från sensorerna varje sekund måste den självfallet förstå hur lång en sekund är. Generellt sett kan man säga att det finns två sätt att väcka enkapseldatorn med timern. Antingen använder man en RTC eller en oscillator med mycket låg effekt (s k VLO, very low power oscillator ). Skillnaden ligger huvudsakligen i exaktheten. En RTC möjliggör stor precision på grund av den mycket exakta oscillatorn på 32 khz. En VLO är däremot mycket oexakt och lämpar sig inte för att hålla tiden när man behöver kritisk timing. Enkapseldatorn i ett system som måste väckas med timer bör helst ha en kristalloscillator med låg effekt. VLO-oscillatorer är inte lika exakta. K LO C K AV S T Ä N G N I N G Växlingsfrekvensen för en enhet kan ses som antalet portar som måste växlas för att utföra en viss uppgift. Detta antal kan minskas genom att man minimerar både antalet portar och antalet gånger varje port måste växla. För att minska växlingsfrekvensen används klockavstängning (s k clock gating ). En klocksignal kan stoppas med hjälp av ett pulselement. Varje klockdistribution eller klockdomän som stoppas är frusen och förbrukar ingen effekt. Ett pulselement måste kunna hantera eventuella oregelbundenheter i klocksignalen. I en AVR-enkapseldator finns tre nivåer av klockavstängning. Den första nivån är vilolägena som alltid har funnits i enkapseldatorer från AVR. Vilolägena gör om klockdistributionen till en funktionsgrupp. På så sätt möjliggörs olika nivåer av vila och funktionalitet. I vänteläge stängs klockdomänerna för CPUn och flashklockan ned, medan periferikretsarna och avbrottssystemet förblir aktiva. I läget för ADCbrusreducering tillåts ADCn att förbli aktiv medan de flesta perifera klockdomänerna samt klockdomänerna för CPUn och flashklockan stängs ned. I läget avstängning stängs alla AVR-klockdomäner ned. Endast aktiverad asynkron drift tillåts och den externa oscillatorn stoppas. Effektsparläge är likvärdigt med läget avstängning, med ett undantag: den asynkrona timern fungerar när den aktiveras. Standby-läge fungerar som avstängning med undantaget att huvudoscillatorn förblir aktiv. Utökat standby-läge fungerar som effektsparläge, med undantaget att huvudoscillatorn förblir aktiv. Svarstiden vid uppvaknande från viloläge är endast sex klockcykler när den interna RC-oscillatorn eller en extern klocka väljs som klockkälla. Effektförbrukningen under uppvaknandet är lägre än i vänteläge. Detta innebär att en AVR kan vakna upp från viloläge och återvända till viloläge igen med extremt låg energiförbrukning. Mycket kort tid tillbringas med uppvaknandet och i aktivt läge. Den andra nivån av clock gating är effektminskningsregistret (PRR, power reduction register ). Många perifera moduler används endast under korta perioder och ibland inte alls. Effektminskningsregistret innehåller kontrollbitar för deaktivering av periferimoduler som inte används. Hela klockdistributionen till den deaktiverade periferimodulen stängs ned. Detta är mer kraftfullt än att endast deaktivera modulen med dess deaktiveringsbit, eftersom även modulens IOregister deaktiveras med PRR. Effektminskningsregistret kontrolleras av programvara som låter användaren sätta på och stänga av periferimoduler när som helst. Det nuvarande tillståndet är fruset och alla I/O-register är otillgängliga när periferimodulen deaktiveras av effektminskningsregistret. När periferimodulen aktiveras på nytt så fortsätter den i samma tillstånd som före den deaktiverades. Deaktivering av en periferimodul medför en minskning med 5 till 10 procent av den totala effektförbrukningen i aktivt läge och 10 till 20 procent av den totala effektförbrukningen i vänteläge. Den tredje nivån av clock gating är automatisk klocknedstängning. I modeller som helt saknar klocknedstängning uppdateras alla register varje klockcykel. Om ingenting har ändrats så uppdateras registret med dess tidigare tillstånd, vilket medför onödig effektförbrukning. Med automatisk klocknedstängning (eller klocknedstängning i flera nivåer) släpps endast klockan igenom när en uppdatering är nödvändig (dvs när ett värde har ändrats). Snarare än att registret uppdateras med det tidigare tillståndet stängs klockan ned. KLOCKSYSTEM MED EN FAS I många enkapseldatorer utgörs en stor del av den totala effektförbrukningen av effektförbrukning i klockdistributionen. Processorer ELEKTRONIK I NORDEN 8/

4 ENKAPSELDATORER Komponenter Effektförbrukning... forts från föregående sida i applikationer med låg effekt bör ha ett klocksystem med en fas. Detta leder till lägre effektförbrukning än i ett klocksystem med två faser. När det handlar om applikationer med ultralåg effekt bör utvecklaren fokusera på effektförbrukning i viloläge vid valet av enkapseldator. Man måste titta särskilt noga på strömmen som förbrukas av realtidsklockor, kretsar för detektion av brown-out samt läckström. Dock får man inte kompromissa exaktheten i timers/räknare och analoga moduler för att uppnå en lång batterilivslängd. Genom att stänga av BOD-modulerna i viloläge och använda kristalloscillatorer med låg effekt kan man erhålla både exakthet och låg effektförbrukning i viloläge. Dessutom måste man komma ihåg att matningsspänning är en viktig del av ekvationen när det handlar om effektförbrukning. Man måste säkerställa att driftspänningen i specifikationen avser driftspänningen för alla enkapseldatorns aktiviteter, inklusive att behandla data och skriva till flashminnet. Slutligen kan man konstatera att man, om man inte absolut behöver bredare instruktionsord och extra MIPS, bör hålla sig till en 8-bitsprocessor med låg läckström. Mindre processgeometrier innebär extra läckström, vilket kan minska batterilivslängden i slutprodukten med flera år. ASMUND SAETRE, MARKNADSCHEF AVR, ARNE MARTIN HOLBERG, SENIOR DESIGNER AVR, ATMEL Jag byggde en cykeldator med MAXQ2000 Kris Ardis är programutvecklare vid Dallas Semiconductor, men också inbiten cyklist. Han utgår här från sitt cykelintresse och beskriver en komplett enkapseldatortillämpning från ax till limpa. Många människor känner inte till det, men jag har tränat för Tour de France. Och liksom en annan lite mer berömd Texasbo kanske jag vinner en dag. Den andra Texasbon har visserligen styrkan, beslutsamheten, modet, djärvheten och uthålligheten som krävs för att ta sig an de hemska backarna i franska Alperna, men jag har något annat som han inte har ännu. Jag har enkapseldatorn MAXQ2000. MAXQ2000 är första medlemmen i Dallas Semiconductors MAXQ-familj med enkapseldatorer - snabba, brusfria, strömsnåla enkapseldatorer för inbyggda applikationer. MAXQ2000 har LCD-styrning, SPI-port, realtidsklocka, två UART-kretsar, en multipliceringsdel och tillräckligt med in- och utgångar för hantering av många uppgifter. Den har också en kärna för singelcykler och strömsnåla lägen som gör att den kan utföra mycket arbete på kort tid med mycket låg strömförbrukning. Men exakt hur kan en enkapseldator hjälpa mig att vinna Tour de France? HÅRD TRÄNING Jag består av två delar - en del som vill ut och träna och en mer teknisk som hellre vill bygga prylar som jag kan använda för att förbättra träningen. Med Tour de France som mål beslutade jag att använda MAXQ2000 för att bygga en batteridriven cykelmonitor. För att förbättra prestationen på cykeln behöver jag hastighetsmätare, klocka, termometer, hygrometer, pulsräknare och stoppur. MAXQ2000 innehåller allt som behövs för att lösa dessa problem. LCD-styrningen i MAXQ2000 hanterar upp till 132 segment, vilket är avsevärt mer än jag behöver för displayen i det här fallet [1]. Jag kan använda realtidsklockan i MAXQ2000 för att hålla reda på aktuell tid och driva mitt stoppur. En DS1923 Hygrochron ibutton tar hand om mätningarna av luftfuktighet och temperatur [2]. De två återstående funktionerna Cykelmonitorns kretskort. På baksidan finns en entrådshållare för DS1923, en hållare för tre AA-batterier och anslutningsstift för DS mätningen av cykelns hastighet och min egen hjärtrytm - är lite mer intressanta (och besvärliga). När det gäller hastighetsmätningen väljer jag att använda en stark magnet och en entrådsräknare av typ DS2423. Magneten fäster jag på cykelns hjul så att den aktiverar räknaren i DS2423 för varje varv hjulet roterar. Hastighetsberäkningen är sedan enkel matematik om jag kommer ihåg rätt från skolan [3]. Övervakningen av hjärtrytmen är sista hindret innan jag kastar mig över konstruktionen. Jag har en hjärtmonitor av typ Polar Evaluation Kit har alla hjälpmedel som behövs för att bygga en prototyp av cykelmonitorn. F1 som jag spänner fast runt bröstkorgen. Den har en klocka för övervakning av hjärtrytmen, men det är roligare att bygga in en övervakningen i applikationen. Efter lite forskning upptäcker jag att Polar-sändaren avger korta pulser på 5 khz för varje hjärt- Lista 1. Huvudmenykoden för cykelmonitorn. För att spara ström utförs sensoravläsningarna endast när det är nödvändigt. MAXQ är en ny enkapseldator med 16-bits RISC-arkitektur från Dallas Semiconductor. Den starkt ortogonala uppbyggnaden gör att nästan alla instruktioner kan exekveras med en singelcykel. Arkitekturen ger bra prestanda, låg strömförbrukning och lite elektriskt brus. Den är också mycket modulvänlig: kringkretsar till MAXQ i form av timers, I/O-delar och analoga komponenter är konstruerade för snabb och enkel samverkan med nya MAXQ enkapseldatorer. Stöd för felsökning på maskinvara gör det möjligt att felsöka på källkod till verklig maskinvara utan hjälp av dyra emulatorer. MAXQ stöds av verktyg som IAR Embedded Workbench, Phytons Project MQ och Rowleys CrossWorks. 28 ELEKTRONIK I NORDEN 8/2006

5 Tabell 1. Tabellen bestämmer hur applikationens menysystem fungerar, samt vilka funktioner knapparna skall svara för. slag, och de kan fångas upp med en spole. Några förstärkarsteg kan filtrera och förstärka signalen till något som jag kan ta emot med enkapseldatorn [4]. I och med att jag beslutat att konstruera en något mer avancerad applikation var det nu dags att bygga en prototyp med hjälp av MAXQ2000 Evaluation Kit. KONSTRUKTIONEN PLANERAS MAXQ2000 Evaluation Kit är en bra start för prototyparbetet - den innehåller maskinvara så att jag kan koda och testa många av cykelmonitorns funktioner. Den innehåller en 4-1/2 7-segments LCD-display, två tryckknappar och alla kontaktdon jag behöver för att ansluta Hygrochron, DS2423 och hjärtmonitorn. När jag byggt prototypen kan jag göra ett eget kretskort ett som passar till cykelns styrstång. Lista 2. Pseudokod för huvudslingan. Sensorerna avläses och applikationen återgår till vila. Displayfunktionerna som anropas vid aktivering visar sensordata. Lista 3. Programvarukittet som håller ihop stoppuret. Den svåra delen hanteras här: om användaren tar en mellantid måste vi ackumulera tiden eftersom vi inte vill stoppa realtidsklockan. Eftersom den här applikationen är batteridriven måste jag tänka på strömförbrukningen när jag konstruerar den. Där det är möjligt skall jag använda det strömsnåla stoppläget hos MAXQ2000 för att spara batteriet och sedan använda tryckknappar (externa avbrottssignaler) eller en realtidsklocka för att starta igen. Jag vill att applikationen skall vara menystyrd. En tryckknapp kan användas för att välja driftläge (hastighet, temperatur, klocka) och de andra tryckknapparna kan användas för ytterligare funktioner, till exempel att starta och stoppa stoppuret. Driftläget lagras i en global variabel som gör att menydelen blir enkel. Den behöver bara aktiveras, ändra driftläge, visa nya data och återgå till vila. Detta går fort, så det är ganska strömsnålt. Det som förbrukar ström är sensoravläsningarna. I den här applikationen finns flera sensorer: för temperaturen och luftfuktigheten, för hastigheten och för hjärtrytmen. En temperatur- eller fuktighetsomvandling tar 750 ms, vilket är en strömkrävande operation som jag vill undvika så mycket som möjligt. Jag kan klara mig med en temperaturoch fuktighetsomvandling var femte sekund. Hastighetsavläsningen tar mycket mindre tid, men är intressant ur konstruktionssynpunkt. Vi mäter egentligen inte hastighet - vi mäter antalet hela hjulvarv under en viss tid. Eftersom vi inte vet exakt när magneten passerar DS2423 kan vi inte bara använda tiden mellan hjulvarven. I stället skall vår algoritm hålla reda på några sekunders ingångspulser och beräkna medelvärdet för dessa. Vår cykelmonitor reagerar inte direkt på hastighetsändringar, men bör ge ett exakt besked om vår medelhastighet. TRÄNINGSRUNDOR Innan jag börjar skriva koden skapar jag menysystemet - vilka funktioner de olika knapparna skall ha. Första knappen växlar mellan olika lägen (temperatur, hastighet osv). De återstående knapparna används för alternativ inom varje läge. Den här tabellen hjälper mig inte bara att skapa en lista över alla funktioner som skall kodas, utan visar också hur många tryckknappar mitt kretskort behöver. Eftersom MAXQ2000 Evaluation Kit innehåller två tryckknappar kan jag skapa en prototyp med de flesta av de aktuella funktionerna innan jag börjar arbeta med maskinvaran. Jag börjar arbetet med koden med att lägga in huvudmenyslingan. Det viktigaste i arbetet med den här koden är att ändra variabeln application_mode och funktionsanropet Display(), som visar tiden, temperaturen eller andra data på displayen. Resten av koden i menyhanteringen åstadkommer vissa strömbesparingar - flaggorna dotemperature, dohumidity och docounter indikerar om programmet skall avläsa sensorerna när det aktiveras. Annars hoppar det över dessa operationer så att enkapseldatorn kan återgå till vila snabbare. Vilotiden ställs också in från avbrottssignalen. Om kretsen befinner sig i stoppursläget måste den uppdatera displayen så ofta att tiondelarna av en sekund visas på rätt sätt. Funktionen Display() är beroende av driftläget. Den anropar lämplig funktion för visning av GENE-5312 AMD Geode GX Series Processor Onboard AMD Geode GX 466/500(Optional)/533 Series Processor 18/24-bit TTL TFT LCD, 24-bit TTL/ LVDS Supports DDR Memory Supports Type II CompactFlash Supports Type III Mini PCI & PC/104 2 COM/ 2 USB/ Digital I/O +5V Only Operation Science Park Eindhoven EA Son, Netherlands Tel: +31-(0) Fax: +31-(0) saleseurope@aaeon.com URL: ENKAPSELDATORER Forts nästa sida data på displayen. Om apparaten exempelvis befinner sig fuktighetsläget, anropas funktionen showhumidity(). Funktioner av typen showhumidity() som anropas av Display() är små och snabba - de tar helt enkelt några ingångsdata (en temperatur eller aktuell tid) och formar dem till något som kan visas på displayen. Att skriva data till den LCDdisplay vi har valt är enkelt. Varje tecken på displayen styrs av ett LCD-register i MAXQ2000. LCD-styrenheten genererar vanliga segmentsignaler i bakgrunden Application: Handheld Computer, Industrial Control Box, Gaming Machine GENE-1270 Intel XScale PXA270 Processor PFM-550S Onboard VIA Mark Processor Intel XScale PXA270 Processor 312 to 520MHz Windows CE COM/ 1 USB 1.1 Host/ 1 USB Client/ Digital I/O Supports CompactFlash / SDIO for Expansion Application: Handheld Computer, Industrial Control Box, Gaming Machine Supports 18-bit TTL & 18/36-bit LVDS TFT LCD 2 COM / 4 USB Ports 10/100Base-TX Fast Ethernet Supports Type I CompactFlash PC/104 Plus Expansion Bus +5V Only Operation Application: GamingVehicle Computer, Industrial Control Box ELEKTRONIK I NORDEN 8/ ANI-AETNor-99x indd /4/20 下 午 02:20:00

6 ENKAPSELDATORER Komponenter Entrådsräknare kopplad till ett tungelement. När en magnet passerar, sluts tungelementet kortvarigt så att DS2423 räknar upp ett steg. Jag byggde... forts från föregående sida så att programvaran bara behöver lägga in ett värde i ett LCD-register för att en siffra skall visas. Funktionen lcd_getlcddigit söker fram rätt konstant för inladdning i LCD-registret med ledning av ingångsnumret. // visa siffran 5 på andra LCDpositionen LCD2 = lcd_getlcddigit(5); Nu när har jag ett fungerande menysystem kan jag börja titta på applikationens delar. Programflödet för huvudslingan visas i lista 2. Det är här MAXQ2000 övervakar sin miljö - mäter temperaturen, luftfuktigheten och hjulvarven. Huvudslingan ansvarar också för studsskyddet på tryckknapparna - den stänger av externa avbrott och går till vila under ett par hundra millisekunder innan den startar på nytt och kopplar in tryckknapparna igen. Efter studsskyddsrutinen bestämmer koden vilka sensorer som behöver avläsas. Resultaten av dessa avläsningar lagras på globala dataplatser så att funktionen Display() kan använda dem. Efter sensoravläsningarna återgår MAXQ2000 till det strömsnåla viloläget där den kan väckas med en avbrottssignal från en tryckknapp eller realtidsklockan. Avbrottssignalen från realtidsklockan är cykelmonitorns puls: det är det normala sättet att få funktionen Display() att uppdatera displayen. När realtidsklockans avbrottsrutin är klar, återgår MAXQ2000 till huvudslingan, startar eventuella sensoravläsningar och återgår till viloläget för att vänta på nästa avbrottssignal från klockan. Hjärtmonitorns sensor. Paret med spole och kondensator stäms av för signaler på 5 khz. Operationsförstärkarna förstärker och filtrerar signalen. Jag har använt MAX4483 i min prototypkrets. När menysystemet, klockfunktionen och huvudslingan har kodats är huvuddelen av applikationens programvara färdig. Eftersom vi fortfarande arbetar med MAXQ2000 Evaluation Kit kan vi nu börja fylla igen hålen i applikationen. Ett av de första hålen som behöver fyllas igen rör mätningen av temperatur och luftfuktighet. DS1923 klarar bägge - dess ibutton-kapsel innehåller både en temperatursensor och en fuktighetssensor. För inkoppling av DS1923 använder vi den allmänna satsen 1-Wire som har en öppen samling rutiner för kommunikation med ibuttons och andra entrådskretsar [5]. Eftersom mätningarna med DS1923 tar 750 ms och vi vill spara ström, utför vi dem bara ibland. Vi mäter en gång när temperatur- eller fuktighetsläget kopplas in och sedan var femte sekund medan detta läge är inkopplat. MAXQ2000 gör det också lätt att åstadkomma visning av tiden. Den inbyggda realtidsklockan samlar antalet sekunder i en 32-bits räknare med 8-bits delsekundsupplösning. Vid tillslag ställs realtidsklockans räknare på noll. För att beräkna tid på dagen, dividerar applikationen helt enkelt antalet sekunder med 60 så att den får fram hur många 30 ELEKTRONIK I NORDEN 8/2006

7 ENKAPSELDATORER Forts nästa sida minuter som har gått, varefter den dividerar antalet minuter med 60 för att få fram hur många timmar som har gått. Värdena reduceras sedan med modulo 60 respektive 24 så att tid på dagen erhålls. Tryckknappar används för att ställa in aktuell tid - vilket också är en enkel operation genom att realtidsklockan i MAXQ2000 kan ställas in med programvaran. För att lägga till en timme eller en minut adderas rätt antal sekunder till realtidsklockans räknare. STOPPUR Att skapa ett stoppur är lite svårare - det skulle vara fint att kunna använda realtidsklockan för denna funktion eftersom den redan finns. Men vi måste också kunna starta och stoppa stoppuret när vi vill, och vi kan inte starta och stoppa realtidsklockan. En möjlig lösning är att använda en av de tre timerfunktionerna i MAXQ2000, som är inställda att generera avbrottssignaler varje 100 ms för uppdatering av displayen. I stället för att införa ytterligare en avbrottssignal i systemet väljer jag dock att bygga upp stoppuret med en mer programorienterad metod. Ett stoppur är inget annat än en tidsackumulator. Ett enkelt stoppur kommer bara ihåg när det startades, varefter det kontinuerligt visar förfluten tid. Problemet blir lite besvärligare för ett stoppur som skall ta mellantider eftersom förfluten tid sedan starten inte längre kan användas då. Arbete med ackumulerad tid löser dock detta problem. När stoppuret startas på noll, ställer vi in variabeln start time till den tid som anges av realtidsklockan, och vi ställer in accumulated time till 0. När realtidsklockans avbrottssignal kommer, uppdaterar vi variabeln current time endast om stoppuret är igång, och vi visar skillnaden mellan vår aktuella tid och den registrerade starttiden. Om vi stoppar stoppuret, ställer vi in den ackumulerade tiden till skillnaden mellan starttiden och aktuell tid, varefter vi ställer in både starttiden och aktuell tid till 0. När stoppuret startas på nytt, ställer vi åter in starttiden till realtidsklockans aktuella tid så att stoppuret går som tidigare. Skillnaden är att när vi visar förfluten tid, lägger vi också till den ackumulerade tiden. Koden i lista 3 visar logiken när timern startas eller stoppas. HASTIGHETSMÄTNING För att mäta hastigheten behöver vi lite specialteknik. En liten krets med en DS2423 och ett tungelement måste monteras intill framhjulet så att magneten på hjulet passerar sensorn varje varv. Kretsen bygger på samma princip som Dallas Semiconductors gamla väderstation för mätning av vindhastigheter: en magnet passerar ett tungelement och sluter en kontakt som får DS2423 att stega en intern räknare. Fig 2 visar denna krets. Eftersom vi redan använder en kod från den allmänna satsen för att kommunicera med DS1923 Hygrochron kan vi också använda kod från denna sats för att avläsa räknaren i DS2423. Den här delen av applikationen var svårast att skapa för en person som anser sig vara programmerare - jag måste övervinna min motvilja mot operationsförstärkare. Sändaren i min Polar hjärtmonitor avger en kortvarig magnetisk signal på 5 khz varje gång en spänning uppkommer över dess elektroder (dvs för varje hjärtslag). För att fånga upp denna signal använder jag en spole och en kondensator som är avstämda till 5 khz. Men signalens amplitud är tyvärr endast cirka 10 mv. Jag skulle vilja koppla denna signal till en extern avbrottssignal så att jag inte behöver sampla den externa hjärtmonitorn. För att komma från 10 mv till 3,6 V låter jag signalen passera flera filtrerande och förstärkande steg med operationsförstärkare innan den kopplas till en enkel komparator. När kretsen avkänner ett hjärtslag uppstår flera kortvariga pulser från 0 till 3,6 V under ungefär 5 ms. Eftersom detta är kopplat till en extern avbrottssignal räcker det att jag i programvaran registrerar tidpunkten för hjärtslaget. Eftersom detta tar mindre än pulslängden på 5 ms måste jag också tillfälligt stänga av signalen så att jag inte detekterar någon av de efterföljande pulserna [6] [7]. Ännu har jag inte gjort något där MAXQ2000 Evaluation Kit egentligen har begränsat mig. Nu är jag dock redo att sätta ihop systemet inför min resa till Frankrike och då behöver jag mer lätthanterlig maskinvara. Mitt kretskort är egentligen en förminskad version av MAXQ2000 Evaluation Kit - det har samma LCD-display och spänningsregulatorer. Många oanvända delar har tagits bort från konstruktionen, men några delar har också lagts till: skruvhål för ett batteripack, två extra tryckknappar och några extra kontaktdon. Jag var tvungen att tänka på ett par saker när jag utformade krets- ELEKTRONIK I NORDEN 8/

8 ENKAPSELDATORER Komponenter Jag byggde... forts från föregående sida kortet. En var kretskortets storlek: jag visste att det måste vara litet, så att det var enkelt att montera på cykelns styrstång. En annan sak var placeringen av entrådskontakterna. Den idealiska platsen för ibutton-hållaren (för Hygrochron) är på kretskortets baksida, eftersom den sällan behöver bytas ut. Jag måste dock använda ett par extra stift för anslutning av DS2423, som sitter en bra bit nedanför huvudkretskortet. Dessa stift finns på kretskortes baksida så att trådarna kan dras direkt från monitorkortet till DS2423. FÄRDEN TILL FRANKRIKE När all maskinvara och programvara var klar var jag redo att testa den. Jag monterade cykelmonitorn på styrstången med några plastremmar - ingen idealisk långsiktig lösning, men jag visste att det återstod en del justeringar. Största bekymret var hastighetsmätningen - på kontoret kunde jag föra en magnet förbi sensorn och se hur den uppmätta hastigheten ökade och minskade, men jag visste inte om mina beräkningar för att få fram antal km/h var rätt. Därför satte jag mig på cykeln och aktiverade hastighetsmätningen. Innan jag ens lämnat garageinfarten var hastigheten upp i drygt 11 km/h (enligt cykelmonitorn), vilket verkade lite högt, men inte orimligt. När jag cyklade runt i grannskapet blev min topphastighet ungefär 80 km/h. Jag är visserligen i hyfsad form, men jag tror knappast att min mountainbike skulle palla för den hastigheten. Jag var ganska säker på att hastigheten borde vara ungefär hälften, så jag återvände till kontoret för att studera ekvationerna i koden. Allt verkade bra där (hjulets diameter är två gånger radien gånger pi, eller hur?), så jag ändrade koden så att antalet pulser från DS2423 visades. Som jag nästan väntade mig, ökade antalet med 2 varje gång hjulet roterade ett varv. Jag hade placerat magneten så att den passerade lite för nära sensorn, vilket fick hela DS2423 att studsa varje gång magneten passerade. När jag försköt magneten några millimeter avhjälptes felet och topphastigheten minskade till km/h, ungefär som den borde vara. Klockan, stoppuret, temperatur- och fuktighetsmätningarna fungerar som väntat bra. Jag stötte dock på ett problem när jag prövade hjärtmonitorn. Jag fick fram en hjärtrytm på 230 slag per minut, innan jag ens satt mig på cykeln. Jag kanske inte är i lika bra form som den berömde Texas-cyklisten, men det verkade ändå inte vara rätt. Jag anslöt cykelmonitorn till en extern debugger och den fungerade bra igen (visade ungefär 60 hjärtslag per minut). Jag trodde att skillnaden i fråga om strömförsörjningarna kunde orsaka brus i sensorn. Debuggern ger en fin och ren 5 V till cykelmonitorn, medan de tre AAbatterierna ger en mer instabil 4,8 V. Min första tanke var att se till att detta inte blev en kapacitetsfråga - regulatorn kanske inte fungerade så bra vid 4,8 V. Jag anslöt ett batteri på 9 V som strömförsörjning, och hjärtmonitorn fungerade fortfarande inte. Maxims regulatorer var därmed inte längre misstänkta, och det var ju bra eftersom företaget betalar min lön. Min nästa idé var att batterierna förmodligen inte gav en ren 4,8 V. Till en början använde jag kondensatorer på 1 µf i hjärtkretsen för att filtrera inspänningen på 3,6 V. Efter lite sökande efter större kondensatorer satte jag in en extra på 220 µf mellan V36 och jord och en extra på 1 µf mellan V36 och signaljord. Det tycktes lugna ned kretsen. Hjärtmonitorns mottagningsområde blev lite begränsat, men jag kunde få den att fungera genom att luta mig framåt lite närmare kretskortet. KRIS ARDIS, DALLAS SEMICONDUCTOR Referenser: [1] Maxim Integrated Products, MAXQ2000 Datasheet. http: //pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/ MAXQ2000.pdf [2] Maxim Integrated Products, DS1923 Datasheet. http: //pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/ DS1923.pdf [3] Maxim Integrated Products. DS2423 Datasheet. http: //pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/ DS2423.pdf [4] Data Harvest Group, Inc. The Polar Heart Rate Exercise Sensor. downloads/documents/sq_polar.pdf [5] 1-Wire Public Domain Kit: http: // ibutton/software/1wire/wirekit.cfm [6] Nilsson, James W. och Susan A. Riedel. Electric Circuits, Fifth Edition. Addison-Wesley, Reading, MA [7] Bowden, Bill. Operational Amplifier Basics. http: //ourworld.compuserve.com/ homepages/bill_bowden/ opamp.htm DS1923 Hygrochron ibutton är en robust och tålig sensor som kan användas för att mäta och logga temperatur och luftfuktighet. Hygrochron kan tilldelas ett uppdrag - en instruktionsuppsättning som anger hur ofta och vad kretsen skall sampla. Upp till 8k samples med temperatur och luftfuktighet kan loggas i ibuttons interna minne, eller så kan ett obegränsat antal återföras med singelpulser till värdprocessorn. Hygrochron ibutton, liksom alla ibuttons, har ett unikt 64-bits ID-nummer och är inrymd i en rostfri stålkapsel som är mycket tålig mot smuts, fukt, dropp och tvätt. De första 8-bits enkapseldatorerna kom redan i mitten av sjuttiotalet och de svarar fortfarande för en stor del av enkapseldatormarknaden. Scott Pape från Freescale Semiconductor tror på en fortsatt positiv utveckling, både tekniskt och kommersiellt. Många har förutspått en minskande marknad för 8-bits enkapseldatorer när priserna på 16- och 32-bits enkapseldatorer sjunker, men spådomarna har kommit på skam. 8-bitsmarknaden växer och blomstrar eftersom systemkonstruktörerna hittar nya användningsområden för processorerna. Det gäller hela kedjan från nya tillämpningar som ZigBees trådlösa nätverk till ersättning av mekaniska system i exempelvis termostater. Kort sagt, mängden system med 8-bits enkapseldatorer växer. För att marknaden för 8-bits enkapseldatorer skall fortsätta växa bygger halvledarföretagen in allt fler funktioner på allt mindre komponenter. Det ger också kostnadseffektivitet, eftersom 8-bits enkapseldatorer följer sina större kusiner i spåren och går mot mindre geometrier. Den långt drivna integrationen ger kompetenta enkapseldatorer med ett styckepris under tian. För fem år sedan bestod en billig enhet med få anslutningar (8-16) i stort sett bara av en kristalloscillator, en enkel timer och lite RAM och ROM. Sedan dess har tillverkarna lagt till A/D-omvandlare, interna oscillatorer och serieportar. Men totalt var det ändå mycket mindre än vad som fanns på mer avancerade 8-bits enkapseldatorer. Åtta bit håller ställningarna Funktioner hos Freescales MC9S08QG8/4 FRIGJORD PRODUKTIONSKAPACITET När de kraftfullaste mikroprocessorerna går mot allt mindre geometrier, frigörs produktionskapacitet i prispressade kiselsmedjor som klarar betydligt mindre geometrier än vad som tidigare använts till 8-bits enkapseldatorer. Vissa tillverkare anlitar nu sådana mer avancerade kiselsmedjor för att framställa än mer integrerade 8-bits enkapseldatorer. Freescale lanserade nyligen MC9S08QG8 och MC9S08QG4, som bägge ligger på den undre delen av 8-bitsmarknaden vad gäller priser och antalet anslutningar, men som ändå har funktioner som normalt bara finns på dyrare enkapseldatorer. Här finns bland annat IIC (Inter-Integrated Circuit), serie- UART (SCI), SPI (Serial Peripheral Interface), 2-kanals/16-bits timer med pulsbreddsmodulering (PWM), separat 8-bits modulotimer, 8-kanalers/10-bits A/D-omvandlare, analog komparator och noggrann internklocka med frekvenslåst slinga. Enheterna har till och med en inbyggd ICE-modul (In-Circuit emulation/debug) på chipet, vilket gör att man inte behöver någon chipspecifik hårdvara för emulering. Förutom högre integration innebär 0,25 µm-tekniken också ökade prestanda, inte minst vid lägre spänningar. Många 8-bits enkapseldatorer är begränsade till bussfrekvenser på 1-4 MHz vid spänningar under 2,7 V, men Freescales senaste enkapseldatorer klarar upp till 10 MHz. Det ger inte bara CPUn mer bearbetningskraft utan innebär också att timrar, serieportar och till och med A/D-omvandlare kan köras snabbare. Dessutom är flashminnet skrivbart och raderbart vid alla arbetsspänningar och arbetstemperaturer. Det gör att det kan användas för datalagring, även när batterierna är nästan slut. Låt oss titta på några exempel hur de här egenskaperna kan utnyttjas: Eftersom de tre separata serieportarna kan användas samtidigt, kan en MCU som MC9S08QG8/ 4 kommunicera med flera olika typer av enheter. Till exempel kan IIC-bussen användas för kommunikation med andra enkapseldatorer och periferienheter, medan SPI används för att skicka data genom en RF-transceiver som Freescales MC Dessutom kan SCIporten anslutas till en värddator för systemkonfigurering och/eller styrning i realtid. SPI-porten på MC9S08QG8/ 4 är den snabbaste av de tre serieportarna. Om MCUn körs med en bussfrekvens på 10 MHz, kan SPI-porten kommunicera i upp till 5 Mbit/s. Vid den hastigheten överförs ett minnesblock på 1 kbyte på bara 1,64 ms. I övervakningstillämpningar kan man använda enkapseldatorn som ett snabbt serie-eeprom och lagra viktiga data från huvudprocessorn i flashminnet. Vid 10 MHz kan en 16-bits timer mata ut PWM-data med en noggrannhet på 100 ns för inställning av frekvens och puls/ pulsluckeförhållande. Det innebär att en fyrkantsvåg på 1 MHz kan genereras för andra enheter i systemet och ändå ha en upplösning på 10 procent för inställning av puls/pulsluckeförhållandet. A/D-omvandlaren på MC9S08QG8/4 har en minsta omvandlingstid på 3 µs för den första omvandlingen och 2,5 µs för de efterföljande. Om omvandlaren används i övervakningssystem för däcktryck (TPMS, Tire Pressure Monitoring System) kan den mäta trycket gånger per sekund. I ett fordon som färdas i 200 km/h innebär det att trycket mäts var 139:e tusendels millimeter! En annan möjlig tillämpning är en fallsensor i en bärbar dator. Där använder man en accelerometer som känner av plötslig acceleration, så att om exempelvis datorn tappas, kan den förbereda sig för den kommande stöten. Anta att MCUn skall mäta accelerationen längs tre axlar för att - oavsett riktning - upptäcka om datorn faller. 32 ELEKTRONIK I NORDEN 8/2006

9 ENKAPSELDATORER Då måste tre kanaler övervakas. En A/D-omvandling kan göras och varje kanal ändras på cirka 4 µs. På så sätt kan varje axel övervakas en gång var 12:e mikrosekund. Med den typen av mätning hinner processorn känna av fallet redan när datorn fallit 0,7 nm. INTERN OSCILLATOR Interna oscillatorer blir allt vanligare på enkapseldatorer med 16 eller färre anslutningar. Då frigörs anslutningarna för andra uppgifter. Den interna oscillatorn på MC9S08QG8/4 kan trimmas in till en noggrannhet inom 0,1 procent, och sedan bibehålla inställningen med en avvikelse på bara +0,5 procent till -1,0 procent av den intrimmade frekvensen. På så sätt klarar sig systemkonstruktören utan både kristall och resonator utan att för den skull behöva ge avkall på klocknoggrannheten. I system där det inte behövs noggrann absoluttid ger den här typen av intern oscillator tillräcklig noggrannhet för tidskritiska tilllämpningar. Ett exempel kan vara en trådlös nod i säkerhetssystem för övervakning av bostäder. En sådan nod rapporterar vanligen till en central kontrollenhet med förutbestämda intervall. Om rapporten uteblir, antar säkerhetssystemet att någon manipulerat med noden och slår larm. Förutom noggranna interna klockor har dessa nya enkapseldatorer också faslåst slinga (PLL, Phase-Locked Loop) eller frekvenslåst slinga (FLL, Frequency- Locked Loop), vilket ger fler möjligheter när det gäller val av bussfrekvens. FLL har fördelen av att ha fler digitala än analoga delar jämfört med PLL. Digitala kretsar blir i motsats till analoga kretsar proportionellt mindre i takt med att geometrierna krymper. Det är till fördel för FLL när storlekarna skall minskas. Till PLL behövs vanligen även externa filterkomponenter, men FLL behöver inga externa komponenter. På enheter med 8 och 16 anslutningar är varje anslutning betydelsefull för I/O eller för styrändamål. Om man tar bort anslutningen för filterkondensator kan MCU få fler funktioner och därigenom bli mer användbar. hos externa emulatorer, till exempel kodstegning, brytpunkter och busspårning. Förutom att ge korrekt emulering genom att använda kiselbrickans egna periferienheter behöver ICE-modulen bara en anslutning för gränssnittet mot MCUn. Andra implementationer, som JTAG, behöver flera anslutningar för MCU-gränssnittet. Det gör att funktionerna på de anslutningarna inte kan användas så länge emuleringen eller felsökningen pågår. Som tidigare sagts kan den inbyggda ICE-modulen användas för emulering under produktutvecklingsfasen. Modulen underlättar också arbete i fält, genom att man kan ge bättre tekniskt stöd. Om en produkt behöver service sätter man MCU i felsöknings- eller emuleringsläge, och teknikern kan snabbt hitta felorsaken. Vi nämnde ovan att allt fler funktioner får plats på allt mindre yta på kiselbrickan. En annan fördel med den här storleksminskningen är att kapslarna kan göras mindre. Eftersom många av dagens tillämpningar är små och portabla, är det viktigt att komponenterna också kan göras små. Några exempel på kompakta produkter: 16 TSSOP (6,4 mm x 5 mm), 16 QFN (5 mm x 5 mm) och 8 DFN (4 mm x 4 mm). En enkapseldator som har lika mycket minne och lika många funktioner som MC9S08QG8/4 skulle inte rymmas i så små kapslar om den skulle tillverkas med 0,65 µm- eller 0,5 µm-teknik. Men eftersom den tillverkas med 0,25 µm-teknik finns den i alla tre kapseltyperna. Så funktionsrika 8-bits enkapseldatorer med lågt pris försvarar sin marknadsandel och kan användas i många nya tilllämpningar. För tillverkarna är trenden dubbelt positiv eftersom enkapseldatorerna både krymper i storlek och sjunker i pris. Det gör att användningsområdena blir allt fler i takt med att fler funktioner byggs in och att prestanda blir allt bättre - inte minst med tanke på att enheterna arbetar med lägre spänning och kommer i så små kapslar. I 8-bitsvärlden kombineras lågt pris, få anslutningar och många funktioner. SCOTT PAPE, SYSTEMS ENGINEER, FREESCALE SEMICONDUCTOR EMULATOR För systembyggaren innebär det många fördelar att ha ICE-modulen direkt på chipet. För det första behövs bara en anslutningskabel för att programmera och felsöka MCUn. Man behöver inga dyra externa specialemulatorer för chipet. Dessutom har sådana externa emulatorer inte alltid samma typ av kisel som produkten de emulerar, eller så måste man bygga I/O-portar och periferienheter utanför det emulerade chipet. Det ger sämre emulering och begränsar vad som kan emuleras. ICE-modulen på chipet har de flesta av de funktioner som finns ELEKTRONIK I NORDEN 8/

10 BYGGSÄTT Test&Mät/Produktion INLEDAREN Bygg i 3D Det växer nu fram fler metoder för att bygga i tre dimensioner. Läs i temasektionen om hur tredimensionella strukturer i keramik används för att kapsla MEMS-chip eller hur man utför elektriska eller optiska 3D-förbindningar, tekniker som bland annat utvecklas inom de svenska forskningsinstituten IMEGO och IVF, i Göteborg respektive Mölndal. Polymer Kompositer AB, även det i Mölndal, har utvecklat en teknologi för gjutning av mikrovågsfilter i plast som sedan metalliseras. Byggsättet kan ge betydligt billigare mikrovågskomponenter, som filter, vågledare mm, jämfört med traditionellt utförda lösningar där utformningen sker medelst fräsning av aluminiumblock. Byggsätt handlar också om hur halvledarindustrin utvecklar nästa generation stackade chip, för att kunna följa Moores lag, och hur nya kapseltyper växer fram för att kunna bygga kompaktare mobiltelefoner. En spännande teknik växer fram i Linköping där man utvecklar polymerminnen som framställs med hjälp av tryckteknik. Detta är inte helt lätt att åstadkomma, vilket indikeras av att man har utvecklat tekniken sedan 1994, men nu har kommit närmare en kommersiell lansering. Med polymertekniken kan display och logik kombineras i samma process vilket kan ge upphov till helt nya applikationer, t ex elektroniska, lätt omställbara affischer. GUNNAR LILLIESKÖLD Fig 1. Limmat gyroskop på substrat. Mems-strukturer måste kapslas på wafernivå för att skydda de känsliga kiselstrukturerna. Kapslingstekniken är komplicerad och måste uppfylla krav på att kunna produceras. Imegoforskarna Katrin Persson, Cristina Rusu, Richard Nilsson och Leif Bergstedt berättar här om några av de viktiga teknologier som man har utvecklat. Fig 2. Kapseln kommer från Kyocera. Vid utveckling av mikrosensorer måste kapsling och produktionsaspekter planeras redan på ett mycket tidigt stadium. Nya kiselteknologier kan inte bli kommersiellt lyckosamma förrän de kan användas och säljas som produkter integrerade med elektronikchip, kapslar, kretskort, basplan, kontakter, displayer och switchar. Många som forskar inom MEMS, microelectromechanical systems, är erfarna i processning och koncentrerar sig på att ta fram komplicerade kiselstrukturer. Det är därför en stor risk att kapslingen av strukturen bara ses som en nödvändighet och dessutom inte tas hänsyn till förrän i slutskedet när strukturen redan är designad och processad. Ofta brukar inte kapslingsproblematiken tas upp förrän produkten ska industrialiseras. Detta betyder att byggsättet blir väldigt komplext och dyrt. MEMS-strukturen måste designas för att kunna kapslas och förbindas och måste redan från början vara producerbar i ett industriellt perspektiv. Eftersom MEMS-strukturer ofta består av rörliga strukturer så ställs det speciella krav på kapsling, montering och material. En del funktioner inkluderar dessutom växelverkan med omgivande miljö såsom trycksensorer till skillnad från kapsling av mikroelektronik, generellt sett. MEMS-strukturer behöver kapslas på wafernivå för att skydda de ömtåliga kiselstrukturerna från vatten och föroreningar under bl a sågningsprocessen. I framtida sensorsystem kombineras olika sensorelement, elektronik, komplexa optiska element och optiska filter för optiska applikationer och fluidik-element för biologiska och kemiska sensorer. FLEXIBEL LIMNING Beträffande montering av sensorelement med rörliga strukturer finns det inte mycket rapporterat i litteraturen och det verkar som om de flesta företag gör test och karaktärisering av die attach inom den egna verksamheten. Kapsling och montering har stor betydelse för sensorernas prestanda. I vissa applikationer t ex vid montering av gyroskop är det viktigt att så lite spänningar som möjligt överförs in till strukturen. Fig 3. Skiss av ett tvärsnitt av en trippelstack av kisel och LTCC med vertikala elektroder. 3D-strukturer i keramik optimala för mikrosensorer En del element är väldigt känsliga för spänningar och därför är ofta ett mjukare, flexiblare material att föredra vid limning av sensorn. Ett mjukare och mer följsamt material har potential att absorbera spänningar som kommer från CTE, coefficient of thermal expansion, skillnader mellan sensorstrukturen och substratet där sensorn ska monteras. På samma gång måste elementet vara fixerat i en kalibrerad förutbestämt position. Silikoner som ofta har en låg E-modul kompenserar för CTE-skillnader mellan komponent och kretskort. I ett av våra mikronavigeringssystem har gyrot monterats med ett flexibelt rumstemperaturhärdande silikonlim. Se fig 1. De limmade gyrona testades i 225 ºC genom en lödugn. Mätningarna visade att lödprocessen inte har någon inverkan på sensorns prestanda. KERAMIKKAPSLING För att överföra så lite spänningar som möjligt från kretskort till komponent så har vi tagit fram en kapsel tillsammans med Kyocera i aluminiumnitrid, AlN, med en CTE på 4,7 ppm/ ºC. Fördelen med att använda AlN är att man reducerar den mängd spänningar som skulle kunna överföras från kretskort till kapsel och vidare in till den känsliga sensorstrukturen. Nackdelen skulle kunna vara att man flyttar spänningarna till gränssnittet mellan kretskort och komponent där man får en Fig 4. IR-bild av LTCC, anodiskt föbunden med kisel. CTE-skillnad beroende på vilket kretskortslaminat som används och det kan påverka tillförlitligheten. Kapseln som vi har tagit fram kan monteras både liggande och stående. Detta möjliggör ett komplett 3D navigeringssystem på ett plant traditionellt mönsterkort. Se fig 2. LTCC Det finns idag ett stort intresse och utveckling inom Inertial Measurement Units (IMUs) som består av mikrosensorer baserade på MEMS-teknologi. Kompakta IMU-system används eller har potential att användas i stabiliseringssystem för bilar, positioneringssystem (GPS), Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), och ett stort antal rörelsedetektionssystem. Det finns inom detta område ett behov av mer kompakta, bättre prestanda och billigare tröghetssensorer. Ett forskningsområde där förbättringar kan göras när det gäller att minska kostnaderna är kapsling och montering. Många mikrotröghetssystem kräver någon typ av kontrollerad miljö för att nå en bra prestanda eller för att uppfylla livslängdskraven. Detta kan åstadkommas på wafernivå genom t ex wafer bonding. Ett intressant område är att använda LTCC, Low Temperature Co-fired Ceramics, istället för glas vid anodisk bondning för att kapsla kiselstrukturen. Ett nytt LTCC-material med CTE 3,6 ppm/ ºC har tagits fram av Via Fig 5. SAM-bild av gränssnittet mellan LTCC och kisel. Fig 6. Foto av aluminiumoxidrör monterat i LTCC substratet. 34 ELEKTRONIK I NORDEN 8/2006

11 BYGGSÄTT Fig 7. (a) Skiss av tvärsnittet av en etsad kanal inuti LTCC; b) på ytan av glasering av LTCC för att underlätta etsförsöken; c) foto av toppvy av viorna i glaseringen före sintring. Electronic, i samarbete med HITK i Tyskland som möjliggör anodisk bondning av LTCC och kisel med ett lovande resultat. Vi håller på att utreda bondningskvalitet med avseende på hermeticitet och spänning av konceptet genom att använda kiselsensorer med speciella strukturer som gör att vi kan mäta de olika parametrarna. Det är också möjligt att få elektriska ledare vertikalt i LTCC substratet vilket innebär att kapslingen med LTCC ger en kontrollerbar atmosfär inuti kaviteten och dessutom är de genomgående Fig 8. Foto av LTCC wafer med begravda Au-elektroder a) vy av bondytan; b) anodiskt bondad till Si (vy från baksidan av LTCC). elektriska viorna lätta att komma åt, Fig. 3. En 2 tums LTCC-skiva bondades mot kisel genom vanlig anodisk bondning i 420 ºC, 800 V, på mindre än en minut. Vid analys med IR-kamera detekterades inga porer i gränssnittet mellan kisel och LTCC. Se fig 4. Scanning Acoustic Microscopy (SAM) gjordes på IVF för att undersöka bondningskvaliteten genom att titta efter porer eller dålig vidhäftning i gränssnittet mellan LTCC och kisel, vilket visas i fig 5. Spektrat i fig 5b, c och e i jämförelse med spektrat i Fig 9. Optisk via. fig 5d indikerar närvaro av porer eller inneslutningar i gränssnittet. Man upptäcker det genom att se på fasinformationen och variationer i signalamplitud i spektrat som representeras av de svarta områdena. Den svarta regionen som är markerad med * i mitten av bilden representerar en orenhet på LTCC-ytan. LTCC-substrat med metallelektroder, enligt fig 6, har också med gott resultat bondats med anodisk bonding vid 420 ºC, 30 V, i några sekunder. FLUIDIK-APPLIKATION LTCC kan också användas för fluidik-applikationer för bio- och kemiska sensorapplikationer. Två olika möjligheter har undersökts; kanaler i LTCC substratet med hjälp av etsning av så kallade offermaterial och röranslutning. AgPd- och Ag-ledare med en minsta bredd på 75 µm screentrycktes på LTCC som därefter täcktes med ett glaslager. Se fig 7. För att åstadkomma vior borrades hål med en minsta diameter på 150 µm. Kemisk våtetsning, som är känd för att etsa Ag (H 2 SO 4 : H 2 O 2, NH 4 OH:H 2 O 2 ), etsar AgPd väldigt långsamt. På detta sätt kan man selektivt etsa olika metaller på samma LTCC-yta. Aluminiumoxidrör med en yttre diameter av 800 µm har anslutits till LTCC för förbindning av vätskekanaler. Olika diametrar på öppningar i LTCC gjordes för att kontrollera kvaliteten av rörkontakterna, fig 8. En kombination av keramik med mikrosystem erbjuder nya applikationer och produkter som möjliggör 3D-keramikstrukturer som optimerar kapsling med mikrofluidik, optik, mikroreaktor och avkänningsfunktioner. Det kan leda till kostnadseffektiva och tillförlitliga högpresterande produkter för aggressiva termiska och kemiska miljöer inom bilindustrin, flygindustrin, försvarsindustrin och kommunikationsområdena. KATRIN PERSSON, CRISTINA RUSU, RICHARD NILSSON OCH LEIF BERGSTEDT ELEKTRONIK I NORDEN 8/

12 BYGGSÄTT Test&Mät/Produktion Ferrofilmen i matrisens korsningspunkter bildar en minnescell. Uppbyggnaden av ett polymerminne. Bygg polymerminnen med tryckteknik Det norska företaget Opticon skapades 1994 för att utveckla och producera minnen i bistabila polymera material. Efter ett antal företagsomvandlingar går verksamheten nu vidare i Thin Film Electronics i Linköping med dess nya, norska ägare Thin Film NewCo ASA. Målet är nu att kunna ta fram en tryckteknik för att skapa polymerminnen på praktiskt taget valfritt underlag vilket kan ge upphov till applikationer som tidigare varit otänkbara. I början av april i år hade den grafiska branschen på sin stora sammankomst, IPEX 2006 i Birmingham. Där kunde besökarna beskåda en matris av 100 minnesceller, alltigenom utförda i en tryckteknisk process. Thin Film Electronics AB i Linköping hade tagit fram konstruktionen i samarbete med det brittiska företaget Xaar, med verksamhet i Järfälla, utanför Stockholm, som utvecklar huvuden för bläckstråleteknik. Minnet är icke-flyktigt och bygger på ett ferroelektriskt material. En ferroelektriskt polymer är ett dielektrisk material som har en uppbyggnad där atomerna i polymer kedjan bildar dipoler längs polymerkedjan. Dessa dipoler kan inta två stabila lägen. Med ett elektriskt fält kan dipolerna läggas i linje så att materialet polariseras, men till skillnad från vanliga dielektriska material kan ferroelektriska material behålla sin polarisation sedan det elektriska fältet tagits bort. Polarisationen skiftas genom att ett fält i motsatt riktning läggs på. Det ferroelektriska minne som TFE har tagit fram har en mycket enkel struktur: ett antal ledare på respektive sida om ett ferroelektriskt material, och vinkelrätt mot varandra, bildar en matris. Korsningspunkterna fungerar som minnesceller. Det logiska Nytt bolag med gamla ägare Det norska företaget Opticom ASA bildades 1994 med syfte att utveckla minnessystem på basis av en polymerfilm. Fyra år senare överfördes forskningsaktiviteterna till ett dotterbolag med namnet Thin Film Electronics AB (TFE AB) med säte i Linköping. Halvledarjätten Intel blev intresserad av polymertekniken och köpte 1999 in sig med 13 procent av aktierna i ytterligare ett nybildat dotterbolag, Thin Film Electronics ASA (TFE ASA). Till det företaget överfördes all immateriell egendom (IPR) och alla aktier i TFE AB. När så Intel drog sig ur, i januari förra året, uppstod en tids turbulens som nu har lösts genom att företaget Fast Search & Transfer ASA köpte alla aktier i Opticom och dess dotterbolag. För polymerprojektet ansvarar nu Thin Film NewCo ASA som drivs som ett fristående forsknings- och utvecklingsföretag. Dit har alla IPR, patentportfölj och all kunskap från TFE ASA överförts, liksom den erfarna teknikledningen och anställda från TFE ASA och TFE AB. Efter detta har aktierna i TFE Newco överförts till de som tidigare ägde aktierna i Opticom ASA. tillståndet i dessa minnesceller bestäms av polarisationsriktningen (upp eller ned). Tillståndet ändras eller skrivs in genom att en spänning ligger över minnescellen. Minnesinnehållet avläses genom att känna av strömmen då en minnescell spänningssätts. Det betyder att minnesavläsningen är destruktiv. Därför måste informationen skrivas tillbaka. tryckning med bläckstråle Tillverkningsmetoden, med tryckning med hjälp av ett bläckstrålehuvud, har blivit möjlig tack vare en lösning med den ferroelektriska polymeren. Dess karaktär ger tillförlitlig droppformation, filmmönster med väldefinierade kanter och homogena filmer med tjockleken 120 nm. Tack vare att processen är additiv förbrukas ett minimum av bläck och digitaltrycket ger snabba utvecklingscykler. Dessutom ger bläckstråletrycket homogena filmer, även om materialet skulle vara ojämnt. Med tryck i gråskala kan man variera tjockleken på filmerna. Med den enkla tekniken för Dipolens två lägen bestäms av pålagd spänning. dispensering är det möjligt att stacka flera matriser ovanpå varandra för att skapa tredimensionella strukturer. Minnesmaterialet kan deponerats antingen på kisel, då man får ett hybrid-polymerminne. I det fallet finns det inga aktiva drivkretsar i minnesplanet utan finns i traditionella kiselbaserade komponenter i kiselsubstratet. Alternativt gör man ett alltigenom polymer baserat minne där även drivkretsarna byggs i polymer baserade tunnfilmstransistorer, 300 patent Thin Film Newco ASA har idag 300 beviljade patent och 400 patentansökningar, grupperade som 80 patentfamiljer. Patenten avser polymersyntes, minnesmaterial/processer, elektrodmaterial/processer, strukturer för gränssnitt, cellkonstruktion, minnesarkitekturer, kretskonstruktion/layout, trycktekniker och applikationer. Historiskt sett har man varit pionjär inom följande: 1998: Flerlagers ROM-minneskretsar i hybridteknik, med två globala minneslager och sex regionala minneslager, alla stackade. 2000: Polymerminne som drivs av litografiskt producerade TFTkretsar, ett minneslager. 2001: Återskrivbart minneschip i polymer hybridteknik med ett minneslager. 2003: Återskrivbart flerlagers (8 lager) minneschip i polymer hybridteknik. 2005: Minnesstruktur (en cell) helt framställd i tryckteknik. Den ferroelektriska filmen trycks på i ett 120 nm tjockt lager, med väldefinierade kanter. Kontaktytorna trycks med silverbläck. direkt i varje minneslager. I det fallet blir varje minnesplan en egen enhet. SVÅRA KONKURRENTER När polymerminnet presenterades 1994 var det en sensation. Konkurrenterna då hette magnetiska- eller optomagnetiska skivor, optiska skivor, DRAM, SRAM och flash. Deras kapacitet har dock ökat med flera storleksordningar sedan dess hade en hårddisk ungefär 1 Gbyte kapacitet. För samma pris kan man RFID växer starkt För den som väl lyckas behärska alla steg i tryckt polymerelektronik väntar en stor marknad inom RFID. Analysföretaget IDTechEx Research uppskattar att så mycket som 45 procent av de hundratals miljarder RFID-etiketter som kommer att produceras 2016 tas fram med tryckteknik. Det som framför allt får RFID-marknaden att växa är olika säkerhetslösningar, t ex för att skydda identitet, gods, företagsnamn etc. 36 ELEKTRONIK I NORDEN 8/2006

13 BYGGSÄTT idag få 1 Tbyte! Optiska diskar har under samma tid utvecklats till 50 gånger högre kapacitet (ca 30 Gbyte, jämfört med 0,7) och man kan idag få minneschip på 1 Gbyte. Om ett år kommer det att finnas stackade sådana chip med en total kapacitet på 32 Gbyte. Att Intel 1999 intresserade sig för att gå in som delägare i TFE var just på grund av möjligheten att få ett lågt pris per GByte i polymerminnen. Inriktningen var hybrid-polymerminnen. Men när andra teknologier blev så mycket billigare var polymerminnena inte lika intressanta längre. I framtiden kan det dock inträffa att halvledarutvecklingen stöter på svårigheter. I dag produceras minnen i 65 nm processer, 45 nm och 35 nm är på gång, men vid 25 nm bedömer flera analytiker att skalningen inte längre ger någon större effekt. Litografiskt framställda polymerminnen kan då komma att få en andra chans. HELT POLYMERA MINNEN Från början var verksamheten inriktad på att utveckla alltigenom polymera produkter. Under åren 1995 till 1998 drev TFE projekt tillsammans med partners som man köpte tunnfilmstransistorer av. Dessa tillverkades dock i litografiska processer och meningen var ju att kunna bygga polymerelektronik Företag Applikation Tryckteknik Status Omron Antenner för RFID Gravyr I produktion Acreo RFID utan chip Screentryck Försök görs Mead/Westvaco RFID för medicinintag Screentryck I produktion Sony Tangentbord Screentryck I produktion Dai Nippon Printing OLED på böjligt substrat Gravyr Experiment Aveso Elektrokromisk Färgdisplay Screentryck I prod.presentkort, smarta kort etc. Avery Dennison Batteritestare för Duracell batterier Screentryck I produktion Thin battery technologies Tryckta CZn-batterier Screentryck I produktion PolyIC Ttransistorkretsar på flexibla substrat Gravyr och litografi RFID på försök Plastic Logic Transistorer på flexibla substrat Bläckstråle Försök med matrisbakplan för flexibla displayer Elumin8 Rörliga färgbilder på elektroluminescenta affischer av tunn böjlig plast. Screentryck mm Prototyper visade Enligt uppgifter från IDTechEx utvecklar dessa företag trycktekniker för elektronik. billigt, vilket skulle kunna med tryckteknik. Tekniken var dock inte mogen och Opticom (se ruta om företagets historia) beslöt att i stället satsa på hybridlösningar, med polymerminnen på kisel. Under de senaste åren har åtskilliga företag arbetat med att få fram en process som bygger på tryckteknik. Men ingen av dem har ännu demonstrerat att tryckta polymerkretsar kan produceras på ett kostnadseffektivt sätt. Litografi finns alltid med som ett eller flera steg. I maj 2003 beslöt TFE att lägga sina ansträngningar på att utveckla tryckta minnen. Från andra halvan av 2004 och framåt har man nått mycket lovande resultat. Minnesstrukturerna blev lika bra eller bättre än om de som hade skapats i en traditionell, litografisk process. Trots detta är det mycket arbete som måste göras innan man är framme vid en kvalificerad produktionsprocess. Hittills har man bara byggt en-cellminnen eller mindre minnesmatriser, utan tunnfilmtransistorer, TFT. Ett högkapacitivt material har utvecklats för att bygga minnen tillsammans med TFT kretsar, men innan man går vidare med det vill man i Linköping först utveckla en stabil tryckprocess. GUNNAR LILLIESKÖLD Skrivet med fakta och illustrationer hämtade från rapporten thinfilminfo-mem0.pdf, utgiven av thinfilm newco ab Kraftfullt! Komponenter för kraftelektronik Puls- och drivtrafo SMPS switchtrafo Diodbryggor Strömtrafo Induktorer Kylflänsar Telefon Telefax info@inductive.se ELEKTRONIK I NORDEN 8/

14 BYGGSÄTT Test&Mät/Produktion Fig 2a. Denna CAD-design demonstrerar kanalerna för elektriska förbindningar i 3D. Fig 1. Hel byggkub med komponenter. Bygg tredimensionellt med mikrosystemteknik Fig 2b. Såhär ser den färdiga demonstratorn ut. Det har funnits och finns fortfarande stora hinder för att kommersiellt utnyttja mikrosystem i många tillämpningar. För att kunna bygga in mikrosystem i produkter krävs det nya avancerade byggsätt. Per Johander, IVF, ger här exempel på vad IVF och dess avknoppningsföretag FCubic kan tillverka. BELYSTA OMKOPPLARE Klickfri för studiobruk RoHs godkända Tel: E-post: info@stigab.se Ett mikrosystem består ofta av en sensor som skall kopplas samman med elektronik. Sensorn skall växelverka med det medium som den skall mäta på och för att realisera detta gränssnitt måste man oftast skräddarsy en lösning för varje applikation. Dessa kostar stora pengar och är svåra att tillverka. Framför allt är det svårt att uppnå en tillförlitlig lösning. De mikrosystemapplikationer som nått störst kommersiell framgång är sensorer, såsom accelerometrar och gyron, som växelverkar med tröghetsrafter. Det är lätt att packa dessa i en hermetisk kapsel. Andra sensorer, som skall mäta på gaser, vätskor eller ljus, kräver däremot mycket mer avancerade byggsätt. Dessa byggsätt måste säkerställa en tillförlitlig och effektiv växelverkan mellan medium och sensor och ge elektrisk förbindning till elektronik och strömförsörjning samt skapa integration av sensor och elektronik till en makrovärld. 3D-KOMPONENTER Med tekniken 3D-MID (Mould Interconnection Devices) formsprutar man polymera komponenter som förses med elektriska förbindningar i 3D. Denna teknik beskrevs i Elektronik i Nordens temasektion Komponent special 2002 nr 12 under rubriken 3D MID-formade kretskort. IVF och FCubic, som är ett avknoppningsföretag från IVF, har i ett EU-projekt utvecklat en ny teknik som möjliggör tillverkning av mycket komplexa geometrier samtidigt som man kan realisera elektriska förbindningar i tre dimensioner. Tekniken bygger på tillverkning, lager för lager, av keramiska komponenter. Den strukturella informationen i varje lager trycks med bläckstråleteknik och den slutliga formen fås efter sintring. Efter sintringen kan stödmaterialet lätt resas bort. Genom att keramik används får man en mycket stabil och stark plattform för att kunna integrera mikrosystem. Lager för lager-tillverkning används oftast för prototyptillverkning i polymera material. Eftersom delarna i ett mikrosystem är relativt små lämpar sig metoden även för direkttillverkning. Fig 3. Schackpjäs tillverkad i keramik. den är 12 mm hög med en väggtjocklek på 0,6 mm KOMPONENTER Den komponent som visas i fig 1 har måtten 5 5 mm. I en produktionsvolym på mm kan ungefär sådana komponenter tillverkas på en gång. Ett exempel på den mekaniska komplexitet som kan tillverkas med FCubic-metoden visas i fig 2. Eftersom tillverkningen lager för lager i princip medger vilken mekanisk form som helst går det att tillverka även ihåliga komponenter. Schackpjäsen är 12 mm hög och är ihålig. Dess väggtjocklek är bara 0,6 mm. ANVÄNDBARA KANALER Genom att det är möjligt att tillverka kanaler i volymen kan dessa användas för elektriska förbindningar i en 3D-struktur. Det finns nu möjlighet att t ex dra kablar genom kanalerna men även att metallisera kanalerna med koppar eller silver. Fig 3 och 4 visar hur en fyrsidig 38 ELEKTRONIK I NORDEN 8/2006

15 EDA/KONSTRUKTIONSVERKTYG Stackade chip räddar Moores lag Fig 4. Komponent i genomskärning. Halvledarindustrin utvecklar nu nästa generation stackade chip för att kunna följa Moores lag. Genom att stacka chipen minskas signalvägens längd samtidigt får man lägre impedans. Per Johander, IVF beskriver här uppbyggnaden. Fig 5. Del av list. pyramid som har använts för att demonstrera elektriska förbindningar i 3D. På pyramidens sida har ett kretskort med elektriskt ledande silver tryckts med bläckstråleteknik. Denna teknik är generisk vilket gör det möjligt att tillverka mycket komplexa mekaniska strukturer samtidigt som det går att skapa tredimensionella elektriska förbindningar. Det keramiska materialet ger en mekaniskt och termisk stabil plattform för att bygga in MEMS-komponenter i ett mikro/makrosystem. För den som vill veta mer kommer tekniken att presenteras på evenemanget Micro Structure Workshop i Västerås den 9-10 Maj. DR PER JOHANDER, AVDELNINGEN FÖR ELEKTRONIKBYGGSÄTT OCH PRODUKTION VID IVF INDUSTRIFORSKNING OCH UTVECKLING AB Den första generationen stackade chip trådbondades. I andra generationen förbands chippen på kanten. Den tredje generationen stackade chip innebär att chipen förbinds med vior genom kislet. Ledningslängden mellan chipen minskas därmed drastiskt. Tekniken som har gjort det möjligt att stacka chip kommer delvis från MEMS-industrin. Det är idag möjligt att i kisel etsa raka 3 µm vior med 30 µm djup. Tekniken utvecklades av Bosch och baseras på reaktiv jonplasmaetsning med SF6, som snabbt etsar kislet, och med C4F8, som passiviserar väggarna. Sedan isoleras viorna från kislet genom väggarna beläggs med kvarts, SiO 2. Ett fäst- och spärrskikt av titannitrid, TiN eller tantalnitrid, TaN läggs sedan på och viorna fylls med koppar eller volfram. För att kunna tillverka viorna måste chipet tunnas genom slipning och kemisk polering så att tjockleken är mindre än 50 µm. TRE METODER Chipen stackas och binds samman med tre olika metoder. Den metod som ger absolut bäst resultat är termisk bondning. Genom att pressa och värma kislet uppnår man atomär förbindning mellan kiselplattorna. Denna metod Sammankopplingen i vertikalled sker här genom atomär förbidning. Smältpunkten för fogen sänks tack vare en eutektisk förening mellan koppar och tenn (Cu-Sn-Cu). Tekniken kommer från Fraunhofer-München och idén till illustrationen kommer ursprungligen från IEEE Electechnical Component Tech Conf 2004, sid 616, publicerad i Semiconductor international från Reed Electronics Group. kräver relativt hög temperatur och ytorna måste vara helt plana. Det är även möjligt att smälta en polymer för att binda samman chipen. Metall-till-metall-förbindning mellan två kopparytor kräver också plana ytor och relativt hög temperatur. Genom att lägga på tenn på en kopparyta bildas ett eutektikum som smälter vid lägre temperatur och bildar en hermetisk fog mellan chipen. Genom att chipen tunnas, och det finns koppar mellan chipen, ökar den termiska ledningsförmågan. Detta gör det möjligt att stacka även chip som utvecklar värma, t ex processor och RFkomponenter. Speciellt kan tekniken att stacka chips få stor betydelse för att integrera MEMS-komponenter med elektronik. Det traditionella sättet att bygga SIP på ett substrat kan undvikas med stackade MEMS- och IC-komponenter och tekniken kan ses som en hybrid-soc-teknik. DR PER JOHANDER, AVDELNINGEN FÖR ELEKTRONIKBYGGSÄTT OCH PRODUKTION VID IVF INDUSTRIFORSKNING OCH UTVECKLING AB ELEKTRONIK I NORDEN 8/

16 BYGGSÄTT Test&Mät/Produktion Kemi för bättre elektronik I Mölndal finns företaget Polymer Kompositer AB som verkar inom tre mycket speciella nischer: en ny typ av gjutning av mikrovågsfilter, kemi för plätering av mönsterkort och kisel samt en metod för att öka verkningsgraden i solceller. Alla tre kan på ett radikalt sätt förbättra elektroniklösningar. Polymer Kompositer AB är ett kemiföretag med elektronikindustrin som avnämare. Kemisten Anders Remgård grundade företaget 1990 sedan han hade lämnat Ericsson i samband med neddragningar av personalstyrkan. Tillsammans med en kollega på Chalmers drog han i gång företaget med affärsidén att åstadkomma vågledare av metalliserad kolfiberepoxy. De bägge fortsatte tillsammans till 2002, då företaget delades och Anders Remgård fortsatte på egen hand med polymerkompositer. NYSTART Under förra året inleddes en ny fas. Företaget behövde satsa och beslöt att nyemittera aktier för att få in kapital. Mats Hultin, som tidigare hade byggt upp och sålt kontraktstillverkaren Norrtälje Elektronik AB (numera Note) beslöt att satsa pengar i Polymerkompositer. Jag ser en stor potential i deras C3-process, säger Mats Hultin, men också i de andra nischer som Polymer Kompositer arbetar i. MIKROVÅGSDELAR I PLAST Komponenter för mikrovåg har traditionellt kostat mycket pengar. Vissa halvledare har gått ned i pris, på grund av civila tillämpningar som exempelvis satellit-tvmottagare och komponenter för mobiltelefoni, trådlösa LAN etc. Men för verkligt höga frekvenser, där man behöver vågledare, eller för filter för basstationer är det ofta fråga om specialkomponenter som kräver mekanik med precision. Att gjuta hålrumsresonatorer (kaviteter) och vågledare är dyrbart. Ofta måste sedan detaljerna fräsas och ytbehandlas för att ge nödvändig precision och höga Q-värden. ANNORLUNDA METOD Polymer Compositers metod är radikalt olik den traditionella: Mikrovågsdetaljerna utförs i plast som sedan metalliseras. Metoden kallas C3 och den är patenterad. Inte nog med att den är billig, jämfört med traditionella lösningar i metall, den ger också så god precision att filtren inte behöver trimmas! Till det kommer att dessa filter väger betydligt mindre än om de vore utförda i traditionellt använd aluminium. Grunden för C3 är att man gjuter en kärna som sedan kan smältas ur med relativt låg temperatur. Detta skall jämföras med traditionell gjutning av aluminium och efterföljande fräsarbete. Med C3-processen tar det bara 45 sekunder att gjuta ett basstationsfilter! Ur miljösynpunkt är processen ypperlig eftersom den bara förbrukar det material som behövs för filtret, vågledaren eller någon annan tänkbar detalj. Investeringen i en tillverkningsenhet blir dessutom billigare. Betänk att en numeriskt styrd fräs kostar kring 8 miljoner kronor. SMÄLTER UT KÄRNAN Gjutningen liknar den metod man använder för injection moulding av termoplast. Skillnaden är att kärnan består av en metallegering i stället för en polymer och att insprutningstrycket är mycket lägre i den process där kärnan gjuts. Den metallegering som används vid gjutning av kärnan är I denna maskin gjuts kärnan av tennlegering i C3-processen. Plasten sprutas sedan in i en annan, enklare maskin. Gjutmaskinerna är betydligt billigare än de NC-svarvar som annars används vid traditionell tillverkning av filterkaviteter i metall. Så här ser solceller ut efter försilvring med hjälp av den autokatalytiska processen ESM300. Jens Andersson, vd, Karl Lundahl, teknisk chef och Anders Remgård, vvd. mycket måttbeständig tack vare en ny typ av tennlegering. Toleranserna håller sig inom 2 µm! I nästa steg placeras kärnan i en yttre form som definierar komponentens yttermått. Komponenten, som nu består av kärna och omgivande epoxy placeras i ett bad för att smälta ut tennkärnan. När denna upphettas till ca 180 C rinner den lätt ur och lämnar kvar en kavitet. Kaviteten pläteras nu i en icke elektrisk process för att öka ytornas ledningsförmåga. Sedan försilvras kopparlagret med en unik, autokatalytisk process, kallad ESM200, som Polymer Kompositer har ut vecklat. Processen ger täta, porfria, tjocka silverlager vilket ger god ledningsförmåga och skydd mot oxidering av underliggande kopparlager. TJOCKT OCH JÄMNT Tidigare har det varit omöjligt att lägga på silver tjockare än 0,2 µm med en electroless process. Med ESM200 blir det möjligt att lägga på silver med önskad tjocklek. I mikrovågstillämpningar vill man gärna ha kring 4 µm för att åstadkomma ett högt Q-värde i hålrumsresonatorerna. Men genom att silvret med den här processen så väl följer underlaget och blir lika tjockt över allt kan man ha ned till 0,7 µm utan att kopparn sticker upp genom silverskiktet och blir oxiderad. ESM200 är en av de viktigaste faktorerna till att C3-processen blivit möjlig. Vanlig galvanisk plätering kan inte utnyttjas i de ihåliga komponenter som filtren utgör. Med traditionella processer måste man bryta upp konstruktionen i låda och lock. Anders Remgård har uppfunnit en galvanisk process som kallas Ag-pulse. Den används inte tillsammans med C3, utan är allmänt tänkt för galvanisering av metaller. Med denna kan man styra tjockleken av silver selektivt, så att exempelvis botten i ett hålrum får ett tjockare lager än kavitetens övre delar. Att kunna skulptera silverskiktets tjocklek kan behövas i mikrovågsfilter med svåra geometrier. Metoden spar på så sätt på silver. Besparingen handlar om procent och tiden för försilvring uppges vara procent kortare än för en vanlig, galvanisk process. BÄTTRE SOLCELLER En annan process ESM300 används för att plätera kontaktfingrarna i solceller. Dessa ledare vill man ju ha så smala som möjligt för att de inte skall dölja den aktiva ytan. Men smala ledare ger resistiva förluster. ESM300-processen löser problemen genom en försilvring av ledarna. Processen är autokatalytisk. Med försilvrade ledare kan verkningsgraden höjas med 0,6 procent. Det låter litet men betyder i praktiken en hel del. Hittills har man använt ett lager nickel, för att förankra ledaren i underlaget, ett kopparlager för att ge ledningsförmåga och immersion silver, för att ge lödbarhet. Med ESM300 ökas inte enbart ledningsförmågan. Processtiden blir kortare tack vare att kopparlagret kan göras tunnar. Vi har talat med alla de stora tillverkarna av solceller och samtliga är intresserade, säger Jens Andersson, vd för Polymer Kompositer. Branschen för solceller växer med procent per år. I år produceras solceller för en sammanlagd effekt av 1700 MW. FÖRSILVRADE MÖNSTERKORT ESM100-processen är avsedd för försilvring av mönsterkort. Den ger ett tjockare silverskikt än immersion silver. Det gör att kretskorten kan lagras i två år utan att silverskiktet bryts igenom. Metoden ENIG fasas nu ut på grund av kvalitetsproblem i blyfria processer, enligt Jens Andersson. Han ger också sin syn på andra typer av ytbehandlingar: HASL är för svår, ENIG är för dyr och dålig. Immersion tenn (djupförtenning) skapar wiskers och är totalförbjuden av ESA. OSP (organiskt ytskydd) är känsligt för fingeravtryck. Immersion silver (djupförsilvring) ger tunna skikt och mönsterkorten kan därför bara lagras under en begränsad tid. SILVER PÅ KISEL Ytterligare en autokatalytisk process, ESM400, används för att försilvra kisel. Att lägga på ledare med denna metod är betydligt billigare än att sputtra. GUNNAR LILLIESKÖLD 40 ELEKTRONIK I NORDEN 8/2006

17 BYGGSÄTT micro SMDxt tillhör senaste generationen av kapslingsteknik på wafer-nivå. Namnet står för Surface Mount Device extended technology. Kapseln bygger vidare på Nationals SMD-kapsel, som hittills använts i 200 produkter. micro SMDxt medger mellan 42 och 100 lödkulor (bumps)på 0,5 mm delningsavstånd utan någon underfyllning. I artikeln förklarar Andrew Johnson, National Semiconductor, några av de tekniska krav som konstruktörer behöver ta hänsyn till för att dra nytta av detta. Ny kapsel: micro SMDtx Självfallet kan kapslar med lödanslutningar tillåta mera komplexa produkter förpackade på mindre volym. Först ut i SMDxt-kapsel var klass D-förstärkaren LM4935, för att driva hörlurar i mobila applikationer. Lösningen kräver 70 procent mindre utrymme och bygghöjden är bara 0,65 mm. Jämfört med vanliga trådbondade kretsar erbjuder kapseln överlägset låga störningar vilket gör att den passar i mobila applikationer, som är den naturliga hemvisten för CSP. Termiska prestanda för micro SMDxt-kapslar kan jämföras med andra termiskt gynnsamma kapslar, sådana som Quad Flat No Lead Plastic (QFN) eller Leadless Leadframe Package, LLP, med liknande antal anslutningsben. Fig 1 visar flera typiska produkter i microsmdxt-kapsel, vilka har lödkulorna på den aktiva sidan av kislet. Idag finns det kapslar med följande antal lödkulor (dimensioner i mm): 42 (7 6), 49 (9 9), 56 (8 7), 64 (8 8), 80 (10 8), 81 (9 9) och 100 (10 10). Detaljer om lödkulornas storlek framgår av tabell 1. Tillverkningen för micro SMDxt börjar med vanlig wafer-produktion som följs av återpassivering, deponering av lödkulor på I/O-anslutningarna, skyddskapsling, test på wafernivå med utsortering, lasermärkning, uppdelning i enskilda kretsar samt förpackning på tape och rulle. Ytmonteringen av micro SMDxt omfattar tre steg: Tryck av lödpasta på kretskortet. Komponentplacering med vanlig monteringsmaskin Omsmältningslödning och rening (beroende på den typ av flussmedel som används). Hanteringen förenklas genom att vanliga tape-and-reel följer EIA-481-1, att vanliga ytmonteringsmaskiner och att vanlig omsmältningslödning kan användas både för blyfria komponenter och för tenn/bly-komponenter. TIPS FÖR KRETSKORTSLAYOUT Två typer av mönster används för ytmonterade kapslar: Icke lödmaskdefinierade (NSMD) micro SMDxt har idag mellan 42 och 100 lödkulor, placerade med 0,5 delning. Lödmaskdefinierade (SMD) NSMD är att föredra för kretskortslayout eftersom denna konfiguration ger en snävare styrning av etsprocessen än vad som är möjligt med SMD-konfigurationen. Därmed minskas påfrestningen på koncentrerade punkter på mönstersidan vilket bidrar till långtidsstabiliteten. Ett kopparlager, tunnare än 30 µm (1 oz) rekommenderas för att bättre särskilja de olika lagren. Om kopparlagret är tjockare finns det risk för sämre lödningar. Vid NSMD bör inte anslutningsledningen mot lödytan överstiga 2/3 av dess diameter. Tabell 2 visar rekommenderade mått. För mönsterkort med inbyggda vior (microvias) bör man alltid tillämpa NSMD-definitionen eftersom denna säkerställer en adekvat vätningsyta på kopparanslutnignarna och därför ger bättre lödförbindning. Väggtjockleken på mikroviorna bör vara minst 15 µm. Användningen av offset-vior rekommenderas när mikrovior behövs för ledningsdragningen på mönsterkortet. För intern karakterisering beläggs mönsterkortets lödytor med nickel-guld (elektropläterat nickel, doppat i guld). Guldet måste vara minst 0,2 µm tjockt för att undvika spröda lödfogar. Slutligen måste ledningarna dras ut symmetriskt i X- och Y- led för att undvika att delar av ledningarna vrids på grund av ytspänningar vid lödningen. För att implementera de fina SMD-strukturerna bör man vid tillverkningen av stenciler använda laserskärning följt av elektropolering. Tabell 3 visar rekommenderade stencilöppningar. Lödtenn av typ 3, med partikelstorlekar mellan 25 och 45 µm eller finare, bör användas för tryck. Vanliga pick-and-placemaskiner kan användas för placering av micro SMDxt-kapslar. Visionsystem (med sidobelysning för att ge bättre kontrast) behövs vanligen för igenkänning och positionering av kapslingssiluetten och de individuella lödkulorna. För att få bättre noggrannhet är rekommendationen att maskiner för utplacering av IC med fin bendelning används i stället för chip-shooters. Även om SMDxt-kapseln kan motstå 1,5 kg under 0,5 sekunder vid monteringen, behövs nästan ingen kraft för placeringen. Lödkulorna bör doppas ned i lödpastan så att denna går upp till över 20 procent av pastablockhöjden. På grund av ytspänningen i lodet kommer lödkulorna på micro SMDxt-kapseln att linjeras automatiskt. OMSMÄLTNING OCH RENING micro SMDxt-kapseln är anpassad för industrins omsmältningsprocesser för både blyfria lod och tenn/bly-lod och den är kvalificerad för upp till fyra omsmältningslödningar vid temperaturer upp till 260 C (J-STD-020). Man bör inte använda blyfria micro SMDxt-kapslar ihop med tenn/blylod eftersom tillförlitligheten äventyras. Lödkulorna i micro SMDxt skiljer sig från vanliga strukturer. Utformningen är gjord för att ge kontrollerad (minimal) sammantryckning. Detta gör dem effektivt självlinjerande med signifikant förbättrad tillförlitlighet hos lödförbindningarna. Lödytan definieras utan eller med lödmask: NSMD (Non-Solder mask Defined) och SMD (Solder Mask Defined. ENKEL ATT BYTA UT Det kan vara komplicerat att byta ut ultrasmå kapslar, men metoden för utbyte för micro SMDxt liknar den hos de flesta BGA- och CSPkapslar. Innan komponenten placeras på kretskortet måste ytterligare lödpasta läggas på kretskortet och lödkulor. Den använda omsmältningsprocessen vid reparationen måste stämma överens med den ursprungliga profilen. Det system som används vid komponentutbytet måste innehålla ett lokalt värmelement med möjlighet till att skapa temperaturprofil, ge förvärme på undersidan och ha ett placeringsverktyg med bildupplägg. TILLFÖRLITLIG micro SMDxt-kapseln uppfyller alla kretskortstandarder för tillförlitlighet. Den klarar temperaturändringar och test av temperaturchock liksom att tappa eller böja kretskort, utan underfyllning. Ingen av andra standarder för tillförlitlighetstest ger heller några problem, standarder som Operation life test, OPL, Themperature Humidity Bias test, THBT, temperaturcykling, autoklavtest och test av elektrostatiska urladdningar, ESD. Vi ser nu en övergång till tätare bendelning (0,5 eller 0,4 mm) för mikroprocessorkretsar med många anslutningsben i mobiltelefoner och i liknande konsumentprodukter. Det bekräftar valet av denna teknik. Fabrikerna har en passande infrastruktur för tillverkning av Lödkula, diameter 0,31 mm Delning 0,5 mm Antalet anslutningar Kapseltjocklek (nominell) 0,65 mm Höjd hos lödkula (nominell) 0,255 mm Lödkulornas relativa planhet 0,015 mm Leveransmedium Tape & Reel Fuktkänslighet MSL1 Tabell 1. Detaljer om lödkulor. dessa komponenter och National Semicondutor kan fortsätta sin klassledande kapslingsutveckling så att mobiltillverkarnas storlek fortsatt kan minskas. ANDREW JOHNSON, SENIOR APPLICATIONS ENGINEER AUDIO EUROPE, NATIONAL SEMICONCUCTOR Delning 0,5 mm Diameter på lödkulor 0,31 mm Definition av lödyta Copper Pad Solder Mask Opening NSMD 0, / ,375 ± mm mm SMD 0, / mm 0,275 ± mm Tabell 2. Rekommenderade mått för lödytor. Delning Diameter på lödkulor Rekommenderad stencil Aperturmått Profil för temperaturcykling, -40 till +125 C med 3 minuters ramp och 14 minuters kvarhållning. 0,5 mm 0,31 mm 0,275 0,275 mm 0,125 mm tjockt Tabell 3. Rekommenderade mått för stencilöppningar. ELEKTRONIK I NORDEN 8/

18 Tel: Fax: Information från Elektronikindustriföreningen REDAKTÖR: ANNA SVÄRDEMO-ALANDER, Många kunder ställer redan idag krav på blyfrihet. De kommer att bli dominerande kravställare, inte myndigheterna, säger Lars Gunnar Klang. Märkningen är kass! Maria Månsson efterlyser standardiserad märkning av RoHSkomponenter. Och hon uppmanar alla att ladda ned datablad och tillverkardeklarationer från komponentillverkarnas hemsidor eftersom databöcker i stor utsträckning har försvunnit. FR4 med rätt specifikation fungerar bra, säger Roland Timgren, Tritek. Se särskilt på mönsterkortens parametrar som tg och CTE och välj rätt komponenter! KALENDARIUM 11 maj. Elektronikindustriföreningens årsmöte kommer att äga rum den 11 maj. Kablar, metaller och plaster kan visa sig vara mycket svårare att hantera i produktionen än renodlade elektronikkomponenter, påpekar Mikael Joki. Vidar Wernöe upplever Kemiinspektionen som måttligt hjälpsamma: Vi har bett dem att ge ett förhandsbesked om hur vi skall dokumentera att RoHS uppfylls, men det har hittills varit omöjligt att få svar. Professor Bengt Magnhagen ledde seminariet. Sista torsdagen i varje månad kl 18:00. Torsdagstanken hålls på Saddle BAR, Tegnergatan 9 i Stockholm. Maila till Håkan Isoz [hn-isoz@algonet.se] om du kommer! Uttömmande seminarium om RoHS! Elektronikindustriföreningens seminarium om RoHS, och i synnerhet blyfri utveckling och produktion, speglade väl den situation som Sveriges elektronikproducenter står inför. Fastna inte i diskussioner om undantag, uppmanade Lars Gunnar Klang inledningsvis. På sikt väntas RoHS-direktivet omfatta fler områden, men framför allt ställer många kunder redan idag krav på blyfrihet. De kommer att bli dominerande kravställare, inte myndigheterna! Han är kemist och numera anställd som sakkunnig inom RoHS och kontaktnätsmetodik vid Cross Technology Solutions. Han har stöttat Elektronikindustriföreningen i dess arbete runt anpassningen till RoHS. Gunnar Klang berättade att man redan under början av 90-talet i USA arbetade på att utveckla blyfri elektronikproduktion. Men när republikanerna tillträdde som regenter tonades utvecklingen mot blyfri produktion ned. Japanska företag började producera blyfritt i början av 2000-talet. Att EU-direktivet RoHS träder i kraft den 1 juli lär väl knappast ha undgått någon elektronikproducent. Men hur är det i andra världsdelar? Kalifornien inför sina SB20/ SB50-regler från den 1 januari 2007 och Kina talar om blyförbud den 1 mars Kanske blir det så: Beslutet har successivt flyttats framåt. Om ett år kan möjligen norra halvklotet komma att omfattas av blyförbud inom elektroniken. Men det är inte säkert att alla väljer att följa RoHS, med dess förbud inte bara mot bly, utan även mot kvicksilver, kadmium, 6-värt krom och de två flamskyddsmedlen PBB och PBDE. Bly har särställning Bly har en särställning, påpekar Lars Gunnar Klang. Utan bly i produktionsprocessen riskerar man dålig tillförlitlighet. Omställningen till RoHS påverkar hela kedjan, från logistik fram till färdiga produkter och en eftermarknad. Processfönstret för blyade komponenter är lätt att hantera. Vid blyfri produktion gäller det att ha rätt utrustning och speciella kunskaper. Lars Gunnar Klang listade några uppenbara skillnader vid övergången till blyfri produktion: Smältpunkten för lod, 232 C, är ca 40 C högre än ordinärt tenn/ blylod. Minst 235 C krävs för att inte riskera whiskers. Det finns minst ett fall där en satellit har slutat att fungera på grund av whiskers. De högre temperaturerna kan ge sprickor i chipkondensatorer, lösa upp metallskikten ( leaching ) och fukt kan skapa tryck så att komponenterna i vissa fall briserar ( pop corn -effekt). Elektrolyter kan svälla så att de ser ut som surströmmingsburkar. För att förhindra fukt i komponenter bör dessa lagras torrt (vid mindre än 5 procents relativ luftfuktighet enlig J-STD-0336). Ett problem är dock att den torra miljön ökar risken för statisk elektricitet. Enligt Lars Gunnar Klang är en kritisk gräns 55 procents relativ luftfuktighet! Ytspänningen för blyfritt lod är högre. Densiteten för blyfria lod är lägre. Metallurgiskt sett är blyfri produktion aggressivare eftersom tennet väter på rostfritt stål. Den blyfria lödfogen ser ut som en kallödning med tenn/blylod. Vätningsytornas vinkel skiljer dessutom. Det gäller att lära om hur människa eller maskin (AOI) skall tolka lödfogens utseende. Metallpriset är högre eftersom bly bara kostar en tiondel av vad tenn kostar. Till det kommer att man kanske även tillför dyrt silver för att eutektiskt sänka smältpunkten. Kritiska komponenters anslutningar kan behöva förtennas om. Men detta kostar 1-2 dollar och att sedan lägga komponenterna på tape och rulle kostar ytterligare 2 dollar. Databladen är ofullständiga, de kan vara både svåra att finna och tolka. Databladen, och deras tolkning, utgör de största problemen med RoHS, som till 80 procent har blivit en logistik och administrativ fråga, säger Lars Gunnar Klang. Mönsterkorten påverkas av ökad värme. Utvidgningen i z-led (tjockleken) kan få innelagren att spricka. Temperaturen Tg är en viktig parameter. Tg avser den temperatur då mönsterkortet mjuknar. Det finns FR4 med hög Tg. Lars Gunnar Klang varnar dock för att välja ett dyrare mönsterkort än vad man behöver. En annan varning gäller blysmitta. Om det kommer bly i processen kan smälttemperaturen komma att sänkas C. Ett lod av typen SnCu0,7 sänks då från 217 C till 179 och ett SiDi57 från 138 C till 96. Temperatursäkningen kan göra att bumparna på BGA- eller CSA-kapslar inte smälter. Ett kommande problem att lösa blir reparation i fält, som enligt RoHS måste ske blyfritt. 2 års erfarenhet För två år sedan började vi konstruera för blyfri lödning. När vi lät en kontraktstillverkare producera korten blyfritt visade det sig att det var betydligt svårare än vad tillverkaren hade trott. Korten överlevde inte processen, säger Vidar Wernöe, vd för Elektronikkonsult AB och tillika elektronikindustriföreningens sakkunnige inom RoHS- och WEEE-frågor. Att producera kretskort med komponenter av liknande storlek går alldeles utmärkt. Problemen kommer när komponentstorlekarna skiljer kraftigt och på kretskort med stora kopparytor, så som fallet är i kraftelektronik. För att kartlägga vilka temperaturer som komponenterna utsattes för vid blyfri produktion satte vi ut ett antal termogivare på olika komponenter. Det visade sig att exempelvis de ytmonterade elektrolytkondensatorernas temperatur översteg komponenttillverkarnas specifikationer. Vidar Wernöe ger tipset att elektrolytkondensatorer av typen Nichicon (WD-serien) väl tål de temperaturer som den blyfria processen utsätter dem för. Annars kan man ju välja Osconkondensatorer från Sanyo eller byta till en hålmonterad variant. Det har visat sig att även POS- CAP-kondensatorer är känsliga för övertemperatur. Över tid kan man få ett ökande ESR-värde i kondensatorn. Vidar Wernöes råd är att noggrant stämma av mot databladet vad komponenten tål för lödtemperatur. Maria Månsson, Avantel AB, 42 ELEKTRONIK I NORDEN 8/2006

19 talade också om behovet av att i många fall ersätta elektrolytkondensatorer med dyrare varianter. Speciellt knepigt är det att ersätta sensorer som ofta är känsliga för övertemperatur. Skeva kretskort kan vara ett problem som åtgärdas med annan kretskortslayout: Stora ytor bryts upp och man inför så kallade heat-reliefs runt lödytan mot större komponenter. Se mer om detta i Vidar Wernöes artikel i EiN nr 2, sid 36. Detta löste problemen vid våglödning. Vidar Wernöe har några tumregler inför övergången till blyfri produktion: Stäm av stycklistan: Byter komponenter artikelnummer i blyfri version? Kontrollera databladen: Klarar komponenten den tänkta lödprocessen? Finns det risk för att komponenten slutar tillverkas? Sök efter uppgiften LTB, Last Time Buy. Ställ rätta frågor till kontraktstillverkare. Att de säger sig ha tillverkat Pb-fria kort, räcker inte. Fråga vad slags kort de har producerat! Bildade projektgrupp Mikael Joki, vd för Eskilstuna Elektronikprodukter berättade att hans företag, tillsammans med Westermo Elektronik, bildade en projektgrupp för att utvärdera RoHS. Under 2005 hämtade man in information och besökte mässor och leverantörer. Arbetet inleddes med en genomgripande inventering då man med ett färgbaserat system märkte ut blyfria komponenter, RoHS-godkända komponenter samt blyade komponenter. Erfarenheterna kan sammanfattas som: Komponenterna kräver en noggrannare processtyrning för att inte utsättas för nivåer och tider för förhöjd temperatur utöver specificerade ramar. Vissa komponenter harmoniserar inte med RoHS, t ex BGAkapslar eller komponenter för transientskydd. Distributörerna säljer nu ut lager av blyade komponenter. Vissa komponenter utgår ur sortimentet för att inte tillverkas i blyfri version. Vissa komponenter blir RoHSkompatibla år 2007 eller senare. Ledtiderna ökar från 8 till 16 veckor. Priserna ökar. Det gäller i synnerhet RoHS-kompatibla komponenter. Standardiserade märkmetoder saknas för komponenter. Mönsterkorten och värme Mikael Joki betonar att antal viktiga temperaturuppgifter för mönsterkort: Tg = glasomvandlingstemperaturen - den temperatur då kortet blir mjukt. Td = nedbrytningstemperaturen (vanligen C). T260 = Den tid laminatets klarar 260 C utan delaminering. CTE = den termiska utvidgningen i Z-led. Det är viktigt att välja material med Tg och Td som passar den aktuella processen, betonar Mikael Joki. Man måste också veta hur många omsmältningar som kortet tål, hur hög topptemperaturen blir vid lödningen och hur lång kortet tål att exponeras för temperaturer över smältpunkten för lodet. Något som det har talats mycket litet om är kablar, metaller och plaster. Dessa kan visa sig vara mycket svårare att hantera i produktionen än de rena elektronikkomponenterna! Lödtenn Processen påverkas av valet av såväl pläteringar av mönsterkorten som lodpasta. Vi har utvärderat 5-6 olika pläteringar och 10 olika lodpastor, säger Michael Joki. Vi har valt att använda SAC vid ångzonslödning och SN100C vid våglödning. Ett nytt problem är att finna blyfria spetsar till kolvar för handlödning. Fem års erfarenhet Elektromekan har arbetar med en anpassning till RoHS i fem år! I många frågor samarbetar man med Tritek. Roland Timgren, från Tritek, gav några tumregler för vad en omställning till RoHS innebär: * Köp av nya lödugnar: Det kan kosta kr till 1,5 Mkr. Elektromekan ville ha minste 7 zoner i lödugnarna. Idag har man fyra sådana lödugnar. * Ny utrustning och nya metoder för avsyning kan bli aktuella. Ny ytbehandling kräver investeringar. En mängd olika pastor och flussmedel måste utprovas. Komponenthantering måste ha separata lager för blyade och blyfria komponenter. Det kan bli stora restlager! Handlödning kräver nya spetsar till lödkolvarna. Som lodpastor har elektromekan valt Sn96, 5Ag3Cu0,5 (SAC305), men man betonar att inte alla processer tål de temperaturer som krävs. Man söker ännu efter lämpligare pastor. För våglödning har Elektromekan valt SAC100C (med nickel för att inte förstöra lödgrytorna). FR4 med rätt specifikation fungerar bra, säger Roland Timgren. Han ger några uppmaningar: När det gäller tillförlitligheten, se på parametrar som tg och CTE. Välj rätta komponenter! Gå igenom lagret och dela upp det RoHS- respektive blyade komponenter. Lagra på rätt sätt. Utbilda personalen. Byt ut till blyfria spetsar till lödkolvarna. QFN- och BGA/CSP-kapslar kräver röntgeninspektion, vilket kan betyda en miljoninvestering. Voids är ett av problemen med blyfri lödning. De blyfria pastorna är trögflytande. Därför är det svårt att få ut gasbubblor. Dessa skapar håligheter. Rutinerna för avsyning måste ändras. Blyfria lödningar ser annorlunda ut. De flesta RoHS-komponenter har tennplätering (tjockleken kan ifrågasättas). NiPdAu är bättre. Test och verifieringsfaserna måste gås igenom vid övergången till RoHS. Roland Timgren sammanfattar de fel som har noterats vid övergången till RoHS som: överhettade komponenter, bågnande kretskort (inte rätt typ av FR4) och sämre lödbarhet. Plast, mekanik och kablar kan ge problem liksom osäkra leveranser av komponenter. Kemi skrämmer I den efterföljande paneldebatten uttryckte Vidar Wernöe att de svenska myndigheterna har visat förvånansvärd lite intresse för elektronikindustrin och för att underlätta omställningen till RoHS. - I andra länder samarbetar industrin och myndigheterna för att klara av de nya lagkraven och det borde vi göra i Sverige också, säger Vidar Wernöe. Tyvärr är min erfarenhet är att myndigheterna har stor okunskap om elektronik och om elektronikbranschens förutsättningar. Vi har bett KemI att komma med ett förhandsbesked om hur vi skall redovisa att RoHS uppfylls och vilken dokumentation man vill se vid en inspektion. Då kan vi nu när RoHS implementeras spara på den dokumentation som krävs. Att ta rätt på detta i efterhand kommer att bli dyrt. Hittills har KemI varit helt avvisande till detta. Beträffande WEEE-direktivets uppfyllande tänker Naturvårdsverkets inspektörer kommer att använda en speciell pistol för att spåra bly. Problemet är då att avgöra var en registrerad blyförekomst finns eftersom RoHS tillåter en viss mängd bly inne i komponenterna, säger Lars-Gunnar Klang. RoHS är bara ett av många direktiv. Maria Månsson talade om elektronikföretagens utmaning att uppfylla inte bara RoHS 2002/95/EG utan även EMC89/ 336/EEG, LVD 93/68/EEC, MD 93/42/EEG, WEE 2002/96/EG och det senaste direktivet EuP. Nyckeln till att lösa problemen är samarbete så att man kan undvika att göra samma problem som andra har gjort, var hennes råd. Gunnar Lilliesköld ELEKTRONIK I NORDEN 8/

20