Renesas Electronics Corporation
Avtor: Graeme Clark, glavni inženir, Renesas Electronics
Pri razvoju naslednje generacije inteligentnih izdelkov moramo nenehno upoštevati širok spekter zahtev uporabnikov. Uporabniki nenehno zahtevajo nove izdelke, ki lahko izvajajo bolj zapletene aplikacije, imajo več funkcij, porabijo manj energije, so fizično manjši in hkrati cenejši od prejšnje generacije.
Te zahteve so privedle do uporabe naprednejših možnosti kompaktnih ohišij najnovejših mikrokontrolerjev, ki podpirajo te zahteve.
Zaradi zahteve po zmogljivosti z zmanjšano porabo energije je Renesas razvil novo družino mikrokontrolerjev RA4L1. Zmogljiv procesor Cortex® M33 s 512 KB dvojnega Flash pomnilnika in široko paleto zmogljivih perifernih funkcij je zasnovan tako, da zagotavlja mikrokontrolersko rešitev v enem čipu za številne potrošniške in industrijske aplikacije. Blok diagram RA4L1 je prikazan na sliki 1. Da bi podprli nenehno prizadevanje za miniaturizacijo, so ti mikrokontrolerji na voljo v različnih kompaktnih ohišjih, vključno z ohišji LQFP (low profile quad flat pack), QFN (quad flat no-lead), BGA (two ball grid array) in WLCSP (wafer level chip scale package).
V tem članku bomo pogledali lastnosti in prednosti uporabe BGA ohišja, ki jih prinaša tipični mikroprocesorski aplikaciji, ter nekatere odločitve glede zasnove, ki jih moramo upoštevati, da se odločimo, ali je BGA dobra rešitev za našo aplikacijo.
RA4L1 je na voljo v 3 kompaktnih ohišjih, 100-kroglic, 7 mm2 odprtem BGA ohišju in 64-kroglic, 5,5 mm2 BGA ohišju, oba z razmakom 0,5 mm, ter 72-kroglic, 3,64 x 4,28 mm WLCSP ohišju z razmakom 0,4 mm. Te projektantom ponujajo prednosti fizično kompaktnega ohišja z zelo gosto zmogljivostjo I/O in različnimi možnostmi razporeditve, odvisno od zahtev aplikacije. Podrobnosti o teh kompaktnih ohišjih si lahko ogledate na sliki 2.
WLCSP ohišje je v bistvu enake velikosti kot sam mikroprocesor, možnost ohišja na ravni rezine pa omogoča najmanjšo možno velikost ohišja za napravo. WLCSP je običajno tudi zelo tanek, zato je lahko uporaben v aplikacijah, kjer je višina ključnega pomena, in nazadnje pogosto uporablja zelo fin razmak, da se maksimira število kroglic in število razpoložljivih I/O priključkov v ohišju. WLCSP ohišje zahteva strožja pravila načrtovanja, tako v smislu razporeditve po TIV, kot tudi materiala za TIV, pa tudi strožje zahteve za opremo, potrebno za proizvodnjo izdelkov, ki uporabljajo ta tip ohišja.
Diagram na sliki 3 primerja notranjo zasnovo tipičnega BGA ohišja in tipičnega LQFP ohišja. Tukaj lahko vidite eno od prednosti uporabe BGA ohišja. Znotraj BGA ohišja je rezina nameščena na majhnem substratu, kar pomeni, da je v BGA mogoče upravljati z nekaterimi dodatnimi notranjimi povezavami, tako da so uporabniku pogosto na voljo dodatni I/O priključki za isto število kroglic. To je mogoče videti v BGA64 ohišju mikrokontrolerja RA4L1, ki ima na voljo več I/O priključkov kot različica LQFP.
BGA ohišja ponujajo več prednosti v primerjavi s tradicionalnimi ohišji za površinsko montažo.
BGA ohišja s svojo mrežo kroglic ponavadi ponujajo višjo gostoto vhodov/izhodov kot drugi tipi ohišij. Tipično 100-pin LQFP ohišje s podobnim številom vhodov/izhodov bi bilo ponavadi velikosti 10 x 10 mm2, kar bi za namestitev zahtevalo več kot dvakrat večjo površino tiskanega vezja.
Ena od največjih prednosti BGA ohišja je njegova kompaktna velikost, ki zavzema veliko manj prostora na tiskanem vezju kot tradicionalne možnosti ohišja.
BGA ohišja so bolj robustna od tradicionalnih ohišij, kot so QFP, ker spajkalne kroglice enakomerneje porazdelijo mehansko obremenitev po celotnem ohišju. To lahko zmanjša vpliv vibracij in udarcev na ohišje, zaradi česar so BGA ohišja primerna izbira za številne aplikacije, kjer lahko pride do takšnih obremenitev.
BGA ohišja imajo običajno krajše električne povezave med čipom in kroglicami ohišja, kar zmanjša zakasnitve signala in izboljša visokofrekvenčne lastnosti. To je lahko še posebej pomembno, kadar je zasnova občutljiva na električno okolje.
Zaradi velike površine spajkalnih kroglic, ki se uporabljajo v BGA ohišju, ima ohišje boljše odvajanje toplote kot tradicionalna ohišja.
Preden se odločimo za uporabo BGA ohišja, moramo upoštevati tudi slabosti uporabe BGA ohišij:
Nezadostna prožnost spajkalne kroglice.
Proizvodni proces za BGA-je je lahko dražji, saj pogosto zahteva dodatno opremo, število obratov, ki so sposobni proizvajati BGA ohišja, pa je lahko omejeno, čeprav se njihovo število povečuje.
Testiranje in pregledovanje spajkanih spojev BGA-ohišij je težko in lahko zahteva drago opremo, kot so rentgenski aparati, ali posebno pozornost pri oblikovanju testnih postopkov, da se zagotovi pravilno spajkanje čipa.
Uporaba BGA ohišij lahko oteži izdelavo prototipov, saj za izdelavo prototipa potrebujejo celotno proizvodno linijo, spremembe pa pogosto niso tako enostavne kot pri tradicionalnih ohišjih.
100 Ball BGA Open Array je zasnovan tako, da ponuja vse prednosti tradicionalnega BGA ohišja, vendar z odprto matriko, ki je lažje usmeriti kot zasnova, ki uporablja BGA ohišje s polno mrežo. To omogoča uporabniku, da uporabi cenejša 2- ali 4-slojna tiskana vezja namesto 6- ali 8-slojnih tiskanih vezij, ki so običajno potrebna za popolno usmerjanje 100-krogličnega BGA ohišja. Ta možnost odprtega niza naredi to različico RA4L1 idealno za aplikacije, ki zahtevajo majhne velikosti ohišij, vendar so tudi izredno občutljive na ceno, kot so potrošniške aplikacije, na primer digitalni fotoaparati, tiskalniki in usmerjevalniki.
Naslednji diagram (slika 4) prikazuje primer razporeditve tiskanega vezja z uporabo Open Array BGA. Tukaj lahko vidite glavno prednost tega ohišja, ki kljub visoki gostoti razpoložljivih vhodov/izhodov s 100 kroglicami na ohišju velikosti 7 x 7 mm2 ponuja odprto mrežo ali razporeditev brez kroglic, kjer so v mreži prostori, ki omogočajo enostavno usmerjanje naprave na cenejših tiskanih vezjih.
Na diagramu je prikazan del zasnove usmerjanja, ki prikazuje usmerjanje vodnikov zgornjega sloja tiskanega vezja v rdeči barvi ter vie in vodnike, potrebne na spodnjem sloju tiskanega vezja, v zeleni barvi. Kot je razvidno, vrzeli v nizu olajšujejo usmerjanje te zasnove, saj ima vsaka kroglica na ohišju dovolj prostora za usmerjanje brez posebne tehnologije ali uporabe mikrovij pod kroglicami.
Ta vrsta zasnove olajša usmerjanje TIV in omogoča uporabo cenejših materialov za TIV.
V tem članku smo poskušali pojasniti prednosti uporabe BGA ohišij pri projektiranju naprave z mikrokontrolerjem. Projektant mora upoštevati prednosti in slabosti uporabe ohišja, ne le v fazi projektiranja, ampak skozi celoten življenjski cikel izdelka, saj se naprava proizvaja in po potrebi predeluje. BGA ohišje lahko ponudi kompaktno rešitev, kadar je velikost pomembna, pri tem pa je treba ohraniti veliko število vhodov/izhodov.
RA4L1 združuje uporabo kompaktne tehnologije pakiranja z visoko zmogljivim jedrom Cortex M33 in zmogljivimi perifernimi napravami na čipu. Upamo, da je ta članek pojasnil nekaj o razponu razpoložljivih možnosti kompaktnega pakiranja in prednostih uporabe vsake od njih, zlasti 100-ball BGA Open Array ohišja.
Za več informacij o značilnostih RA4L1 in kompaktnih možnostih pakiranja, ki so na voljo za ta čip, vključno z možnostmi BGA in BGA Open Array ohišjem, obiščite spletno stran www.renesas.com/RA4L1. Na njej boste našli tudi koristno opombo o uporabi, v kateri so opisana priporočila za načrtovanje tiskanih vezij. Ta dokument je namenjen tistim, ki so bolj seznanjeni z LQFP ohišji in želijo izvedeti več o BGA ohišjih, da bi jih morda prvič uporabili. Ta dokument je na voljo na spletni strani Renesas na naslovu:
https://www.renesas.com/en/document/apn/board-design-guideline-bga-products?r=469286
