由于MCU縮小，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大

晶圓級(jí)芯片尺寸分裝(WLCSP)技術(shù)，新一代的傳感器，和DSP功能的組合將打開(kāi)膨脹領(lǐng)域MCU應(yīng)用中的觀(guān)光噪比(IoT)因特網(wǎng)。最經(jīng)常提到的應(yīng)用空間在于可穿戴設(shè)備。其他設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)存在哪里遙感節(jié)點(diǎn)是必需的，如家庭自動(dòng)化系統(tǒng)，流量計(jì)，和條形碼掃描儀。芯片級(jí)封裝也使植入，甚至可攝取的醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備任重道遠(yuǎn)。在一些應(yīng)用中，它可以為信號(hào)分析駐留靠近傳感器是重要的。此應(yīng)用程序的空間特別沃土32位，DSP配備的MCU。集成了芯片級(jí)的MCU與傳感器，無(wú)線(xiàn)通信芯片，以及能源模塊將使設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)小型的，獨(dú)立的系統(tǒng)更大的靈活性。它也允許他們選擇更小，更先進(jìn)的傳感器，仍然滿(mǎn)足高性能應(yīng)用。

WLCSP基礎(chǔ)知識(shí)

從純粹的電氣設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，使用的MCU與芯片級(jí)包裝不出現(xiàn)顯著的挑戰(zhàn)，只要設(shè)計(jì)人員使用的PCB布局工具，可以處理WLCSP的物理特性。規(guī)格而有所不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的，但相當(dāng)?shù)匿N(xiāo)節(jié)距(WLCSPs使用焊錫球)是0.44毫米，跡寬度是約100微米，焊接掩模厚度為約25μm。除了它們的更小的空間和高度相比塑料封裝，WLCSPs提供其它優(yōu)點(diǎn)，包括管芯和所述印刷電路板，高的熱傳導(dǎo)特性，和一個(gè)短的制造周期時(shí)間之間低電感。傳統(tǒng)封裝的引腳通過(guò)焊球(凸點(diǎn))被安排在有一個(gè)隆起物與凸塊間距，它與國(guó)家的最先進(jìn)的電路板裝配流程兼容陣列取代。到安裝在印刷電路板襯底上的WLCSP模具，模具被置于凸點(diǎn)側(cè)朝下放在基底金屬的著陸點(diǎn)。甲焊料回流工藝來(lái)熔化焊料形成一個(gè)接頭。圖1示出了這個(gè)過(guò)程。

圖1：WLCSP安裝在一個(gè)印刷電路板上。 (愛(ài)特梅爾公司提供)的管芯附著到襯底的焊料。添加的絕緣底層填充是在將提高接頭的可靠性未圖示的選項(xiàng)。

集成選項(xiàng)

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可能承擔(dān)使用WLCSP份來(lái)設(shè)計(jì)整個(gè)子系統(tǒng)本身或者它們可以選擇由第三方集成兩個(gè)或更多的功能設(shè)計(jì)的溶液。決定主要取決于三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：可用的系統(tǒng)足跡，能量需求，并且該應(yīng)用程序的唯一性。由于領(lǐng)先的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)可能包括微控制器和通信能力，使用第三方產(chǎn)品由管理標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)組織已經(jīng)預(yù)認(rèn)證的優(yōu)勢(shì)。無(wú)線(xiàn)微控制器已成為在同一芯片上把MCU和通信功能的熱門(mén)選擇。 Nordic半導(dǎo)體公司nRF51822，例如，提供了在單一封裝的MCU和藍(lán)牙低能量的基帶功能。該芯片預(yù)認(rèn)證由Bluetooth SIG。在這種情況下，在MCU部是一個(gè)32位的ARM Cortex-M0。 10位ADC和幾個(gè)串行接口被包括以使集成有傳感器更容易，和一個(gè)128位AES的協(xié)處理器是有需要的時(shí)候，以提供安全的數(shù)據(jù)連接。一個(gè)應(yīng)用程序，其中晶片級(jí)微控制器可以采取這一概念的步驟進(jìn)一步-和特別有用-是一種活動(dòng)監(jiān)測(cè)器，其感測(cè)嵌入在頭戴式耳機(jī)的耳塞心臟速率。由于典型的用例的耳機(jī)包括聽(tīng)音樂(lè)邊運(yùn)動(dòng)，這是一個(gè)合乎邏輯的延伸到傳感器和MCU增加藍(lán)牙功能，已經(jīng)在耳塞。產(chǎn)品，如LG心率監(jiān)測(cè)器耳機(jī)正在接近這個(gè)概念，但他們并不適合所有的功能整合到一個(gè)耳塞。傳感器集成到多芯片模塊仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)閭鞲衅魍ǔ２幌嗤姆绞?，邏輯芯片做縮放。添加傳感器能力的主要候選人是，有些令人驚訝的發(fā)光二極管，其制造與半導(dǎo)體工藝。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這個(gè)概念是，一個(gè)LED收發(fā)器可感測(cè)的變化的流體流動(dòng)(即脈沖)以上的時(shí)間。在光心臟拍脈沖傳感器，光引導(dǎo)到皮膚或者反彈回的光傳感器，或者是由血細(xì)胞吸收。是否它被反射或吸收，在一個(gè)特定的測(cè)量點(diǎn)取決于脈搏跳動(dòng)的狀態(tài)。連續(xù)的光傳感器讀數(shù)可以提供令人驚訝的準(zhǔn)確的心臟搏動(dòng)脈沖讀取。積分心臟速率監(jiān)測(cè)到一個(gè)耳塞是很可能需要強(qiáng)大的計(jì)算引擎的應(yīng)用程序。這一切都取決于所使用的LED數(shù)據(jù)解讀成左右脈搏有意義的信息的算法。德州儀器SimpleLink無(wú)線(xiàn)微控制器支持各種無(wú)線(xiàn)技術(shù)，包括基于標(biāo)準(zhǔn)的6LoWPAN，藍(lán)牙低功耗，Wi-Fi無(wú)線(xiàn)，和ZigBee的，以及專(zhuān)有的sub-GHz和專(zhuān)有2.4 GHz的。該CC3200系列集成了TI的門(mén)戶(hù)網(wǎng)站到芯片系列集成了ARM Cortex-M4與Wi-Fi收發(fā)器和基帶功能。 TI取得了CC3200-LAUNCHXL開(kāi)發(fā)套件門(mén)戶(hù)網(wǎng)站到該解決方案。無(wú)線(xiàn)MCU的一個(gè)重要的子類(lèi)別使用專(zhuān)有，亞GHz收發(fā)器，其包括在TI的SimpleLink產(chǎn)品供應(yīng)。一個(gè)例子是，在490 MHz頻段操作Silicon Labs的Si106x / Si108x無(wú)線(xiàn)微控制器，868MHz頻帶，以及915MHz的頻帶。該公司的Si1060和Si1062無(wú)線(xiàn)MCU開(kāi)發(fā)套件提供了一個(gè)切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員使用這些產(chǎn)品的熟悉。

與WLCSP設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可承接采用WLCSP部分來(lái)設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)本身。這條路線(xiàn)顯然需要比使用第三方解決方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)和潛在增加了標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證成本和設(shè)計(jì)周期。這可能是值得做的特別是在其中的材料成本保持盡可能低的大批量產(chǎn)品。在其他情況下，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須從頭開(kāi)始工作，因?yàn)闆](méi)有第三方的解決方案提供了一個(gè)不錯(cuò)的選擇。從地面設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)了涉及選擇合適的合同制造商。 WLCSP芯片更細(xì)膩，因?yàn)樗鼈兓旧隙际且粔K硅片上。但是，也有其他的考慮，以及。由于芯片的塑料都不會(huì)裝，硅對(duì)光線(xiàn)的敏感度可能會(huì)發(fā)揮作用，特別是與超低功耗的設(shè)備，這將是典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。光的影響發(fā)生在器件物理級(jí)別。光照耀在設(shè)備上可以提供足夠的能量以引起在芯片的行為擾動(dòng)。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)在芯片上沉積的不透明材料來(lái)解決。感光度是一位經(jīng)驗(yàn)豐富的合同制造商如何識(shí)別可能不是很明顯設(shè)計(jì)師潛在問(wèn)題的一個(gè)例子。許多與傳統(tǒng)封裝中遇到的設(shè)計(jì)問(wèn)題變得與WLCSP更重要。提供的能量源可能是最重要的。相比于基于WLCSP設(shè)備系統(tǒng)，但它仍然是通常是最好的選擇，即使是一粒紐扣電池大。能量收集可以是可能性對(duì)于一些應(yīng)用，但即使是光伏太陽(yáng)能砍伐僅提供100毫瓦/平方厘米。超低功耗微控制器和收發(fā)器開(kāi)始進(jìn)行收割的場(chǎng)景一個(gè)現(xiàn)實(shí)的可能性。圖2示出了能量采集傳感器節(jié)點(diǎn)的部件。注意，一些能量存儲(chǔ)通常需要的，因?yàn)閼?yīng)用程序是可能有活性尖峰以大多數(shù)時(shí)間處于睡眠模式花費(fèi)。電容器組是能量的最有可能的形式。

圖2：能源采集傳感器節(jié)點(diǎn)。 (Silicon Labs公司提供)的微控制器和收發(fā)器都值得細(xì)看。一種能量采集應(yīng)用的需求很好地適應(yīng)一個(gè)簡(jiǎn)單的，專(zhuān)有的sub-GHz無(wú)線(xiàn)解決方案。對(duì)于收發(fā)器兩個(gè)顯著參數(shù)在待機(jī)模式和在發(fā)射模式的能量消耗。對(duì)于這樣一個(gè)實(shí)現(xiàn)的理想人選是建立在A(yíng)RM的Cortex-M4F內(nèi)核，它有一系列的專(zhuān)用DSP功能使信號(hào)處理是許多更少的時(shí)鐘周期比在非DSP功能的MCU實(shí)現(xiàn)了MCU。相比于M3的M4F內(nèi)核集成的FPU硬件輔助引擎和DSP擴(kuò)展指令集。當(dāng)在全油門(mén)操作因此，它會(huì)消耗更多的能量。 M3的必須執(zhí)行算法以軟件，這意味著它處于活動(dòng)模式長(zhǎng)于M4F。對(duì)于用于處理傳感器數(shù)據(jù)的許多算法，M4F芯消耗更少的能量。

定位WLCSP件

可用于那些從頭開(kāi)始建立WLCSP封裝解決方案有許多MCU的選擇。在32位MCU的設(shè)計(jì)空間，Atmel公司提供了SAM4L和SAM4S家庭48 MHz和120 MHz的時(shí)鐘速度。這兩個(gè)系列都是基于A(yíng)RM的Cortex-M4內(nèi)核。一個(gè)典型的一部分，ATSAM4LS4BA-UUR，提供256 KB的閃存，I2C，紅外，LIN，SPI，UART和USB連接和各種外設(shè)。飛思卡爾半導(dǎo)體在其的Kinetis系列的一系列WLCSP的MCU。的MKL02Z32CAF4R，例如，運(yùn)行在48兆赫。接口包括I2C，SPI和UART / USART。恩智浦半導(dǎo)體基于其WLCSP微控制器ARM的Cortex-M3內(nèi)核。該LPC1768UKJ運(yùn)行在100 MHz的時(shí)鐘，具有512 KB的閃存。它提供了CAN，以太網(wǎng)，I2C，紅外，微絲，SPI，SSI，UART / USART，USB OTG連接，以及各種外設(shè)。 Silicon Labs還提供基于至少兩個(gè)ARM核心WLCSP設(shè)備。 EFM32LG360F128G-E-CSP81是基于運(yùn)行在運(yùn)行在48 MHz和具有128 KB的閃存(64 KB和512 KB的版本都可以)的Cortex-M3內(nèi)核。連接選項(xiàng)包括UART / SPI /智能卡，紅外，I2C，USB與主機(jī)和OTG支持，以及USB 2.0。該EFM32WG360F64G-A-CSP81是基于運(yùn)行在運(yùn)行在48 MHz和具有64 KB的閃存ARM的Cortex-M4內(nèi)核(128 KB和256 KB版本可供選擇)。它有一個(gè)類(lèi)似的選擇的通信接口，還提供了DSP指令支持和浮點(diǎn)單元來(lái)執(zhí)行計(jì)算密集型算法。其模擬外設(shè)也很有趣，包括一個(gè)12位的1兆采樣/秒ADC，一個(gè)片上溫度傳感器，12位500 ksamples / s的DAC和電容式感應(yīng)多達(dá)16個(gè)輸入。

結(jié)論

由于采用了耐磨，互聯(lián)網(wǎng)連接的設(shè)備演變的定義，集成了微控制器，傳感器系統(tǒng)和通訊的大小是注定要縮水。單片機(jī)制造商正在使這種趨勢(shì)與可以集成到模塊比MCU本身將是一個(gè)傳統(tǒng)的塑料封裝小WLCSP設(shè)備。有向系統(tǒng)集成度顯著的挑戰(zhàn)，但是，包括能量源和傳感器的尺寸，這是比較困難的收縮比半導(dǎo)體邏輯。創(chuàng)新的工程師在所有學(xué)科都想出解決方案，包括新的檢測(cè)選項(xiàng)和能量收集技術(shù)。還有很多的創(chuàng)新空間，但是，在超小身打扮，以及植入和可攝取的，系統(tǒng)進(jìn)入產(chǎn)品的主流。