超小但強大：MCU 的小尺寸封裝和集成如何幫助優(yōu)化空間受限的設計

早期的翻蓋手機功能雖然簡(jiǎn)單，僅能實(shí)現撥打電話(huà)，但在當時(shí)已然代表了一項重要的技術(shù)突破。如今，這種對技術(shù)的期待并未消退，反而愈發(fā)強烈——人們期待手機具有更強大的功能組合：更高分辨率的屏幕、更長(cháng)的電池壽命、更快的處理速度，尤其是更小的外形尺寸。

擁有這樣想法的人不在少數。無(wú)論是手機、耳機、智能手表，還是日常家電如吹風(fēng)機，消費者都期望它們在功能和尺寸上不斷優(yōu)化。如果成本、尺寸或功能沒(méi)有改進(jìn)，大多數消費者就不太可能購置已擁有產(chǎn)品的升級款。

縮小體積，增強功能的趨勢也影響了嵌入式系統設計人員，他們專(zhuān)注于提高系統功能和性能，同時(shí)降低整體系統尺寸和成本。

 為了幫助嵌入式系統設計人員，包括 TI 在內的半導體制造商正在開(kāi)發(fā)功能豐富、體積更小的微控制器 (MCU) 和嵌入式處理器。這些器件采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的封裝，在印刷電路板 (PCB) 上占用的空間更小，從而能夠為更多元件和更大電池提供更多空間，以延長(cháng)使用壽命。在封裝內部，這些器件的設計也在不斷發(fā)展，集成了大量模擬元件以擴展功能，同時(shí)減少對分立式元件的需求。

本文將探討封裝和模擬元件集成如何在保障嵌入式處理器功能的情況下幫助減小其尺寸，以及優(yōu)化封裝對制造工藝的影響。

 封裝

封裝創(chuàng )新是半導體領(lǐng)域少數肉眼可見(jiàn)的改進(jìn)之一。為了幫助減小封裝尺寸，半導體制造商將傳統引線(xiàn)選項改為先進(jìn)的封裝選項，以此去除不必要的塑料外殼和引線(xiàn)。這些封裝選項的尺寸與芯片尺寸直接相關(guān)，可以減少實(shí)現預期功能所需的面積。

TI 在其嵌入式處理產(chǎn)品系列中提供了多種微型封裝：

?   四方扁平無(wú)引線(xiàn)封裝 (QFN)QFN 封裝不使用傳統的引線(xiàn)，而是由塑料外殼邊緣周?chē)谋馄接|點(diǎn)和底部的裸露導熱墊組成，以提高導熱性能。圖 1 顯示了 MSPM0C1104 的封裝圖，這是一款 20 引腳微控制器，尺寸僅為 9mm²。

圖 1 采用 20 引腳 0.8mm QFN 封裝的 MSPM0C1104 圖紙

?   晶圓芯片級封裝 (WCSP)與其他封裝類(lèi)型相比，這些封裝的外形尺寸更小。焊球陣列直接連接到硅片，使封裝尺寸等于硅片尺寸（請參見(jiàn)圖 2）。這一封裝在 1.38mm² 的空間內裝入了 8 個(gè)焊球，使每平方毫米區域集成更多功能。此外、MSPM0C1104 還采用比同類(lèi)器件小 38% 的 WCSP 封裝，使其成為全球超小型 MCU。

圖 2 MSPM0C1104 八球 WCSP 封裝圖紙（標稱(chēng)值為 1.50 x 0.86mm，厚度為 0.35mm）

集成

解決電路板空間有限問(wèn)題的另一種方法是優(yōu)化設備中的功能集成。每個(gè)元件都有自己的塑料封裝、引線(xiàn)和所需的布局空間，與具有集成功能的單個(gè)芯片相比，它們會(huì )占用更多的電路板空間。

在推動(dòng)小型化的過(guò)程中，集成模擬和數字外設的 MCU 和處理器將發(fā)揮重要作用。以脈動(dòng)式血氧計為例。與 圖 3 所示的離散設計方法相比，將模數轉換器 (ADC)、比較器和電壓基準集成到 MCU 中可以減少所需元件的數量，從而縮小 PCB 尺寸，如圖 4 所示。

圖 3 采用分立式模擬元件的脈動(dòng)式血氧計設計

圖 4 采用集成元件的脈動(dòng)式血氧計設計

選擇在 MCU 中集成哪些功能需要做出一些權衡。功能集成可以減少設計中的元件數量，但包含不必要的功能可能會(huì )違背意圖并增加單芯片解決方案的尺寸。

這就是功能優(yōu)化如此重要的原因。添加的外設與裸片尺寸和器件成本直接相關(guān)。未利用的功能可能會(huì )浪費空間和金錢(qián)，并降低空間受限設計的效率。了解市場(chǎng)的真實(shí)需求可打造出具有成本和尺寸優(yōu)勢的嵌入式解決方案。例如，8 焊球 MSPM0C1104 WCSP 不僅體積小巧，而且具有眾多集成功能和元件。它采用 1.38 mm2 封裝，搭載 16KB 的閃存存儲器，具有三通道的 12 位 ADC 和三個(gè)計時(shí)器。通過(guò)使用 MSPM0C1104 等器件來(lái)優(yōu)化每平方毫米的功能數量，工程師可以在設計中提升空間利用效率。

圖 5 MSPM0C1104 與無(wú)線(xiàn)耳機之間的尺寸對比

隨著(zhù)物理集成電路變得越來(lái)越小，設計和生產(chǎn)方法也在不斷發(fā)展。雖然采用更小的電氣元件有助于充分減小 PCB 尺寸，但還需要考慮布局、處理和生產(chǎn)流程。

采用芯片級封裝進(jìn)行設計時(shí)，有兩種類(lèi)型的 PCB 焊盤(pán)圖案十分有用：阻焊層限定 (SMD) 和非阻焊層限定 (NSMD)，如圖 6 所示。SMD 類(lèi)型包含與基板重疊的較大銅焊盤(pán)，而 NSMD 類(lèi)型包含較小且更具精度的銅焊盤(pán)。NSMD 類(lèi)型焊盤(pán)可在芯片級封裝中提供更高的均勻覆蓋能力、更好的布線(xiàn)性能和更低的應力。

圖 6 NSMD 和 SMD PCB 焊盤(pán)圖案

元件放置和處理可能也并非易事。對于半導體和產(chǎn)品制造商而言，制造過(guò)程中使用的拾取和放置機器以及真空筆可充分降低損壞 WCSP 和 BGA 封裝裸片的風(fēng)險。為了提高放置精度，拾取和放置機器中的視覺(jué)系統可以定位封裝輪廓或單個(gè)凸點(diǎn)。焊錫凸點(diǎn)幾何形狀可實(shí)現 PCB 焊盤(pán)的自定心和校正。隨著(zhù)電氣元件尺寸的減小，制造機械也在不斷發(fā)展以適應變化。

 結語(yǔ)

創(chuàng )新是一個(gè)循環(huán)的過(guò)程。消費者一直期待功能豐富的輕量級產(chǎn)品。工程師們正在進(jìn)行設計以平衡利益沖突。半導體行業(yè)正在不斷發(fā)展，以?xún)?yōu)化封裝和功能選項。在當前一代產(chǎn)品上市后，團隊就會(huì )開(kāi)會(huì )來(lái)集思廣益，以尋找下一個(gè)最佳產(chǎn)品，然后這個(gè)重復這一循環(huán)。

TI 在半導體小型化方面所做的努力包括選擇性功能集成、封裝優(yōu)化和制造工藝進(jìn)步，為工程師在微型世界中設計產(chǎn)品提供更多選擇和可能性。