Autor: Graeme Clark, Ingeniero Principal, Renesas
Actualmente, los microcontroladores se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones. Uno de los sectores de mayor crecimiento es la demanda de sensores inteligentes, donde la necesidad de inteligencia distribuida impulsa la integración de microcontroladores en cada sensor. Distribuir la inteligencia de esta manera ofrece numerosas ventajas, como la reducción de la carga de procesamiento del procesador central, la disminución del tráfico de red y la reducción de los costes de cableado. Este requisito abarca diversas aplicaciones, desde industriales hasta médicas, muchas de las cuales comparten requisitos comunes, con especial atención al tamaño, el peso, el consumo energético y el coste.
La última generación de microcontroladores está empezando a aprovechar las tecnologías de encapsulado más novedosas para satisfacer estas necesidades. Muchos dispositivos nuevos utilizan las tecnologías BGA (Ball Grid Array) y WLCSP (Wafer Level Chip Scale Packaging). Estas tecnologías ofrecen una solución muy superior que los encapsulados LQFP y QFN tradicionales. Los encapsulados WLCSP también se conocen como encapsulados WLBGA (Wafer Level Ball Grid Array) o, simplemente, CSP. En este artículo, nos referiremos a ellos como WLCSP.
Los encapsulados WLCSP están disponibles desde la década de 1990 y ofrecen la solución de encapsulado más compacta, lo que permite a los ingenieros desarrollar aplicaciones extremadamente delgadas y compactas. Estos encapsulados son ideales para una amplia variedad de aplicaciones, como sensores industriales y dispositivos electrónicos portátiles. Su uso se está volviendo muy atractivo en muchas aplicaciones de microcontroladores (MCU), ya que no solo ofrecen la opción más compacta para el encapsulado de MCU, sino que también brindan otras ventajas, como un mejor rendimiento eléctrico y una mayor densidad de E/S.
En este artículo analizaremos con más detalle el encapsulado WLCSP y cómo Renesas lo ha utilizado para el microcontrolador de bajo consumo RA4L1. Los encapsulados a escala de chip (CSP) permiten ofrecer dispositivos con un tamaño similar al del chip original, por definición (véase la norma IPC/JEDEC J-STD-012), con un tamaño inferior a 1,2 veces el del chip, un perfil extremadamente bajo y un peso muy ligero en comparación con los encapsulados de semiconductores más tradicionales. Esto permite ofrecer a los usuarios el tamaño más compacto posible; es decir, los CSP pueden ofrecer una reducción de tamaño considerable en comparación con los encapsulados tradicionales utilizados para microcontroladores, como los QFN o QFP. Un encapsulado CSP suele admitir un paso de bola o almohadilla muy pequeño, normalmente de 0,5 mm o menos. Los encapsulados CSP suelen utilizar un interponedor para conectar el chip con las bolas, o bien las almohadillas pueden imprimirse directamente sobre la oblea. Existen varios tipos de encapsulados a escala de chip, entre ellos: CSP personalizado basado en marco de plomo (LFCSP), CSP basado en sustrato flexible y flip-chip. CSP (FCCSP) y CSP de redistribución a nivel de oblea (WLCSP). Cada uno de estos tipos de encapsulado CSP ofrece ventajas específicas; sin embargo, en este artículo nos centraremos en el WLCSP, ya que es el tipo más utilizado en los diseños de microcontroladores actuales y el tipo de encapsulado elegido para el microcontrolador de bajo consumo RA4L1 de Renesas.
En el encapsulado WLCSP, el chip desnudo se coloca sobre una capa de redistribución (RDL) o interposición, que se utiliza para reorganizar las almohadillas de conexión del chip de manera que tengan el tamaño y la separación adecuados para su colocación en una placa de circuito impreso (PCB). Esto permite manipular el WLCSP durante el proceso de fabricación como si fuera un encapsulado BGA (Ball Grid Array). La interposición suele estar fabricada con un material de poliamida con una capa de cobre en su superficie.
En la Figura 1 se muestra un diagrama simplificado de la estructura interna de un encapsulado WLCSP.
Figura 1. Estructura interna simplificada del encapsulado WLCSP
En la Figura 1, se observa la estructura interna del encapsulado WLCSP. El chip del microcontrolador se rectifica para reducir su grosor y se deposita una capa protectora de pasivación. Esta se monta sobre el interponedor (capa de redistribución), que se utiliza para modificar la disposición de las almohadillas, permitiendo así depositar las esferas de soldadura sin plomo en el interponedor siguiendo un patrón que facilita su montaje en la PCB.
Una capa de pasivación adicional proporciona contacto mecánico (para montaje superficial) y protección contra la luz ultravioleta en la parte posterior del chip.
Los encapsulados WLCSP ofrecen numerosas ventajas en una aplicación típica:
- La principal ventaja del encapsulado WLCSP, como ya se ha mencionado, es su tamaño compacto. El WLCSP es extremadamente delgado y requiere poco espacio en la PCB, por lo que resulta ideal para aplicaciones con limitaciones de tamaño o altura.
- Gracias al mínimo uso de materiales de encapsulado, el WLCSP no solo es más pequeño, sino también más ligero que otros tipos de encapsulados.
- El encapsulado WLCSP ofrece una mayor densidad de E/S para un tamaño de encapsulado específico.
- Los encapsulados WLCSP proporcionan un rendimiento eléctrico superior con menor inductancia y resistencia parásitas en comparación con los tipos de encapsulado más tradicionales. El encapsulado WLCSP compacto reduce la longitud de las conexiones internas y externas, mejorando la integridad de la señal y reduciendo el ruido.
- Los encapsulados WLCSP ofrecen una menor resistencia térmica en comparación con otros tipos de encapsulado tradicionales, proporcionando una ruta de disipación de calor más eficiente, a través de las esferas de soldadura hasta la placa de circuito impreso (PCB). Esto permite que el calor generado por el dispositivo se disipe de forma más eficiente, mejorando su fiabilidad.
- En comparación con el uso de chips desnudos, el WLCSP ofrece prácticamente el mismo tamaño compacto, pero es mucho más fácil de manipular y probar, lo que reduce los costes de fabricación y prueba.
Puede consultar un resumen de la comparación entre el encapsulado WLCSP y otros tipos de encapsulado de MCU comunes en la Tabla 1.
| Feature | LQFP | BGA | WLCSP |
| Size | Large | Medium | Small |
| Pitch | Medium | Medium – Small | Small |
| Electrical Characteristics | OK | Good | Excellent |
| Thermal Characteristics | OK | Good | Excellent |
| Cost | Low | High | Medium |
Tabla 1. Comparación de especificaciones del encapsulado
Dado que el encapsulado WLCSP tiene prácticamente el mismo tamaño que el chip del microcontrolador, esta opción de encapsulado a nivel de oblea (WLCSP) ofrece el tamaño más pequeño disponible para un dispositivo. El WLCSP también suele ser muy delgado, lo que resulta útil en aplicaciones donde la altura es un factor clave. Además, a menudo utiliza un paso muy fino para maximizar el número de esferas y pines de E/S disponibles en el encapsulado.
El dispositivo WLCSP, con su paso ultrafino, suele requerir reglas de diseño de PCB más estrictas que otros encapsulados, tanto en términos de diseño como de material de la PCB. También existen requisitos más estrictos para el equipo de fabricación necesario para crear productos con este tipo de encapsulado, por lo que se debe prestar especial atención durante el diseño para garantizar que se cumplan todos los parámetros requeridos.
En definitiva, el uso del encapsulado WLCSP suele ser una solución ideal cuando el espacio es limitado y un encapsulado más ligero resulta ventajoso. Las aplicaciones de sensores en los mercados industrial y médico, así como los dispositivos portátiles, son ejemplos típicos donde el uso de dispositivos WLCSP está creciendo rápidamente.
Renesas lanza ahora el potente microcontrolador de bajo consumo RA4L1 en un encapsulado WLCSP compacto de 72 pines, con unas dimensiones de 3,64 mm × 4,28 mm y un grosor de 0,5 mm. En la Figura 2 se muestra una imagen de este encapsulado. El uso del encapsulado WLCSP con el RA4L1 nos permite ofrecer una solución para aplicaciones con limitaciones de espacio que requieren un microcontrolador potente, de bajo consumo y alto rendimiento.
Figura 2. Encapsulado RA4L1 WLCSP.
El RA4L1 combina una potente CPU ARM Cortex® M33 de 80 MHz con 512 KB de memoria Flash de doble banco y periféricos diseñados específicamente para admitir aplicaciones de sensores y dispositivos portátiles, como interfaces SPI, I2C e I3C integradas en chip, funciones analógicas de bajo consumo, múltiples UART de bajo consumo y una interfaz USB FS. El diagrama de bloques del RA4L1 se muestra a continuación.
Figura 3. Diagrama de bloques del RA4L1
El RA4L1 es solo uno de los microcontroladores RA4 disponibles en encapsulado WLCSP. Otros dispositivos de la familia RA, incluyendo los de la familia RA2 con pocos pines, también están disponibles con opciones de encapsulado WLCSP que ahorran espacio.
Al diseñar con encapsulados CSP, es fundamental asegurar un rendimiento eléctrico óptimo y uniones de soldadura fiables. Las dimensiones de las uniones de soldadura en el chip y en la placa de circuito impreso (PCB) deben estar bien equilibradas e idealmente con una tolerancia inferior al 5 %.
Las almohadillas de la PCB pueden ser de tipo SMD (definidas por máscara de soldadura) o NSMD (no definidas por máscara de soldadura). La figura 4 muestra una vista superior de los dos tipos de almohadillas.
Figura 4. Almohadilla de cobre SMD vs. NSMD
Las almohadillas SMD se definen por la abertura de la máscara de soldadura en la placa. En las almohadillas SMD, la abertura de la máscara de soldadura es menor que la almohadilla de cobre subyacente para soldar al contacto correspondiente. Las almohadillas NSMD tienen una abertura de máscara de soldadura mayor que la almohadilla de cobre. Existen muchos factores que influyen en si el diseñador de PCB debe usar almohadillas SMD o NSMD. Ambos tipos se pueden usar con éxito en encapsulados WLCSP. Para WLCSP, Renesas recomienda usar almohadillas NSMD siempre que sea posible.
Los encapsulados WLCSP de Renesas se pueden ensamblar en sustratos de vidrio epoxi estándar; sin embargo, se prefiere el FR-4 de alta temperatura, que tiene un coeficiente de expansión térmica (CTE) menor, ya que mejora la fiabilidad del encapsulado en comparación con el FR-4 estándar. El CTE real de la placa PCB también se ve afectado por numerosos factores, como el número de capas metálicas en la PCB, la densidad de pistas, el material del laminado y el entorno operativo, entre otros. Idealmente, la temperatura de transición vítrea del sustrato debe estar por encima del rango de temperatura de funcionamiento de la aplicación prevista.
Las placas más delgadas son más flexibles y ofrecen mayor fiabilidad durante los ciclos térmicos. Además, proporcionan una mayor resistencia a la fatiga térmica en comparación con las placas más gruesas. El grosor típico de las placas que se utiliza actualmente en la industria oscila entre 0,4 mm y 3,2 mm. El grosor se selecciona en función de la robustez requerida del ensamblaje y la necesidad de una mejor disipación del calor en aplicaciones de alto consumo energético.
Los encapsulados WLCSP también se utilizan con frecuencia montados sobre placas de circuito impreso flexibles, generalmente en aplicaciones de consumo o portátiles donde se requiere una solución muy delgada y, a menudo, también flexibilidad. Estos materiales suelen tener un grosor de entre 0,1 mm y 0,3 mm, lo que significa que el grosor total de la aplicación puede ser inferior a 1 mm.
Debido al paso relativamente fino y la pequeña geometría de los terminales que se utilizan en un WLCSP, optimizar el proceso de impresión de la pasta es fundamental para garantizar la fiabilidad de las uniones de soldadura. Se recomienda encarecidamente la inspección durante el proceso para comprobar la altura de la pasta, el porcentaje de cobertura de las almohadillas y la precisión del registro con el patrón de soldadura. La disponibilidad del microcontrolador de bajo consumo RA4L1 en el encapsulado compacto WLCSP permite a los diseñadores crear soluciones potentes para aplicaciones con espacio limitado en los mercados de consumo e industrial. Estos dispositivos ofrecen una solución ideal para aplicaciones como audio, cámaras digitales, auriculares, módulos ópticos, sensores inteligentes y dispositivos portátiles, entre muchas otras.
Para obtener más información sobre el microcontrolador RA4L1 y sus opciones de encapsulado WLCSP, visite nuestro sitio web www.renesas.com/RA4L1. También encontrará más información sobre el uso del encapsulado WLCSP en el Manual de montaje de encapsulados de Renesas Semiconductor, disponible para su descarga en nuestro sitio web.
