晶圓級(jí)芯片封裝 （WLCSP） 技術(shù)、新一代傳感器和 DSP 功能的組合為 MCU 在物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 中的應(yīng)用開(kāi)辟了更廣闊的空間。其中應(yīng)用最多的領(lǐng)域就是可穿戴設(shè)備。

　　其它設(shè)計(jì)應(yīng)用機(jī)會(huì)也存在，只要有遠(yuǎn)程感測(cè)節(jié)點(diǎn)需要就有可能，如家庭自動(dòng)化系統(tǒng)、流量計(jì)、條形碼掃描儀等應(yīng)用。此外，芯片級(jí)封裝已讓可植入式或者甚至是可吸收式醫(yī)療監(jiān)視設(shè)備進(jìn)入人們的視野。

　　在某些應(yīng)用中，靠近傳感器對(duì)于信號(hào)分析很重要。該應(yīng)用領(lǐng)域尤其為配備 DSP 的 32 位 MCU 提供了用武之地。將芯片級(jí) MCU 和傳感器、無(wú)線通訊芯片、能量源全部集成到一個(gè)模塊中，設(shè)計(jì)人員就能更加靈活自如地打造小型自足式系統(tǒng)。此外，設(shè)計(jì)人員還可選擇體積更小且不太復(fù)雜，但仍能滿(mǎn)足高性能應(yīng)用要求的傳感器。

　　WLCSP 基礎(chǔ)知識(shí)

　　單從電氣設(shè)計(jì)角度講，設(shè)計(jì)人員只要使用能夠處理 WLSCP 物理特性的 PCB 布局工具，在使用采用芯片級(jí)封裝的 MCU 時(shí)就不會(huì)遇到太大困難。雖然各個(gè)制造商的規(guī)格不盡相同，但引腳間距都是 0.44 mm（WLCSP 采用焊球）以及印制線寬約 100 μm、阻焊層厚約 25 μm。

　　除了占用面積和高度比塑料封裝小外，WLCSP 還具有其它優(yōu)勢(shì)，包括芯片和電路板之間電感更小、高導(dǎo)熱特性以及短制造周期。

　　用焊球（鼓包）替代傳統(tǒng)封裝引腳，同時(shí)焊球陣列的排列間距兼容最新的電路板裝配工藝。為在印刷電路板基底上安裝 WLCSP 芯片，應(yīng)使焊球面向下將芯片放置到基底金屬著陸點(diǎn)上。采用回流焊工藝熔化焊料并形成焊點(diǎn)。圖 1 所示為回流焊工藝。

　　圖 1：安裝到印刷電路板上的 Atmel WLCSP（感謝 Atmel Corp 提供資料）

　　芯片通過(guò)焊料固定到基底上。在該工藝中，可選擇增加絕緣底部填充膠（圖中未顯示），以使焊點(diǎn)更可靠。

　　集成選項(xiàng)

　　設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可利用 WLCSP 零件自行設(shè)計(jì)整個(gè)子系統(tǒng)，或選擇由第三方設(shè)計(jì)并集成了兩個(gè)或三個(gè)功能的解決方案。這種決定主要依據(jù)三個(gè)條件：可用的系統(tǒng)封裝尺寸、能量要求和應(yīng)用的獨(dú)特性。

　　既然先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)可能包含 MCU 和通信能力，那么使用第三方產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)是，產(chǎn)品已獲得負(fù)責(zé)管理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的貿(mào)易集團(tuán)的預(yù)先認(rèn)證。將 MCU 和通信功能置于同一芯片內(nèi)核時(shí)，無(wú)線 MCU 已成為大眾化選擇。

　　例如，

　　Nordic Semiconductor 的 nRF51822 在單一封裝中集成了 MCU 和低功耗藍(lán)牙基帶功能。該芯片已獲得 Bluetooth SIG 預(yù)先認(rèn)證。在本例中，該器件所用 MCU 為 32 位 ARM Cortex-M0。該器件包括一個(gè) 10 位 ADC 和多個(gè)串行接口，以使傳感器集成更容易，以及一個(gè) 128 位 AES 協(xié)處理器，用于在必要時(shí)保證數(shù)據(jù)連接的安全。

　　芯片級(jí) MCU 可進(jìn)一步發(fā)揮這一概念作用且特別有用的一個(gè)應(yīng)用是活動(dòng)監(jiān)視器，它能嵌入到頭戴式耳機(jī)耳塞中進(jìn)行心率檢測(cè)。耳機(jī)通常用來(lái)邊運(yùn)動(dòng)邊聽(tīng)音樂(lè)，因此為耳塞中已有的藍(lán)牙功能添加傳感器和 MCU 是一種很合理的功能擴(kuò)展。象 LG 心率監(jiān)控耳機(jī)等產(chǎn)品已接近了這一概念，但這些產(chǎn)品沒(méi)有把全部功能置于耳塞中。

　　在多芯片模塊中集成傳感器仍是一個(gè)難題，因?yàn)閭鞲衅魍ǔo(wú)法象邏輯芯片那樣縮放。令人感到有些吃驚的是，最適合用來(lái)添加傳感器功能的產(chǎn)品竟然是采用半導(dǎo)體工藝制造的 LED。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這一概念就是 LED 收發(fā)器能夠感測(cè)液流（如一個(gè)脈博）隨時(shí)間的變化。在光學(xué)式心率脈沖儀中，直接照射到人體皮膚上的光線要么被反射回光傳感器，要么被血細(xì)胞吸收。在具體的測(cè)量點(diǎn)上，這種光線被反射還是吸收，取決于當(dāng)時(shí)的脈搏狀態(tài)。光傳感器的連續(xù)讀數(shù)功能可提供準(zhǔn)確到令人稱(chēng)奇的心跳脈沖讀數(shù)。

　　在耳塞中集成心率監(jiān)測(cè)功能是一種可能需要強(qiáng)大計(jì)算引擎的應(yīng)用。所有這一切都取決于將 LED 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有意義的脈搏信息的算法。

　　Texas Instruments 的 SimpleLink 無(wú)線 MCU 支持一系列無(wú)線技術(shù)，包括基于各種標(biāo)準(zhǔn)的 6LoWPAN、低功耗藍(lán)牙、Wi-Fi 和 ZigBee 以及專(zhuān)有的次 GHz 頻段和專(zhuān)有的 2.4 GHz 頻段。CC3200 系列將 TI 的入門(mén)功能集成到該芯片系列中，而且這些芯片已集成了 ARM Cortex-M4、Wi-Fi 收發(fā)器和基帶功能。TI 已將 CC3200-LAUNCHXL 開(kāi)發(fā)套件設(shè)計(jì)成該解決方案的入門(mén)工具。

　　無(wú)線 MCU 的一個(gè)重要分支采用專(zhuān)有的次 GHz 收發(fā)器，TI 的 SimpleLink 產(chǎn)品中就包括這些器件。

　　例如工作在 490 MHz、868 MHz 和 915 MHz 頻段的 Silicon Labs Si106x/Si108x 無(wú)線 MCU。該公司的 Si1060 和 Si1062 無(wú)線 MCU 開(kāi)發(fā)套件為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)熟悉這些產(chǎn)品的切入點(diǎn)。

　　使用 WLCSP 進(jìn)行設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以使用 WLCSP 零件自行設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)。相比采用第三方解決方案，這種方法明顯需要更多設(shè)計(jì)工作，并且有可能增加標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證費(fèi)用，延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期。這種情況會(huì)特別適用于能將物料成本控制到盡可能低的大規(guī)模生產(chǎn)。在另一些情形下，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)也可能因?yàn)闆](méi)有非常合適的第三方解決方案而必須從零開(kāi)始。

　　正確選擇合作廠家是從頭設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。WLCSP 芯片基本上是一個(gè)硅片，很容易碎裂。而且，還需考慮其它注意事項(xiàng)。鑒于這種芯片沒(méi)有采用塑料封裝，因此硅片會(huì)發(fā)生光敏效應(yīng)，在與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的典型超低功耗器件配合使用時(shí)尤其如此。這種光效應(yīng)屬于器件物理反應(yīng)。

　　光線照射到器件上會(huì)產(chǎn)生足以干擾芯片正常工作的能量。在芯片上鍍一層不透明材料可解決該問(wèn)題。有經(jīng)驗(yàn)的合作廠家能夠識(shí)別出設(shè)計(jì)人員不易察覺(jué)的潛在問(wèn)題，光敏性問(wèn)題即是一例。

　　許多在采用傳統(tǒng)封裝時(shí)遇到的設(shè)計(jì)問(wèn)題，在采用 WLCSP 時(shí)變得更為重要。提供能量源可能是重中之重。即便是紐扣電池，其體積也明顯大于基于 WLCSP 設(shè)備的系統(tǒng)，因此通常不是最佳的電源選擇。

　　能量收集可能會(huì)用在某些應(yīng)用中，不過(guò)，即使是光伏太陽(yáng)能收集器的功率密度也只有 100 mW/cm2。超低功耗 MCU 和收發(fā)器正讓能量收集成為可能。圖 2 展示了能量收集傳感器節(jié)點(diǎn)的組成。請(qǐng)注意，通常是需要進(jìn)行一些能量存儲(chǔ)的，因?yàn)閼?yīng)用可能有一個(gè)活動(dòng)密集期，而在大部分時(shí)間里則保持睡眠模式。電容器組最有可能用來(lái)存儲(chǔ)能量。

　　圖 2：能量收集傳感器節(jié)點(diǎn)。（感謝 Silicon Labs 提供資料）

　　MCU 和收發(fā)器值得我們重點(diǎn)了解一下。能量收集應(yīng)用的各種要求能非常完美地契合了簡(jiǎn)單的、專(zhuān)有的次 GHz 無(wú)線解決方案。待機(jī)和發(fā)射模式下的能量消耗是收發(fā)器的兩個(gè)重要參數(shù)。

　　實(shí)現(xiàn)此類(lèi)功能的理想候選器件是基于ARM Cortex-M4F 內(nèi)核的 MCU，該器件具備一系列專(zhuān)門(mén)的 DSP 功能，且相比非 DSP 支持型 MCU，能在更少的時(shí)鐘周期內(nèi)完成信號(hào)處理。

　　對(duì)比 M3，M4F 內(nèi)核集成了 FPU 硬件協(xié)助引擎和 DSP 擴(kuò)展指令集。所以，這種內(nèi)核滿(mǎn)負(fù)荷工作時(shí)需要更多電能。M3 必須在軟件中執(zhí)行算法，也即其激活狀態(tài)持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)于 M4F。對(duì)許多用于傳感器數(shù)據(jù)處理的算法來(lái)說(shuō)，M4F 內(nèi)核的能耗較少。

　　確定 WLCSP 零件

　　對(duì)于從零開(kāi)始構(gòu)建的 WLCSP 解決方案，MCU 的選擇余地較大。在 32 位 MCU 設(shè)計(jì)領(lǐng)域，Atmel Corp. 提供時(shí)鐘速度分別為 48 MHz 和 120 MHz 的 SAM4L 和 SAM4S 系列。這兩個(gè)系列均基于 ARM Cortex-M4 內(nèi)核。ATSAM4LS4BA-UUR 是一個(gè)典型零件，具有 256 KB 閃存、I2C、IrDA、LIN、SPI、UART 和 USB 連接功能以及豐富的外設(shè)。

　　Freescale Semiconductor 的 Kinetis 系列包括了一系列 WLCSP MCU。例如，MKL02Z32CAF4R 在 48 MHz 下工作。連接方式包括 I2C、SPI 和 UART/USART。

　　NXP Semiconductors 的 WLCSP MCU 則基于 ARM Cortex-M3 內(nèi)核。LPC1768UKJ 的工作時(shí)鐘為 100 MHz，帶有 512 KB 閃存。該器件提供 CAN、以太網(wǎng)、I2C、IrDA、Microwire、SPI、SSI、UART/USART、USB OTG 連接方式以及多種外設(shè)。

　　Silicon Labs 提供至少采用兩個(gè) ARM 內(nèi)核的 WLCSP 器件。EFM32LG360F128G-E-CSP81 采用 Cortex-M3 內(nèi)核，工作頻率為 48 MHz，閃存為 128 KB（提供 64 KB 和 512 KB 閃存版）。連接功能可選擇 UART/SPI/SmartCard、IrDA、I2C、支持主機(jī)和 OTG 的 USB 以及 USB 2.0。

　　EFM32WG360F64G-A-CSP81 采用 ARM Cortex-M4 內(nèi)核，工作頻率為 48 MHz，閃存為 64 KB（并提供 128 KB 和 256 KB 閃存版）。該器件提供類(lèi)似通訊接口選擇，還提供 DSP 指令支持和浮點(diǎn)單元，用于執(zhí)行計(jì)算密集型算法。該器件的模擬外設(shè)也令人眼前一亮，包括一個(gè)每秒 1 兆次采樣速度的 12 位 ADC、一個(gè)片上溫度傳感器、一個(gè)每秒 50 萬(wàn)次采樣速度的 12 位 DAC 以及具有 16 個(gè)輸入的容性感測(cè)功能。

　　結(jié)語(yǔ)

　　隨著連接互聯(lián)網(wǎng)的可穿戴設(shè)備的定義的不斷演化，集成了 MCU、傳感器和通信功能的系統(tǒng)體積注定將縮小。MCU 制造商正用其 WLCSP 器件讓這一趨勢(shì)成為現(xiàn)實(shí)，這些器件可以集成到體積比 MCU 本身還小且采用傳統(tǒng)塑料封裝的模塊中。但是，這種系統(tǒng)集成度仍面臨各種嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，包括能量源和傳感器體積，且減小傳感器體積的難度遠(yuǎn)超半導(dǎo)體邏輯器件。創(chuàng)新的工程師們不斷提出各種采用新型感測(cè)選項(xiàng)、能量收集技術(shù)的解決方案。然而，在超小型可穿戴設(shè)備以及植入式和吸收式系統(tǒng)進(jìn)入產(chǎn)品主流之前，仍有很大的創(chuàng)新空間。