Подписка на новости

Опрос

Нужно ли ввести комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

2009 №1

Новый GSM/GPRS модуль фирмы ENFORA

Алексеев Виктор


В своих моделях GSM/GPRS/EDGE и GPS-модулей американская фирма Enfora использует последние разработки лидера мировой электроники — Texas Instruments. С помощью такого мощного и надежного базового элемента Enfora постоянно расширяет линейки своей продукции и внедряет их в массовое производство в минимальные сроки. В 2009 году Enfora начала серийное производство нового GSM/GPRS модуля GSM0408 в BGA-корпусе.

GSM/GPRS модуль Enfora Enabler IIIG GSM0408-BGA

GSM/GPRS модуль изготовлен на базе нового однокристального чипа Texas Instruments “LoCosto”. Этот чип, построенный на 65-нм технологии TI, содержит на одном кристалле практически все компоненты, необходимые для создания GSM/GPRS-устройства последнего поколения.

GSM/GPRS модуль предназначен для использования в миниатюрных устройствах слежения за перевозкой грузов, переносных кассоых аппаратах, медицинских приборах, бытовых GPS/GSM-навигаторах, смартфонах, точках беспроводного доступа, беспроводных измерительных устройствах, М2М-приложениях, охранных системах.

Основное отличие GSM0408-BGA от модели GSM0308 — это новый BGA-корпус со 167 выводами. 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 GSM/GPRS модули с размерами всего 28,0×24,0×2,6 мм и весом 3,6 г не имеют в настоящее время мировых аналогов [1].

Базовые технические характеристики GSM/GPRS модуля GSM0408 приведены в таблице.

Таблица. Технические характеристики GSM/GPRS модуля GSM0408 компании Enfora
Технические характеристики GSM/GPRS модуля GSM0408 Enfora

По сравнению с GSM/GPRS модулем GSM0308 в модуле GSM0408 дополнительно добавлены LCD и I2C [1].

В GSM/GPRS модулях GSM0408 имеется встроенный TCP/IP-стек. Библиотеки HCI-интерфейса содержат программные блоки PPP, TCP, UDP, PAD, TCP, API, FRIEND и т. д.

В качестве основного используется последовательный порт. В GSM/GPRS модулях GSM0408 поддерживается цифровой аудиоинтерфейс, соответствующий формату PCM “Texas Instruments industry standard DSP”. Аудиопараметры 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 GSM/GPRS 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$SMSDA условиям. Для управления GSM/GPRS модулем через SMS введена новая команда AT$SMSDAEN.

Внешний вид GSM/GPRS модуля GSM0408-BGA ENFORA

В GSM/GPRS модулях серии Enabler IIIG введено автоматическое определение скорости передачи по последовательному порту. Заводская установка сейчас: AT+IPR=0. При подключении GSM/GPRS 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 GSM/GPRS модуля GSM0408 на BGA-корпусе показано на рис. 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 борьбы с наводками в изделиях с BGA разъемом. Пример разводки печатной платы для GSM/GPRS модуля GSM0408 с группировкой по функциональному назначению показан на рис. 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].

Расположение и назначение выводов на BGA-корпусе GSM/GPRS модуля GSM0408
Пример разводки печатной платы для GSM/GPRS модуля GSM0408 с группировкой по функциональному назначению

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

Отладочная плата SDK0408MG720 (вид сверху)

На плате расположены перечисленные ниже переключатели и разъемы, позволяющие контролировать напряжения и сигналы в ключевых точках GSM/GPRS модуля.

Питание платы — разъем J208. На него подается положительное стабилизированное напряжение 5 В, 2,5 А. Разъем J208 имеет внутренний диаметр 1,3 мм. Питание может подаваться также через дополнительный разъем J207. Для переключения линии подачи питания служит переключатель J202. Выключатель SW202 — включение/выключение питания. Переключатель J201 позволяет запитывать GSM/GPRS модуль в автоматическом или ручном режиме. В автоматическом режиме питание на GSM/GPRS модуль подается сразу после включения SW202. В ручном режиме, для управления питанием, с помощью выключателя SW201 можно кратковременно подавать на вывод GSM/GPRS модуля PWR CNTL нулевой потенциал. Этим выводом модуля можно управлять с помощью внешних сигналов, аконфигурироватьегоспециальными командами AT$OFFDLY, AT$OFF [1].

Разъем Vbat-Vbat_J используется для контроля тока в различных режимах работы GSM/GPRS модуля.

Для перезагрузки модуля используется выключатель SW200, с помощью которого вывод GSM/GPRS 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 GSM/GPRS модуль без держателя SIM-карты(рис. 5). Поэтому используется внешний держатель SIM-карты, размещенный непосредственно на отладочной плате (рис. 4). Переключатели J13, J14 позволяют контролировать наличие SIM-карты в держателе.

Отладочная плата SDK0408MG720 (вид снизу)

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 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 MiniUSB выведен отладочный порт, который используется исключительно в целях конфигурирования GSM/GPRS модуля GSM0408 и не может быть использован для связи с внешними устройствами.

Для работы с аудиоаксессуарами на отладочной плате имеется стандартный разъем для подключения стереогарнитуры (Headset Jack). Кроме того, имеются отдельные разъемы для подключения микрофона и динамика. Режимы работы аудиосистемы 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].

Отличия GSM/GPRS 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 припоя, нанесенные 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 1990-х годов. Сегодня 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 имеют 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 GSM/GPRS 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 излучающих (и принимающих) проводников минимальна и определяется только расстоянием между платой и GSM/GPRS 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 GSM/GPRS модуль «на плаву» на некотором расстоянии от платы.

Процесс монтажа BGA-модулей на плату осуществляется по следующей схеме:

  • Перед началом процесса пайки устанавливаются сферические выводы BGA (рис. 6а).
  • Схематическое изображение трех основных этапов монтажа изделий в BGA-корпусах на печатную плату
  • На первом этапе пайки начинается локальный нагрев GSM/GPRS 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 (рис. 6б).
  • На втором этапе температура поднимается до максимальной, соответствующей данной конкретной модели и прописанной в документации на нее. Стандартный диапазон температур — 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 (рис. 6в). При этом расстояние между корпусом GSM/GPRS 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.

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%-ной гарантией качества.

В качестве примера промышленной системы можно назвать установку BGA — 936A, которая применяется в основном в крупносерийном производстве. Благодаря встроенному микропроцессору, установка не требует 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 размером 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 рис. 7.

Установка для монтажа изделий в BGA-корпусе QUICK BGA2100

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 не превышает 150–200 тысяч рублей [6].

Следует отметить, что сейчас достаточно хорошо отработаны 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 GSM/GPRS модуль.

После окончания процесса монтажа проводится контроль качества пайки. Для этого используются методы как неразрушающего, так и 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 GSM/GPRS 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 BGA2100 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%-ная гарантия качества обеспечивается только в тех случаях, когда технология монтажа соответствует на 100% технической и нормативной документации на изделие и на технологию. Это относится 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 происходить 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 различные дефекты.

Среди наиболее типичных можно выделить следующие.

  • 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 контрактного производителя, который будет заниматься его монтажом на печатные платы.

Заключение

Новый GSM/GPRS 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 GSM/GPRS 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 GSM/GPRS модуля очень важно избежать ошибки, связанной с несовершенством методик и технологий производителя. Поэтому вопрос цены не является здесь приоритетным.

Как уже отмечалось, в своих изделиях Enfora использует технологии Texas Instruments. Поскольку TI имеет огромный опыт в производстве микросхем в BGA-корпусах, есть все основания ожидать, что GSM/GPRS модули GSM0408-BGA будут свободны от отмеченных в предыдущем разделе технологических недостатков производителя.

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. www.telemetry.spb.ru
  7. http://www.technica-m.ru
  8. www.fasteko.ru
  9. www.ersa.de
  10. www.ipc.org
  11. www.jedec.org

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Беспроводные технологии PDF


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке