Manufacturing Technology

基于WLCSP和无线MCU组合的物联网设计

晶圆级芯片封装 (WLCSP) 技术、新一代传感器和DSP功能的组合为MCU在物联网 (IoT) 中的应用开辟了更广阔的空间。其中应用最多的领域就是可穿戴设备。

其它设计应用机会也存在，只要有远程感测节点需要就有可能，如家庭自动化系统、流量计、条形码扫描仪等应用。此外，芯片级封装已让可植入式或者甚至是可吸收式医疗监视设备进入人们的视野。

在某些应用中，靠近传感器对于信号分析很重要。该应用领域尤其为配备DSP的32位MCU提供了用武之地。将芯片级MCU和传感器、无线通讯芯片、能量源全部集成到一个模块中，设计人员就能更加灵活自如地打造小型自足式系统。此外，设计人员还可选择体积更小且不太复杂，但仍能满足高性能应用要求的传感器。

WLCSP基础知识

单从电气设计角度讲，设计人员只要使用能够处理WLSCP物理特性的PCB布局工具，在使用采用芯片级封装的MCU时就不会遇到太大困难。虽然各个制造商的规格不尽相同，但引脚间距都是0.44mm（WLCSP采用焊球）以及印制线宽约100um、阻焊层厚约25um。

除了占用面积和高度比塑料封装小外，WLCSP还具有其它优势，包括芯片和电路板之间电感更小、高导热特性以及短制造周期。

用焊球（鼓包）替代传统封装引脚，同时焊球阵列的排列间距兼容最新的电路板装配工艺。为在印刷电路板基底上安装WLCSP芯片，应使焊球面向下将芯片放置到基底金属着陆点上。采用回流焊工艺熔化焊料并形成焊点。图1所示为回流焊工艺。

图 1：安装到印刷电路板上的Atmel WLCSP

芯片通过焊料固定到基底上。在该工艺中，可选择增加绝缘底部填充胶（图中未显示），以使焊点更可靠。

集成选项

设计团队可利用WLCSP零件自行设计整个子系统，或选择由第三方设计并集成了两个或三个功能的解决方案。这种决定主要依据三个条件：可用的系统封装尺寸、能量要求和应用的独特性。

既然先进的物联网设计可能包含MCU和通信能力，那么使用第三方产品的优势是，产品已获得负责管理技术标准的贸易集团的预先认证。将MCU和通信功能置于同一芯片内核时，无线MCU已成为大众化选择。
例如，
Nordic Semiconductor的nRF51822在单一封装中集成了MCU和低功耗蓝牙基带功能。该芯片已获得Bluetooth SIG预先认证。在本例中，该器件所用MCU为32 位ARM Cortex-M0。该器件包括一个10位ADC和多个串行接口，以使传感器集成更容易，以及一个128位AES协处理器，用于在必要时保证数据连接的安全。

芯片级MCU可进一步发挥这一概念作用且特别有用的一个应用是活动监视器，它能嵌入到头戴式耳机耳塞中进行心率检测。耳机通常用来边运动边听音乐，因此为耳塞中已有的蓝牙功能添加传感器和MCU是一种很合理的功能扩展。象LG心率监控耳机等产品已接近了这一概念，但这些产品没有把全部功能置于耳塞中。

在多芯片模块中集成传感器仍是一个难题，因为传感器通常无法象逻辑芯片那样缩放。令人感到有些吃惊的是，最适合用来添加传感器功能的产品竟然是采用半导体工艺制造的LED。简单地说，这一概念就是LED收发器能够感测液流（如一个脉博）随时间的变化。在光学式心率脉冲仪中，直接照射到人体皮肤上的光线要么被反射回光传感器，要么被血细胞吸收。在具体的测量点上，这种光线被反射还是吸收，取决于当时的脉搏状态。光传感器的连续读数功能可提供准确到令人称奇的心跳脉冲读数。

在耳塞中集成心率监测功能是一种可能需要强大计算引擎的应用。所有这一切都取决于将LED数据转换为有意义的脉搏信息的算法。

Texas Instruments的SimpleLink无线MCU支持一系列无线技术，包括基于各种标准的 6LoWPAN、低功耗蓝牙、Wi-Fi 和ZigBee以及专有的次GHz频段和专有的 2.4 GHz 频段。CC3200 系列将TI的入门功能集成到该芯片系列中，而且这些芯片已集成了ARM Cortex-M4、Wi-Fi收发器和基带功能。TI已将CC3200-LAUNCHXL开发套件设计成该解决方案的入门工具。

无线MCU的一个重要分支采用专有的次GHz收发器，TI的SimpleLink产品中就包括这些器件。

例如工作在490MHz、868MHz 和 915MHz频段的Silicon Labs Si106x/Si108x无线MCU。该公司的Si1060和Si1062无线MCU开发套件为设计人员提供了一个熟悉这些产品的切入点。

使用WLCSP进行设计

设计团队可以使用WLCSP零件自行设计整个系统。相比采用第三方解决方案，这种方法明显需要更多设计工作，并且有可能增加标准认证费用，延长设计周期。这种情况会特别适用于能将物料成本控制到尽可能低的大规模生产。在另一些情形下，设计团队也可能因为没有非常合适的第三方解决方案而必须从零开始。

正确选择合作厂家是从头设计的挑战。WLCSP芯片基本上是一个硅片，很容易碎裂。而且，还需考虑其它注意事项。鉴于这种芯片没有采用塑料封装，因此硅片会发生光敏效应，在与物联网应用中的典型超低功耗器件配合使用时尤其如此。这种光效应属于器件物理反应。

光线照射到器件上会产生足以干扰芯片正常工作的能量。在芯片上镀一层不透明材料可解决该问题。有经验的合作厂家能够识别出设计人员不易察觉的潜在问题，光敏性问题即是一例。

许多在采用传统封装时遇到的设计问题，在采用WLCSP时变得更为重要。提供能量源可能是重中之重。即便是纽扣电池，其体积也明显大于基于WLCSP设备的系统，因此通常不是最佳的电源选择。

能量收集可能会用在某些应用中，不过，即使是光伏太阳能收集器的功率密度也只有100 mW/cm²。超低功耗MCU和收发器正让能量收集成为可能。图 2 展示了能量收集传感器节点的组成。请注意，通常是需要进行一些能量存储的，因为应用可能有一个活动密集期，而在大部分时间里则保持睡眠模式。电容器组最有可能用来存储能量。

图 2：能量收集传感器节点。

MCU和收发器值得我们重点了解一下。能量收集应用的各种要求能非常完美地契合了简单的、专有的次GHz无线解决方案。待机和发射模式下的能量消耗是收发器的两个重要参数。

实现此类功能的理想候选器件是基于ARM Cortex-M4F 内核的MCU，该器件具备一系列专门的DSP功能，且相比非DSP支持型MCU，能在更少的时钟周期内完成信号处理。

对比M3，M4F内核集成了FPU硬件协助引擎和DSP扩展指令集。所以，这种内核满负荷工作时需要更多电能。M3必须在软件中执行算法，也即其激活状态持续时间要长于M4F。对许多用于传感器数据处理的算法来说，M4F内核的能耗较少。

确定WLCSP零件

对于从零开始构建的WLCSP解决方案，MCU的选择余地较大。在 32 位 MCU 设计领域，Atmel Corp. 提供时钟速度分别为 48 MHz 和 120 MHz 的 SAM4L 和 SAM4S 系列。这两个系列均基于 ARM Cortex-M4 内核。ATSAM4LS4BA-UUR 是一个典型零件，具有 256 KB 闪存、I²C、IrDA、LIN、SPI、UART 和 USB 连接功能以及丰富的外设。

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

NXP Semiconductors 的 WLCSP MCU 则基于 ARM Cortex-M3 内核。LPC1768UKJ 的工作时钟为 100 MHz，带有 512 KB 闪存。该器件提供 CAN、以太网、I²C、IrDA、Microwire、SPI、SSI、UART/USART、USB OTG 连接方式以及多种外设。

Silicon Labs 提供至少采用两个 ARM 内核的 WLCSP 器件。EFM32LG360F128G-E-CSP81 采用 Cortex-M3 内核，工作频率为 48 MHz，闪存为 128 KB（提供 64 KB 和 512 KB 闪存版）。连接功能可选择 UART/SPI/SmartCard、IrDA、I²C、支持主机和 OTG 的 USB 以及 USB 2.0。

EFM32WG360F64G-A-CSP81 采用 ARM Cortex-M4 内核，工作频率为 48 MHz，闪存为 64 KB（并提供 128 KB 和 256 KB 闪存版）。该器件提供类似通讯接口选择，还提供 DSP 指令支持和浮点单元，用于执行计算密集型算法。该器件的模拟外设也令人眼前一亮，包括一个每秒 1 兆次采样速度的 12 位 ADC、一个片上温度传感器、一个每秒 50 万次采样速度的 12 位 DAC 以及具有 16 个输入的容性感测功能。

结语

随着连接互联网的可穿戴设备的定义的不断演化，集成了MCU、传感器和通信功能的系统体积注定将缩小。MCU制造商正用其WLCSP器件让这一趋势成为现实，这些器件可以集成到体积比MCU本身还小且采用传统塑料封装的模块中。但是，这种系统集成度仍面临各种严峻挑战，包括能量源和传感器体积，且减小传感器体积的难度远超半导体逻辑器件。创新的工程师们不断提出各种采用新型感测选项、能量收集技术的解决方案。然而，在超小型可穿戴设备以及植入式和吸收式系统进入产品主流之前，仍有很大的创新空间。