Microcontrolere puternice, disponibile acum în capsule compacte
În acest articol vom analiza caracteristicile și avantajele pe care o capsulă BGA le poate oferi unei aplicații tipice cu microcontroler, precum și unele dintre deciziile de proiectare care trebuie luate în considerare pentru a stabili dacă această opțiune constituie o alegere potrivită pentru aplicația noastră.
În dezvoltarea noii generații de produse inteligente, trebuie să ne adaptăm constant la o gamă variată de cerințe din partea utilizatorilor. Aceștia solicită permanent produse capabile să ruleze aplicații tot mai complexe, cu mai multe funcții, un consum redus de energie, dimensiuni mai mici și, în același timp, un cost mai scăzut față de generația anterioară.
Aceste cerințe au condus la utilizarea unor capsule compacte, din ce în ce mai avansate, pentru cele mai recente microcontrolere.
Noua familie de microcontrolere RA4L1
Cererea tot mai mare pentru performanță ridicată și consum redus de energie a determinat compania Renesas să dezvolte noua familie de microcontrolere RA4L1. Un procesor puternic Cortex®-M33, cu 512 Kbytes de memorie Flash dual-bank și o gamă extinsă de funcții periferice performante, a fost proiectat pentru a oferi o soluție single-chip destinată aplicațiilor industriale și de larg consum. Diagrama bloc a RA4L1 este prezentată în figura 1.
Pentru a susține tendința continuă de miniaturizare, aceste microcontrolere sunt disponibile într-o gamă variată de capsule compacte, inclusiv LQFP (Low Profile Quad Flat Pack), QFN (Quad Flat No-Lead), BGA (Ball Grid Array) și WLCSP (Wafer-Level Chip Scale Package).
Figura 1: Diagrama bloc a microcontrolerului RA4L1. (Sursa imaginii: Renesas)
RA4L1 este disponibil în trei opțiuni de ambalare compactă: o capsulă BGA cu 100 de sfere 7 mm2 și o capsulă BGA cu 64 de sfere 5,5 mm2, ambele cu pas de 0,5 mm, precum și o capsulă WLCSP cu 72 de sfere (3,64 × 4,28 mm), cu pas de 0,4 mm. Aceste opțiuni oferă proiectanților avantajele unei capsule compacte, cu densitate ridicată de intrări/ieșiri și o varietate de dispuneri posibile, în funcție de cerințele aplicației. Detalii despre aceste capsule compacte sunt prezentate în figura 2.
Capsulele WLCSP
Capsula WLCSP are, în esență, aceeași dimensiune ca și matrița (die) microcontrolerului, iar ambalarea la nivel de plachetă (wafer) permite obținerea celei mai compacte capsule disponibile pentru un dispozitiv. WLCSP este, de asemenea, foarte subțire, ceea ce o face potrivită pentru aplicații în care înălțimea este un factor critic. În plus, utilizează adesea un pas foarte fin pentru a maximiza numărul de sfere și, implicit, numărul de pini I/O disponibili.
Figura 2: Gama de capsule RA4L1 BGA și WLCSP. (Sursa imaginii: Renesas)
Totuși, dispozitivele în capsulă WLCSP necesită reguli de proiectare mai stricte – atât în ceea ce privește layout-ul și materialul PCB-ului, cât și cerințele pentru echipamentele implicate în fabricarea produselor care folosesc acest tip de capsulă.
Figura 3, de mai jos, compară structura internă a unei capsule BGA tipice cu cea a unei capsule LQFP. Aici poate fi observat unul dintre avantajele utilizării unei capsule BGA: în interiorul acesteia, matrița este montată pe un substrat redus, ceea ce permite gestionarea unor conexiuni interne suplimentare. Astfel, utilizatorul beneficiază adesea de pini I/O suplimentari, fără a crește numărul total de sfere. Acest lucru se observă la capsula BGA64 a microcontrolerului RA4L1, care oferă mai multe I/O disponibile decât versiunea LQFP.
Figura 3: Comparație între capsulele LQFP și BGA. (Sursa imaginii: Renesas)
Capsulele BGA oferă o serie de avantaje în comparație cu capsulele tradiționale pentru montare pe suprafață:
- Capsulele BGA, datorită rețelei lor de sfere, oferă de obicei o densitate I/O mai mare decât alte tipuri de capsule. O capsulă LQFP tipică, cu 100 de pini și un număr similar de I/O-uri, ar avea de regulă dimensiuni de 10 × 10 mm2, necesitând o suprafață pe PCB de peste două ori mai mare pentru montare.
- Unul dintre cele mai importante avantaje ale unei capsule BGA este dimensiunea sa compactă, care ocupă semnificativ mai puțin spațiu pe PCB decât opțiunile tradiționale de ambalare.
- Capsulele BGA sunt mai robuste decât capsulele tradiționale, precum QFP, deoarece sferele de lipire distribuie mai uniform solicitările mecanice pe întreaga capsulă. Acest lucru contribuie la reducerea efectelor vibrațiilor și șocurilor, făcând din BGA o alegere potrivită pentru aplicații expuse la astfel de condiții.
- Capsulele BGA au, în general, conexiuni electrice mai scurte între matriță (die) și sferele capsulei, ceea ce duce la reducerea întârzierilor semnalului și la performanțe mai bune la frecvențe înalte. Acest aspect este deosebit de important în aplicațiile sensibile la interferențele electromagnetice sau la integritatea semnalului.
- Datorită suprafeței mai mari a sferelor de lipire, o capsulă BGA are o capacitate de disipare termică superioară față de capsulele tradiționale.
Înainte de a decide utilizarea unei capsule BGA, trebuie luate în considerare și unele dezavantaje:
- Lipsa flexibilității îmbinărilor de lipire.
- Procesul de fabricație al capsulelor BGA poate fi mai costisitor, deoarece necesită frecvent echipamente suplimentare, iar numărul facilităților capabile să producă astfel de capsule este limitat – deși în creștere.
- Testarea și inspectarea îmbinărilor de lipire ale capsulelor BGA este dificilă și poate necesita echipamente costisitoare, cum ar fi aparate cu raze X, sau o atenție sporită în proiectarea secvențelor de testare, pentru a garanta lipirea corectă a dispozitivului.
- Utilizarea capsulelor BGA poate îngreuna procesul de prototipare, deoarece acestea necesită o linie completă de producție pentru realizarea prototipurilor, iar modificările nu sunt la fel de ușor de realizat ca în cazul opțiunilor de capsulare tradiționale.
Capsula 100-ball BGA Open Array a fost proiectată pentru a oferi toate avantajele unei capsule BGA tradiționale, dar cu o matrice deschisă (open array), mai ușor de rutat decât o capsulă BGA cu matrice completă (full grid). Acest design permite proiectantului să utilizeze PCB-uri mai ieftine, cu 2 sau 4 straturi, în locul celor cu 6 sau 8 straturi, necesare de obicei pentru rutarea completă a unei capsule BGA cu 100 de sfere.
Această opțiune cu matrice deschisă face ca versiunea RA4L1 să fie ideală pentru aplicații care necesită capsule de dimensiuni reduse, dar care sunt, în același timp, extrem de sensibile la costuri – cum ar fi aplicațiile de consum, precum camerele digitale, imprimantele și routerele.
Figura 4 prezintă un exemplu de dispunere a unui PCB utilizând o capsulă BGA cu matrice deschisă. Aici se poate observa principalul avantaj al acestui tip de capsulă: păstrează o densitate ridicată de I/O disponibile, cu 100 de sfere într-o capsulă de 7 × 7 mm2.
Configurație cu grilă deschisă
RA4L1 oferă o configurație cu grilă deschisă (sau cu sfere lipsă), în care există spații libere în matrice pentru a permite o rutare mai facilă a traseelor pe PCB-uri cu cost redus.
În figură este ilustrată o porțiune a planului de rutare, în care traseele stratului superior al PCB-ului sunt evidențiate cu roșu, iar viasurile și traseele stratului inferior sunt reprezentate cu verde. După cum se observă, spațiile din matrice facilitează rutarea, deoarece fiecare sferă a capsulei are un spațiu dedicat pentru conectare, fără a fi necesară utilizarea unor tehnologii speciale, cum ar fi microviasurile plasate direct sub sfere.
Figura 4: Exemplu de layout utilizând o capsulă BGA100 Open Array. (Sursa imaginii: Renesas)
Acest tip de proiectare simplifică considerabil trasarea PCB-ului și permite utilizarea unor soluții mai economice în ceea ce privește placa de circuit imprimat.
În acest articol am prezentat avantajele utilizării capsulelor BGA în proiectarea bazată pe microcontrolere. Proiectantul trebuie să ia în considerare atât avantajele, cât și dezavantajele capsulei, nu doar în etapa de proiectare, ci pe întregul ciclu de viață al produsului – de la fabricație până la eventualele reparații sau reconfigurări.
Avantajele și dezavantajele capsulelor BGA
O capsulă BGA poate reprezenta o soluție compactă acolo unde dimensiunea este un factor critic, dar unde este necesar un număr mare de pini I/O.
RA4L1 combină tehnologia de capsulare compactă cu un nucleu de înaltă performanță Cortex®-M33 și periferice puternice integrate pe cip. Sperăm că acest articol a oferit o imagine clară asupra gamei de opțiuni de capsule compacte disponibile, precum și a avantajelor fiecăreia dintre ele – în special ale capsulei BGA Open Array cu 100 de sfere.
Pentru mai multe informații despre caracteristicile RA4L1 și opțiunile de capsulare disponibile – inclusiv versiunile BGA și capsula BGA Open Array – vizitați site-ul nostru la adresa: www.renesas.com/RA4L1. Veți găsi, de asemenea, o notă de aplicație utilă care descrie recomandările noastre privind layout-ul PCB-ului. Acest document este destinat celor care sunt familiarizați cu capsulele LQFP și care doresc să înțeleagă mai bine capsulele BGA, cu intenția posibilă de a le utiliza pentru prima dată. Documentul este disponibil pe site-ul web Renesas la adresa: https://www.renesas.com/en/document/apn/board-design-guideline-bga-products?r=469286
Autor:
Graeme Clark,
Principal Engineer
Renesas Electronics Europe | https://www.renesas.com
Glosar de termeni
| BGA (Ball Grid Array) | Tip de capsulă cu contacte sub formă de sfere de lipire, dispuse în grilă sub cip. |
| WLCSP (Wafer-Level Chip Scale Package) | Capsulă extrem de compactă, realizată direct pe placheta semiconductorului. |
| Matriță (die) | Cipul propriu-zis, decupat din plachetă și ambalat într-o capsulă. |
| Pas (pitch) | Distanța între centrele a două sfere sau pini adiacenți. |
| Layout PCB | Configurația traseelor și componentelor pe placa de circuit imprimat. |
| Vias | Gaură metalizată care conectează straturi diferite ale unui PCB. |
| Microvias | Vias de dimensiuni foarte mici, utilizat în PCB-uri de înaltă densitate. |
| Matrice deschisă (Open Array) | Configurație BGA cu poziții libere între sfere, pentru rutare mai facilă. |
| Matrice completă (Full Grid) | Configurație densă BGA, în care toate pozițiile din grilă sunt populate. |
| LQFP (Low-profile Quad Flat Package) | Tip de capsulă cu pini laterali pentru montare la suprafață. |