早期的翻蓋手機(jī)功能雖然簡(jiǎn)單，僅能實(shí)現(xiàn)撥打電話，但在當(dāng)時(shí)已然代表了一項(xiàng)重要的技術(shù)突破。如今，這種對(duì)技術(shù)的期待并未消退，反而愈發(fā)強(qiáng)烈——人們期待手機(jī)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)。無論是手機(jī)、耳機(jī)、智能手表，還是日常家電如吹風(fēng)機(jī)，消費(fèi)者都期望它們?cè)诠δ芎统叽缟喜粩鄡?yōu)化。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(jí)款。

縮小體積，增強(qiáng)功能的趨勢(shì)也影響了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，他們專注于提高系統(tǒng)功能和性能，同時(shí)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(jì)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?yàn)楦嘣透箅姵靥峁└嗫臻g，以延長使用壽命。在封裝內(nèi)部，這些器件的設(shè)計(jì)也在不斷發(fā)展，集成了大量模擬元件以擴(kuò)展功能，同時(shí)減少對(duì)分立式元件的需求。

本文將探討封裝和模擬元件集成如何在保障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(duì)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(xiàng)改為先進(jìn)的封裝選項(xiàng)，以此去除不必要的塑料外殼和引線。這些封裝選項(xiàng)的尺寸與芯片尺寸直接相關(guān)，可以減少實(shí)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(jí)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(qǐng)參見圖 2）。這一封裝在 1.38mm2 的空間內(nèi)裝入了 8 個(gè)焊球，使每平方毫米區(qū)域集成更多功能。此外、MSPM0C1104 還采用比同類器件小 38% 的 WCSP 封裝，使其成為全球超小型 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(gè)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(gè)芯片相比，它們會(huì)占用更多的電路板空間。

在推動(dòng)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(dòng)式血氧計(jì)為例。與 圖 3 所示的離散設(shè)計(jì)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(dòng)式血氧計(jì)設(shè)計(jì)

圖 4 采用集成元件的脈動(dòng)式血氧計(jì)設(shè)計(jì)

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(jì)中的元件數(shù)量，但包含不必要的功能可能會(huì)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(huì)浪費(fèi)空間和金錢，并降低空間受限設(shè)計(jì)的效率。了解市場(chǎng)的真實(shí)需求可打造出具有成本和尺寸優(yōu)勢(shì)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(chǔ)器，具有三通道的 12 位 ADC 和三個(gè)計(jì)時(shí)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(jì)中提升空間利用效率。

圖 5 MSPM0C1104 與無線耳機(jī)之間的尺寸對(duì)比

隨著物理集成電路變得越來越小，設(shè)計(jì)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(jí)封裝進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，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(jí)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(duì)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(xiǎn)。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(gè)凸點(diǎn)。焊錫凸點(diǎn)幾何形狀可實(shí)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(gè)循環(huán)的過程。消費(fèi)者一直期待功能豐富的輕量級(jí)產(chǎn)品。工程師們正在進(jìn)行設(shè)計(jì)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(xiàng)。在當(dāng)前一代產(chǎn)品上市后，團(tuán)隊(duì)就會(huì)開會(huì)來集思廣益，以尋找下一個(gè)最佳產(chǎn)品，然后這個(gè)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(jì)產(chǎn)品提供更多選擇和可能性。