技术干货｜赋能未来：利用CSP MCU打造更小巧的智能传感器

Graeme Clark，Principal Engineer, Product Marketing

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。

图1：WLCSP封装的简化内部结构

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

表1：封装规格对比

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。

图2：RA4L1 WLCSP封装

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。

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RA4L1低功耗MCU：https://www.renesas.cn/zh/products/ra4l1