SIP技術(shù)在波控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

謝勇光

SIP技術(shù)在波控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

謝勇光

文章首先介紹了SIP(System in Package)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用情況，然后根據(jù)波控系統(tǒng)芯片化、集成化、高可靠的未來技術(shù)需求，詳細(xì)探討了SIP技術(shù)在波控系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，提出了基于SIP技術(shù)的波控系統(tǒng)模塊的產(chǎn)品架構(gòu)及實現(xiàn)。

系統(tǒng)級封裝；芯片化；相控陣?yán)走_；波控系統(tǒng)

一、引言

系統(tǒng)級封裝SIP(system in package)是一種基于SOC的新型封裝技術(shù)，將一個或多個芯片及可能的無源元件構(gòu)成的高性能模塊通過基板裝載在一個陶瓷管殼、金屬管殼或樹脂腔體中，具備一個系統(tǒng)的功能。

SIP技術(shù)和SOC技術(shù)相似，都是基于更小體積、更多功能、更好穩(wěn)定性的前提下發(fā)展而來的。特別是SIP不僅提出了系統(tǒng)級封裝的概念，更是一種創(chuàng)意的封裝思想，開拓了一種低成本系統(tǒng)集成的可行思路與方法，同時較好的解決了SOC中諸如工藝兼容、信號混合、電磁干擾EMI、芯片體積、開發(fā)成本等問題。SIP封裝集成能最大程度上優(yōu)化系統(tǒng)性能，避免重復(fù)封裝，縮短開發(fā)周期，降低成本并提高集成度，在移動通信、藍牙模塊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計算機及外設(shè)、數(shù)碼產(chǎn)品、圖像傳感器等方面有很大的市場需求。

隨著技術(shù)的發(fā)展，相控陣?yán)走_儼然成為新一代先進電子平臺的核心，多功能的技術(shù)體制、日趨復(fù)雜的作戰(zhàn)背景、抗雜波干擾及探測通信一體化實現(xiàn)推動相控陣?yán)走_向多功能、數(shù)字化和智能化發(fā)展，波控系統(tǒng)作為相控陣?yán)走_的重要組成部分，不僅要具備快速靈活的波束算法、智能陣面管理與重構(gòu)和高速高精度數(shù)據(jù)接口等功能，而且在工程實現(xiàn)上則向小型化、芯片化發(fā)展。

SIP是針對某個系統(tǒng)進行功能劃分，選擇優(yōu)化的IC芯片及元件來實現(xiàn)這些功能，采用成熟的高密度互連技術(shù)與單芯片封裝相同或相似的設(shè)備、材料、工藝技術(shù)制作生產(chǎn)，在封裝中構(gòu)成系統(tǒng)級集成，提高性能的同時降低成本。波控系統(tǒng)包括運算單元、控制單元、接口、存儲等多個芯片，通過SIP技術(shù)，可以將這些芯片封裝在一個芯片載體中，實現(xiàn)波控系統(tǒng)的全部功能，滿足小型化、低功耗、高性能、高集成的系統(tǒng)要求。

二、SIP技術(shù)特點

SIP目前作為最高級封裝技術(shù)，代表著封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢。經(jīng)過多年的發(fā)展，已取得了許多重要突破，架構(gòu)上將芯片平面置放改為堆疊式封裝，使密度增加，性能大大提高，在多方面存在極大的優(yōu)勢特性，主要表現(xiàn)歸納如下：

1.采用高密度互連基板和立體封裝，大大減小PCB面積及重量，實現(xiàn)了系統(tǒng)小型化；

2.采用先進的封裝工藝，確保高強度的機械性能（震動、沖擊）、抗化學(xué)腐蝕能力及高可靠性，各部件、電路被有效屏蔽，降低寄生效應(yīng)，增強抗電磁干擾能力；

3.采用單封裝體來完成一個系統(tǒng)目標(biāo)產(chǎn)品的全部互連以及功能和性能參數(shù)，降低系統(tǒng)功耗和內(nèi)部互聯(lián)復(fù)雜性，具備更好的電氣性能；

4.充分利用現(xiàn)有芯片資源，以最佳方式和最低成本達到系統(tǒng)的設(shè)計性能，從而減少了設(shè)計、驗證、調(diào)試的復(fù)雜性與系統(tǒng)實現(xiàn)量產(chǎn)的時間。

SIP主要采用現(xiàn)有的封裝和組裝工藝，它區(qū)別于傳統(tǒng)封裝技術(shù)的地方在于與系統(tǒng)集成有關(guān)的兩個方面：系統(tǒng)模塊的劃分和設(shè)計及實現(xiàn)系統(tǒng)組合的載體。傳統(tǒng)封裝中的載體，即基板，只是起到互連的作用，而SIP的載體包含電路單元，是系統(tǒng)的組成部分。SIP的實現(xiàn)技術(shù)和工藝可見圖1。

圖1 SIP技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)和工藝組成圖

由圖1可知，SIP的實現(xiàn)包括了多個技術(shù)領(lǐng)域和工藝，基于系統(tǒng)化設(shè)計思想的SIP方案所涉及到設(shè)計、芯片、系統(tǒng)、測試、材料、封裝等諸多層面問題，涵蓋十分廣泛，將會隨其技術(shù)的發(fā)展而擴充完善。

三、波控系統(tǒng)需求分析

未來軍事裝備的電子化和信息化需求對相控陣?yán)走_提出了越來越高的要求，目前，相控陣?yán)走_已經(jīng)突破單一功能的限制，朝綜合化、一體化方向發(fā)展，天線的智能化、數(shù)字化、集成化、輕型及模塊化等需求對波控系統(tǒng)提出了更高的要求。其主要功能包括：

1.高速傳輸接口及高精度同步功能；

2.高速解算功能，實現(xiàn)靈活多變的波束掃描和自適應(yīng)算法；

3.可擴展功能，實現(xiàn)陣面智能控制和系統(tǒng)通用性；

4.存儲功能，實現(xiàn)參數(shù)在線加載和快速讀寫；

5.監(jiān)測功能，實現(xiàn)陣面溫度、功率等狀態(tài)監(jiān)測。

波控系統(tǒng)具備上述功能的同時，還要滿足高集成、低功耗、小型化等要求。

隨著電子、通訊、計算機等技術(shù)的發(fā)展，波控系統(tǒng)的實現(xiàn)途徑采用了多種實現(xiàn)方案：從最初的單片機、DSP、EPLD等已發(fā)展到FPGA、ASIC、SOC等，大大提高了波控的整體設(shè)計水平，但是隨著相控陣?yán)走_技術(shù)的發(fā)展，波控系統(tǒng)也越來越難以滿足傳輸高速化、算法靈活化、控制智能化、系統(tǒng)芯片化的發(fā)展需求。

下一代的波控系統(tǒng)將采用單芯片化設(shè)計，具備快速運算、靈活配置、在線存儲和高速接口等功能，如圖2所示。

圖2 波控系統(tǒng)功能框圖

隨著微電子、集成電路和封裝技術(shù)的高速發(fā)展，波控系統(tǒng)的芯片化技術(shù)已越來越成熟，一種基于ARM核和先進微控制器總線架構(gòu)的波控SOC芯片，采用了高速的硬件運算模塊和靈活的軟件設(shè)計特點，具備了運算、存儲和控制功能，可滿足特點相控陣?yán)走_的工作需求，并已經(jīng)逐步實現(xiàn)了工程化應(yīng)用。

波控SOC芯片初步實現(xiàn)了波控系統(tǒng)的芯片化和小型化，大大提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性，但在應(yīng)用中也存在下列問題：

1.接口單一，速率較低，無法滿足高速傳輸要求；

2.系統(tǒng)功能擴展性不夠，無法滿足不同產(chǎn)品需求；

3.算法固定，無法適應(yīng)不同產(chǎn)品波束控制算法。

SIP技術(shù)給波控系統(tǒng)的芯片化實現(xiàn)帶來了一種全新的途徑，通過SIP技術(shù)，可以將組成波控系統(tǒng)功能的運算、控制、接口、存儲等芯片封裝在一個芯片載體中，實現(xiàn)波控系統(tǒng)的全部功能，滿足小型化、低功耗、高性能、高集成的系統(tǒng)要求。

四、基于SIP的波控芯片技術(shù)研究

相比較波控SOC芯片，波控SIP芯片能實現(xiàn)更高的集成度，發(fā)揮出更強的適應(yīng)性，主要體現(xiàn)在：

1.解決了運算器、FPGA、存儲器、差分接口等芯片的工藝兼容問題；

2.集成的波控系統(tǒng)成熟度高,互連復(fù)雜度較低,易于SIP實現(xiàn)；

3.波控組成元器件分別制造,性能可靠,縮短研制周期；

4.通用性好，一體化程度高，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

波控SIP芯片是一種具有運算、存儲及多種外設(shè)接口的波控系統(tǒng)芯片，其內(nèi)部不僅可集成微處理器、可編程邏輯、FLASH或EEPROM，而且還可集成UART、SERDES、SPI等多種外圍接口，使之構(gòu)成一個功能強大易于擴展的波控系統(tǒng)。波控SIP芯片的設(shè)計主要包括下列三個方面。

（一）系統(tǒng)模塊的劃分與設(shè)計

模塊的劃分是指從系統(tǒng)中分離出一塊功能，既便于后續(xù)的系統(tǒng)整體集成又便于SIP封裝。模塊劃分完成后就進入了電路細(xì)節(jié)的設(shè)計階段。由于SIP集成涉及到的波控系統(tǒng)較為復(fù)雜，包括模塊內(nèi)部的細(xì)節(jié)、模塊與外部的關(guān)系、信號的質(zhì)量、延遲、分布、噪聲等，電路與系統(tǒng)的設(shè)計水平成了標(biāo)志是否具有SIP開發(fā)能力的一個關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)功能劃分，可將系統(tǒng)化為兩大功能模塊：運算模塊和控制模塊，其中運算模塊為一層，主要包括運算器、存儲器、晶振、電源轉(zhuǎn)換等，控制模塊為一層，主要包含各種接口和可編程器件等。

（二）基板設(shè)計

SIP封裝通常使用的基板材料是目前在BGA封裝中已經(jīng)普遍使用的有機多層基板，技術(shù)成熟且有成本優(yōu)勢。但由于無法集成無源器件，應(yīng)用上有局限性。目前受到較多關(guān)注并且具有一定實用前景的是LTCC，它與傳統(tǒng)的HTCC(高溫共燒陶瓷)材料的主要區(qū)別在玻璃含量和燒結(jié)溫度。較高的玻璃含量和較低的燒結(jié)溫度給工藝設(shè)計和制作等帶來方便，可集成無源元件，而且玻璃成分的增加降低了材料的介電常數(shù)，減少了電通路上的功率損耗，具有優(yōu)良的電性能，所以波控SIP芯片將采用LTCC技術(shù)實現(xiàn)模塊的高密度多層互連，而無源元件的埋置處理減小了芯片總體體積，同時便于更好實現(xiàn)氣密性封裝，使芯片具有優(yōu)良的電子、機械、熱學(xué)性能，大大提高可靠性。

（三）模塊組裝技術(shù)

在模塊組裝方面，芯片直接組裝技術(shù)(Chipon Board)和芯片疊加(Chipon Chip)技術(shù)是目前的主流。實現(xiàn)的技術(shù)手段包括引線鍵合和倒裝焊芯片(Flip Chip)。而隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的半導(dǎo)體芯片和封裝將彼此堆疊，可以實現(xiàn)更深層次的3D封裝。

波控SIP芯片具體采用基于陶瓷基板，使用TSVSi轉(zhuǎn)接板單面承載芯片進行堆疊，使用Si封冒的組裝方式，見圖3。

圖3 波控SIP封裝示意圖

五、結(jié)束語

波控SIP芯片綜合運用現(xiàn)有的芯片資源及多種先進封裝技術(shù)的優(yōu)勢，將運算器、FPGA、接口和存儲燈芯片構(gòu)成的波控系統(tǒng)集成在一個單封裝載體，開拓了一種低成本系統(tǒng)集成的可行思路與方法，較好地解決了波控SOC中諸如工藝兼容、功能擴展、信號混合、芯片體積、開發(fā)成本等問題。

波控SIP和波控SOC分別在封裝技術(shù)領(lǐng)域和微電子技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了波控系統(tǒng)的高度集成，為波控系統(tǒng)的小型化和芯片化提供了完整可行的解決方案，二者的關(guān)系不是互相替代，而是互補的。隨著技術(shù)的發(fā)展，波控SIP可以最大限度地靈活應(yīng)用各種不同芯片資源和封裝互連優(yōu)勢，最大程度上優(yōu)化系統(tǒng)性能，避免重復(fù)封裝，縮短開發(fā)周期、降低成本并提高集成度，更大限度滿足相控陣?yán)走_快速發(fā)展的應(yīng)用需求。

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謝勇光，男，南京電子技術(shù)研究所高級工程師，研究方向：電子信息控制和管理系統(tǒng)。

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1008-4428（2015）05-101-02