Wer früher möglichst kleine Platinenabmessungen erreichen wollte, musste oft Abstriche bei Funktionen machen. Deshalb kamen als Mikrocontroller nur kleine 8-Bit-Produkte mit Taktfrequenzen von 8, 4 oder weniger Megahertz in Frage. Die Implementierung komplexer Algorithmen schied damit von vornherein aus.
Dies änderte sich mit dem Baustein SH/Tiny von Renesas, der in einem Gehäuse mit 7mm × 7 mm steckt. Die Verfügbarkeit leistungsstarker Mikrocontroller mit reichhaltiger Peripherieausstattung in kleinen Gehäusen ermöglicht nicht nur vormals undenkbare Anwendungen, sondern bringt zusätzlich viele weitere Vorteile mit sich. Verbesserungen ergeben sich beispielsweise bei der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und der Koplanarität.
SMD-Gehäuse werden zunehmend dünner und kleiner und gewährleisten damit eine immer höhere Packungsdichte. SMD-Bauelemente kommen gegenwärtig in mehr als 50 Prozent der Consumer- und Industrieprodukte zum Einsatz.
Verschiedene Gehäusetypen
Grundlage für diesen Artikel ist eine genaue Definition der Gehäuse (Abbildung 1). Erst wenn Aussehen und Charakteristika bekannt sind, kann auf Vorteile und Anwendungsgebiete eingegangen werden.
VQFN (Very thin Quad Flat No-lead) bezeichnet eine Gehäusefamilie, die QFP- und LQFP-Gehäuse in Applikationen zunehmend ersetzt. Das VQFN-Gehäuse hat große Ähnlichkeit mit den Gehäusen, die es ablöst, allerdings fehlen ihm die Anschluss-„Beine“. VQFN-Gehäuse besitzen anders als BGAs (Ball Grid Array) keine Kontakte an ihrer Unterseite, sondern sind mit einem Streifenkontakt ausgestattet, der sich seitlich und an der Unterseite befindet. Verlöten lässt sich das Gehäuse somit unten als auch seitlich, während sich das BGA ausschließlich an der Unterseite und das QFP nur an seinen „Beinen“ verlöten lässt. Besonders interessant sind derzeit die beiden für die SH/Tiny-Familie angebotenen VQFN-Gehäuse, die mit 64 und 52 Pins sowie Maßen von 8 mm × 8 mm bzw. 7 mm × 7 mm bei einem Anschlussraster von 0,4 mmm erhältlich sind. Bei Surface-Mount-Gehäusen mit arrayförmigen Anschlüssen gibt es zwei Arten: BGA- und LGA-Gehäuse (Land Grid Array). Beide Typen ermöglichen eine sehr hohe PCB-Packungsdichte. Die Anschlüsse befinden sich am Gehäuseboden. Typische Abmaße sind 10 mm × 10 mm mit einem Ballpitch von 0,8 mm. LGA-Gehäuse sind noch dünner als BGA-Gehäuse, da es keine Lötbälle gibt. Es handelt sich um eine Höhe von nur 1,2 mm bei einer Gehäusekantenlänge von neun Millimetern. Unabhängig von der Größe der Gehäuse werden die darin untergebrachten Halbleiterchips immer kleiner. Da viele Halbleiterhersteller inzwischen mit Strukturen von 45 nm oder weniger arbeiten, verwundert es nicht, dass die Größe der Chips ständig abnimmt. Schrumpfen die Chips in den vergleichsweise großen Gehäusen, werden die Bonddrähte zwangsläufig länger. Unter dem EMV-Aspekt betrachtet, sind Bonddrähte aber nichts anderes als kleine Antennen, die als Sender für hochfrequente Signale fungieren und ihrerseits geräuschempfindlich sind. Es gilt: Je kleiner das Gehäuse, umso kürzer sind die Bonddrähte und umso besser ist die elektromagnetische Verträglichkeit des Bausteins. Selbstverständlich entscheidet nicht allein die Länge der Bonddrähte über die EMV eines Bausteins.
Was moderne Gehäuse verbessern
Derart kleine Gehäuse, die die Implementierung streichholzschachtelgroßer Leiterplatten mit 32-Bit-Leistung erlauben, tragen beispielsweise dazu bei, Anwendungen für die Motorsteuerung zu verbessern. Zweifellos geht der Trend hin zum Ersatz billiger Motoren konventioneller Bauart (mit Bürsten) durch teurere, dafür aber effizientere bürstenlose Wechselstrommotoren. Diese kommen mittlerweile in zahlreichen Anwendungen mit wenig Platz zum Einsatz, zum Beispiel für den Antrieb des Kompressors in Kühlgeräten. Auch wenn die Bausteine mit ihren kleinen Gehäusen selbst nicht weniger Leistung aufnehmen, erleichtern sie doch den Einsatz von Motoren mit höherem Wirkungsgrad. Dadurch tragen sie zur Senkung des Stromverbrauchs bei.
Was die Koplanarität betrifft, entspricht ein QFP-Gehäuse mit 176 Pins einem schwarzen quadratischen Objekt mit 176 verschiedenen potenziellen Ausfallmechanismen. Die Bestückungsmaschinen sind zwar immer ausgefeilter und besser, wenn es um das Vermeiden dieser Ausfälle geht, aber ganz ausschließen lassen sie sich nicht. Der Übergang von QFP- auf BGA-Gehäuse schließt das Risiko verbogener Anschlüsse vollständig aus und verbessert somit die Ausbeute der Produktionsanlage. Speziell beim Einsatz von BGA- und LGA-Gehäusen zeigt sich der sogenannte Self-Aligning-Effekt (Abbildung 2) als Vorteil bei der Montage. Dieser tritt automatisch beim Reflow-Prozess auf, wenn PCB-Pads und Gehäuseanschlüsse schlecht aufeinander ausgerichtet sind. Die Kraft des Self-Alignments ist proportional zu der Anzahl der Gehäuseanschlüsse. Das minimale Gewicht der BGA- und LGA-Gehäuse unterstützt diesen selbstausrichtenden Effekt zusätzlich. Neben den genannten Vorteilen existieren aber auch Nachteile. Bei großen Gehäusen, bei denen sich ein Teil der Anschlüsse unter dem Gehäuse verbirgt (während sich die Anschlüsse bei den früheren Bauformen nur an den Außenkanten befanden), ist es möglicherweise schwierig, bei einer doppellagigen Leiterplatte alle Pins zu erreichen. Im Falle eines BGA-Gehäuses mit vier Pin-Reihen in einem Raster von beispielsweise 0,8 mm kann es erforderlich sein, eine mehrlagige, entsprechend teurere Leiterplatte zu verwenden. Der traditionelle Prüfablauf für eine kostengünstige Leiterplattenproduktion stützt sich auf die visuelle Inspektion, um die ordnungsgemäße Verlötung sämtlicher Anschlüsse eines Mikrocontrollers zu gewährleisten. Diese Möglichkeit scheidet jedoch aus, sobald sich die Pins – wie bei den aktuellen kleineren Gehäusen – unterhalb des Gehäuses befinden. Auch wenn sich die Verbindung mit dem Boundary-Scan-Verfahren oder anderen Techniken überprüfen lässt, führt bei sicherheitskritischen Anwendungen kein Weg an der Prüfung mittels Röntgenstrahlen vorbei. Hierdurch verteuert sich der Leiterplattentest automatisch. Die Mikrocontroller von Renesas wurden mit Merkmalen ausgestattet, die beim Einsatz dieser Gehäuse Hilfestellung in der Entwicklungs- und Produktionsphase leisten. Durch Boundary-Scan-Tests lässt sich inzwischen in einigen Anwendungen auf die Röntgeninspektion verzichten. Für die Entwicklungsphase gibt es alle Bausteine in größeren Gehäusen, um die Entwicklung und das Debugging zu vereinfachen – mit dem Vorteil, dass sich für Entwicklungs- und Produktionssysteme die gleiche Software verwenden lässt.
Realisierung von effizienten Motoren
Der Umstieg auf effizientere Motoren gehört zu den Applikationen, die mit den neuen Gehäusen möglich sind. In platzkritischen Anwendungen – etwa Kompressoren für Klimaanlagen und Kühlgeräte, Waschmaschinen, Wäschetrockner und Wasserpumpen – geht der Trend hin zu bürstenlosen Wechselstrommotoren, die häufig erheblich effizienter sind als ihre Vorgänger.
Voraussetzung für den höheren Wirkungsgrad ist die Ansteuerung mit komplexeren Algorithmen, zum Beispiel mit feldorientierter Steuerung. Implementieren lassen sich derartige Algorithmen in der Regel nur mit 32-Bit-Mikrocontrollern, die mit einer speziellen Peripherie ausgestattet sind. Solche Bausteine hätten früher Gehäuse mit deutlich mehr als sieben Millimeter Kantenlänge benötigt. Inzwischen sind aber zahlreiche SuperH- und H8S(X)-Bausteine des Herstellers in Miniatur-Gehäusen lieferbar. Als Beispiel gibt es den SH/Tiny in zwei verschiedenen Varianten des VQFN-Gehäuses mit 64 bzw. 52 Anschlüssen. Ein Systemdesigner kann heute davon ausgehen, hinreichend kleine Bausteine mit genügend Leistung zu finden, mit denen sich Motorsteuerungen der nächsten Generation auf streichholzschachtelgroßen Leiterplatten implementieren lassen.
Kleine Gehäuse für kleine Geräte
Sensoren haben die Hauptaufgabe, physikalische Größen in maschinenlesbare Werte umzuwandeln. Gerade Anwendungen, die sehr klein sind, fordern hochintegrierte Sensoren mit direkter digitaler Schnittstelle. Der Vorteil von „intelligenten Sensoren“ besteht darin, dass eine weitere Verarbeitung von physikalischen Eingangswerten direkt auf den Mikrocontrollern, nahe am Sensoraufnahmepunkt und auch an den Aktuatoren stattfindet. Ein Beispiel ist die Anwendung bei digitalen Spiegelreflexkameras mit integriertem Bildstabilisator. Hierfür wird ein 32-Bit-Flash-Controller mit 16-Bit-Delta-Sigma-A/D-Wandler verwendet. Dieser Baustein ist in einem LGA-145-Gehäuse mit 9 mm Kantenlänge untergebracht.
Smart-Consumer-Anwendungen sind meist tragbare Geräte, die per USB oder kabellos per Bluetooth oder WLAN mit einem PC verbunden werden. Um den Formfaktor für Handheld-Gehäuse zu wahren, sind speziell hier sehr kleine Chipabmaße nötig. Flash Memory und weitere On-Chip-Peripheriemodule (zum Beispiel mit RTC, Watchdog, ADC) vereinfachen die Hardwareentwicklung. Dies ermöglicht eine kompakte Single-Chip-Lösung, die sowohl die Analog- als auch die Digitalseite umfasst. Als Chip-Gehäuse bieten sich an: BGA mit 10 mm × 10 mm und 0,8 mm Ballpitch oder, für noch kleinere Formfaktoren, VQFN-64-Gehäuse mit 8 mm × 8 mm, 0,4mm Pinpitch und 0,98 mm Höhe.
Zusammenfassung
Die Verfügbarkeit kleinerer Gehäuse ermöglicht neue Anwendungen oder verbessert bereits bestehende. Da der Umstieg auf diese Gehäuse keine Abstriche an der Leistungsfähigkeit oder Peripherieausstattung der Mikrocontroller erfordert, lassen sich Applikationen auf kleinen Leiterplatten realisieren und mit leistungsfähigen Mikrocontrollern implementieren.
Die Mikrocontroller der SuperH- und H8S(X)-Familie des Herstellers sind inzwischen in einer großen Gehäusepalette lieferbar: vom VQFN-52 (7 mm × 7 mm) über das VQFN-64 (8 mm × 8 mm) und das BGA-176 (13 mm × 13 mm) bis hin zum 9 mm × 9 mm großen, 1,2 mm dünnen LGA-145. Diese Gehäuse weisen Vorteile auf, die nicht unmittelbar ins Auge fallen. Sie bringen aber auch bestimmte Design-Herausforderungen mit sich. Allerdings werden diese Herausforderungen entschärft, etwa durch die Möglichkeiten des Boundary-Scan-Tests und verbesserte Debug-Eigenschaften.
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