微控制器的封裝在系統(tǒng)的小型化中起著關(guān)鍵作用。芯片上外設(shè)選擇，焊盤數(shù)量和芯片尺寸的權(quán)衡都限制了縮小微控制器尺寸的能力，但仍然有助于減小終端設(shè)備的整體尺寸。

散熱問題也很重要考慮微控制器的尺寸變小。隨著小型芯片上的晶體管越來越多，以更高的頻率運(yùn)行，功耗是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。在降低電壓和選通不同外圍設(shè)備以使未使用的元件不消耗功率的同時(shí)可以降低總熱負(fù)荷，然后必須有效地去除產(chǎn)生的多余熱量或者微控制器將降級(jí)并最終失效。這是微控制器系統(tǒng)小型化時(shí)必須考慮的一個(gè)關(guān)鍵可靠性問題。

這是引腳與尺寸之間的折衷所在。封裝上的附加引腳可用于連接散熱通孔，以消除多余的熱量來自微控制器和其他可能對(duì)高溫敏感的設(shè)備，如無線接口。

雖然最新的芯片級(jí)封裝可以減少具有特定功能的設(shè)備的總體占用空間，但占用的面積減少了四分之一，將更多外設(shè)集成到器件中并擁有更多引腳進(jìn)行散熱的機(jī)會(huì)可能更為重要。

設(shè)計(jì)人員還必須意識(shí)到小型化的目標(biāo)。 ARM 32位內(nèi)核，例如Cortex-M0 +甚至M4，小于1平方毫米的硅片 - 芯片尺寸更多地取決于芯片上的內(nèi)存量，對(duì)于封裝考慮至關(guān)重要，需要連接外部世界的外圍設(shè)備。最小的M0器件，例如飛思卡爾的Kinetis KL02，在芯片級(jí)封裝中可以小到1.9 x 2.0 mm，幾乎不比芯片本身大。在不到4平方毫米的情況下，與球柵陣列或LGA封裝相比，PCB面積減少了25％，但GPIO的數(shù)量增加了60％，最多可達(dá)28行。這一舉措幾乎是“硅塵”，使設(shè)計(jì)人員能夠大幅減小電路板尺寸，同時(shí)不會(huì)影響最終產(chǎn)品的性能，功能集成和功耗。

圖1：Kinetis KL02采用芯片級(jí)封裝的系列產(chǎn)品可提供幾平方毫米的完整微控制器。

在這種尺寸下，功耗和散熱考慮是關(guān)鍵，芯片上可以做很多事情來降低整體功耗并允許一個(gè)較小的包裹。該內(nèi)核以48 MHz的頻率運(yùn)行，有助于在整個(gè)-40°C至+ 105°C的溫度范圍內(nèi)保持功率下降，并允許器件在盡可能多的不同環(huán)境中使用。還有多種低功耗模式，例如新的計(jì)算模式，通過將外設(shè)置于異步停止模式來降低動(dòng)態(tài)功耗。低功耗UART（LPUART），SPI，I2C，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，低功耗定時(shí)器和DMA引擎均支持低功耗模式操作，無需喚醒內(nèi)核即可運(yùn)行。

但是，這并不一定反映硅的實(shí)際用途。如果需要單獨(dú)的掩模，制造具有各種外圍設(shè)備和存儲(chǔ)器選項(xiàng)的微控制器的許多不同版本實(shí)際上是昂貴的。相反，實(shí)現(xiàn)和制造具有超集功能的單一設(shè)計(jì)，并且僅連接一組特定功能。這使得硅供應(yīng)商能夠提供廣泛的產(chǎn)品，同時(shí)最大限度地降低制造成本并從規(guī)模經(jīng)濟(jì)中獲益。

下一個(gè)發(fā)展階段是創(chuàng)建更靈活的I/O配置。正如內(nèi)部總線矩陣連接外設(shè)一樣（如Atmel 4S系列），供應(yīng)商也在推出帶有連接I/O引腳的矩陣的設(shè)計(jì)。這允許任何外設(shè)連接到任何I/O引腳，為供應(yīng)商提供更大的靈活性，以提供一系列引腳兼容的器件，其中相同的I/O始終位于同一位置。由于存在備用硅，這有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在不影響整體尺寸的情況下實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性能的設(shè)計(jì)。

這一切都意味著封裝技術(shù)是微控制器小型化的關(guān)鍵。 Atmel開發(fā)了SAM G51系列閃存微控制器，它也基于具有浮點(diǎn)支持的M4內(nèi)核。它還可以以48 MHz的最高速度運(yùn)行，具有高達(dá)256 KB的閃存和高達(dá)64 KB的SRAM。外設(shè)集包括一個(gè)USART，兩個(gè)UART，兩個(gè)TWI，一個(gè)高速TWI，最多兩個(gè)SPI，一個(gè)三通道通用16位定時(shí)器，一個(gè)RTT和一個(gè)8通道，12位ADC，提高引腳數(shù)要求。

圖2：Atmel SAM G51系列微控制器顯示了封裝選項(xiàng)范圍。

該外設(shè)集允許SAM G51系列針對(duì)a廣泛的應(yīng)用包括消費(fèi)者，工業(yè)控制和PC外圍設(shè)備，只有兩種封裝類型 - 49球WLCSP芯片級(jí)封裝或100引腳LQFP封裝。

與此同時(shí)，Atmel的SAM4S系列也基于ARM Cortex-M4處理器內(nèi)核。它的最高運(yùn)行速度為120 MHz，具有高達(dá)2048 KB的閃存，可選的雙存儲(chǔ)區(qū)實(shí)現(xiàn)和高速緩存，以及高達(dá)160 KB的SRAM。外設(shè)包括帶嵌入式收發(fā)器的全速USB設(shè)備端口，用于SDIO/SD/MMC的高速M(fèi)CI，帶存儲(chǔ)器控制器的外部總線接口，兩個(gè)USART，兩個(gè)UART，兩個(gè)TWI，三個(gè)SPI，一個(gè)I2S，以及一個(gè)PWM定時(shí)器，兩個(gè)三通道通用16位定時(shí)器（具有步進(jìn)電機(jī)和正交解碼器邏輯支持），一個(gè)RTC，一個(gè)12位ADC，一個(gè)12位DAC和一個(gè)模擬比較器。 》所有這些都對(duì)包裝和引腳數(shù)量提出了更高的要求。該系列具有多達(dá)79個(gè)I/O線，具有外部中斷功能（邊沿或電平靈敏度），去抖，毛刺濾波和片上串聯(lián)電阻終端，以及3個(gè)32位并行輸入/輸出控制器。 》這導(dǎo)致了一系列封裝，從100引腳到48引腳，但使用更傳統(tǒng)的技術(shù)：

100引腳封裝

LQFP，14 x 14 mm，間距0.5 mm

TFBGA，9 x 9 mm，間距0.8 mm

VFBGA，7 x 7 mm ，間距0.65 mm

64引腳封裝

LQFP，10 x 10 mm，間距0.5 mm

QFN，9 x 9 mm，間距0.5 mm

WLCSP，4.42 x 3.42 mm，間距0.4 mm（SAM4S16/S8）

WLCSP，3.32 x 3.32 mm，間距0.4 mm（SAM4S4/S2）

48引腳封裝

LQFP，7 x 7 mm，間距0.5 mm

QFN，7 x 7 mm，間距0.5 mm

圖3：Atmel SAM4S系列具有更廣泛的外設(shè)選項(xiàng)，可實(shí)現(xiàn)更大的封裝。

未來趨勢(shì)

在同一封裝中疊加芯片的新封裝技術(shù)也有助于減少整體足跡。微控制器芯片不是在微控制器旁邊有一個(gè)單獨(dú)的存儲(chǔ)芯片，而是安裝在一個(gè)封裝中的存儲(chǔ)器芯片或大型FPGA的頂部。這種方法通常稱為2.5D，需要硅中介層和硅通孔（TSV），這是一種相對(duì)較新的技術(shù)，現(xiàn)在正在逐漸成熟并變得越來越普遍。這用于需要大量存儲(chǔ)器的高端設(shè)備，這些設(shè)備無法經(jīng)濟(jì)高效地集成在單個(gè)芯片上。

全3D封裝可將多個(gè)芯片直接堆疊在一起;也許邊緣上有I/O焊盤，以允許不同器件之間的互連。雖然這是小型化的長(zhǎng)期目標(biāo)，將印刷電路板上的所有元件從微控制器到存儲(chǔ)器和無線接口整合到一個(gè)封裝器件中，但它仍然需要克服許多成本，可靠性和散熱問題。 br》結(jié)論

來自多個(gè)供應(yīng)商的各種微控制器隱藏了這種設(shè)備小型化的策略。來自一個(gè)供應(yīng)商的不同系列的封裝范圍，都在同一個(gè)核心，展示了封裝，外設(shè)組合，功耗和系統(tǒng)尺寸之間的復(fù)雜權(quán)衡。在性能曲線的下游，具有復(fù)雜外設(shè)的32位控制器現(xiàn)在只有幾平方毫米，成為滲透到物聯(lián)網(wǎng)中的“硅塵”。