由于MCU缩小,物联网应用范围的扩大

发布时间 2017-11-14 11:19:00

国际即时新闻(原文:英文。中英自动翻译,供参考)

晶圆级芯片尺寸分装(WLCSP)技术,新一代的传感器,和DSP功能的组合将打开膨胀领域MCU应用中的观光噪比(IoT)因特网。最经常提到的应用空间在于可穿戴设备。其他设计机会存在哪里遥感节点是必需的,如家庭自动化系统,流量计,和条形码扫描仪。芯片级封装也使植入,甚至可摄取的医疗监控设备任重道远。在一些应用中,它可以为信号分析驻留靠近传感器是重要的。此应用程序的空间特别沃土32位,DSP配备的MCU。集成了芯片级的MCU与传感器,无线通信芯片,以及能源模块将使设计人员开发小型的,独立的系统更大的灵活性。它也允许他们选择更小,更先进的传感器,仍然满足高性能应用。

WLCSP基础知识

从纯粹的电气设计的角度来看,使用的MCU与芯片级包装不出现显著的挑战,只要设计人员使用的PCB布局工具,可以处理WLCSP的物理特性。规格而有所不同厂家生产的,但相当的销节距(WLCSPs使用焊锡球)是0.44毫米,迹宽度是约100微米,焊接掩模厚度为约25μm。除了它们的更小的空间和高度相比塑料封装,WLCSPs提供其它优点,包括管芯和所述印刷电路板,高的热传导特性,和一个短的制造周期时间之间低电感。传统封装的引脚通过焊球(凸点)被安排在有一个隆起物与凸块间距,它与国家的最先进的电路板装配流程兼容阵列取代。到安装在印刷电路板衬底上的WLCSP模具,模具被置于凸点侧朝下放在基底金属的着陆点。甲焊料回流工艺来熔化焊料形成一个接头。图1示出了这个过程。

图1:WLCSP安装在一个印刷电路板上。 (爱特梅尔公司提供)的管芯附着到衬底的焊料。添加的绝缘底层填充是在将提高接头的可靠性未图示的选项。

集成选项

设计团队可能承担使用WLCSP份来设计整个子系统本身或者它们可以选择由第三方集成两个或更多的功能设计的溶液。决定主要取决于三个标准:可用的系统足迹,能量需求,并且该应用程序的唯一性。由于领先的物联网设计可能包括微控制器和通信能力,使用第三方产品由管理标准的行业组织已经预认证的优势。无线微控制器已成为在同一芯片上把MCU和通信功能的热门选择。 Nordic半导体公司nRF51822,例如,提供了在单一封装的MCU和蓝牙低能量的基带功能。该芯片预认证由Bluetooth SIG。在这种情况下,在MCU部是一个32位的ARM Cortex-M0。 10位ADC和几个串行接口被包括以使集成有传感器更容易,和一个128位AES的协处理器是有需要的时候,以提供安全的数据连接。一个应用程序,其中晶片级微控制器可以采取这一概念的步骤进一步-和特别有用-是一种活动监测器,其感测嵌入在头戴式耳机的耳塞心脏速率。由于典型的用例的耳机包括听音乐边运动,这是一个合乎逻辑的延伸到传感器和MCU增加蓝牙功能,已经在耳塞。产品,如LG心率监测器耳机正在接近这个概念,但他们并不适合所有的功能整合到一个耳塞。传感器集成到多芯片模块仍然是一个挑战,因为传感器通常不相同的方式,逻辑芯片做缩放。添加传感器能力的主要候选人是,有些令人惊讶的发光二极管,其制造与半导体工艺。简单地说,这个概念是,一个LED收发器可感测的变化的流体流动(即脉冲)以上的时间。在光心脏拍脉冲传感器,光引导到皮肤或者反弹回的光传感器,或者是由血细胞吸收。是否它被反射或吸收,在一个特定的测量点取决于脉搏跳动的状态。连续的光传感器读数可以提供令人惊讶的准确的心脏搏动脉冲读取。积分心脏速率监测到一个耳塞是很可能需要强大的计算引擎的应用程序。这一切都取决于所使用的LED数据解读成左右脉搏有意义的信息的算法。德州仪器SimpleLink无线微控制器支持各种无线技术,包括基于标准的6LoWPAN,蓝牙低功耗,Wi-Fi无线,和ZigBee的,以及专有的sub-GHz和专有2.4 GHz的。该CC3200系列集成了TI的门户网站到芯片系列集成了ARM Cortex-M4与Wi-Fi收发器和基带功能。 TI取得了CC3200-LAUNCHXL开发套件门户网站到该解决方案。无线MCU的一个重要的子类别使用专有,亚GHz收发器,其包括在TI的SimpleLink产品供应。一个例子是,在490 MHz频段操作Silicon Labs的Si106x / Si108x无线微控制器,868MHz频带,以及915MHz的频带。该公司的Si1060和Si1062无线MCU开发套件提供了一个切入点,设计人员使用这些产品的熟悉。

与WLCSP设计

设计团队可承接采用WLCSP部分来设计整个系统本身。这条路线显然需要比使用第三方解决方案的详细设计和潜在增加了标准认证成本和设计周期。这可能是值得做的特别是在其中的材料成本保持尽可能低的大批量产品。在其他情况下,设计团队必须从头开始工作,因为没有第三方的解决方案提供了一个不错的选择。从地面设计的挑战了涉及选择合适的合同制造商。 WLCSP芯片更细腻,因为它们基本上都是一块硅片上。但是,也有其他的考虑,以及。由于芯片的塑料都不会装,硅对光线的敏感度可能会发挥作用,特别是与超低功耗的设备,这将是典型的物联网应用。光的影响发生在器件物理级别。光照耀在设备上可以提供足够的能量以引起在芯片的行为扰动。这个问题可以通过在芯片上沉积的不透明材料来解决。感光度是一位经验丰富的合同制造商如何识别可能不是很明显设计师潜在问题的一个例子。许多与传统封装中遇到的设计问题变得与WLCSP更重要。提供的能量源可能是最重要的。相比于基于WLCSP设备系统,但它仍然是通常是最好的选择,即使是一粒纽扣电池大。能量收集可以是可能性对于一些应用,但即使是光伏太阳能砍伐仅提供100毫瓦/平方厘米。超低功耗微控制器和收发器开始进行收割的场景一个现实的可能性。图2示出了能量采集传感器节点的部件。注意,一些能量存储通常需要的,因为应用程序是可能有活性尖峰以大多数时间处于睡眠模式花费。电容器组是能量的最有可能的形式。

图2:能源采集传感器节点。 (Silicon Labs公司提供)的微控制器和收发器都值得细看。一种能量采集应用的需求很好地适应一个简单的,专有的sub-GHz无线解决方案。对于收发器两个显著参数在待机模式和在发射模式的能量消耗。对于这样一个实现的理想人选是建立在ARM的Cortex-M4F内核,它有一系列的专用DSP功能使信号处理是许多更少的时钟周期比在非DSP功能的MCU实现了MCU。相比于M3的M4F内核集成的FPU硬件辅助引擎和DSP扩展指令集。当在全油门操作因此,它会消耗更多的能量。 M3的必须执行算法以软件,这意味着它处于活动模式长于M4F。对于用于处理传感器数据的许多算法,M4F芯消耗更少的能量。

定位WLCSP件

可用于那些从头开始建立WLCSP封装解决方案有许多MCU的选择。在32位MCU的设计空间,Atmel公司提供了SAM4L和SAM4S家庭48 MHz和120 MHz的时钟速度。这两个系列都是基于ARM的Cortex-M4内核。一个典型的一部分,ATSAM4LS4BA-UUR,提供256 KB的闪存,I2C,红外,LIN,SPI,UART和USB连接和各种外设。飞思卡尔半导体在其的Kinetis系列的一系列WLCSP的MCU。的MKL02Z32CAF4R,例如,运行在48兆赫。接口包括I2C,SPI和UART / USART。恩智浦半导体基于其WLCSP微控制器ARM的Cortex-M3内核。该LPC1768UKJ运行在100 MHz的时钟,具有512 KB的闪存。它提供了CAN,以太网,I2C,红外,微丝,SPI,SSI,UART / USART,USB OTG连接,以及各种外设。 Silicon Labs还提供基于至少两个ARM核心WLCSP设备。 EFM32LG360F128G-E-CSP81是基于运行在运行在48 MHz和具有128 KB的闪存(64 KB和512 KB的版本都可以)的Cortex-M3内核。连接选项包括UART / SPI /智能卡,红外,I2C,USB与主机和OTG支持,以及USB 2.0。该EFM32WG360F64G-A-CSP81是基于运行在运行在48 MHz和具有64 KB的闪存ARM的Cortex-M4内核(128 KB和256 KB版本可供选择)。它有一个类似的选择的通信接口,还提供了DSP指令支持和浮点单元来执行计算密集型算法。其模拟外设也很有趣,包括一个12位的1兆采样/秒ADC,一个片上温度传感器,12位500 ksamples / s的DAC和电容式感应多达16个输入。

结论

由于采用了耐磨,互联网连接的设备演变的定义,集成了微控制器,传感器系统和通讯的大小是注定要缩水。单片机制造商正在使这种趋势与可以集成到模块比MCU本身将是一个传统的塑料封装小WLCSP设备。有向系统集成度显著的挑战,但是,包括能量源和传感器的尺寸,这是比较困难的收缩比半导体逻辑。创新的工程师在所有学科都想出解决方案,包括新的检测选项和能量收集技术。还有很多的创新空间,但是,在超小身打扮,以及植入和可摄取的,系统进入产品的主流。