Auteur : Graeme Clark, ingénieur principal, Renesas Electronics
Lors du développement de la prochaine génération de produits intelligents, nous devons constamment répondre à un large éventail d’exigences des utilisateurs. Les utilisateurs exigent constamment de nouveaux produits capables d’exécuter des applications plus complexes, dotés de plus de fonctionnalités, consommant moins d’énergie, étant physiquement plus petits et pourtant moins chers que la génération précédente.
Ces besoins ont conduit à l’utilisation d’options de boîtiers compacts plus avancées dans les microcontrôleurs plus récents pour répondre à ces exigences.
Cette demande de performances avec une consommation d'énergie plus faible a conduit Renesas à développer la nouvelle famille de microcontrôleurs RA4L1. Un puissant processeur Cortex® M33 avec 512 Ko de mémoire Flash à double banque et une large gamme de fonctionnalités périphériques puissantes conçues pour fournir une solution de microcontrôleur monopuce pour diverses applications grand public et industrielles. Le schéma fonctionnel du RA4L1 est présenté ci-dessous. Pour soutenir la tendance continue vers la miniaturisation, ces microcontrôleurs sont disponibles dans une variété d'options de boîtiers compacts, notamment un boîtier quad-planar low-profile (LQFP), un boîtier quad-planar sans plomb (QFN), deux options de matrice à billes (BGA) et un boîtier à l'échelle de la puce au niveau de la plaquette (WLCSP).
Figure 1. Schéma fonctionnel du RA4L1
Dans cet article, nous explorerons les fonctionnalités et les avantages d'un package BGA dans une application de microcontrôleur typique, ainsi que certaines décisions de conception que nous devrions prendre en compte pour déterminer si un BGA est une bonne solution pour notre application.
Le RA4L1 est disponible en trois options de boîtier compact : un boîtier BGA ouvert de 100 billes de 7 mm², un boîtier BGA de 64 billes de 5,5 mm², tous deux avec un pas de 0,5 mm, et un boîtier WLCSP de 72 billes de 3,64 x 4,28 mm avec un pas de 0,4 mm. Ils offrent aux concepteurs les avantages d'un boîtier compact avec une capacité d'E/S élevée et diverses options de conception en fonction des exigences de l'application. Vous pouvez consulter les détails de ces packages compacts ci-dessous.
Figure 2. Ligne d'encapsulation RA4L1 BGA et WLCSP
Le boîtier WLCSP a essentiellement la même taille que la puce du microcontrôleur elle-même. L'option d'emballage à l'échelle de la puce au niveau de la plaquette offre la plus petite option d'emballage disponible pour un appareil. Le WLCSP est également généralement très fin, il peut donc être utile dans les applications où la hauteur est un facteur clé. De plus, ils utilisent généralement un pas très fin pour maximiser le nombre de billes et de broches d'E/S disponibles dans le boîtier. Le dispositif WLCSP nécessite des normes de conception plus strictes pour la conception et le matériau des circuits imprimés, ainsi que des exigences plus strictes pour l'équipement nécessaire à la fabrication de produits avec ce type d'emballage.
Le diagramme ci-dessous compare la disposition interne d'un boîtier BGA typique et d'un boîtier LQFP typique. Vous pouvez voir ici l’un des avantages de l’utilisation d’un boîtier BGA. Dans le boîtier BGA, la matrice est montée sur un petit substrat, ce qui signifie que quelques connexions internes supplémentaires peuvent être gérées sur un BGA, de sorte que l'utilisateur dispose souvent de broches d'E/S supplémentaires pour le même nombre de billes. Cela peut être observé dans le boîtier BGA64 du microcontrôleur RA4L1, qui dispose de plus d'E/S disponibles que la version LQFP.
Figure 3. Comparaison des boîtiers LQFP et BGA
Les boîtiers BGA offrent plusieurs avantages par rapport aux boîtiers traditionnels à montage en surface.
- Les boîtiers BGA, avec leur grille à billes, offrent généralement une densité d'E/S plus élevée que les autres types de boîtiers. Un boîtier LQFP 100 broches typique avec un nombre similaire d'E/S mesure généralement 10 x 10 mm², nécessitant plus de deux fois la surface du PCB pour le montage.
- L’un des plus grands avantages d’un boîtier BGA est sa taille compacte, qui occupe beaucoup moins d’espace sur le PCB que les options de boîtier traditionnelles.
- Les boîtiers BGA sont plus robustes que les boîtiers traditionnels, tels que QFP, car les billes de soudure répartissent les contraintes mécaniques de manière plus uniforme dans tout le boîtier. Cela peut réduire l'effet des vibrations et des chocs sur le boîtier, ce qui fait des boîtiers BGA un choix approprié pour de nombreuses applications où de telles contraintes peuvent se produire.
- Les boîtiers BGA ont généralement des connexions électriques plus courtes entre la puce et les billes du boîtier, ce qui entraîne des retards de signal plus faibles et de meilleures caractéristiques haute fréquence. Cela peut être particulièrement important lorsque la conception est sensible à l’environnement électrique.
- En raison de la grande surface des billes de soudure utilisées dans un boîtier BGA, il offre une meilleure dissipation thermique que les boîtiers traditionnels.
Avant de décider d'un boîtier BGA, nous devons également prendre en compte les inconvénients :
- Manque de flexibilité dans les billes de soudure.
- Le processus de fabrication BGA peut être plus coûteux, car il nécessite souvent des équipements supplémentaires, et le nombre d'installations capables de fabriquer avec des boîtiers BGA peut être limité, bien que leur nombre augmente.
- Tester et inspecter les joints de soudure sur les boîtiers BGA est difficile et peut nécessiter un équipement coûteux, tel que des machines à rayons X, ou un soin particulier dans la conception des routines de test pour garantir que l'appareil est correctement soudé.
L'utilisation de boîtiers BGA peut rendre le prototypage difficile, car ils nécessitent une ligne de production complète pour produire un prototype, et apporter des modifications n'est souvent pas aussi simple qu'avec les options de conditionnement traditionnelles. Le BGA à matrice ouverte à 100 billes est conçu pour offrir tous les avantages d'un boîtier BGA traditionnel, mais avec une matrice ouverte plus facile à acheminer qu'une conception de boîtier BGA à grille complète. Cela permet à l'utilisateur d'utiliser des PCB à 2 ou 4 couches plus économiques, au lieu des PCB à 6 ou 8 couches généralement nécessaires pour acheminer entièrement un boîtier BGA à 100 billes. Cette option de matrice ouverte rend cette version du RA4L1 idéale pour les applications qui nécessitent de petits boîtiers, mais qui sont également extrêmement sensibles aux coûts, telles que les applications grand public comme les appareils photo numériques, les imprimantes et les routeurs.
Le schéma suivant montre un exemple de disposition de PCB utilisant le BGA à matrice ouverte. Ici, vous pouvez voir le principal avantage de ce boîtier : tout en offrant une haute densité d'E/S disponibles, avec 100 billes dans un boîtier de 7 x 7 mm², le RA4L1 offre une configuration à grille ouverte ou à billes manquantes, où les espaces dans la grille permettent un échappement facile pour le routage du dispositif sur des PCB à moindre coût. Le schéma montre une partie d'une disposition de routage montrant le routage des traces sur la couche supérieure du PCB en rouge et les vias et traces nécessaires sur la couche inférieure en vert. Comme vous pouvez le voir, les espaces dans la matrice facilitent le routage de cette conception, car chaque bille du boîtier a de la place pour être acheminée sans avoir besoin d'une technologie spéciale ou de l'utilisation de microvias sous les billes.
Figure 4. Exemple de conception avec un boîtier BGA100 à matrice ouverte
Ce type de conception facilite considérablement le routage des circuits imprimés et permet l'utilisation de matériaux de circuits imprimés plus rentables.
Dans cet article, nous avons tenté d’expliquer les avantages de l’utilisation de packages BGA dans la conception de microcontrôleurs. Le concepteur doit prendre en compte à la fois les avantages et les inconvénients de l’utilisation d’emballages, non seulement au stade de la conception, mais tout au long du cycle de vie du produit, lors de la fabrication et de la retouche de l’appareil si nécessaire. Un boîtier BGA peut fournir une solution compacte lorsque la taille est un facteur important, mais un nombre élevé d'E/S doit être maintenu.
Le RA4L1 combine une technologie de boîtier compact avec un cœur Cortex M33 hautes performances et de puissants périphériques intégrés. Nous espérons que cet article a brièvement expliqué la gamme d’options d’emballage compact disponibles et les avantages de l’utilisation de chacune d’elles, en particulier le boîtier BGA à matrice ouverte à 100 billes. Pour plus d'informations sur les fonctionnalités du RA4L1 et les options de boîtier compact disponibles pour cet appareil, y compris les options BGA et BGA à matrice ouverte, veuillez visiter notre site Web : www.renesas.com/RA4L1. Vous trouverez également une note d'application utile décrivant nos recommandations de conception de circuits imprimés. Ce document est conçu pour ceux qui connaissent les packages LQFP et qui souhaitent en savoir plus sur les packages BGA pour une première utilisation potentielle. Ce document est disponible sur le site Web de Renesas :
https://www.renesas.com/en/document/apn/board-design-guideline-bga-products?r=469286
