Microcontrolere puternice și ultracompacte pentru senzori inteligenți de mici dimensiuni

Microcontrolerele actuale sunt utilizate într-o gamă largă de aplicații, iar unul dintre domeniile cu cea mai puternică creștere este cel al senzorilor inteligenți. În acest caz, nevoia de inteligență distribuită impune integrarea unui microcontroler în fiecare senzor. Distribuirea inteligenței la nivelul fiecărui senzor oferă numeroase avantaje: reduce sarcina de procesare a procesorului central, diminuează traficul de rețea și poate reduce costurile asociate cablării. Această cerință se regăsește în aplicații foarte diverse, de la cele industriale până la cele medicale. Multe dintre acestea au însă cerințe comune, cu accent puternic pe dimensiuni reduse, greutate scăzută, consum redus de energie și costuri cât mai mici.

Cea mai recentă generație de microcontrolere începe să valorifice noile tehnologii de capsulare pentru a răspunde acestor cerințe. Astfel, multe dispozitive noi utilizează tehnologii moderne precum BGA (Ball Grid Array) și WLCSP (Wafer-Level Chip-Scale Packaging), care oferă o soluție mult mai eficientă decât capsulele tradiționale LQFP și QFN. Capsulele WLCSP sunt cunoscute și sub denumirea de WLBGA (Wafer-Level Ball Grid Array) sau, pur și simplu, CSP. În acest articol, vom utiliza denumirea WLCSP.

Ce este o capsulă WLCSP

Capsulele WLCSP sunt disponibile încă din anii 1990 și oferă una dintre cele mai compacte soluții de capsulare, permițând inginerilor să dezvolte aplicații extrem de subțiri și compacte. Aceste capsule sunt ideale pentru o gamă largă de aplicații, precum senzorii industriali și dispozitivele electronice purtabile. Capsulele WLCSP devin o opțiune tot mai atractivă în numeroase aplicații cu microcontrolere, deoarece nu oferă doar cea mai compactă variantă de capsulare pentru aceste dispozitive, ci aduc și alte avantaje, precum performanțe electrice îmbunătățite și o densitate mai mare a intrărilor/ieșirilor (I/O).

În acest articol, vom analiza în detaliu capsula WLCSP și modul în care Renesas a utilizat această tehnologie pentru microcontrolerul RA4L1 cu consum redus de energie.

Capsule CSP și variante constructive

Capsulele CSP (Chip Scale Package) permit, în general, realizarea unor dispozitive care, prin definiție, au dimensiuni apropiate de cele ale cipului semiconductor original – conform standardului IPC/JEDEC J-STD-012, de cel mult 1,2 ori dimensiunea acestuia – au un profil extrem de redus și sunt foarte ușoare în comparație cu capsulele semiconductoare tradiționale. Acest lucru permite obținerea celei mai compacte dimensiuni posibile. Astfel, capsulele CSP pot oferi o reducere semnificativă a dimensiunilor în comparație cu capsulele tradiționale utilizate pentru microcontrolere, cum ar fi QFN sau QFP. O capsulă CSP permite, de obicei, un pas foarte mic al bilelor de lipire sau al padurilor, în jur de 0,5 mm sau chiar mai puțin. Capsulele CSP utilizează adesea un interposer, adică un strat intermediar de interconectare între cipul semiconductor și bilele de lipire care realizează conexiunea cu placa de circuit imprimat. În alte cazuri, padurile pot fi realizate direct pe placheta de siliciu (wafer).

Există mai multe tipuri de capsule CSP, inclusiv capsule LFCSP (Lead-Frame-Based CSP) personalizate, CSP pe substrat flexibil, FCCSP (Flip-Chip CSP) și WLCSP (Wafer-Level CSP). Fiecare dintre aceste tipuri de capsule CSP aduce avantaje specifice, însă în acest articol ne vom concentra pe WLCSP, deoarece acesta este tipul cel mai frecvent utilizat în prezent în proiectele cu microcontrolere și este capsula aleasă pentru microcontrolerul RA4L1 cu consum redus de energie de la Renesas.

Structura internă a capsulei WLCSP

Figura 1: Structura internă simplificată a capsulei WLCSP. (Sursă: Renesas)

În capsula WLCSP, die-ul neîncapsulat (bare die) este plasat pe un strat de redistribuire (RDL – Redistribution Layer) sau pe un interposer, utilizat pentru a rearanja padurile de lipire de pe pastila de siliciu (die). Astfel, acestea devin suficient de mari și sunt dispuse la o distanță suficientă unele față de altele pentru a permite montarea pe o placă de circuit imprimat (PCB). În acest fel, capsulele WLCSP pot fi manipulate în timpul procesului de fabricație la fel ca în cazul capsulelor BGA (Ball Grid Array). Interposerul este adesea realizat dintr-un material pe bază de poliimidă, cu o suprafață placată cu cupru. O diagramă simplificată a structurii interne a unei astfel de capsule WLCSP este prezentată în Figura 1.

În Figura 1 este prezentată structura internă a capsulei WLCSP. Pastila de siliciu a microcontrolerului este, de obicei, subțiată prin șlefuire pentru a-i reduce grosimea, iar pe suprafața acesteia este depus un strat protector de pasivare. Pastila de siliciu este apoi montată pe interposer – adică pe stratul de redistribuire – utilizat pentru a modifica dispunerea padurilor. În acest fel, bilele de lipire fără plumb pot fi depuse pe interposer într-un model care permite montarea ușoară pe placa de circuit imprimat (PCB). Un strat suplimentar de pasivare asigură atât contactul mecanic necesar pentru montarea SMT de tip pick-and-place, cât și protecția împotriva radiațiilor UV pentru partea posterioară a pastilei de siliciu.

Avantajele capsulelor WLCSP

Capsulele WLCSP oferă numeroase avantaje într-o aplicație tipică:

1. Cel mai mare avantaj al capsulei WLCSP este, așa cum s-a menționat deja, dimensiunea sa compactă. WLCSP este extrem de subțire și are o amprentă redusă pe PCB, fiind astfel potrivită pentru aplicații cu restricții de dimensiune sau înălțime.
2. Prin utilizarea unei cantități minime de materiale necesare capsulării, WLCSP nu este doar mai mică, ci și mai ușoară decât alte tipuri de capsule.
3. WLCSP oferă o densitate I/O mai mare pentru o anumită dimensiune a capsulei.
4. Capsulele WLCSP oferă performanțe electrice superioare, cu inductanțe și rezistențe parazite mai mici în comparație cu tipurile de capsule tradiționale. Capsula compactă WLCSP reduce lungimea conexiunilor interne și externe, îmbunătățind integritatea semnalului și reducând zgomotul.
5. Capsulele WLCSP oferă o rezistență termică mai mică în comparație cu alte tipuri de capsule tradiționale, asigurând o cale mai eficientă de disipare a căldurii prin intermediul bilelor de lipire care realizează contactul cu PCB-ul. Acest lucru permite disiparea mai eficientă a căldurii generate de dispozitiv și îmbunătățește fiabilitatea acestuia.
6. În comparație cu utilizarea pastilelor de siliciu neîncapsulate, WLCSP oferă aproape aceeași dimensiune compactă, dar este mult mai ușor de manipulat și testat, reducând astfel costurile de fabricație și testare.

Comparație între WLCSP, LQFP și BGA

Un rezumat al comparației dintre capsulele WLCSP și alte tipuri comune de capsule pentru microcontrolere este prezentat în Tabelul 1.

Tabelul 1: Comparație între specificațiile capsulelor

Cerințe de proiectare pentru capsule WLCSP

Deoarece capsula WLCSP are, în esență, aceeași dimensiune ca pastila de siliciu a microcontrolerului, această variantă de capsulare oferă cea mai mică amprentă disponibilă pentru un astfel de dispozitiv. De asemenea, WLCSP este, de obicei, foarte subțire, fiind utilă în aplicațiile în care înălțimea este o constrângere importantă. În plus, capsulele WLCSP utilizează frecvent un pas foarte fin, pentru a maximiza numărul de bile de lipire și numărul de pini I/O disponibili în capsulă.

Capsula WLCSP, cu pasul său ultrafin, necesită de obicei reguli de proiectare PCB mai stricte decât alte tipuri de capsule, atât în ceea ce privește layout-ul, cât și materialul plăcii. Există, de asemenea, cerințe mai stricte pentru echipamentele de fabricație necesare realizării produselor care utilizează acest tip de capsulă. Prin urmare, proiectarea trebuie tratată cu atenție, pentru a asigura respectarea tuturor parametrilor necesari.

Luând în considerare toate aceste aspecte, utilizarea capsulelor WLCSP oferă adesea o soluție ideală atunci când o aplicație are spațiu limitat, iar o capsulă mai ușoară reprezintă un avantaj. Aplicațiile cu senzori din domeniile industrial și medical, precum și dispozitivele purtabile, sunt exemple tipice în care utilizarea dispozitivelor în capsule WLCSP crește rapid.

Figura 2: Capsula WLCSP RA4L1. (Sursă: Renesas)

Microcontrolerul RA4L1 în capsulă WLCSP

Renesas lansează acum puternicul microcontroler RA4L1 cu consum redus de energie într-o capsulă WLCSP compactă, cu 72 de bile de lipire, o amprentă de 3,64 mm × 4,28 mm și o grosime de numai 0,5 mm. O imagine a acestei capsule este prezentată în Figura 2. Utilizarea capsulei WLCSP pentru RA4L1 permite oferirea unei soluții pentru aplicații cu spațiu limitat, dar care necesită un microcontroler puternic, cu un consum redus de energie și performanțe ridicate.

RA4L1 combină un procesor puternic Arm Cortex®-M33, tactat la 80 MHz, cu 512 Kbytes de memorie Flash dual-bank și periferice proiectate special pentru aplicații cu senzori și dispozitive purtabile. Acestea includ interfețe SPI, I²C și I3C integrate pe cip, funcții analogice cu consum redus de energie, multiple interfețe UART cu consum redus de energie și o interfață USB FS. Diagrama bloc a RA4L1 este prezentată mai jos.

RA4L1 este doar unul dintre microcontrolerele RA4 disponibile într-o capsulă WLCSP. Alte dispozitive din familia RA, inclusiv membri ai familiei RA2 cu număr redus de pini, sunt disponibile, de asemenea, în variante WLCSP care economisesc spațiu.

Figura 3: Diagrama bloc a microcontrolerului RA4L1. (Sursă: Renesas)

Paduri PCB și fiabilitatea lipiturilor

Atunci când proiectați cu capsule CSP, trebuie acordată o atenție deosebită pentru a obține performanțe electrice optime și lipituri fiabile. Dimensiunile padurilor de lipire de pe pastila de siliciu și de pe placa de circuit imprimat trebuie să fie bine echilibrate și, în mod ideal, să se încadreze într-o toleranță de 5% una față de cealaltă.

Padurile PCB pot fi de tip SMD (Solder Mask Defined) sau NSMD (Non-Solder Mask Defined). Figura 4 prezintă o vedere de sus a celor două tipuri de paduri.

Padurile SMD sunt definite de deschiderea măștii de lipire de pe placă. În cazul padurilor SMD, deschiderea măștii de lipire este mai mică decât padul de cupru subiacent, utilizat pentru conectarea la elementul de lipire corespunzător. Padurile NSMD au o deschidere a măștii de lipire mai mare decât padul de cupru. Există numeroși factori care influențează alegerea proiectantului PCB între utilizarea padurilor SMD sau NSMD. Ambele tipuri pot fi utilizate în mod eficient în cazul capsulelor WLCSP. Pentru WLCSP, Renesas recomandă utilizarea padurilor NSMD acolo unde este posibil.

Alegerea materialului și grosimii PCB-ului

Figura 4: Paduri de cupru SMD vs. NSMD. (Sursă: Renesas)

Capsulele WLCSP de la Renesas pot fi asamblate pe substraturi standard din sticlă epoxidică. Totuși, este de preferat utilizarea materialului FR-4 pentru temperaturi ridicate, care are un CTE (coeficient de dilatare termică) mai mic, deoarece acesta crește fiabilitatea capsulei în comparație cu FR-4 standard. CTE-ul real al plăcii PCB este influențat, de asemenea, de numeroși factori, precum numărul de straturi ale PCB-ului, densitatea traseelor, materialul laminat și mediul de operare. În mod ideal, temperatura de tranziție vitroasă a substratului trebuie să fie peste intervalul de temperatură de operare al aplicației vizate.

Plăcile de circuit mai subțiri sunt mai flexibile și oferă o fiabilitate mai mare în timpul ciclurilor termice. De asemenea, acestea asigură o durată de viață mai bună la oboseală termică în comparație cu plăcile mai groase. Grosimea tipică a plăcilor de circuit utilizate în prezent în industrie variază între 0,4 mm și 3,2 mm. Grosimea este aleasă în funcție de robustețea necesară a ansamblului și de nevoia de disipare mai eficientă a căldurii în aplicațiile cu consum ridicat de energie.

Substraturi flexibile și controlul procesului SMT

De asemenea, capsulele WLCSP sunt adesea montate pe substraturi PCB flexibile, utilizate de obicei în aplicații de larg consum sau purtabile, unde este necesară o soluție foarte subțire și, frecvent, flexibilă. Aceste materiale au, de obicei, o grosime de 0,1 mm până la 0,3 mm, ceea ce înseamnă că grosimea totală a aplicației poate fi mai mică de 1 mm.

Datorită pasului relativ fin și geometriei reduse a terminalelor utilizate într-o capsulă WLCSP, optimizarea procesului de imprimare a pastei de lipire este esențială pentru asigurarea fiabilității îmbinărilor de lipire. Se recomandă inspecția în timpul procesului pentru verificarea înălțimii pastei, a procentului de acoperire a padurilor și a preciziei alinierii față de modelul suprafețelor de lipire de pe PCB.

Concluzie: RA4L1 pentru aplicații cu spațiu limitat

Datorită disponibilității microcontrolerului RA4L1 cu consum redus de energie în capsula compactă WLCSP, proiectanții pot crea soluții performante pentru aplicații cu spațiu limitat, pe piețele industriale și de consum. Aceste dispozitive oferă o soluție ideală pentru aplicații audio, camere digitale, dispozitive auditive, module optice, senzori inteligenți, dispozitive purtabile și multe altele.

Pentru mai multe informații despre microcontrolerul RA4L1 și opțiunile sale de capsulare WLCSP, consultați pagina Renesas: www.renesas.com/RA4L1. De asemenea, mai multe detalii despre utilizarea capsulelor WLCSP pot fi găsite în Manualul de montare a capsulelor semiconductoare al Renesas, disponibil pentru descărcare de pe site-ul companiei.

Autor
Graeme Clark,
Principal Engineer
Renesas Electronics Europe

 

Glosar de termeni

Tehnologii de capsulare

WLCSP (Wafer-Level Chip-Scale Packaging) – Tehnologie de capsulare la nivel de wafer, în care capsula finală are dimensiuni foarte apropiate de cele ale pastilei de siliciu. Este utilizată pentru obținerea unor dispozitive foarte compacte, subțiri și ușoare.
CSP (Chip Scale Package) – Tip de capsulă semiconductor ale cărei dimensiuni sunt apropiate de cele ale cipului semiconductor propriu-zis. Conform standardului IPC/JEDEC J-STD-012, dimensiunea capsulei este de cel mult 1,2 ori dimensiunea pastilei de siliciu.
BGA (Ball Grid Array) – Tip de capsulă semiconductor în care conexiunile electrice sunt realizate printr-o matrice de bile de lipire amplasate pe partea inferioară a capsulei.
WLBGA (Wafer-Level Ball Grid Array) – Variantă de capsulare la nivel de wafer care utilizează bile de lipire dispuse într-o configurație de tip BGA.

Structura capsulei WLCSP

Wafer / plachetă de siliciu – Disc subțire de siliciu pe care sunt fabricate simultan mai multe circuite integrate. După procesare, wafer-ul este tăiat în pastile de siliciu individuale.
Die / pastilă de siliciu – Cip semiconductor individual rezultat din tăierea wafer-ului. În articol, termenul este utilizat pentru a desemna partea activă a microcontrolerului înainte de capsulare.
Bare die / pastilă de siliciu neîncapsulată – Cip semiconductor individual înainte de introducerea într-o capsulă. Comparativ cu utilizarea directă a pastilelor neîncapsulate, WLCSP oferă dimensiuni similare, dar este mai ușor de manipulat, montat și testat.

Interposer – Strat intermediar de interconectare utilizat pentru redistribuirea conexiunilor dintre pastila de siliciu și bilele de lipire sau padurile capsulei.
RDL (Redistribution Layer) – Strat de redistribuire utilizat pentru modificarea dispunerii padurilor de pe pastila de siliciu, astfel încât conexiunile să poată fi adaptate pentru montarea pe PCB.
Strat de pasivare – Strat protector depus pe suprafața pastilei de siliciu pentru protecție mecanică, electrică sau împotriva radiațiilor UV, în funcție de poziția și rolul său în structură.

Elemente de conectare și montare

Pad – Zonă metalizată de contact, utilizată pentru realizarea conexiunii electrice și mecanice între cip, capsulă, substrat sau placa de circuit imprimat.
Pad SMD (Solder Mask Defined) – Pad definit de masca de lipire. În acest caz, deschiderea din masca de lipire este mai mică decât padul de cupru și controlează zona expusă pentru lipire.
Pad NSMD (Non-Solder Mask Defined) – Pad nedefinit de masca de lipire. În acest caz, deschiderea măștii de lipire este mai mare decât padul de cupru, iar dimensiunea padului controlează zona de lipire.

Bile de lipire – Elemente din aliaj de lipit utilizate pentru realizarea conexiunii electrice, mecanice și termice între capsulă și placa de circuit imprimat.
Element de lipire – Element de contact din aliaj de lipit, utilizat pentru conectarea padului de cupru la structura corespunzătoare de pe capsulă sau pastila de siliciu.
Pas – Distanța dintre centrele a două elemente de contact adiacente, cum ar fi bilele de lipire sau padurile. În capsulele WLCSP, pasul este foarte fin, ceea ce impune reguli PCB mai stricte.

PCB, materiale și proces de fabricație

PCB (Printed Circuit Board) – Placă de circuit imprimat pe care sunt montate componentele electronice și prin care sunt realizate conexiunile electrice dintre acestea.
FR-4 – Material compozit pe bază de fibră de sticlă și rășină epoxidică, utilizat frecvent pentru fabricarea plăcilor de circuit imprimat.
CTE (Coefficient of Thermal Expansion) – Coeficient de dilatare termică. Indică modul în care dimensiunile unui material se modifică în funcție de temperatură. Un CTE mai mic poate contribui la creșterea fiabilității în cazul capsulelor WLCSP.

Temperatura de tranziție vitroasă – Temperatura la care materialul substratului trece dintr-o stare rigidă într-una mai flexibilă. În mod ideal, aceasta trebuie să fie peste intervalul de temperatură de operare al aplicației.
Modelul suprafețelor de lipire de pe PCB – Configurația zonelor metalizate pe care se depune pasta de lipire și pe care se formează îmbinările de lipire ale capsulei.
Imprimarea pastei de lipire – Proces SMT prin care pasta de lipire este depusă pe padurile PCB înainte de montarea componentelor.
Îmbinare de lipire – Conexiune realizată prin aliaj de lipit între terminalul componentei și padul PCB. Fiabilitatea acesteia este esențială pentru funcționarea capsulelor WLCSP.