Использование BGA - технологии позволяет свести к минимуму количество дополнительных внешних компонентов, существенно сократить габаритные размеры и снизить цену конечного устройства.

Модель Enfora Enabler IIIG GSM0408 представляет собой 4-диапазонный GSM/GPRS - модуль 850/E-900/1800/1900 МГц. Выпускается также модель GSM0406, рассчитанная на работу в двух диапазонах 900/1800 МГц. Эти модули с размерами всего 28.0 x 24.0 x 2.6 и весом 3.6 г не имеют в настоящее время мировых аналогов [1].

Базовые технические характеристики модуля GSM0408 приведены в таблице 1.

По сравнению с модулем GSM0308 в модуле GSM0408 дополнительно добавлены LCD и I2C. [1].
В модулях GSM0408 имеется встроенный TCP/IP стэк. Библиотеки HCI – интерфейса содержат программные блоки PPP, TCP, UDP, PAD, TCP, API, FRIEND и т.д.

В этом модуле в качестве основного используется последовательный порт. В модулях GSM0408 поддерживается цифровой аудио-интерфейс, соответствующий формату PCM «Texas Instruments industry standard DSP». Аудио-параметры задаются с помощью новых команд AT$VOICEPATH=2 и AT$IOBLKS=0,1. Модули в настоящее время поставляются с фиксированными настройками: тактовая частота 520 кГц, длина слова 16 бит.

В GSM0408 можно задействовать до двадцати программируемых вводов/выводов. Очень удобным может оказаться новый вывод для внешнего управления включения/выключения питания. При помощи внешнего импульса можно дистанционно включать или выключать питание модуля. Специальные АТ – команды AT$OFFDLY и AT$OFF позволяют задавать параметры процесса сброса и подачи питания [2].

Введены и некоторые изменения в программное обеспечение. Так например, в новой серии Enabler IIIG последовательность «+++» переводит модем в командный режим, но при этом не разрывается TCP - соединение и не нарушается текущий контекст (аналогично тому, как работает команда CSD). При этом команда ATO возвращает модем в режим передачи данных, а команда ATH прекращает PAD – сессию и разрывает соединение. Подробно этот процесс рассмотрен в [3].
Можно также выделить команду AT$LUPREJ, которая используется для описания ошибки при различных сетевых проблемах [2].

Необходимо отметить изменения, введенные для режима отправки АТ – команд через SMS. В Enabler IIIG снято ограничение на фиксированный адрес в команде AT$SMSDA. Теперь, по умолчанию любая, отосланная в корректном формате АТ – команда, будет принята модемом. Однако, при этом нужно, чтобы ID модема соответствовал описанию входа в AT$MDMID или другим, перечисленным в AT$SMSDA условиям. Для управления модулем через SMS введена новая команда AT$SMSDAEN.

В модулях серии Enabler IIIG введено автоматическое определение скорости передачи по последовательному порту. Заводская установка сейчас: AT+IPR=0. При подключении модуль сам выбирает необходимую скорость.

На BGA - разъеме выводы расположены по группам, в соответствии с функциональным назначением. Такое расположение выводов позволяет оптимальным образом разводить печатную плату.
Расположение и назначение выводов модуля GSM0408 на BGA -корпусе показано на рисунке 2.

При проектировании печатной платы рекомендуется линии вводов/выводов проводить по внутреннему слою. Это дает возможность сделать непрерывный заземляющий контур на плате. Последнее очень важно для отвода тепла и для борьбы с наводками в изделиях с BGA - разъемом. Пример разводки печатной платы для модуля GSM0408 с группировкой по функциональному назначению показан на рисунке 3. Следует обратить внимание на то, что линии вводов/выводов максимально удалены от силовых и радиочастотных линий. Конкретные рекомендации по проектированию печатной платы для GSM0408 приведены в [1].

Для разработки изделий на базе модуля GSM0408-BGA выпускается отладочный комплект SDK0408MG720. Внешний вид платы отладочного комплекта показан на рисунке 4.

Вид сверху

Вид снизу

На плате расположены перечисленные ниже переключатели и разъемы, позволяющие контролировать напряжения и сигналы в ключевых точках модуля.
Питание платы - разъем J208. На него подается положительное стабилизированное напряжение 5 В, 2.5.А. Разъем J208 имеет внутренний диаметр 1.3 мм и наружный диаметр. Питание может подаваться также через дополнительный разъем J207. Для переключения линии подачи питания служит переключатель J202. Выключатель SW 202 – включение /выключение питания. Переключатель J201 позволяет запитывать модуль в автоматическом или ручном режиме. В автоматическом режиме питание на модуль подается сразу после включения SW202. В ручном режиме, для управления питанием, с помощью выключателя SW201 можно кратковременно подавать на вывод модуля PWR CNTL нулевой потенциал. Этот вывод модуля может управляется внешним сигналом и конфигурироваться специальными командами AT$OFFDLY, AT$OFF [1].
Разъем Vbat-Vbat_J используется для контроля тока в различных режимах работы модуля.
Для перезагрузки модуля используется выключатель SW200, с помощью которого вывод модуля RESET кратковременно замыкается на землю.. При изменении состояния с низкого на высокое происходит принудительная перезагрузка модуля.
На разъем DB-9 выведен стандартный последовательный порт RS232. Каждая линия RS232 контролируется с помощью своего светодиода.
На плате SDK0408MG720 установлен модуль без держателя SIM – карты рисунок 5). Поэтому используется внешний держатель SIM – карты, размещенный непосредственно на отладочной плате (рисунок 4).
Переключатели J13, J14 позволяют контролировать наличие SIM карты в держателе.
Для контроля работы GPIO используется светодиодная индикация. Выбор режимов работы осуществляется с помощью DIP – переключателей. Каждый из регулируемых GPIO может быть установлен в высокое или низкое состояние с помощью DIP – переключателя.
Выбранным GPIO можно с помощью команды AT$IOCFG присваивать статус входного или выходного вывода. Кроме того, их можно подключать через DIP – переключатели к той или иной линии.
Для каждого GPIO имеется контрольный светодиод, который загорается, когда GPIO переключается в высокое состояние.
На плате имеется встроенная, полосковая разъем GSM – антенна. Помимо этого через разъем SMA можно подключить внешнюю антенну.
С помощью переключателей J400, J401, J402, J403 сигналы с контактов BGA – разъема подаются на контрольный разъем. Таким образом, в любой момент можно контролировать состояние каждого из выводов BGA- разъема.
На разъем Mini USB выведен отладочный порт, который используется исключительно в целях конфигурирования модуля GSM0408 и не может быть использован для связи с внешними устройствами.
Для работы с аудио – аксессуарами на отладочной плате имеется стандартный разъем для подключения стерео – гарнитуры (Headset Jack). Кроме того, имеются отдельные разъемы для подключения микрофона и динамика. Режимы работы аудио – системы конфигурируются с помощью команд AT$VSELECT=0 (handset) и AT$VSELECT=1 (headset). Подробнее вопросы управления с помощью АТ –команд рассмотрены в [2]. Более подробно отладочный комплект описан в [4].

Отличительные особенности модулей в BGA - корпусе

Технология BGA это аббревиатура от английского названия Ball Grid Array -корпус с матрицей из шариковых выводов.
В общем случае BGA - выводы представляют собой шарики из припоя, нанесённые на контактные площадки с обратной стороны изделия.
Тенденция постепенного перехода к BGA - корпусам в изделиях с высокой концентрацией компонентов на одном кристалле наблюдается в мире с конца 90-х годов.
На сегодняшний день эта технология получила достаточно широкое распространение и в России, в основном за счет предприятий по ремонту мобильных телефонов и компьютерной техники.
В первую очередь такая популярность связана с тем, что BGA – корпус является оптимальным решением проблем производства и монтажа на печатную плату миниатюрных корпусов с большим количеством выводов.
Одна из таких проблем связана с коротким замыканием соседних ног штыревых разъемов с мелким шагом, вызванного попаданием припоя или конденсата между выводами.
Изделия с BGA - корпусами не имеет такой проблемы, поскольку припой наносится точно в нужном месте и в строго определенном количестве прямо на корпус изделия непосредственно на заводе – изготовителе.
Еще одним преимуществом BGA - корпусов является лучший тепловой контакт между модулем и платой, что в некоторых случаях избавляет от установки теплоотводов.
Следует также обратить внимание на то, что использование BGA - корпуса позволяет существенно снизить высокочастотные наводки. Это связано с тем, что чем меньше длина выводов, тем меньше наводки и излучение. У BGA – корпуса длина длина излучающих (и принимающих) проводников минимальна, и определяется только расстоянием между платой и модулем (0.005 мм).
В связи с быстрым развитием технологии поверхностного монтажа и современной элементной базы процесс пайки компонентов становится все более сложным. Корпуса BGA снимают целый ряд проблем установки компонентов с малым шагом. Кроме того, BGA - корпус проще устанавливать и паять на плату, так как он имеет больший шаг между выводами.
Процент брака при монтаже BGA - корпусов на порядок меньше, чем аналогичный параметр для стандартных корпусов, особенно с многоконтактными разъемами.
Ну и наконец, немаловажным преимуществом является снижение себестоимости конечного изделия при использовании BGA – корпуса. Во-первых, цена уменьшается на стоимость прямой и ответной частей многоконтактного разъема. Во-вторых, цена снижается за счет уменьшения стоимости печатной платы и затрат на монтаж комплектующих. Это объясняется тем, что BGA – выводы расположены по всей поверхности изделия и сгруппированы по функциональному назначению. Поэтому конструкция печатной платы получается наиболее оптимальной.
При монтаже изделий с BGA - корпусами, их нагревают с помощью струи воздуха или инфракрасного излучения до температуры плавления шариковых выводов припоя.
Точная комбинация марки припоя, флюса, паяльной маски и температурного графика пайки не позволяет шарикам полностью деформироваться и удерживает модуль «на плаву» на некотором расстоянии от платы.
Процесс монтажа BGA – модулей на плату осуществляется по следующей схеме:
• Перед началом процесса пайки сферические выводы BGA устанавливаются точно на контактные площадки печатной платы (рисунок 6.1.).
• На первом этапе пайки начинается локальный нагрев модуля до заданной температуры. Стандартный диапазон находится в пределах от 150 до 190°C. Точное значение температуры и график нагрева задаются для каждого конкретного случая. На этой стадии шарики частично расплавляются, и начинается их первичное «оседание» за счет гравитационных сил (рисунок 6.2.).
• На втором этапе температура поднимается до максимальной, соответствующей данной конкретной модели и прописанной в документации на нее. Стандартный диапазон температур составляет от 250 до 350°C. Точное значение температуры и график нагрева задаются для каждого конкретного случая. При достижении максимальной температуры пайки происходит полное оплавление BGA - выводов и смачивание припоем контактных площадок платы. Выводы еще больше сплющиваются (рисунок 6.3). При этом, расстояние между корпусом модуля и платой достигает заданного для данной модели значения (от 0.05 до 0.5 мм).
• По специально заданному графику начинается охлаждение. Капля припоя, образовавшегося из шарика, фиксируется в отверстии контактной площадки печатной платы. При этом поверхностное натяжение расплавленного припоя не дает капле растекаться по плате.
• На заключительном этапе проводится очистка платы от остатков флюса и припоя.

Схематическое изображение трех основных этапов монтажа изделий в BGA – корпусах на печатную плату

Для успешного монтажа BGA – модулей необходимо специальное, высокоточное оборудование.
Существуют, как промышленные, автоматизированные линии для массового производства, так и оборудование для полуавтоматического и ручного монтажа малых партий изделий в корпусе BGA.
Технологии и оборудование для монтажа BGA – изделий отработаны в настоящее время настолько хорошо, что позволяют проводить работы практически без брака со 100% гарантией качества.
В качестве примера промышленной системы, можно назвать установку BGA -936A, которая применяется в основном в крупносерийном производстве. Благодаря встроенному микропроцессору, установка не требуется внешнего управляющего компьютера. Оператор может напрямую программировать термопрофиль, устанавливать автоматическое охлаждение, автоматический захват компонента, и настраивать требуемые параметры в соответствии с различными технологическими условиями.
Для работы с небольшими партиями печатных плат размера до 600 ×500 мм предназначена установка QUICK BGA2100. Она позволяет проводить монтаж изделий с BGA - выводами в десяти автоматических режимах. Внешний вид этой установки показан на рисунке 7.

Рис. 7. Установка для монтажа изделий в BGA- корпусе QUICK BGA 2100.

Для малых и опытных партий продукции применение полного автоматического цикла оказывается нецелесообразным. В этом случае используются экономичные паяльно-ремонтные комплексы.
Так, например комплекс Quick855 предназначен для монтажа опытных партий изделий с BGA – корпусами при использовании термовоздушной паяльной технологии и программируемых температурных профилей.
Оборудование типа Quick855 доступно даже небольшим фирмам. Цена на такие комплексы, в среднем, не превышает 150 - 200 тысяч рублей [6].
Следует отметить, что сейчас достаточно хорошо отработаны также методики ручного монтажа малых партий, позволяющие достичь необходимого качества и соблюдения всех необходимых технологических параметров [7]. Поэтому даже в лабораторных условиях, при разработке макета любой грамотный инженер может провести монтаж BGA – модулей вручную. В простейшем случае, при ручном монтаже используются паяльная станция с термофеном, специальные марки паяльной пасты и флюса (например Interflux IF8001), трафарет для нанесения паяльной пасты на модуль.
После окончания процесса монтажа проводится контроль качества пайки.
Для контроля качества пайки модулей - BGA используются, как методы неразрушающего, так и методы разрушающего контроля.
Сегодня применяются два основных метода неразрушающего контроля – рентгеноструктурный анализ и оптический контроль (например система ERSASCOPE-3000) [8].
Из методов разрушающего контроля можно отметить исследование внутренней структуры выводов BGA после пайки (в срезе) под электронным микроскопом и механический тест на растяжение (отрыв).
Для исключения попадания влаги под модуль пространство между ним и платой заливают специальным компаундом.
В случае выхода BGA - модуля из строя его демонтаж осуществляется без особых трудностей. Например, с помощью установки BGA-2100 модуль можно демонтировать в течение десяти секунд.
Кроме того, существуют различные методики восстановления шариковых выводов на выпаянных BGA – изделиях.
Критерии технологии, контроля, приемки/отбраковки изделий в корпусах BGA устанавливаются стандартами IPC/JEDEC, J-STD-001, J-STD-020C, IPC-A-610, IPC-7095B [9].
Следует отметить, что в технологии монтажа изделий в BGA – корпусах имеется ряд существенных проблем. Еще раз подчеркнем, что 100% гарантия качества обеспечиваются только в тех случаях, когда технология монтажа соответствует на 100% технической и нормативной документации на изделие и на технологию.
Это относиться, как к изготовителю изделий в BGA –корпусе, так и к пользователю, осуществляющему монтаж и эксплуатацию этих изделий.
Например, в случаях, когда изготовитель не выдерживает заявленные значения состава и размеров BGA – выводов, при монтаже будут наблюдаться непропаянные контакты и большое количество перемычек припоя.
Из-за микротрещин может наблюдаться поглощение влаги корпусом изделия. В процессе пайки интенсивное испарение влаги может приводить к разнообразным повреждениям и даже к полному разрушению корпуса.
Подобные дефекты обычно наблюдаются в изделиях новых фирм на этапе отладки технологии и у мелких фирм занимающихся корпусированием небольших партий изделий.
С другой стороны, когда при монтаже изделий в BGA- корпусе не соблюдаются заданные технологические режимы и параметры, на выходе могут появляться самые различные дефекты.
Среди наиболее типичных, можно выделить приведенные ниже дефекты.
• Паяльная паста оплавлена не полностью из-за неправильного выбора температурного профиля.
• Трещины и разрывы в паяном соединении, возникшие вследствие несоответствия использованных температурных режимов и марок паяльной пасты, флюса.
• Трещины и разрывы между шариком и подложкой микросхемы появляются, когда неправильно подобраны материалы печатной платы и материала подложки BGA- корпуса (разные коэффициенты теплового расширения).
• Полное отсутствие или слабый электрический и механический контакт паяного соединения проявляются, как следствие загрязнения или окисления контактных площадок в процессе хранения и сборки.
• Затекание паяльной маски на контактную площадку может возникнуть из-за ошибок при разработке конструкции контактных площадок.
• Расплавление и «расползание» шариковых выводов являются следствием превышения температуры и времени нагрева на последнем этапе.
• Низкая электрическая и механическая прочность паяного соединения, увеличение сопротивления контактов обычно возникают из-за низкой температуры при пайке с применением флюсов.
Часто можно слышать, особенно от российских производителей, что использование изделий в BGA-корпусе чревато значительным процентом брака на этапе монтажа на печатную плату. Из вышеизложенного следует, что этот брак является результатом использования дешевых, некачественных изделий или результатом прямых нарушений технологии в процессе монтажа.
Понятно, что для того, чтобы избежать брака, необходимо очень тщательно выбирать, как производителя самого изделия в BGA- корпусе, так и контрактное производство, которое будет заниматься его монтажом на печатные платы.
Модуль GSM0408-BGA рассчитан на использование в массовом производстве.
Российскому производителю, начинающему новый проект, очень трудно выбрать среди предлагаемой на рынке продукции различных фирм надежный, дешевый модуль, который будет поддерживаться в течение ближайших нескольких лет.
Сейчас, в период мирового кризиса практически невозможно сказать, кто из пятерки мировых лидеров в производстве GSM/GPRS модулей выживет, и как эта пятерка будет выглядеть в будущем.
Наиболее вероятно, что в новых разработках для массового производства будут, в основном, использоваться миниатюрные GSM/GPRS - модули с минимальным энергопотреблением и в корпусе BGA.
При выборе определенной модели модуля очень важно избежать ошибки, связанной с несовершенством методик и технологий производителя. Поэтому, вопрос цены не является здесь приоритетным.
Как отмечалось выше, в своих изделиях Enfora использует технологии Texas Instruments. Поскольку TI имеет огромный опыт в производстве микросхем в BGA- корпусах, есть все основания ожидать, что модули GSM0408 - BGA будут свободны от отмеченных в предыдущем разделе технологических недостатков производителя.
Дополнительную информацию на русском о продукции Enfora можно найти на сайте www.telemetry.spb.ru.

Литература
1. Enfora Enabler IIIG-BGA Modem Integration Guide. GSM0408IG001 Revision: 1.00 10/08/08.
2. Enfora Enabler IIIG-BGA. AT Command Reference. GSM0408AT001. Revision: 1.01. 2/09/2009
3. GSM0408AN002-Enabler III-G PAD Disconnect. Enfora, Inc.
4. Application Note GSM0408AN001. Enfora ® Enabler III AT-Commands Over SMS. 2007 Enfora, Inc.
5. Enabler IIIG-BGA SDK Guide GSM0408SD001 Revision: Draft 10/08/2008
6. http://www.technica-m.ru
7. www.fasteko.ru
8. www.ersa.de
9. www.ipc.org, www.jedec.org