我的第一部手機(jī)是一部亮粉色的翻蓋手機(jī)。盡管它只能撥打電話，但仍是一項令人興奮的技術(shù)。如今，雖然這份興奮之情仍在，但我已經(jīng)開始期待每部新手機(jī)都具有更強(qiáng)大的功能組合：更高分辨率的屏幕、更長的電池壽命、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(shù)。大多數(shù)消費(fèi)者都期望他們的手機(jī)、耳機(jī)、智能手表甚至吹風(fēng)機(jī)的尺寸和功能不斷進(jìn)步。如果成本、尺寸或功能沒有改進(jìn)，大多數(shù)消費(fèi)者就不太可能購置已擁有產(chǎn)品的升級款。

縮小體積，增強(qiáng)功能的趨勢也影響了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員，他們專注于提高系統(tǒng)功能和性能，同時降低整體系統(tǒng)尺寸和成本。

為了幫助嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員，包括 TI 在內(nèi)的半導(dǎo)體制造商正在開發(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，以延長使用壽命。在封裝內(nèi)部，這些器件的設(shè)計也在不斷發(fā)展，集成了大量模擬元件以擴(kuò)展功能，同時減少對分立式元件的需求。

在本文中，我將探討封裝和模擬元件集成如何在不影響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(dǎo)體領(lǐng)域少數(shù)肉眼可見的改進(jìn)之一。為了幫助減小封裝尺寸，半導(dǎo)體制造商將傳統(tǒng)引線選項改為先進(jìn)的封裝選項，以此去除不必要的塑料外殼和引線。這些封裝選項的尺寸與芯片尺寸直接相關(guān)，可以減少實現(xiàn)預(yù)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：

• 四方扁平無引線封裝 (QFN)QFN 封裝不使用傳統(tǒng)的引線，而是由塑料外殼邊緣周圍的扁平觸點(diǎn)和底部的裸露導(dǎo)熱墊組成，以提高導(dǎo)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 圖 2）。這一封裝在 1.38mm2 的空間內(nèi)裝入了 8 個焊球，使每平方毫米區(qū)域集成更多功能。此外、MSPM0C1104 還采用比同類競爭器件小 38% 的 WCSP 封裝，使其成為世界上最小的 MCU。

  

  圖 2 MSPM0C1104 八球 WCSP 封裝圖紙（標(biāo)稱值為 1.50 x 0.86mm，厚度為 0.35mm）

集成

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

在推動小型化的過程中，集成模擬和數(shù)字外設(shè)的 MCU 和處理器將發(fā)揮重要作用。以脈動式血氧計為例。與 圖 3 所示的離散設(shè)計方法相比，將模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、比較器和電壓基準(zhǔn)集成到 MCU 中可以減少所需元件的數(shù)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式血氧計設(shè)計

圖 4 采用集成元件的脈動式血氧計設(shè)計

選擇在 MCU 中集成哪些功能需要做出一些權(quán)衡。功能集成可以減少設(shè)計中的元件數(shù)量，但包含不必要的功能可能會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(shè)與裸片尺寸和器件成本直接相關(guān)。未利用的功能可能會浪費(fèi)空間和金錢，并降低空間受限設(shè)計的效率。了解市場的真實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 和三個計時器。通過使用 MSPM0C1104 等器件來優(yōu)化每平方毫米的功能數(shù)量，工程師可以在設(shè)計中提升空間利用效率。

圖 5 顯示 WCSP 中的單個 MSPM0C1104 與無線耳機(jī)的尺寸對比情況。

圖 5 MSPM0C1104 與無線耳機(jī)之間的尺寸對比

隨著物理集成電路變得越來越小，設(shè)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(shè)計時，有兩種類型的 PCB 焊盤圖案十分有用：阻焊層限定 (SMD) 和非阻焊層限定 (NSMD)，如 圖 6 所示。SMD 類型包含與基板重疊的較大銅焊盤，而 NSMD 類型包含較小且更具精度的銅焊盤。NSMD 類型焊盤可在芯片級封裝中提供更高的均勻覆蓋能力、更好的布線性能和更低的應(yīng)力。

圖 6 NSMD 和 SMD PCB 焊盤圖案

元件放置和處理可能也并非易事。對于半導(dǎo)體和產(chǎn)品制造商而言，制造過程中使用的拾取和放置機(jī)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(jī)器中的視覺系統(tǒng)可以定位封裝輪廓或單個凸點(diǎn)。焊錫凸點(diǎn)幾何形狀可實現(xiàn) PCB 焊盤的自定心和校正。隨著電氣元件尺寸的減小，制造機(jī)械也在不斷發(fā)展以適應(yīng)變化。

結(jié)語

創(chuàng)新是一個循環(huán)的過程。消費(fèi)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(shè)計以平衡利益沖突。半導(dǎo)體行業(yè)正在不斷發(fā)展，以優(yōu)化封裝和功能選項。在當(dāng)前一代產(chǎn)品上市后，團(tuán)隊就會開會來集思廣益，以尋找下一個最佳產(chǎn)品，然后這個重復(fù)這一循環(huán)。

TI 在半導(dǎo)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(shè)計產(chǎn)品提供更多選擇和可能性。