传感器日趋微型化，设计约束日益严苛
应用于医疗设备、可穿戴设备和工业系统的智能联网物联网传感器，不仅需要提供高性能，还需具备低功耗特性 — 且这一切都必须在不断缩小的外形尺寸内实现。 设计人员不再仅受印刷电路板（PCB）面积的限制；封装高度、系统总重量和机械外形尺寸现在同样至关重要。 随着传感器功能的扩展，传统的微控制器（MCU）封装技术可能会成为瓶颈。 即使芯片本身尺寸很小，封装往往仍占据主要空间，从而难以实现紧凑的尺寸和厚度目标。 工程师需要既能减小封装尺寸，又不会牺牲电气、热或制造可靠性的封装解决方案。
为什么传统 MCU 封装无法满足要求？
传统的 MCU 封装 — 例如薄型四边扁平封装（LQFP）、四边扁平无引线封装（QFN）和标准球栅阵列（BGA）— 因其成熟可靠、坚固耐用且易于组装的特点而被广泛使用。 然而，与实际芯片相比，此类封装形式均导致尺寸和厚度方面的开销明显增加。 在空间受限的传感器设计中，这些额外的封装材料限制了进一步小型化的可能。 当 PCB 上的每一平方毫米面积都至关重要时，就需要一种不同的封装方法，使封装尺寸更接近硅片本身。
晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）解决方案
芯片尺寸封装（CSP）解决了上述难题。 瑞萨电子采用了一种名为晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）的特定 CSP 技术，即在晶圆阶段直接对器件进行封装，而非在芯片切割之后进行。 这种方法产生的最终封装通常不超过芯片尺寸的 1.2 倍，具有超薄外形和极少的附加材料。
在 WLCSP 器件中，MCU 芯片连接到一个再分布层（RDL），有时也称为中介层。 RDL 将芯片的连接焊点重新布线，形成适合表面贴装组装的焊球图案。 随后形成无铅焊球，从而可以使用标准的 BGA 式工艺组装器件。 有关 WLCSP 的内部结构，请参见下图。
芯片通常会被减薄以降低整体厚度，并涂覆保护性钝化层，以提供机械保护、紫外线屏蔽，并确保与标准贴片设备兼容。
WLCSP 如何解决关键的传感器设计挑战
通过最大限度减少封装开销，WLCSP 为紧凑型传感器和嵌入式设计带来了若干重要优势。
- 占板面积非常小且外形很薄，非常适合空间和高度受限的应用场景
- 由于封装材料减少，封装重量更轻
- 在非常小的占板面积内实现了高 I/O 密度
- 电气性能得到改善，更短的互连线路降低了寄生电感和电阻
- 热阻更低，能够将器件产生的热量通过焊球高效散发到 PCB 中
- 与裸芯片相比，操作和测试更简便，同时仍保持接近芯片尺寸的尺寸
| 封装 | LQFP | BGA | WLCSP |
|---|---|---|---|
| 大小 | 大 | 中 | 小 |
| 管脚间距 | 中 | 中 - 小 | 小 |
| 电气特性 | 良好 | 好 | 优秀 |
| 热特性 | 良好 | 好 | 优秀 |
| 成本 | 低 | 高 | 中 |
设计与制造注意事项
虽然 WLCSP 具有明显的优势，但也带来了一些新的设计注意事项。 超细间距（通常为 0.5mm 或更小）要求比许多传统封装更严格的 PCB 布局规则。 走线宽度、间距、过孔结构和 PCB 材料的选择都必须经过仔细规划。 组装工艺也必须支持细间距的贴装和检测。 通过早期规划以及与 PCB 和制造合作伙伴的密切协作，这些挑战可以得到有效管理，从而使设计人员能够充分受益于 WLCSP 技术。
用于 RA4L1 低功耗 MCU 的 WLCSP 封装
WLCSP 的实际应用实例之一是 RA4L1 低功耗 MCU。该产品搭载 Arm® Cortex®-M33 架构，专为高能效嵌入式和传感器应用场景而设计。 RA4L1 提供紧凑的 72 球 WLCSP 封装，尺寸仅为 3.64mm × 4.28mm，厚度为 0.5mm，非常适合空间受限的设计。 RA4L1 配备 80MHz CPU、512KB 双区闪存，以及针对传感器系统而优化的丰富外设，包括片上 SPI、I²C 和 I3C 接口、低功耗模拟功能、多个低功耗 UART 以及一个全速 USB 接口。 RA4L1 兼具低功耗、高性能和接近芯片尺寸的 WLCSP 占板面积，因此可在 PCB 面积和封装高度受限的应用场景中实现先进的传感和连接功能。
在什么情况下选择 WLCSP
当传感器设计面临严苛的尺寸、重量和高度限制时，WLCSP 技术是您的理想选择。 凭借接近芯片尺寸的封装、出色的电气和热性能，以及与标准表面贴装工艺的兼容性，WLCSP 有助于实现全新一类紧凑型、高度集成的传感器系统。 借助 RA4L1 等具有 WLCSP 选项的 MCU，设计人员可以为可穿戴设备、耳穿戴设备、光学模块、智能传感器、音频产品和数字成像系统构建功能强大且可靠的解决方案。
