由于MCU縮小，物聯(lián)網(wǎng)應用范圍的擴大

晶圓級芯片尺寸分裝(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應用中的觀(guān)光噪比(IoT)因特網(wǎng)。最經(jīng)常提到的應用空間在于可穿戴設備。其他設計機會(huì )存在哪里遙感節點(diǎn)是必需的，如家庭自動(dòng)化系統，流量計，和條形碼掃描儀。芯片級封裝也使植入，甚至可攝取的醫療監控設備任重道遠。在一些應用中，它可以為信號分析駐留靠近傳感器是重要的。此應用程序的空間特別沃土32位，DSP配備的MCU。集成了芯片級的MCU與傳感器，無(wú)線(xiàn)通信芯片，以及能源模塊將使設計人員開(kāi)發(fā)小型的，獨立的系統更大的靈活性。它也允許他們選擇更小，更先進(jìn)的傳感器，仍然滿(mǎn)足高性能應用。

WLCSP基礎知識

從純粹的電氣設計的角度來(lái)看，使用的MCU與芯片級包裝不出現顯著(zhù)的挑戰，只要設計人員使用的PCB布局工具，可以處理WLCSP的物理特性。規格而有所不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的，但相當的銷(xiāo)節距(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，高的熱傳導特性，和一個(gè)短的制造周期時(shí)間之間低電感。傳統封裝的引腳通過(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)側朝下放在基底金屬的著(zhù)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(zhù)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。

集成選項

設計團隊可能承擔使用WLCSP份來(lái)設計整個(gè)子系統本身或者它們可以選擇由第三方集成兩個(gè)或更多的功能設計的溶液。決定主要取決于三個(gè)標準：可用的系統足跡，能量需求，并且該應用程序的唯一性。由于領(lǐng)先的物聯(lián)網(wǎng)設計可能包括微控制器和通信能力，使用第三方產(chǎn)品由管理標準的行業(yè)組織已經(jīng)預認證的優(yōu)勢。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半導體公司nRF51822，例如，提供了在單一封裝的MCU和藍牙低能量的基帶功能。該芯片預認證由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，以提供安全的數據連接。一個(gè)應用程序，其中晶片級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)監測器，其感測嵌入在頭戴式耳機的耳塞心臟速率。由于典型的用例的耳機包括聽(tīng)音樂(lè )邊運動(dòng)，這是一個(gè)合乎邏輯的延伸到傳感器和MCU增加藍牙功能，已經(jīng)在耳塞。產(chǎn)品，如LG心率監測器耳機正在接近這個(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，因為傳感器通常不相同的方式，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，光引導到皮膚或者反彈回的光傳感器，或者是由血細胞吸收。是否它被反射或吸收，在一個(gè)特定的測量點(diǎn)取決于脈搏跳動(dòng)的狀態(tài)。連續的光傳感器讀數可以提供令人驚訝的準確的心臟搏動(dòng)脈沖讀取。積分心臟速率監測到一個(gè)耳塞是很可能需要強大的計算引擎的應用程序。這一切都取決于所使用的LED數據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)，包括基于標準的6LoWPAN，藍牙低功耗，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。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)，設計人員使用這些產(chǎn)品的熟悉。

與WLCSP設計

設計團隊可承接采用WLCSP部分來(lái)設計整個(gè)系統本身。這條路線(xiàn)顯然需要比使用第三方解決方案的詳細設計和潛在增加了標準認證成本和設計周期。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，設計團隊必須從頭開(kāi)始工作，因為沒(méi)有第三方的解決方案提供了一個(gè)不錯的選擇。從地面設計的挑戰了涉及選擇合適的合同制造商。 WLCSP芯片更細膩，因為它們基本上都是一塊硅片上。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備，這將是典型的物聯(lián)網(wǎng)應用。光的影響發(fā)生在器件物理級別。光照耀在設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)驗豐富的合同制造商如何識別可能不是很明顯設計師潛在問(wèn)題的一個(gè)例子。許多與傳統封裝中遇到的設計問(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設備系統，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于一些應用，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)現實(shí)的可能性。圖2示出了能量采集傳感器節點(diǎn)的部件。注意，一些能量存儲通常需要的，因為應用程序是可能有活性尖峰以大多數時(shí)間處于睡眠模式花費。電容器組是能量的最有可能的形式。

圖2：能源采集傳感器節點(diǎn)。 (Silicon Labs公司提供)的微控制器和收發(fā)器都值得細看。一種能量采集應用的需求很好地適應一個(gè)簡(jiǎn)單的，專(zhuān)有的sub-GHz無(wú)線(xiàn)解決方案。對于收發(fā)器兩個(gè)顯著(zhù)參數在待機模式和在發(fā)射模式的能量消耗。對于這樣一個(gè)實(shí)現的理想人選是建立在A(yíng)RM的Cortex-M4F內核，它有一系列的專(zhuān)用DSP功能使信號處理是許多更少的時(shí)鐘周期比在非DSP功能的MCU實(shí)現了MCU。相比于M3的M4F內核集成的FPU硬件輔助引擎和DSP擴展指令集。當在全油門(mén)操作因此，它會(huì )消耗更多的能量。 M3的必須執行算法以軟件，這意味著(zhù)它處于活動(dòng)模式長(cháng)于M4F。對于用于處理傳感器數據的許多算法，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的設計空間，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。飛思卡爾半導體在其的Kinetis系列的一系列WLCSP的MCU。的MKL02Z32CAF4R，例如，運行在48兆赫。接口包括I2C，SPI和UART / USART。恩智浦半導體基于其WLCSP微控制器ARM的Cortex-M3內核。該LPC1768UKJ運行在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。 Silicon Labs還提供基于至少兩個(gè)ARM核心WLCSP設備。 EFM32LG360F128G-E-CSP81是基于運行在運行在48 MHz和具有128 KB的閃存(64 KB和512 KB的版本都可以)的Cortex-M3內核。連接選項包括UART / SPI /智能卡，紅外，I2C，USB與主機和OTG支持，以及USB 2.0。該EFM32WG360F64G-A-CSP81是基于運行在運行在48 MHz和具有64 KB的閃存ARM的Cortex-M4內核(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)執行計算密集型算法。其模擬外設也很有趣，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和電容式感應多達16個(gè)輸入。

結論

由于采用了耐磨，互聯(lián)網(wǎng)連接的設備演變的定義，集成了微控制器，傳感器系統和通訊的大小是注定要縮水。單片機制造商正在使這種趨勢與可以集成到模塊比MCU本身將是一個(gè)傳統的塑料封裝小WLCSP設備。有向系統集成度顯著(zhù)的挑戰，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，包括新的檢測選項和能量收集技術(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，系統進(jìn)入產(chǎn)品的主流。