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

　　其它設計應用機會也存在，只要有遠程感測節(jié)點需要就有可能，如家庭自動化系統(tǒng)、流量計、條形碼掃描儀等應用。此外，芯片級封裝已讓可植入式或者甚至是可吸收式醫(yī)療監(jiān)視設備進入人們的視野。

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

　　WLCSP 基礎知識

　　單從電氣設計角度講，設計人員只要使用能夠處理 WLSCP 物理特性的 PCB 布局工具，在使用采用芯片級封裝的 MCU 時就不會遇到太大困難。雖然各個制造商的規(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，包括芯片和電路板之間電感更小、高導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，應使焊球面向下將芯片放置到基底金屬著陸點上。采用回流焊工藝熔化焊料并形成焊點。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），以使焊點更可靠。

　　集成選項

　　設計團隊可利用 WLCSP 零件自行設計整個子系統(tǒng)，或選擇由第三方設計并集成了兩個或三個功能的解決方案。這種決定主要依據(jù)三個條件：可用的系統(tǒng)封裝尺寸、能量要求和應用的獨特性。

　　既然先進的物聯(lián)網(wǎng)設計可能包含 MCU 和通信能力，那么使用第三方產(chǎn)品的優(yōu)勢是，產(chǎn)品已獲得負責管理技術標準的貿(mào)易集團的預先認證。將 MCU 和通信功能置于同一芯片內(nèi)核時，無線 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 和低功耗藍牙基帶功能。該芯片已獲得 Bluetooth SIG 預先認證。在本例中，該器件所用 MCU 為 32 位 ARM Cortex-M0。該器件包括一個 10 位 ADC 和多個串行接口，以使傳感器集成更容易，以及一個 128 位 AES 協(xié)處理器，用于在必要時保證數(shù)據(jù)連接的安全。

　　芯片級 MCU 可進一步發(fā)揮這一概念作用且特別有用的一個應用是活動監(jiān)視器，它能嵌入到頭戴式耳機耳塞中進行心率檢測。耳機通常用來邊運動邊聽音樂，因此為耳塞中已有的藍牙功能添加傳感器和 MCU 是一種很合理的功能擴展。象 LG 心率監(jiān)控耳機等產(chǎn)品已接近了這一概念，但這些產(chǎn)品沒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難題，因為傳感器通常無法象邏輯芯片那樣縮放。令人感到有些吃驚的是，最適合用來添加傳感器功能的產(chǎn)品竟然是采用半導體工藝制造的 LED。簡單地說，這一概念就是 LED 收發(fā)器能夠感測液流（如一個脈博）隨時間的變化。在光學式心率脈沖儀中，直接照射到人體皮膚上的光線要么被反射回光傳感器，要么被血細胞吸收。在具體的測量點上，這種光線被反射還是吸收，取決于當時的脈搏狀態(tài)。光傳感器的連續(xù)讀數(shù)功能可提供準確到令人稱奇的心跳脈沖讀數(shù)。

　　在耳塞中集成心率監(jiān)測功能是一種可能需要強大計算引擎的應用。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 無線 MCU 支持一系列無線技術，包括基于各種標準的 6LoWPAN、低功耗藍牙、Wi-Fi 和 ZigBee 以及專有的次 GHz 頻段和專有的 2.4 GHz 頻段。CC3200 系列將 TI 的入門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 開發(fā)套件設計成該解決方案的入門工具。

　　無線 MCU 的一個重要分支采用專有的次 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 無線 MCU。該公司的 Si1060 和 Si1062 無線 MCU 開發(fā)套件為設計人員提供了一個熟悉這些產(chǎn)品的切入點。

　　使用 WLCSP 進行設計

　　設計團隊可以使用 WLCSP 零件自行設計整個系統(tǒng)。相比采用第三方解決方案，這種方法明顯需要更多設計工作，并且有可能增加標準認證費用，延長設計周期。這種情況會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，設計團隊也可能因為沒有非常合適的第三方解決方案而必須從零開始。

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

　　光線照射到器件上會產(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題。有經(jīng)驗的合作廠家能夠識別出設計人員不易察覺的潛在問題，光敏性問題即是一例。

　　許多在采用傳統(tǒng)封裝時遇到的設計問題，在采用 WLCSP 時變得更為重要。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。

　　能量收集可能會用在某些應用中，不過，即使是光伏太陽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)點的組成。請注意，通常是需要進行一些能量存儲的，因為應用可能有一個活動密集期，而在大部分時間里則保持睡眠模式。電容器組最有可能用來存儲能量。

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

　　MCU 和收發(fā)器值得我們重點了解一下。能量收集應用的各種要求能非常完美地契合了簡單的、專有的次 GHz 無線解決方案。待機和發(fā)射模式下的能量消耗是收發(fā)器的兩個重要參數(shù)。

　　實現(xiàn)此類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門的 DSP 功能，且相比非 DSP 支持型 MCU，能在更少的時鐘周期內(nèi)完成信號處理。

　　對比 M3，M4F 內(nèi)核集成了 FPU 硬件協(xié)助引擎和 DSP 擴展指令集。所以，這種內(nèi)核滿負荷工作時需要更多電能。M3 必須在軟件中執(zhí)行算法，也即其激活狀態(tài)持續(xù)時間要長于 M4F。對許多用于傳感器數(shù)據(jù)處理的算法來說，M4F 內(nèi)核的能耗較少。

　　確定 WLCSP 零件

　　對于從零開始構建的 WLCSP 解決方案，MCU 的選擇余地較大。在 32 位 MCU 設計領域，Atmel Corp. 提供時鐘速度分別為 48 MHz 和 120 MHz 的 SAM4L 和 SAM4S 系列。這兩個系列均基于 ARM Cortex-M4 內(nèi)核。ATSAM4LS4BA-UUR 是一個典型零件，具有 256 KB 閃存、I2C、IrDA、LIN、SPI、UART 和 USB 連接功能以及豐富的外設。

　　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。

　　Silicon Labs 提供至少采用兩個 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）。該器件提供類似通訊接口選擇，還提供 DSP 指令支持和浮點單元，用于執(zhí)行計算密集型算法。該器件的模擬外設也令人眼前一亮，包括一個每秒 1 兆次采樣速度的 12 位 ADC、一個片上溫度傳感器、一個每秒 50 萬次采樣速度的 12 位 DAC 以及具有 16 個輸入的容性感測功能。

　　結語

　　隨著連接互聯(lián)網(wǎng)的可穿戴設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 器件讓這一趨勢成為現(xiàn)實，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超半導體邏輯器件。創(chuàng)新的工程師們不斷提出各種采用新型感測選項、能量收集技術的解決方案。然而，在超小型可穿戴設備以及植入式和吸收式系統(tǒng)進入產(chǎn)品主流之前，仍有很大的創(chuàng)新空間。