WLCSP和无线MCU组合的物联网设计

戴设备。

其它设计应用机会也存在，只要有远程感测节点需要就有可能，如家庭自动化系统、流量计、条形码扫描仪等应用。

此外，芯片级封装已让可植入式或者甚至是可吸收式医疗监视设备进入人们的视野。

在某些应用中，靠近传感器对于信号分析很重要。

该应用领域尤其为配备DSP 的32 位MCU 提供了用武之地。

将芯片级MCU 和传感器、无线通讯芯片、能量源全部集成到一个模块中，设计人员就能更加灵活自如地打造小型自足式系统。

此外，设计人员还可选择体积更小且不太复杂，但仍能满足高性能应用要求的传感器。

WLCSP 基础知识
单从电气设计角度讲，设计人员只要使用能够处理WLSCP 物理特性的 PCB 布局工具，在使用采用芯片级封装的MCU 时就不会遇到太大困难。

虽然各个制造商的规格不尽相同，但引脚间距都是0.44 mm（WLCSP 采用焊球）以及印制线宽约100 µm、阻焊层厚约25 µm。

除了占用面积和高度比塑料封装小外，WLCSP 还具有其它优势，包括芯片和电路板之间电感更小、高导热特性以及短制造周期。

用焊球（鼓包）替代传统封装引脚，同时焊球阵列的排列间距兼容最新的电路板装配工艺。

为在印刷电路板基底上安装WLCSP 芯片，应使焊球面向下将芯片放置到基底金属着陆点上。

采用回流焊工艺熔化焊料并形成焊点。

图 1 所示为回流焊工艺。

图1：安装到印刷电路板上的 Atmel WLCSP（感谢Atmel Corp 提供资料）
芯片通过焊料固定到基底上。

在该工艺中，可选择增加绝缘底部填充胶（图中未显示），以使焊点更可靠。

集成选项
设计团队可利用WLCSP 零件自行设计整个子系统，或选择由第三方设计并集成了两个或三个功能的解决方案。

这种决定主要依据三个条件：可用的系统封装尺寸、能量要求和应用的独特性。

既然先进的物联网设计可能包含MCU 和通信能力，那么使用第三方产品的优势是，产品已获得负责管理技术标准的贸易集团的预先认证。

将MCU 和通信功能置于同一芯片内核时，无线MCU 已成为大众化选择。

例如，
Nordic Semiconductor 的nRF51822 在单一封装中集成了MCU 和低功耗蓝牙基带功能。

该芯片已获得Bluetooth SIG 预先认证。

在本例中，该器件所用MCU 为32 位 ARM Cortex-M0。

该器件包括一个10 位 ADC 和多个串行接口，以使传感器集成更容易，以及一个128 位AES 协处理器，用于在必要时保证数据连接的安全。

芯片级MCU 可进一步发挥这一概念作用且特别有用的一个应用是活动监视器，它能嵌入到头戴式耳机耳塞中进行心率检测。

耳机通常用来边运动边听音乐，因此为耳塞中已有的蓝牙功能添加传感器和MCU 是一种很合理的功能扩
在另一些情形下，设计团队也可能因为没有非常合适的第三方解决方案而必须从零开始。

正确选择合作厂家是从头设计的挑战。

WLCSP 芯片基本上是一个硅片，很容易碎裂。

而且，还需考虑其它注意事项。

鉴于这种芯片没有采用塑料封装，因此硅片会发生光敏效应，在与物联网应用中的典型超低功耗器件配合使用时尤其如此。

这种光效应属于器件物理反应。

光线照射到器件上会产生足以干扰芯片正常工作的能量。

在芯片上镀一层不透明材料可解决该问题。

有经验的合作厂家能够识别出设计人员不易察觉的潜在问题，光敏性问题即是一例。

许多在采用传统封装时遇到的设计问题，在采用WLCSP 时变得更为重要。

提供能量源可能是重中之重。

即便是纽扣电池，其体积也明显大于基于WLCSP 设备的系统，因此通常不是最佳的电源选择。

能量收集可能会用在某些应用中，不过，即使是光伏太阳能收集器的功率密度也只有100 mW/cm²。

超低功耗MCU 和收发器正让能量收集成为可能。

图 2 展示了能量收集传感器节点的组成。

请注意，通常是需要进行一些能量存储的，因为应用可能有一个活动密集期，而在大部分时间里则保持睡眠模式。

电容器组最有可能用来存储能量。

图2：能量收集传感器节点。

（感谢Silicon Labs 提供资料）
MCU 和收发器值得我们重点了解一下。

能量收集应用的各种要求能非常完美地契合了简单的、专有的次GHz 无线解决方案。

待机和发射模式下的能量消耗
是收发器的两个重要参数。

实现此类功能的理想候选器件是基于ARM Cortex-M4F 内核的MCU，该器件具备一系列专门的DSP 功能，且相比非DSP 支持型MCU，能在更少的时钟周期内完成信号处理。

对比M3，M4F 内核集成了FPU 硬件协助引擎和DSP 扩展指令集。

所以，这种内核满负荷工作时需要更多电能。

M3 必须在软件中执行算法，也即其激活状态持续时间要长于M4F。

对许多用于传感器数据处理的算法来说，M4F 内
核的能耗较少。

确定WLCSP 零件
对于从零开始构建的WLCSP 解决方案，MCU 的选择余地较大。

在32 位MCU 设计领域，Atmel Corp. 提供时钟速度分别为48 MHz 和120 MHz 的SAM4L 和SAM4S 系列。

这两个系列均基于ARM Cortex-M4 内核。

ATSAM4LS4BA-UUR 是一个典型零件，具有256 KB 闪存、I²C、IrDA、LIN、SPI、UART 和 USB 连接功能以及丰富的外设。

Freescale Semiconductor 的KineTIs 系列包括了一系列WLCSP MCU。

例如，MKL02Z32CAF4R 在48 MHz 下工作。

连接方式包括I²C、SPI 和
UART/USART。

NXP Semiconductors 的WLCSP MCU 则基于ARM Cortex-M3 内核。

LPC1768UKJ 的工作时钟为100 MHz，带有512 KB 闪存。

该器件提供 CAN、以太网、I²C、IrDA、Microwire、SPI、SSI、UART/USART、USB OTG 连接方式以及多种外设。

Silicon Labs 提供至少采用两个ARM 内核的WLCSP 器件。

EFM32LG360F128G-E-CSP81 采用Cortex-M3 内核，工作频率为48 MHz，闪存为128 KB（提供64
KB 和512 KB 闪存版）。

连接功能可选择UART/SPI/SmartCard、IrDA、I²C、支持主机和OTG 的USB 以及USB 2.0。

EFM32WG360F64G-A-CSP81 采用ARM Cortex-M4 内核，工作频率为48 MHz，闪存为64 KB（并提供128 KB 和256 KB 闪存版）。

该器件提供类似通讯接口选择，还提供DSP 指令支持和浮点单元，用于执行计算密集型算法。

该器件的模拟外设也令人眼前一亮，包括一个每秒 1 兆次采样速度的12 位 ADC、一个片上温度传感器、一个每秒50 万次采样速度的12 位 DAC 以及具有16 个输入的容性感测功能。

结语
随着连接互联网的可穿戴设备的定义的不断演化，集成了MCU、传感器和通信功能的系统体积注定将缩小。

MCU 制造商正用其WLCSP 器件让这一趋势成为现实，这些器件可以集成到体积比MCU 本身还小且采用传统塑料封装的模块中。

但是，这种系统集成度仍面临各种严峻挑战，包括能量源和传感器体积，且减小传感器体积的难度远超半导体逻辑器件。

创新的工程师们不断提出各种采用新型感测选项、能量收集技术的解决方案。

然而，在超小型可穿戴设备以及植入式和吸收式系统进入产品主流之前，仍有很大的创新空间。