Autor: Alex Grudzinski
Mi primer teléfono fue un teléfono plegable rosa chillón. Solo podía hacer llamadas, pero aun así era una tecnología emocionante. Hoy, aunque el entusiasmo persiste, espero un conjunto de funciones significativamente mayor con cada nuevo teléfono: una pantalla de mayor resolución, una batería de mayor duración, velocidades de procesamiento más rápidas y, sobre todo, un formato más pequeño.
Y no soy el único. La mayoría de los consumidores esperan avances continuos en tamaño y funcionalidad en sus teléfonos, auriculares, relojes inteligentes e incluso secadores de pelo. Sin una mejora en el coste, el tamaño o las funciones, es poco probable que la mayoría de los consumidores adopten la próxima generación de un producto que ya poseen.
La tendencia hacia dispositivos electrónicos más pequeños y capaces también afecta a los diseñadores de sistemas embebidos, quienes se centran en aumentar la funcionalidad y el rendimiento del sistema, a la vez que reducen el tamaño y el coste general del mismo.
Para ayudar a los diseñadores de sistemas embebidos, los fabricantes de semiconductores, como TI, están desarrollando microcontroladores (MCU) con numerosas funciones y procesadores embebidos con un tamaño más reducido. Estos dispositivos cuentan con un encapsulado optimizado que requiere menos espacio en la placa de circuito impreso (PCB), lo que permite más espacio para componentes adicionales y baterías de mayor capacidad para una mayor vida útil. Dentro del encapsulado, el diseño de estos dispositivos también está evolucionando, con la integración de numerosos componentes analógicos para ampliar las capacidades y reducir la necesidad de componentes discretos.
En este artículo, exploraré cómo el encapsulado y la integración de componentes analógicos ayudan a reducir el tamaño de los procesadores integrados sin comprometer sus capacidades, y el impacto del encapsulado optimizado en los procesos de fabricación.
Encapsulado
Las innovaciones en los encapsulados son una de las pocas mejoras en semiconductores visibles para el ojo humano.
Para ayudar a reducir el tamaño del encapsulado, los fabricantes de semiconductores pueden eliminar las carcasas de plástico y los conductores innecesarios al cambiar las opciones tradicionales con conductores por opciones de encapsulado avanzadas. El tamaño de estas opciones de encapsulado está directamente relacionado con el tamaño del chip y puede reducir el área necesaria para lograr la funcionalidad deseada.
TI ofrece varios encapsulados miniatura en su portafolio de procesamiento embebido:
- Encapsulado plano cuádruple sin conductores (QFN). En lugar de los conductores tradicionales, un encapsulado QFN consta de contactos planos alrededor de los bordes de la carcasa de plástico y una almohadilla térmica expuesta en la parte inferior para un mejor rendimiento térmico.
La Figura 1 muestra un dibujo del encapsulado, un microcontrolador de 20 pines con un grosor de tan solo 9 mm².
Figura 1. Diagrama del MSPM0C1104 en un encapsulado QFN de 20 pines y 0,8 mm.
- Un encapsulado a escala de chip de oblea (WCSP). Estos encapsulados ofrecen el factor de forma más pequeño en comparación con otros tipos de encapsulado. Una matriz de bolas de soldadura se conecta directamente al silicio, lo que resulta en un encapsulado de tamaño equivalente al chip de silicio (véase la Figura 2). La instalación de ocho bolas de soldadura en 1,38 mm² permite la integración de más funciones por milímetro cuadrado. El MSPM0C1104 también está disponible en un WCSP, un 38 % más pequeño que los dispositivos de la competencia, lo que lo convierte en el MCU más pequeño del mundo.
Figura 2. Dibujo del encapsulado WCSP de ocho bolas MSPM0C1104 (nominalmente 1,50 x 0,86 mm con un grosor de 0,35 mm)
Integración
Otra forma de abordar el espacio limitado en la placa es optimizar la integración de funciones en el dispositivo. Los componentes que tienen su propio encapsulado de plástico, cables y espacio de diseño requerido pueden ocupar mucho más espacio en la placa que un solo chip con funciones integradas.
En el auge de la miniaturización, los microcontroladores (MCU) y procesadores con periféricos analógicos y digitales integrados pueden resultar útiles. Tomemos como ejemplo un oxímetro de pulso. En comparación con un enfoque de diseño discreto, como se muestra en la Figura 3, la integración del convertidor analógico-digital (ADC), el comparador y la referencia de voltaje en el MCU puede reducir la cantidad de componentes necesarios y, por lo tanto, el tamaño de la PCB, como se muestra en la Figura 4.
Figura 3. Diseño de oxímetro de pulso con componentes analógicos discretos
Figura 4. Diseño de oxímetro de pulso con componentes integrados
Seleccionar las características que se integrarán en un MCU implica hacer algunas concesiones. La integración de características puede reducir la cantidad de componentes en un diseño, pero incluir características innecesarias puede revertir el propósito y aumentar el tamaño de la solución de un solo chip.
Por eso, la optimización de características es crucial. Los periféricos adicionales están directamente relacionados con el tamaño del chip y el costo del dispositivo. Las características no utilizadas pueden ser un desperdicio de espacio y dinero, y reducir la eficiencia de un diseño con limitaciones de espacio. Comprender las verdaderas necesidades del mercado puede resultar en soluciones integradas competitivas en costo y tamaño. Por ejemplo, el WCSP de 8 bolas MSPM0C1104 no solo es pequeño, sino que también cuenta con numerosas características y componentes integrados. En un encapsulado de 1,38 mm², proporciona 16 KB de memoria flash, un ADC de 12 bits con tres canales y tres temporizadores. Los ingenieros tienen más margen para mejorar sus diseños utilizando dispositivos como el MSPM0C1104 para optimizar la cantidad de características por milímetro cuadrado.
La figura 5 muestra una comparación de tamaño de un solo MSPM0C1104 en un WCSP junto a un auricular inalámbrico.
Figura 5. Comparación de tamaño entre un MSPM0C1104 y un aurícular inalámbrico.
A medida que el circuito integrado físico se hace más pequeño, los métodos de diseño y producción también han evolucionado. Si bien la adopción de componentes eléctricos más pequeños puede ayudar a minimizar el tamaño de la PCB, también existen consideraciones de diseño, manipulación y flujo de producción.
Dos tipos de patrones de tierras de PCB son útiles al diseñar con encapsulados a escala de chip: definidos por máscara de soldadura (SMD) y no definidos por máscara de soldadura (NSMD), como se muestra en la Figura 6. Los tipos SMD contienen una almohadilla de cobre más grande que se superpone al sustrato, mientras que los tipos NSMD contienen una almohadilla de cobre más pequeña con dimensiones más ajustadas.
Las almohadillas de tipo NSMD ofrecen una cobertura uniforme mejorada, un enrutamiento optimizado y una menor tensión en encapsulados a escala de chip.
Figura 6. Patrones de tierras de PCB NSMD y SMD
La colocación y manipulación de componentes también puede resultar difícil. Para los fabricantes de semiconductores y productos, las máquinas de recogida y colocación y las plumas de vacío utilizadas en la fabricación minimizan el riesgo de dañar la matriz expuesta de los encapsulados WCSP y BGA. Para una mayor precisión de colocación, el sistema de visión de una máquina de recogida y colocación puede localizar el contorno del encapsulado o las protuberancias individuales. La geometría de soldadura por protuberancias permite el autocentrado y la corrección en la almohadilla de la PCB. A medida que los componentes eléctricos han disminuido de tamaño, la maquinaria de fabricación ha evolucionado para compensar.
Conclusión
La innovación se da en ciclos. Los consumidores esperan constantemente productos ligeros y con gran cantidad de funciones.
Los ingenieros diseñan para equilibrar intereses contrapuestos. Y la industria de los semiconductores está evolucionando para optimizar las opciones de encapsulado y características. Una vez que la generación actual de productos llega al mercado, los equipos ya se reúnen para generar ideas sobre la siguiente mejor opción, y el ciclo se repite.
