Startseite > Halbleiter > Mikrocontroller > Leistungsstarke MCUs - auch in kompakten Gehäusen

Renesas Electronics

Leistungsstarke MCUs - auch in kompakten Gehäusen

9. April 2025, 14:00 Uhr | Graeme Clark, Principal Engineer, Renesas Electronics

Bei neuen, intelligenten Produkten fordern Nutzer: mehr Funktionen, komplexere Anwendungen, geringeren Stromverbrauch, kleinere Bauform – und natürlich einen niedrigeren Preis. All diese Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen, ist herausfordernd – eine Lösung: die neusten MCUs in kompakten Gehäusen.

▶ Diesen Artikel anhören

Die Forderung nach mehr Leistung bei geringerer Leistungsaufnahme hat Renesas zur Entwicklung der neuen Mikrocontroller-Gruppe RA4L1 veranlasst. Ein leistungsstarker Cortex M33-Prozessorkern mit 512 KB Dual-Bank-Flash-Speicher und einer Vielzahl leistungsfähiger Peripheriefunktionen wurde als Single-Chip-Mikrocontroller für zahlreiche Consumer- und Industrieanwendungen entwickelt. Abbildung 1 zeigt das Blockschaltbild des RA4L1. Um den anhaltenden Trend zur Miniaturisierung zu unterstützen, sind diese Mikrocontroller in einer Reihe von kompakten Gehäusevarianten erhältlich. Dazu gehören Low-Profile-Quad-Flat-Package-Optionen (LQFP), ein Quad-Flat-No-Lead-Package (QFN), zwei Ball-Grid-Array-Optionen (BGA) und ein Wafer-Level-Chip-Scale-Package (WLCSP).

Jobangebote+ passend zum Thema

Field Account Manager (m/w/d) für das Vertriebsbüro in Pforzheim

GLYN GmbH & Co. KG, Pforzheim

Technischer Vertriebsmitarbeiter (m/w/d) für Industrie-PCs / Embedded Systeme

GLYN GmbH & Co. KG, Idstein

Trainee Vertrieb und Produktmanagement (m/w/d) für Bachelorabsolventen

GLYN GmbH & Co. KG, Idstein

Alle Jobangebote im Elektroniknet Karrierebereich anzeigen

Dieser Artikel befasst sich mit den Funktionen und Vorteilen der Verwendung eines BGA-Gehäuses für eine typische Mikrocontroller-Anwendung. Außerdem erläutert er einige der Design-Entscheidungen, die zu treffen sind, ob ein BGA eine gute Lösung für die angeführte Beispiel-Anwendung ist.

Der RA4L1 ist in drei kompakten Gehäuseoptionen erhältlich: einem 100-Ball-BGA-Gehäuse mit offener Anordnung und einer Kantenlänge von 7 x 7 mm, einem 64-Ball-BGA-Gehäuse mit 5,5 x 5,5 mm, beide mit einem Rastermaß von 0,5 mm, sowie einem 72-Ball-WLCSP-Gehäuse mit den Kantenlängen 3,64 x 4,28 mm und einem Rastermaß von 0,4 mm. Diese Gehäuse bieten Entwicklern die Vorteile eines physisch kompakten Gehäuses mit sehr hoher I/O-Dichte. Abhängig von den Anforderungen der Anwendung stehen verschiedene Layout-Optionen zur Verfügung. Weitere Details zu diesen kompakten Gehäusen sind untenstehend aufgeführt.

Das WLCSP-Gehäuse entspricht im Wesentlichen der Größe des Mikrocontroller-Dies selbst. Es bietet die kleinste verfügbare Gehäuseoption für einen Baustein. Zudem ist das WLCSP typischerweise auch sehr dünn, wodurch es besonders nützlich für Anwendungen ist, in denen die Bauhöhe eine wichtige Rolle spielt. Darüber hinaus wird häufig ein sehr feines Rastermaß verwendet, um die Anzahl der Anschlüsse und die Anzahl der verfügbaren I/O-Pins im Gehäuse zu maximieren. Der Einsatz eines WLCSPs erfordert jedoch strengere Designregeln. Dies gilt sowohl für das Leiterplattenlayout und das Leiterplattenmaterial als auch für das Equipment, das für die Fertigung von Produkten mit diesem Gehäusetyp erforderlich ist.

Das folgende Diagramm vergleicht den inneren Aufbau eines typischen BGA-Gehäuses mit dem eines typischen LQFP-Gehäuses. An dieser Stelle zeigt sich einer der Vorteile des BGA-Gehäuses. In einem BGA-Gehäuse ist der Chip auf einem kleinen Substrat montiert. Das bedeutet, dass in einem BGA-Gehäuse einige zusätzliche interne Verbindungen untergebracht werden können, so dass dem Anwender bei gleicher Anzahl von Anschlüssen oft zusätzliche I/O-Pins zur Verfügung stehen. Ein Beispiel hierfür ist das BGA64-Gehäuse des RA4L1-Mikrocontrollers, der über mehr Ein-/Ausgänge als die LQFP-Version verfügt.

BGA-Gehäuse bieten gegenüber herkömmlichen oberflächenmontierten Gehäusen mehrere Vorteile.

BGA-Gehäuse verfügen mit ihrem Ball-Raster typischerweise über eine höhere I/O-Dichte als andere Gehäusetypen. Ein typisches 100-Pin-LQFP-Gehäuse mit einer vergleichbaren Anzahl an Ein-/Ausgängen hat eine typische Fläche von 10 x 10 mm² und benötigt für die Montage mehr als die doppelte Leiterplattenfläche.
Einer der größten Vorteile eines BGA-Gehäuses ist seine kompakte Größe, die wesentlich weniger Platz auf der Leiterplatte einnimmt als herkömmliche Gehäuseoptionen.
BGA-Gehäuse sind robuster als herkömmliche Gehäusetypen wie QFPs, da die Lötanschlüsse mechanische Belastungen gleichmäßiger über das gesamte Gehäuse verteilen. Dies kann die Auswirkungen von Vibrationen und Stößen auf das Gehäuse verringern. Dadurch eignen sich BGA-Gehäuse für viele Anwendungen, bei denen solche Belastungen auftreten können.
BGA-Gehäuse haben typischerweise kürzere elektrische Verbindungen zwischen dem Chip und den Lötanschlüssen des Gehäuses. Das führt zu geringeren Signalverzögerungen und verbesserten Hochfrequenzeigenschaften. Dies ist besonders wichtig in Designs, die empfindlich auf elektrische Störeinflüsse reagieren.
Aufgrund der großen Oberfläche der Solder Balls bei BGAs verfügt das Gehäuse über eine bessere Wärmeableitung im Vergleich zu herkömmlichen Gehäusen.

Vor der Entscheidung für ein BGA-Gehäuse sollten auch die Nachteile eines BGA-Gehäuses in Betracht gezogen werden:

Mangelnde Flexibilität der Solder Balls.
Der Herstellungsprozess für BGAs kann teurer sein, da häufig zusätzliches Equipment benötigt wird. Außerdem ist die Anzahl der Fertigungsstraßen für BGA-Gehäuse begrenzt, auch wenn sie zunimmt.
Das Testen und Prüfen der Lötverbindungen von BGA-Gehäusen ist schwierig und kann teure Maschinen wie Röntgengeräte oder zusätzlichen Aufwand bei der Gestaltung von Testverfahren erfordern, um sicherzustellen, dass das Bauteil korrekt verlötet ist.
Der Einsatz von BGA-Gehäusen kann die Entwicklung von Prototypen erschweren. Für die Herstellung einer Prototypenserie ist eine vollständige Produktionslinie erforderlich. Änderungen sind oftmals nicht so einfach möglich wie bei herkömmlichen Gehäusevarianten.

Das 100-Ball-BGA-Open-Array-Gehäuse bietet alle Vorteile eines herkömmlichen BGA-Gehäuses. Es verfügt jedoch über ein offenes Array bzw. Raster, das sich leichter routen lässt als ein Design mit einem vollständig belegten BGA-Raster. Dadurch kann der Anwender kostengünstigere 2- oder 4-lagige Leiterplatten verwenden, anstatt der typischen 6- oder 8-lagigen Leiterplatten zur vollständigen Anbindung eines 100-Ball-BGA-Gehäuses. Dank dieser Open-Array-Option eignet sich diese Version des RA4L1 ideal für Anwendungen, die kleine Gehäusegrößen erfordern, aber gleichzeitig äußerst kostensensitiv sind. Hierzu gehören Consumer-Anwendungen wie Digitalkameras, Drucker und Router.

Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für das Layout einer Leiterplatte mit dem Open-Array-BGA. Diese veranschaulicht den Hauptvorteil dieses Gehäuses: Obwohl es eine hohe Dichte an verfügbaren Ein-/Ausgängen bietet – mit 100 Balls in einem 7 × 7 mm² großen Gehäuse – verwendet der RA4L1 ein offenes Raster bzw. eine Anordnung mit fehlenden Balls. Dadurch entstehen Lücken im Raster, die das einfache Herausführen der Leiterbahnen ermöglichen, sodass das Bauteil auch auf kostengünstigeren Leiterplatten geroutet werden kann.

In Abbildung 4 ist ein Teil eines Routing-Designs zu sehen, das die Leiterbahnen der obersten Leiterplattenschicht in Rot und die benötigten Durchkontaktierungen sowie Leiterbahnen der unteren Schicht der Leiterplatte in Grün zeigt. Wie zu erkennen ist, erleichtern die Lücken im Array das Routing dieses Designs, da jede Ball-Pad-Verbindung auf dem Gehäuse genügend Platz für eine Leitungsführung bietet – ganz ohne spezielle Technologien oder den Einsatz von teuren Micro-Durchkontaktierungen unter den Balls.

Dieser Designansatz erleichtert das Routing der Leiterplatte erheblich und ermöglicht den Einsatz kostengünstigerer Leiterplattenmaterialien.

Dieser Artikel hat die Vorteile von BGA-Gehäusen für Mikrocontroller-Designs genauer unter die Lupe genommen. Der Entwickler muss jedoch sowohl die Vor- als auch die Nachteile des Gehäuses berücksichtigen. Dies gilt nicht nur in der Entwurfsphase, sondern während des gesamten Produktlebenszyklus, insbesondere bei der Fertigung und einer möglichen Nachbearbeitung. Ein BGA-Gehäuse kann eine kompakte Lösung bieten, wenn der Platz begrenzt ist, aber gleichzeitig eine hohe Anzahl an Ein-/Ausgängen erforderlich ist.

Der RA4L1 vereint den Einsatz kompakter Gehäusetechnologie mit einem leistungsstarken Cortex-M33-Kern und leistungsfähigen On-Chip-Peripheriefunktionen. Der Fachbeitrag hat einen Überblick über die verschiedenen verfügbaren Optionen kompakter Gehäuse und die Vorteile der jeweiligen Varianten – insbesondere des 100-Ball-BGA-Open-Array-Gehäuses – vermittelt.

Weitere Informationen über die Funktionen des RA4L1 und die für diesen Baustein verfügbaren kompakten Gehäuseoptionen, einschließlich BGA-Optionen und BGA-Open-Array-Gehäuse, sind hier zu finden. Dort ist auch ein nützlicher Applikationsbericht mit den empfohlenen Richtlinien für das Leiterplatten-Layout verfügbar. Dieses Dokument richtet sich an Entwickler, die bisher vor allem mit LQFP-Gehäusen gearbeitet haben und sich näher mit BGA-Gehäusen befassen möchten, um diese möglicherweise erstmals einzusetzen.