Autor: Graeme Clark, Ingeniero Principal, Renesas Electronics
Al desarrollar la próxima generación de productos inteligentes, debemos satisfacer constantemente una amplia gama de requisitos de los usuarios. Los usuarios demandan constantemente nuevos productos que puedan ejecutar aplicaciones más complejas, tengan más funciones, consuman menos energía, sean físicamente más pequeños y, sin embargo, cuesten menos que la generación anterior.
Estas necesidades han llevado al uso de opciones de encapsulados compactos más avanzados en los microcontroladores más recientes para satisfacer estos requisitos.
Esta demanda de rendimiento con menor consumo de energía ha llevado a Renesas a desarrollar la nueva familia de microcontroladores RA4L1. Una potente CPU Cortex® M33 con 512 KB de memoria Flash de doble banco y una amplia gama de potentes funciones periféricas diseñada para proporcionar una solución de microcontrolador de un solo chip para diversas aplicaciones de consumo e industriales. El diagrama de bloques del RA4L1 se muestra a continuación. Para apoyar el impulso continuo hacia la miniaturización, estos microcontroladores están disponibles en una variedad de opciones de encapsulados compactos, incluidas opciones de encapsulado plano cuádruple de perfil bajo (LQFP), un encapsulado plano cuádruple sin plomo (QFN), dos opciones de matriz de rejilla de bolas (BGA) y un encapsulado de escala de chip a nivel de oblea (WLCSP).
Figura 1. Diagrama de bloques del RA4L1
En este artículo, analizaremos las características y ventajas que ofrece un encapsulado BGA en una aplicación típica de microcontroladores, así como algunas decisiones de diseño que debemos considerar para determinar si el BGA es una buena solución para nuestra aplicación.
El RA4L1 está disponible en tres opciones de encapsulado compacto: un encapsulado BGA de matriz abierta de 100 bolas y 7 mm², un encapsulado BGA de 64 bolas y 5,5 mm², ambos con un paso de 0,5 mm, y un encapsulado WLCSP de 72 bolas y 3,64 x 4,28 mm, con un paso de 0,4 mm. Estos ofrecen a los diseñadores las ventajas de un encapsulado compacto con una alta capacidad de E/S y diversas opciones de diseño según los requisitos de la aplicación. Puede consultar los detalles de estos encapsulados compactos a continuación.
Figura 2. Línea de encapsulados RA4L1 BGA Y WLCSP
El encapsulado WLCSP tiene esencialmente el mismo tamaño que la propia matriz del microcontrolador. La opción de encapsulado a escala de chip a nivel de oblea ofrece la opción de encapsulado más pequeña disponible para un dispositivo. El WLCSP también suele ser muy delgado, por lo que puede ser útil en aplicaciones donde la altura es un factor clave. Además, suelen utilizar un paso muy fino para maximizar el número de bolas y pines de E/S disponibles en el encapsulado. El dispositivo WLCSP requiere normas de diseño más estrictas, tanto en cuanto al diseño como al material de la PCB, así como requisitos más estrictos para el equipo necesario para fabricar productos con este tipo de encapsulado.
El diagrama a continuación, compara el diseño interno de un encapsulado BGA típico y un encapsulado LQFP típico. Aquí se puede apreciar una de las ventajas de usar un encapsulado BGA. Dentro del encapsulado BGA, la matriz está montada sobre un pequeño sustrato, lo que significa que se pueden gestionar algunas conexiones internas adicionales en un BGA, por lo que a menudo, el usuario dispone de pines de E/S adicionales para el mismo número de bolas. Esto se puede ver en el encapsulado BGA64 del microcontrolador RA4L1, que tiene más E/S disponibles que la versión LQFP.
Figura 3. Comparación de encapsulados LQFP y BGA
Los encapsulados BGA ofrecen varias ventajas sobre los encapsulados tradicionales de montaje superficial.
- Los encapsulados BGA, con su rejilla de bolas, suelen ofrecer una mayor densidad de E/S que otros tipos de encapsulados. Un encapsulado LQFP típico de 100 pines con un número similar de E/S suele tener un tamaño de 10 x 10 mm², lo que requiere más del doble del área de la PCB para su montaje.
- Una de las mayores ventajas de un encapsulado BGA es su tamaño compacto, que ocupa mucho menos espacio en la PCB que las opciones de encapsulado tradicionales.
- Los encapsulados BGA son más robustos que los encapsulados tradicionales, como los QFP, porque las bolas de soldadura distribuyen la tensión mecánica de forma más uniforme por todo el encapsulado. Esto puede reducir el efecto de la vibración y los impactos en el encapsulado, lo que convierte a los encapsulados BGA en una opción adecuada para muchas aplicaciones donde pueden producirse dichas tensiones.
- Los encapsulados BGA suelen tener conexiones eléctricas más cortas entre el chip y las bolas del encapsulado, lo que resulta en menores retardos de señal y mejores características de alta frecuencia. Esto puede ser especialmente importante cuando el diseño es sensible al entorno eléctrico.
- Debido a la gran superficie de las bolas de soldadura utilizadas en un encapsulado BGA, este ofrece una mejor disipación térmica que los encapsulados tradicionales.
Antes de decidirse por un encapsulado BGA, también debemos considerar las desventajas:
- Falta de flexibilidad en las bolas de soldadura.
- El proceso de fabricación de BGA puede ser más costoso, ya que a menudo requiere equipo adicional, y el número de instalaciones capaces de fabricar con encapsulados BGA puede ser limitado, aunque su número está en aumento.
- Probar e inspeccionar las uniones de soldadura de los encapsulados BGA es difícil y puede requerir equipos costosos, como máquinas de rayos X, o un cuidado especial en el diseño de las rutinas de prueba para garantizar que el dispositivo esté soldado correctamente.
El uso de encapsulados BGA puede dificultar la creación de prototipos, ya que requieren una línea de producción completa para producir una tirada de prototipos, y realizar cambios no suele ser tan sencillo como con las opciones de encapsulado tradicionales. El BGA de matriz abierta de 100 bolas está diseñado para ofrecer todas las ventajas de un encapsulado BGA tradicional, pero con una matriz abierta más fácil de enrutar que un diseño con un encapsulado BGA de rejilla completa. Esto permite al usuario utilizar PCB de 2 o 4 capas más económicas, en lugar de las PCB de 6 u 8 capas que suelen requerirse para enrutar completamente un encapsulado BGA de 100 bolas. Esta opción de matriz abierta hace que esta versión del RA4L1 sea ideal para aplicaciones que requieren encapsulados pequeños, pero que también son extremadamente sensibles a los costes, como aplicaciones de consumo como cámaras digitales, impresoras y routers.
El siguiente diagrama muestra un ejemplo de diseño de PCB con el BGA de matriz abierta. Aquí se puede apreciar la principal ventaja de este encapsulado: a la vez que ofrece una alta densidad de E/S disponibles, con 100 bolas en un encapsulado de 7 x 7 mm², el RA4L1 ofrece una configuración de rejilla abierta o de bolas faltantes, donde los espacios en la rejilla permiten un fácil escape para enrutar el dispositivo en PCB de menor coste. En el diagrama se puede ver parte de un diseño de enrutamiento que muestra el enrutamiento de las pistas de la capa superior de la PCB en rojo y las vías y pistas necesarias en la capa inferior en verde. Como se puede observar, los huecos en la matriz facilitan el enrutamiento de este diseño, ya que cada bola del encapsulado tiene espacio para enrutarse sin necesidad de tecnología especial ni el uso de microvías debajo de las bolas.
Figura 4. Ejemplo de diseño con un encapsulado BGA100 de matriz abierta
Este tipo de diseño facilita considerablemente el enrutamiento de PCB y permite el uso de materiales de PCB más económicos.
En este artículo, hemos intentado explicar las ventajas de usar encapsulados BGA en el diseño de microcontroladores. El diseñador debe considerar tanto las ventajas como las desventajas de usar el encapsulado, no solo en la etapa de diseño, sino a lo largo de todo el ciclo de vida del producto, durante la fabricación y el retrabajo del dispositivo si es necesario. Un encapsulado BGA puede proporcionar una solución compacta cuando el tamaño es un factor importante, pero se debe mantener un alto número de E/S.
El RA4L1 combina la tecnología de encapsulado compacto con un núcleo Cortex M33 de alto rendimiento y potentes periféricos integrados. Esperamos que este artículo haya explicado brevemente la gama de opciones de encapsulado compacto disponibles y las ventajas de usar cada una de ellas, en particular el encapsulado BGA de matriz abierta de 100 bolas. Para obtener más información sobre las características del RA4L1 y las opciones de encapsulado compacto disponibles para este dispositivo, incluyendo las opciones BGA y el encapsulado BGA de matriz abierta, visite nuestro sitio web: www.renesas.com/RA4L1. También encontrará una útil nota de aplicación que describe nuestras recomendaciones de diseño de PCB. Este documento está diseñado para quienes estén familiarizados con los encapsulados LQFP y estén interesados en aprender más sobre los encapsulados BGA para su posible uso por primera vez. Este documento está disponible en el sitio web de Renesas:
https://www.renesas.com/en/document/apn/board-design-guideline-bga-products?r=469286
