CN111459875A - 一种mcu处理器及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路设计和应用领域，公开了一种MCU处理器及其封装方法，包括国产CPU、FLASH、FPGA、EEPROM和电源管理模块；CPU通过SPI接口与FLASH连接，完成内嵌存储空间的扩展；在FPGA上设置有配置操作寄存器和若干扩展接口，配置操作寄存器与CPU的存储器控制器接口连接，若干扩展接口均与配置操作寄存器连接；EEPROM与FPGA的EEPROM接口连接，电源管理模块输入一种电源，输出端为LCR3209处理器、FLASH、FPGA、和EEPROM供电。相较现有单片电路和SIP集成模块，本发明MCU处理器既能满足高主频、高性能的需求，又能满足设备更新升级中对通讯接口、控制接口的需求，还能实现单种电源供电，降低功耗，满足国产化、通用性、高性能、高可靠、低成本、低功耗需求。

Description

一种MCU处理器及其封装方法

技术领域

本发明属于集成电路设计和应用领域，涉及一种MCU处理器及其封装方法。

背景技术

随着设备控制需求的飞速发展，使得设备更新升级中对处理器的通讯接口、控制接口的需求大幅提升，随之带来的是现有处理器集成模块，如单片电路或SIP集成模块，都不能满足新品研发和更新换代的需求。

参见图1和2，现有单片电路和SIP集成模块的功能框图。首先，单片电路因设计技术和实现技术的缺陷，很难集成需求的通信接口和存储空间，其只能集成少量的控制/通讯接口与一定数量的外围电路形成最小系统，不能满足对处理器外部接口、存储空间和供电的需求。其次，现有的SIP等集成模块一般以性能参数较低的处理器为基础集成，虽然满足外部接口的需求，但处理器一般为单核处理器，性能不高，且受限于器件功耗和尺寸，供电种类较多，功耗较大。再次，一般的单片电路或SIP集成模块都需要外部供电，需要在系统集成时增加特定的供电设计，不利于使用和集成开发。最后，一般的SIP集成模块采用Bond线的方式完成器件与基板的连接，基板的可利用空间减小，且产品质量等级不易保障。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中现有处理器集成模块不能满足设备更新升级中对处理器性能、通讯接口和控制接口的需求，供电复杂不利于系统集成，以及对基板利用空间不大、不易保障产品质量等级的缺点，提供一种MCU处理器及其封装方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明一方面，一种MCU处理器，包括CPU、FPGA、EEPROM和电源管理模块；FPGA上设置有配置操作寄存器和若干扩展接口，配置操作寄存器与CPU的存储器控制器接口连接，若干扩展接口均与配置操作寄存器连接；EEPROM与FPGA的EEPROM接口连接，电源管理模块的输入端用于连接外部电源，输出端与CPU、FPGA和EEPROM的供电接口均连接；CPU用于通过存储器控制器接口读写配置操作寄存器进行若干扩展接口的配置和控制；电源管理模块用于将外部电源供电接口的输入电压转换为CPU、FPGA和EEPROM的供电电压并分别输出至CPU、FPGA和EEPROM。

本发明MCU处理器进一步的改进在于：

还包括FLASH芯片，FLASH芯片与CPU的SPI接口连接，FLASH芯片的供电接口与电源管理模块的输出端连接，电源管理模块用于将外部电源供电接口的输入电压转换为FLASH芯片的供电电压。

所述FLASH芯片的型号为SM25P64。

所述若干扩展接口中至少100个未配置。

所述CPU的型号为LCR3209处理器，所述FPGA的型号为SMQ4VLX25-10-FF668，所述EEPROM的型号为SM16PV0G48C，所述电源管理模块的型号为LYM4643。

还包括硅基板，所述CPU、FPGA、EEPROM和电源管理模块均设置在硅基板上。

所述电源管理模块的输出端上还设置电源输出接口，电源输出接口用于输出预设值的电压。

本发明另一方面，一种MCU处理器的封装方法，包括以下步骤：

步骤1：根据CPU、EEPROM和FLASH芯片的功能管脚布置，设计CPU基板、EEPROM基板和FLASH芯片基板，将CPU、EEPROM和FLASH芯片分别安装在CPU基板、EEPROM基板和FLASH基板上，并在CPU基板、EEPROM基板和FLASH基板上进行凸点制备，得到封装CPU、封装EEPROM和封装FLASH；

步骤2：根据CPU、FPGA、EEPROM、FLASH芯片和电源管理模块的连接关系设计硅基板，将封装FPGA、电源管理模块、封装CPU、封装EEPROM和封装FLASH安装在硅基板上实现互联，然后采用塑封工艺完成封装。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明MCU处理器，采用CPU与FPGA互联的可扩展设计，替代单片电路或SIP集成模块，在FPGA上设置有配置操作寄存器和若干扩展接口，配置操作寄存器与CPU的存储器控制器接口连接，CPU用于通过存储器控制器接口读写配置操作寄存器进行若干扩展接口的配置和控制，利用FPGA的可灵活配置和资源丰富的特点，通过FPGA进行接口资源的外扩，能够充分满足设备更新升级中对处理器通讯接口和控制接口需求。通过设置电源管理模块，电源管理模块与CPU、FPGA和EEPROM的供电接口均连接，输入电压转换为CPU、FPGA和EEPROM的供电电压并可输出，实现MCU处理器的单种电源供电，不需要外围电路即可完成系统集成，简化了系统设计，降低设计复杂性，有利于MCU处理器的应用和集成开发，也在一定程度上降低了功耗。

进一步的，还包括FLASH芯片，FLASH芯片与LCR3209的SPI接口连接，完成嵌入式内存的扩展，实现大容量的嵌入式存储空间设计，满足MCU处理器操作系统的移植和运行。

进一步的，若干扩展接口中至少100个未配置，未配置的接口作为预留接口，当设备更新升级后对MCU处理器有新的需求后，可以根据用新的需求进行功能的扩展开发，提升MCU处理器的适应性。

本发明MCU处理器的封装方法，通过将CPU、EEPROM和FLASH芯片封装在基板上后进行凸点制备，然后按照各部分的连接关系设计硅基板，将所有部分安装在硅基板上实现互联，通过塑封工艺完成封装，有效的缩小了封装面积，增加MCU处理器的可靠性；相较于现有的陶瓷封装，不仅降低了封装过程的复杂性，还减少了设计成本。

附图说明

图1为现有单片电路的功能框图；

图2为现有SIP集成模块的功能框图；

图3为本发明实施例的功能框图；

图4为本发明实施例的LCR3209处理器最小系统原理框图；

图5为本发明实施例的FPGA最小系统原理框图；

图6为本发明实施例的LCR3209处理器与FPGA之间的互联关系；

图7为本发明实施例的电源模块功能框图；

图8为本发明实施例的凸点制备示意图；

图9为本发明实施例的封装结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图3至7，本发明MCU处理器，包括集成在硅基板上的CPU、FPGA、EEPROM、FLASH和电源管理模块；在FPGA上设置有配置操作寄存器和若干扩展接口，配置操作寄存器与CPU的存储器控制器接口连接，若干扩展接口均与配置操作寄存器连接；EEPROM与FPGA的EEPROM接口连接，电源管理模块输入端设置电源接口，输出端与CPU、FPGA、FLASH和EEPROM的供电接口均连接，FLASH芯片与CPU的SPI接口连接；CPU用于通过存储器控制器接口读写配置操作寄存器进行若干扩展接口的配置和控制，所述若干扩展接口中至少100个未配置；电源管理模块用于将输入电压转换为CPU、FPGA、FLASH芯片和EEPROM的供电电压并输出。

具体的，本实施例中，CPU的型号为LCR3209处理器，FPGA的型号为SMQ4VLX25-10-FF668，EEPROM的型号为SM16PV0G48C，电源管理模块的型号为LYM4643，FLASH芯片的型号为SM25P64。

LCR3209处理器集成片内SRAM和片内FLASH，为了满足MCU处理器后续运行操作系统等的需求，将LCR3209处理器的SPI接口外接SM25P64，形成LCR3209处理器最小系统，选用LCR3209处理器作为MCU处理器的主处理器，其集成CORTEX R4锁步双核，集成了存储器控制器、中断控制器、Flexray总线控制器、I2C总线控制器、CAN总线控制器、SPI总线控制器、兼容10/100/1000Mbps的ETH、串行接口UART、PWM以及ADC、DAC等外设，集成了512KB的片上SRAM，用于快速读取代码和/或数据，存储保护单元支持4GB物理地址空间访问保护，512KB的片上FLASH，针对坏块支持冗余备份功能，最高工作主频300MHz，支持锁步双核操作。

选择与FPGA的逻辑资源相对应的EEPROM，以形成SMQ4VLX25-10-FF668的最小系统，利用FPGA的可灵活配置和资源丰富的特点，将FPGA连接至LCR3209处理器的存储器控制器接口进行接口资源的外扩，本实施例中完成了需求的3路以太网口、一路32位的外部存储器控制器接口和168路的GPIO等接口的外扩，并预留更新升级的空间，即预留了未配置的逻辑资源和接口。通过以上设计，在FPGA中集成功能模块后在顶层设置有配置操作寄存器，由LCR3209处理器的外部存储器控制器接口通过读写配置操作寄存器完成对FPGA外扩接口的配置和控制，完成高主频、高性能、通用性、可扩展MCU处理器的集成。

利用LCR3209处理器的SPI接口连接FLASH SM25P64，完成8MB嵌入式内存的扩展，满足操作系统的移植和运行，集成LCR3209处理器最小系统；选用对标V4的SMQ4VLX25-10-FF668的FPGA管芯，为其集成16M的EEPROM，管芯对标为XCF16PV0G48C，进行程序的加载与调试，形成FPGA最小系统；为了满足两个最小系统的多种电源域供电，选用LYM4643电源管理模块，其输入+5V电源，输出+1.2V/3A、+1.8V/3A、+2.5V/3A和+3.3V/3A这4路电源，分别为LCR3209处理器、SM25P64以及SMQ4VLX25-10-FF668和XCF16PV0G48C供电，实现只用单种电源供电，完成了LCR3209处理器最小系统、FPGA最小系统以及供电系统的集成。

本发明还公开了上述MCU处理器的封装方法，包括以下步骤：

步骤1：根据电源管理模块和其他器件管芯情况，对WB(WireBond，压焊工艺)的管芯进行基板封装，即将CPU、EEPROM和FLASH芯片进行基板封装，FC(Flip Chip，倒晶封装或者覆晶封装)管芯不作处理。具体的，根据CPU、EEPROM和FLASH芯片的功能管脚布置，设计CPU基板、EEPROM基板和FLASH基板，将CPU、EEPROM和FLASH芯片分别封装在CPU基板、EEPROM基板和FLASH基板上，并在CPU基板、EEPROM基板和FLASH基板上进行凸点制备，得到一次封装CPU、一次封装EEPROM和一次封装FLASH。

步骤2：根据CPU、FPGA、EEPROM、FLASH和电源管理模块的之间的连接关系设计硅基板，将FPGA、电源管理模块、一次封装CPU、一次封装EEPROM和一次封装FLASH安装在硅基板上，进行功能管脚的互联和供电设计，完成MCU处理器的工艺集成；对完成工艺集成的MCU处理器采用塑封工艺完成封装，实现MCU处理器的高可靠、低成本、全国产化设计实现。

本发明MCU处理器的应用条件，当用户根据现在和后续技术升级要求确定SIP集成模块的技术指标后，可通过本发明的MCU处理器完成SIP的设计实现，也可为其他领域的高性能、可扩展功能模块的设计提供参考，为开发和应用奠定基础。其中，针对CPU+FPGA互联的可扩展设计，可直接应用于系统集成或功能模块的集成；通过CPU最小系统、FPGA最小系统及电源管理模块最小系统的设计，为后续的应用提供了参考，也简化了针对模块的系统集成；针对功能模块的凸点制备和塑封设计实现，在满足应用环境要求的前提下简化了封装工艺，增加了可靠性，减少了成本，为高性能、低成本MCU处理器的设计提供范本，选用全国产化器件，该设计可应用于具有相同技术要求的高性能、低成本、全国产化的通用MCU处理器的设计中。

综上，本发明MCU处理器采用国产化高性能CPU与FPGA的互联设计，替代单片电路或SIP集成模块，相较于常规，该种设计方式不仅可以确保MCU处理器的高性能，在覆盖现有功能需求的同时，还预留了扩展升级的空间，极大地提高了MCU处理器的功能和性能；利用FLASH芯片集成LCR3209处理器的最小系统和利用FPGA管芯和EEPROM管芯集成FPGA的最小系统，并利用电源管理模块实现单路电源供电的设计，不需要外围电路即可完成系统集成，简化了系统设计；采用的基板封装后凸点制备工艺和塑封工艺将MCU处理器的最小系统、FPGA最小系统以及供电系统封装到一个模块中，不仅实现了国产化、小型化、高可靠性，还考虑了低成本设计。

基于某项目技术要求，CPU不低于300MHz双核国产芯片、4MB嵌入式闪存、512KBRAM、128KB数据FLASH、16BIT外部存储器接口，总线接口：4路CAN总线、4路SCI总线、2路FLEXRAY，控制接口：4路百兆以太网控制接口MII，168路GPIO，5V工作电压，功耗≤8W，工作温度范围为-40～85℃，进行MCU处理器的集成设计。根据其设计功能和性能需求，应用本发明的MCU处理器，可全覆盖其技术参数，并根据现使用的处理器功能进行合集统计，集成了ADC、DCA、I2C、PWM等功能模块，实现通用性的同时，还预留了FPGA的可编程和扩展资源，可满足未来相当长一段时间内设备对高性能处理器模块的需求。MCU处理器全面覆盖了技术要求提出的技术指标和参数，并根据现有应用及后续更新升级的需求，进行了功能的扩展和预留了空间，可以根据用户的需求进行功能的扩展开发，为设备的更新升级提供了强力的核心。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种MCU处理器，其特征在于，包括CPU、FPGA、EEPROM和电源管理模块；

FPGA上设置有配置操作寄存器和若干扩展接口，配置操作寄存器与CPU的存储器控制器接口连接，若干扩展接口均与配置操作寄存器连接；EEPROM与FPGA的EEPROM接口连接，电源管理模块的输入端用于连接外部电源，输出端与CPU、FPGA和EEPROM的供电接口均连接；

CPU用于通过存储器控制器接口读写配置操作寄存器进行若干扩展接口的配置和控制；电源管理模块用于将外部电源供电接口的输入电压转换为CPU、FPGA和EEPROM的供电电压并分别输出至CPU、FPGA和EEPROM。

2.根据权利要求1所述的MCU处理器，其特征在于，还包括FLASH芯片，FLASH芯片与CPU的SPI接口连接，FLASH芯片的供电接口与电源管理模块的输出端连接，电源管理模块用于将外部电源供电接口的输入电压转换为FLASH芯片的供电电压。

3.根据权利要求2所述的MCU处理器，其特征在于，所述FLASH芯片的型号为SM25P64。

4.根据权利要求1所述的MCU处理器，其特征在于，所述若干扩展接口中至少100个未配置。

5.根据权利要求1所述的MCU处理器，其特征在于，所述CPU的型号为LCR3209处理器，所述FPGA的型号为SMQ4VLX25-10-FF668，所述EEPROM的型号为SM16PV0G48C，所述电源管理模块的型号为LYM4643。

6.根据权利要求1所述的MCU处理器，其特征在于，还包括硅基板，所述CPU、FPGA、EEPROM和电源管理模块均设置在硅基板上。

7.根据权利要求1所述的MCU处理器，其特征在于，所述电源管理模块的输出端上还设置电源输出接口，电源输出接口用于输出预设值的电压。

8.一种权利要求2所述MCU处理器的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据CPU、EEPROM和FLASH芯片的功能管脚布置，设计CPU基板、EEPROM基板和FLASH芯片基板，将CPU、EEPROM和FLASH芯片分别安装在CPU基板、EEPROM基板和FLASH基板上，并在CPU基板、EEPROM基板和FLASH基板上进行凸点制备，得到封装CPU、封装EEPROM和封装FLASH；

步骤2：根据CPU、FPGA、EEPROM、FLASH芯片和电源管理模块的连接关系设计硅基板，将封装FPGA、电源管理模块、封装CPU、封装EEPROM和封装FLASH安装在硅基板上实现互联，然后采用塑封工艺完成封装。

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