SIP技術在波控系統中的應用研究

謝勇光

SIP技術在波控系統中的應用研究

謝勇光

文章首先介紹了SIP(System in Package)技術的發展和應用情況，然后根據波控系統芯片化、集成化、高可靠的未來技術需求，詳細探討了SIP技術在波控系統中應用的可行性，提出了基于SIP技術的波控系統模塊的產品架構及實現。

系統級封裝；芯片化；相控陣雷達；波控系統

一、引言

系統級封裝SIP(system in package)是一種基于SOC的新型封裝技術，將一個或多個芯片及可能的無源元件構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，具備一個系統的功能。

SIP技術和SOC技術相似，都是基于更小體積、更多功能、更好穩定性的前提下發展而來的。特別是SIP不僅提出了系統級封裝的概念，更是一種創意的封裝思想，開拓了一種低成本系統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、開發成本等問題。SIP封裝集成能最大程度上優化系統性能，避免重復封裝，縮短開發周期，降低成本并提高集成度，在移動通信、藍牙模塊、網絡設備、計算機及外設、數碼產品、圖像傳感器等方面有很大的市場需求。

隨著技術的發展，相控陣雷達儼然成為新一代先進電子平臺的核心，多功能的技術體制、日趨復雜的作戰背景、抗雜波干擾及探測通信一體化實現推動相控陣雷達向多功能、數字化和智能化發展，波控系統作為相控陣雷達的重要組成部分，不僅要具備快速靈活的波束算法、智能陣面管理與重構和高速高精度數據接口等功能，而且在工程實現上則向小型化、芯片化發展。

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

二、SIP技術特點

SIP目前作為最高級封裝技術，代表著封裝技術的發展趨勢。經過多年的發展，已取得了許多重要突破，架構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勢特性，主要表現歸納如下：

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，實現了系統小型化；

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，增強抗電磁干擾能力；

3.采用單封裝體來完成一個系統目標產品的全部互連以及功能和性能參數，降低系統功耗和內部互聯復雜性，具備更好的電氣性能；

4.充分利用現有芯片資源，以最佳方式和最低成本達到系統的設計性能，從而減少了設計、驗證、調試的復雜性與系統實現量產的時間。

SIP主要采用現有的封裝和組裝工藝，它區別于傳統封裝技術的地方在于與系統集成有關的兩個方面：系統模塊的劃分和設計及實現系統組合的載體。傳統封裝中的載體，即基板，只是起到互連的作用，而SIP的載體包含電路單元，是系統的組成部分。SIP的實現技術和工藝可見圖1。

圖1 SIP技術關鍵技術和工藝組成圖

由圖1可知，SIP的實現包括了多個技術領域和工藝，基于系統化設計思想的SIP方案所涉及到設計、芯片、系統、測試、材料、封裝等諸多層面問題，涵蓋十分廣泛，將會隨其技術的發展而擴充完善。

三、波控系統需求分析

未來軍事裝備的電子化和信息化需求對相控陣雷達提出了越來越高的要求，目前，相控陣雷達已經突破單一功能的限制，朝綜合化、一體化方向發展，天線的智能化、數字化、集成化、輕型及模塊化等需求對波控系統提出了更高的要求。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，實現靈活多變的波束掃描和自適應算法；

3.可擴展功能，實現陣面智能控制和系統通用性；

4.存儲功能，實現參數在線加載和快速讀寫；

5.監測功能，實現陣面溫度、功率等狀態監測。

波控系統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、計算機等技術的發展，波控系統的實現途徑采用了多種實現方案：從最初的單片機、DSP、EPLD等已發展到FPGA、ASIC、SOC等，大大提高了波控的整體設計水平，但是隨著相控陣雷達技術的發展，波控系統也越來越難以滿足傳輸高速化、算法靈活化、控制智能化、系統芯片化的發展需求。

下一代的波控系統將采用單芯片化設計，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 波控系統功能框圖

隨著微電子、集成電路和封裝技術的高速發展，波控系統的芯片化技術已越來越成熟，一種基于ARM核和先進微控制器總線架構的波控SOC芯片，采用了高速的硬件運算模塊和靈活的軟件設計特點，具備了運算、存儲和控制功能，可滿足特點相控陣雷達的工作需求，并已經逐步實現了工程化應用。

波控SOC芯片初步實現了波控系統的芯片化和小型化，大大提高了系統的集成度和可靠性，但在應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.系統功能擴展性不夠，無法滿足不同產品需求；

3.算法固定，無法適應不同產品波束控制算法。

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

四、基于SIP的波控芯片技術研究

相比較波控SOC芯片，波控SIP芯片能實現更高的集成度，發揮出更強的適應性，主要體現在：

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.集成的波控系統成熟度高,互連復雜度較低,易于SIP實現；

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，應用領域廣泛。

波控SIP芯片是一種具有運算、存儲及多種外設接口的波控系統芯片，其內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，使之構成一個功能強大易于擴展的波控系統。波控SIP芯片的設計主要包括下列三個方面。

（一）系統模塊的劃分與設計

模塊的劃分是指從系統中分離出一塊功能，既便于后續的系統整體集成又便于SIP封裝。模塊劃分完成后就進入了電路細節的設計階段。由于SIP集成涉及到的波控系統較為復雜，包括模塊內部的細節、模塊與外部的關系、信號的質量、延遲、分布、噪聲等，電路與系統的設計水平成了標志是否具有SIP開發能力的一個關鍵指標。根據功能劃分，可將系統化為兩大功能模塊：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）基板設計

SIP封裝通常使用的基板材料是目前在BGA封裝中已經普遍使用的有機多層基板，技術成熟且有成本優勢。但由于無法集成無源器件，應用上有局限性。目前受到較多關注并且具有一定實用前景的是LTCC，它與傳統的HTCC(高溫共燒陶瓷)材料的主要區別在玻璃含量和燒結溫度。較高的玻璃含量和較低的燒結溫度給工藝設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，減少了電通路上的功率損耗，具有優良的電性能，所以波控SIP芯片將采用LTCC技術實現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，同時便于更好實現氣密性封裝，使芯片具有優良的電子、機械、熱學性能，大大提高可靠性。

（三）模塊組裝技術

在模塊組裝方面，芯片直接組裝技術(Chipon Board)和芯片疊加(Chipon Chip)技術是目前的主流。實現的技術手段包括引線鍵合和倒裝焊芯片(Flip Chip)。而隨著技術的發展，越來越多的半導體芯片和封裝將彼此堆疊，可以實現更深層次的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、結束語

波控SIP芯片綜合運用現有的芯片資源及多種先進封裝技術的優勢，將運算器、FPGA、接口和存儲燈芯片構成的波控系統集成在一個單封裝載體，開拓了一種低成本系統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、開發成本等問題。

波控SIP和波控SOC分別在封裝技術領域和微電子技術領域實現了波控系統的高度集成，為波控系統的小型化和芯片化提供了完整可行的解決方案，二者的關系不是互相替代，而是互補的。隨著技術的發展，波控SIP可以最大限度地靈活應用各種不同芯片資源和封裝互連優勢，最大程度上優化系統性能，避免重復封裝，縮短開發周期、降低成本并提高集成度，更大限度滿足相控陣雷達快速發展的應用需求。

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

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1008-4428（2015）05-101-02