Wydajne i ultra małe mikrokontrolery Renesas przeznaczone do kompaktowych czujników inteligentnych

Współczesne mikrokontrolery znajdują zastosowanie w szerokiej gamie różnych aplikacji, a jednym z najszybciej rozwijających się obszarów są inteligentne czujniki. Obecnie obserwujemy duże zapotrzebowanie na rozproszoną inteligencję, a konsekwencją tego trendu jest konstruowanie czujników z wbudowanym mikrokontrolerem w każdym z nich. Rozproszenie inteligencji w ten sposób na każdy czujnik może przynieść wiele korzyści, takich jak zmniejszenie obciążenia procesora centralnego, zmniejszenie ruchu sieciowego oraz obniżenie kosztów okablowania połączeń. Wymóg ten dotyczy wielu różnorodnych zastosowań, od przemysłowych po medyczne, a wiele z nich ma wspólne wymagania, z silnym naciskiem na rozmiar i wagę, a także zużycie energii i koszt.

Obudowy mikrokontrolerów

Aby sprostać tym wymaganiom, w obecnych generacjach mikrokontrolerów zaczynają być stosowane najnowsze technologie obudów. Coraz częściej występują one w obudowach BGA (Ball Grid Array) i WLCSP (Wafer Level Chip Scale Packaging). Jest to znacznie lepsze rozwiązanie w porównaniu z tradycyjnymi obudowami LQFP i QFN. Obudowy WLCSP są również znane jako WLBGA (Wafer Level Ball Grid Array) lub po prostu ogólnie jako CSP. W artykule obudowę tę będziemy nazywać WLCSP.

Obudowy WLCSP są dostępne od lat 90. XX wieku i stanowią najbardziej kompaktowe rozwiązanie, dając inżynierom możliwość opracowywania niezwykle cienkich i kompaktowych aplikacji. Są one idealne do szerokiej gamy zastosowań, takich jak czujniki przemysłowe i elektronika noszona. Coraz częściej znajdują zastosowanie w wielu aplikacjach z mikrokontrolerami, ponieważ nie tylko zapewniają najbardziej kompaktową opcję obudów mikrokontrolerów, ale także zapewniają kilka innych korzyści, takich jak lepsza wydajność elektryczna i większa gęstość wejść/wyjść.

W artykule przyjrzymy się bliżej obudowie WLCSP, a także zobaczymy jak firma Renesas wykorzystała tę obudowę w mikrokontrolerze RA4L1 o niskim poborze mocy.

Korzyści wynikające ze stosowania obudów CSP

Obudowy typu Chip Scale Packages (CSP) zazwyczaj pozwalają oferować układy o rozmiarach zbliżonych do samego chipa półprzewodnikowego (patrz norma IPC/JEDEC J-STD-012). W praktyce są większe od niego tylko mniej niż 1,2 razy. Charakteryzują się wyjątkowo niskim profilem i są bardzo lekkie, w porównaniu z bardziej tradycyjnymi obudowami półprzewodników. Oznacza to, że obudowy CSP mogą zapewnić znaczne zmniejszenie rozmiarów w porównaniu z tradycyjnymi obudowami stosowanymi w mikrokontrolerach, takimi jak QFN lub QFP. Obudowa CSP zazwyczaj zapewnia bardzo mały rozstaw kulek lub padów, zwykle około 0,5 mm lub mniejszy. Obudowy CSP często wykorzystują interposer jako pomost między matrycą a kulkami, a pady mogą być również drukowane bezpośrednio na chipie.

Jest kilka różnych typów obudów typu Chip Scale Package, w tym Customized Lead-frame-based CSP (LFCSP), Flexible-sub-based CSP, Flip-chip CSP (FCCSP) oraz Wafer-level redistribution CSP (WLCSP). Każdy z tych typów obudów CSP ma swoje specyficzne zalety, jednak skupimy się tu na WLCSP, ponieważ obecnie jest to typ najczęściej stosowany w projektach mikrokontrolerów i właśnie ta obudowa została wybrana dla mikrokontrolera niskiego poboru mocy RA4L1 firmy Renesas.

Obudowy WLCSP

W obudowie typu WLCSP goła struktura układu jest umieszczana na warstwie redystrybucyjnej (RDL) lub interposerze, który służy do zmiany rozmieszczenia pól lutowniczych w chipie tak, aby były one wystarczająco duże i miały odpowiednie odstępy między sobą, co pozwala na umieszczenie ich na płytce drukowanej (PCB). Dzięki temu możliwa jest taka sama obsługa obudowy WLCSP w procesie produkcyjnym, jak obudowy typu ball grid array (BGA). Interposer jest często wykonany z poliamidu z miedziowaną powierzchnią.

Rys. 1. Uproszczona struktura wewnętrzna obudowy WLCSP

Na rysunku 1 przedstawiono wewnętrzną strukturę obudowy WLCSP. Półprzewodnikowa struktura mikrokontrolera jest zazwyczaj szlifowana w celu zmniejszenia grubości, a na wierzchu osadzana jest ochronna warstwa pasywacyjna. Następnie jest ona montowana na interposerze (warstwie redystrybucyjnej), który służy do modyfikacji rozmieszczenia wyprowadzeń układu, tak aby bezołowiowe kulki lutownicze mogły być osadzane na interposerze w układzie umożliwiającym łatwy montaż na płytce drukowanej.

Dodatkowa warstwa pasywacyjna zapewnia zarówno kontakt mechaniczny (montaż SMT typu „pick and place”), jak i ochronę przed promieniowaniem UV na tylnej stronie układu scalonego.

Zalety obudowy WLCSP

1. Zajmuje mało miejsca na płytce drukowanej, dzięki czemu nadaje się do wszelkich zastosowań, w których występują ograniczenia dotyczące rozmiaru lub wysokości.
2. Dzięki minimalnemu zużyciu materiałów obudowa WLCSP jest nie tylko mniejsza, ale także lżejsza niż inne typy obudów.
3. Zapewnia wyższą gęstość wejść/wyjść.
4. Doskonała wydajność elektryczna przy niższej indukcyjności pasożytniczej i rezystancji. Kompaktowa obudowa WLCSP skraca długość połączeń wewnętrznych i zewnętrznych, poprawiając integralność sygnału i redukując zakłócenia.
5. Niższa rezystancja cieplna i bardziej wydajna ścieżka odprowadzania ciepła poprzez kulki lutownicze do płytki drukowanej.
6. Oferuje niemal takie same kompaktowe rozmiary jak sam chip, ale jest znacznie łatwiejsza w obsłudze i testowaniu, co pozwala obniżyć koszty.

Tab. 1. Porównanie specyfikacji obudów

Ponieważ obudowa WLCSP ma zbliżony rozmiar do chipa mikrokontrolera, opcja obudowy typu wafer level chip scale stanowi najmniejsze dostępne rozwiązanie dla danego układu. Obudowa ta jest zazwyczaj również bardzo cienka, dzięki czemu może być przydatna w zastosowaniach, w których kluczową kwestią jest wysokość. Często stosuje się w niej bardzo mały rozstaw wyprowadzeń, aby zmaksymalizować liczbę kulek i dostępnych pinów wejść/wyjść w obudowie.

Układ WLCSP z bardzo małym rozstawem wymaga zazwyczaj bardziej rygorystycznych zasad projektowania PCB, zarówno pod względem układu, jak i materiału. Istnieją również wymagania dotyczące sprzętu niezbędnego do wytwarzania produktów z zastosowaniem tego typu obudowy, dlatego podczas projektowania należy zachować ostrożność, aby spełnić wszystkie wymagane parametry.

Biorąc to wszystko pod uwagę, zastosowanie lekkiej obudowy WLCSP często stanowi idealne rozwiązanie, gdy aplikacja ma ograniczoną przestrzeń, szczególnie w branży przemysłowej i medycznej.

Obudowa WLCSP w mikrokontrolerze RA4L1

Renesas wprowadza na rynek wydajny mikrokontroler RA4L1 o niskim poborze mocy w kompaktowej obudowie WLCSP z 72 wyprowadzeniami, o wymiarach 3,64 mm × 4,28 mm i grubości 0,5 mm.

Rys. 2. Obudowa RA4L1 w standardzie WLCSP

Układ RA4L1 łączy w sobie wydajny procesor ARM Cortex® M33 o częstotliwości taktowania 80 MHz z 512 KB, pamięci Flash dual-bank oraz układami peryferyjnymi zaprojektowanymi specjalnie z myślą o zastosowaniach w czujnikach i urządzeniach do noszenia. Do peryferiów należą wbudowane interfejsy SPI, I²C i I³C, a także analogowe układy funkcjonalne o niskim poborze mocy, wiele interfejsów UART o niskim poborze mocy oraz interfejs USB FS.

Rys. 3. Schemat blokowy układu RA4L1

RA4L1 to tylko jeden z mikrokontrolerów RA4 występujących w obudowie WLCSP. Dostępne są również inne układy rodziny RA w różnych wariantach obudów WLCSP, w tym modele rodziny RA2 o małej liczbie pinów. Pozwalają one zaoszczędzić dużo miejsca na PCB.

Warunki niezbędne do stosowania obudów CSP

Podczas projektowania urządzeń z zastosowaniem obudów CSP należy zwrócić uwagę na zapewnienie optymalnych parametrów elektrycznych i niezawodnych połączeń lutowanych. Wymiary połączeń lutowanych po stronie układu i po stronie płytki drukowanej powinny być dobrze zrównoważone i idealnie mieścić się w tolerancji 5% względem siebie.

Pola lutownicze PCB mogą być typu SMD (Solder Mask Defined) lub NSMD (Non-Solder Mask Defined). Na rysunku 4 przedstawiono widok z góry dwóch różnych typów padów.

Rys. 4. Pady miedziane typu SMD i NSMD

Pola SMD są definiowane przez otwór w masce lutowniczej na płytce. W przypadku pól SMD otwór w masce lutowniczej jest mniejszy niż znajdujący się pod spodem pad miedziany, służący do lutowania z odpowiednio wypukłego styku. Pola NSMD mają otwór w masce lutowniczej większy niż miedziana powierzchnia lutownicza. Istnieje wiele czynników wpływających na to, czy projektant PCB powinien używać pól SMD czy NSMD. Oba typy mogą być z powodzeniem stosowane w obudowach WLCSP. W przypadku WLCSP firma Renesas zaleca stosowanie pól NSMD tam, gdzie to możliwe.

Montaż na różnych podłożach

Obudowy WLCSP firmy Renesas można montować na standardowych podłożach epoksydowo-szklanych, jednak preferowany jest wysokotemperaturowy FR-4 , ponieważ ma mniejszy współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE). Zwiększa to niezawodność obudowy w porównaniu ze standardowym FR-4. Na rzeczywisty współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) płytki PCB wpływa również liczba warstw metalowych w PCB, gęstość ścieżek, materiał laminatu, środowisko pracy itp. W idealnym przypadku temperatura zeszklenia podłoża powinna być wyższa niż zakres temperatur roboczych przewidzianych dla danego zastosowania.

Cieńsze płytki są bardziej elastyczne i niezawodne podczas cykli termicznych. Zapewniają również lepszą odporność na zmęczenie termiczne w porównaniu z grubszymi płytkami. Typowa grubość płytek stosowanych obecnie w przemyśle wynosi od 0,4 mm do 3,2 mm. Dobiera się ją w zależności od wymaganej wytrzymałości zespołu oraz potrzeby lepszego odprowadzania ciepła w zastosowaniach wymagających dużej mocy.

Obudowy WLCSP są również często stosowane w połączeniu z elastycznym podłożem, typowo w zastosowaniach konsumenckich lub urządzeniach do noszenia. Materiały te mają zazwyczaj grubość od 0,1 mm do 0,3 mm, co oznacza, że całkowita grubość aplikacji może wynosić mniej niż 1 mm.

Ze względu na stosunkowo mały rozstaw i niewielką geometrię wyprowadzeń stosowanych w WLCSP, kluczowe znaczenie dla zapewnienia niezawodności połączeń lutowanych ma optymalizacja procesu nanoszenia pasty lutowniczej. Zdecydowanie zaleca się przeprowadzanie kontroli w trakcie procesu pod kątem wysokości pasty, procentowego pokrycia punktów lutowniczych oraz dokładności dopasowania.

Dostępność mikrokontrolera RA4L1 o niskim poborze mocy w kompaktowej obudowie WLCSP umożliwia projektantom tworzenie wydajnych rozwiązań dla zastosowań o ograniczonej przestrzeni na rynkach konsumenckich i przemysłowych. Urządzenia te stanowią idealne rozwiązanie dla takich zastosowań, jak aplikacje audio, aparaty cyfrowe, urządzenia słuchowe, moduły optyczne, inteligentne czujniki i urządzenia do noszenia, a także wiele innych.

Więcej na temat mikrokontrolera RA4L1 i dostępnych opcji obudowy WLCSP można znaleźć na stronie Renesas.

Autor: Graeme Clark, główny inżynier, Renesas