Kompaktowa przyszłość: buduj mniejsze inteligentne czujniki z mikrokontrolerami CSP

Malejące czujniki, rosnące ograniczenia:

Oczekuje się, że inteligentne, połączone czujniki IoT stosowane w urządzeniach medycznych, urządzeniach noszonych i systemach przemysłowych zapewnią wysoką wydajność i niskie zużycie energii – a wszystko to przy stale zmniejszającym się formacie. Projektanci nie są już ograniczeni jedynie powierzchnią płytki drukowanej (PCB) – wysokość obudowy, całkowita masa systemu i obudowa mechaniczna są teraz równie istotne. Wraz z rozwojem funkcjonalności czujników, tradycyjne technologie obudów mikrokontrolerów (MCU) stają się ograniczeniami. Nawet gdy sam krzem jest mały, obudowa często dominuje na powierzchni, utrudniając osiągnięcie kompaktowych rozmiarów i grubości. Inżynierowie potrzebują rozwiązań obudów, aby zmniejszyć wymiary obudowy bez poświęcania parametrów elektrycznych lub termicznych, czy niezawodności produkcji.

Dlaczego tradycyjne obudowy MCU zawodzą?

Konwencjonalne obudowy MCU, takie jak niskoprofilowa obudowa quad-flat (LQFP), obudowa quad-flat bez wyprowadzeń (QFN) i standardowa matryca kulkowa (BGA), są powszechnie stosowane, ponieważ są sprawdzone, wytrzymałe i łatwe w montażu. Jednak obudowy te znacznie zwiększają rozmiar i grubość w porównaniu z rzeczywistym układem scalonym. W projektach czujników o ograniczonej przestrzeni ten dodatkowy materiał obudowy ogranicza dalszą miniaturyzację. Gdy liczy się każdy milimetr kwadratowy powierzchni płytki PCB, wymagane jest inne podejście do obudowy, takie, które znacznie przybliża rozmiar obudowy do samego krzemu.

Rozwiązanie WLCSP (Wafer Level Chip Scale Packaging):

Obudowa CSP (Chip Scale Packaging) rozwiązuje omawiane problemy. Renesas stosuje specjalną odmianę obudowy CSP o nazwie WLCSP (wafer-level chip-scale packaging). W tej technologii układ jest zamykany w obudowie bezpośrednio na poziomie wafla krzemowego, a nie dopiero po pocięciu go na pojedyncze struktury. Takie podejście skutkuje uzyskaniem końcowej obudowy mniejszej niż 1,2-krotność od rozmiaru układu scalonego, o ultracienkim profilu i minimalnej ilości dodatkowego materiału.

W urządzeniu WLCSP, układ MCU jest połączony z warstwą redystrybucyjną (RDL), czasami nazywaną interposerem. RDL przekierowuje pola lutownicze układu w taki sposób, aby uzyskać wzór kulki lutowniczej odpowiedni do montażu powierzchniowego. Następnie formowane są kulki lutownicze bezołowiowe, co umożliwia montaż urządzenia przy użyciu standardowych procesów BGA. Poniższy rysunek przedstawia strukturę wewnętrzną układu WLCSP.

Rysunek 1. Uproszczona struktura wewnętrzna obudowy WLCSP

Układ jest zazwyczaj cieńszy w celu zmniejszenia grubości całkowitej, a ochronne warstwy pasywacyjne są nakładane w celu zapewnienia ochrony mechanicznej, ochrony przed promieniowaniem ultrafioletowym i kompatybilności ze standardowym sprzętem do montażu typu pick and place.

Jak układ WLCSP rozwiązuje kluczowe problemy związane z projektowaniem czujników?

• Minimalizując narzut na obudowę, układ WLCSP zapewnia szereg istotnych korzyści w przypadku kompaktowych czujników i projektów wbudowanych.
• Minimalna powierzchnia i ultracienki profil, dzięki czemu idealnie nadaje się do zastosowań o ograniczonej przestrzeni i wysokości.
• Niższa waga obudowy dzięki mniejszej ilości materiałów opakowaniowych.
• Wysoka gęstość wejść/wyjść przy bardzo małej powierzchni.
• Lepsze parametry elektryczne, z niższą indukcyjnością pasożytniczą i rezystancją dzięki krótszym połączeniom.
• Niższy opór cieplny, umożliwiający efektywne odprowadzanie ciepła z urządzenia przez kulki lutownicze do płytki PCB.
• Łatwiejsza obsługa i testowanie w porównaniu z gołą obudową, przy zachowaniu wymiarów zbliżonych do rozmiaru układu.

Zagadnienia projektowe i produkcyjne:

Chociaż WLCSP oferuje wyraźne zalety, wprowadza również nowe wyzwania projektowe. Ultradrobny raster, zazwyczaj 0,5 mm lub mniejszy, wymaga bardziej rygorystycznych zasad projektowania PCB niż wiele tradycyjnych obudów. Szerokość ścieżek, odstępy, struktura przelotek i dobór materiałów PCB muszą być starannie zaplanowane. Procesy montażu muszą również wspierać precyzyjne rozmieszczenie elementów i kontrolę. Dzięki wczesnemu planowaniu i ścisłej współpracy z partnerami z branży PCB i produkcyjnej, można skutecznie sprostać tym wyzwaniom, umożliwiając projektantom pełne wykorzystanie technologii WLCSP.

Jednym z praktycznych przykładów zastosowania WLCSP jest mikrokontroler RA4L1 o niskim poborze mocy, wyposażony w rdzeń Arm® Cortex®-M33, zaprojektowany do energooszczędnych aplikacji wbudowanych i czujnikowych. RA4L1 jest dostępny w kompaktowej, 72-kulkowym WLCSP o wymiarach zaledwie 3,64 mm × 4,28 mm i grubości 0,5 mm. RA4L1 jest wyposażony w procesor 80 MHz, pamięć Flash o dwóch bankach 512 KB oraz bogaty zestaw urządzeń peryferyjnych zoptymalizowanych pod kątem systemów czujnikowych, w tym wbudowane interfejsy SPI, I²C i I3C, energooszczędne funkcje analogowe, wiele energooszczędnych interfejsów UART oraz interfejs USB Full-Speed. Łącząc niskie zużycie energii, wysoką wydajność i wymiary zbliżone do rozmiarów układu WLCSP, RA4L1 umożliwia zaawansowane funkcje wykrywania i łączności.

w zastosowaniach, w których powierzchnia płytki PCB i wysokość obudowy stanowią krytyczne ograniczenia.

Kiedy wybrać WLCSP?

Technologia WLCSP to dobry wybór, gdy projekty czujników borykają się z agresywnymi ograniczeniami rozmiaru, wagi i wysokości. Dzięki obudowie o rozmiarze zbliżonym do rozmiaru rdzenia, doskonałym parametrom elektrycznym i termicznym oraz kompatybilności ze standardowym montażem powierzchniowym, WLCSP umożliwia tworzenie nowej klasy kompaktowych, wysoce zintegrowanych systemów czujnikowych. Dzięki mikrokontrolerom, takim jak RA4L1, z opcjami WLCSP, projektanci mogą tworzyć wydajne i niezawodne rozwiązania dla urządzeń noszonych, słuchowych, modułów optycznych, inteligentnych czujników, produktów audio i cyfrowych systemów obrazowania.

Źródło: Empower the Future: Build Smaller Smart Sensors with CSP MCUs, Graeme Clark