SIP技术在波控系统中的应用研究

谢勇光

SIP技术在波控系统中的应用研究

谢勇光

文章首先介绍了SIP(System in Package)技术的发展和应用情况，然后根据波控系统芯片化、集成化、高可靠的未来技术需求，详细探讨了SIP技术在波控系统中应用的可行性，提出了基于SIP技术的波控系统模块的产品架构及实现。

系统级封装；芯片化；相控阵雷达；波控系统

一、引言

系统级封装SIP(system in package)是一种基于SOC的新型封装技术，将一个或多个芯片及可能的无源元件构成的高性能模块通过基板装载在一个陶瓷管壳、金属管壳或树脂腔体中，具备一个系统的功能。

SIP技术和SOC技术相似，都是基于更小体积、更多功能、更好稳定性的前提下发展而来的。特别是SIP不仅提出了系统级封装的概念，更是一种创意的封装思想，开拓了一种低成本系统集成的可行思路与方法，同时较好的解决了SOC中诸如工艺兼容、信号混合、电磁干扰EMI、芯片体积、开发成本等问题。SIP封装集成能最大程度上优化系统性能，避免重复封装，缩短开发周期，降低成本并提高集成度，在移动通信、蓝牙模块、网络设备、计算机及外设、数码产品、图像传感器等方面有很大的市场需求。

随着技术的发展，相控阵雷达俨然成为新一代先进电子平台的核心，多功能的技术体制、日趋复杂的作战背景、抗杂波干扰及探测通信一体化实现推动相控阵雷达向多功能、数字化和智能化发展，波控系统作为相控阵雷达的重要组成部分，不仅要具备快速灵活的波束算法、智能阵面管理与重构和高速高精度数据接口等功能，而且在工程实现上则向小型化、芯片化发展。

SIP是针对某个系统进行功能划分，选择优化的IC芯片及元件来实现这些功能，采用成熟的高密度互连技术与单芯片封装相同或相似的设备、材料、工艺技术制作生产，在封装中构成系统级集成，提高性能的同时降低成本。波控系统包括运算单元、控制单元、接口、存储等多个芯片，通过SIP技术，可以将这些芯片封装在一个芯片载体中，实现波控系统的全部功能，满足小型化、低功耗、高性能、高集成的系统要求。

二、SIP技术特点

SIP目前作为最高级封装技术，代表着封装技术的发展趋势。经过多年的发展，已取得了许多重要突破，架构上将芯片平面置放改为堆叠式封装，使密度增加，性能大大提高，在多方面存在极大的优势特性，主要表现归纳如下：

1.采用高密度互连基板和立体封装，大大减小PCB面积及重量，实现了系统小型化；

2.采用先进的封装工艺，确保高强度的机械性能（震动、冲击）、抗化学腐蚀能力及高可靠性，各部件、电路被有效屏蔽，降低寄生效应，增强抗电磁干扰能力；

3.采用单封装体来完成一个系统目标产品的全部互连以及功能和性能参数，降低系统功耗和内部互联复杂性，具备更好的电气性能；

4.充分利用现有芯片资源，以最佳方式和最低成本达到系统的设计性能，从而减少了设计、验证、调试的复杂性与系统实现量产的时间。

SIP主要采用现有的封装和组装工艺，它区别于传统封装技术的地方在于与系统集成有关的两个方面：系统模块的划分和设计及实现系统组合的载体。传统封装中的载体，即基板，只是起到互连的作用，而SIP的载体包含电路单元，是系统的组成部分。SIP的实现技术和工艺可见图1。

图1 SIP技术关键技术和工艺组成图

由图1可知，SIP的实现包括了多个技术领域和工艺，基于系统化设计思想的SIP方案所涉及到设计、芯片、系统、测试、材料、封装等诸多层面问题，涵盖十分广泛，将会随其技术的发展而扩充完善。

三、波控系统需求分析

未来军事装备的电子化和信息化需求对相控阵雷达提出了越来越高的要求，目前，相控阵雷达已经突破单一功能的限制，朝综合化、一体化方向发展，天线的智能化、数字化、集成化、轻型及模块化等需求对波控系统提出了更高的要求。其主要功能包括：

1.高速传输接口及高精度同步功能；

2.高速解算功能，实现灵活多变的波束扫描和自适应算法；

3.可扩展功能，实现阵面智能控制和系统通用性；

4.存储功能，实现参数在线加载和快速读写；

5.监测功能，实现阵面温度、功率等状态监测。

波控系统具备上述功能的同时，还要满足高集成、低功耗、小型化等要求。

随着电子、通讯、计算机等技术的发展，波控系统的实现途径采用了多种实现方案：从最初的单片机、DSP、EPLD等已发展到FPGA、ASIC、SOC等，大大提高了波控的整体设计水平，但是随着相控阵雷达技术的发展，波控系统也越来越难以满足传输高速化、算法灵活化、控制智能化、系统芯片化的发展需求。

下一代的波控系统将采用单芯片化设计，具备快速运算、灵活配置、在线存储和高速接口等功能，如图2所示。

图2 波控系统功能框图

随着微电子、集成电路和封装技术的高速发展，波控系统的芯片化技术已越来越成熟，一种基于ARM核和先进微控制器总线架构的波控SOC芯片，采用了高速的硬件运算模块和灵活的软件设计特点，具备了运算、存储和控制功能，可满足特点相控阵雷达的工作需求，并已经逐步实现了工程化应用。

波控SOC芯片初步实现了波控系统的芯片化和小型化，大大提高了系统的集成度和可靠性，但在应用中也存在下列问题：

1.接口单一，速率较低，无法满足高速传输要求；

2.系统功能扩展性不够，无法满足不同产品需求；

3.算法固定，无法适应不同产品波束控制算法。

SIP技术给波控系统的芯片化实现带来了一种全新的途径，通过SIP技术，可以将组成波控系统功能的运算、控制、接口、存储等芯片封装在一个芯片载体中，实现波控系统的全部功能，满足小型化、低功耗、高性能、高集成的系统要求。

四、基于SIP的波控芯片技术研究

相比较波控SOC芯片，波控SIP芯片能实现更高的集成度，发挥出更强的适应性，主要体现在：

1.解决了运算器、FPGA、存储器、差分接口等芯片的工艺兼容问题；

2.集成的波控系统成熟度高,互连复杂度较低,易于SIP实现；

3.波控组成元器件分别制造,性能可靠,缩短研制周期；

4.通用性好，一体化程度高，应用领域广泛。

波控SIP芯片是一种具有运算、存储及多种外设接口的波控系统芯片，其内部不仅可集成微处理器、可编程逻辑、FLASH或EEPROM，而且还可集成UART、SERDES、SPI等多种外围接口，使之构成一个功能强大易于扩展的波控系统。波控SIP芯片的设计主要包括下列三个方面。

（一）系统模块的划分与设计

模块的划分是指从系统中分离出一块功能，既便于后续的系统整体集成又便于SIP封装。模块划分完成后就进入了电路细节的设计阶段。由于SIP集成涉及到的波控系统较为复杂，包括模块内部的细节、模块与外部的关系、信号的质量、延迟、分布、噪声等，电路与系统的设计水平成了标志是否具有SIP开发能力的一个关键指标。根据功能划分，可将系统化为两大功能模块：运算模块和控制模块，其中运算模块为一层，主要包括运算器、存储器、晶振、电源转换等，控制模块为一层，主要包含各种接口和可编程器件等。

（二）基板设计

SIP封装通常使用的基板材料是目前在BGA封装中已经普遍使用的有机多层基板，技术成熟且有成本优势。但由于无法集成无源器件，应用上有局限性。目前受到较多关注并且具有一定实用前景的是LTCC，它与传统的HTCC(高温共烧陶瓷)材料的主要区别在玻璃含量和烧结温度。较高的玻璃含量和较低的烧结温度给工艺设计和制作等带来方便，可集成无源元件，而且玻璃成分的增加降低了材料的介电常数，减少了电通路上的功率损耗，具有优良的电性能，所以波控SIP芯片将采用LTCC技术实现模块的高密度多层互连，而无源元件的埋置处理减小了芯片总体体积，同时便于更好实现气密性封装，使芯片具有优良的电子、机械、热学性能，大大提高可靠性。

（三）模块组装技术

在模块组装方面，芯片直接组装技术(Chipon Board)和芯片叠加(Chipon Chip)技术是目前的主流。实现的技术手段包括引线键合和倒装焊芯片(Flip Chip)。而随着技术的发展，越来越多的半导体芯片和封装将彼此堆叠，可以实现更深层次的3D封装。

波控SIP芯片具体采用基于陶瓷基板，使用TSVSi转接板单面承载芯片进行堆叠，使用Si封冒的组装方式，见图3。

图3 波控SIP封装示意图

五、结束语

波控SIP芯片综合运用现有的芯片资源及多种先进封装技术的优势，将运算器、FPGA、接口和存储灯芯片构成的波控系统集成在一个单封装载体，开拓了一种低成本系统集成的可行思路与方法，较好地解决了波控SOC中诸如工艺兼容、功能扩展、信号混合、芯片体积、开发成本等问题。

波控SIP和波控SOC分别在封装技术领域和微电子技术领域实现了波控系统的高度集成，为波控系统的小型化和芯片化提供了完整可行的解决方案，二者的关系不是互相替代，而是互补的。随着技术的发展，波控SIP可以最大限度地灵活应用各种不同芯片资源和封装互连优势，最大程度上优化系统性能，避免重复封装，缩短开发周期、降低成本并提高集成度，更大限度满足相控阵雷达快速发展的应用需求。

[1]周海斌,刘刚.基于AMBA总线的相控阵雷达波控SoC设计现代雷达，2008,30(12):63-66.

[2]彭为，陶军，尤正建.基于FPGA的相控阵雷达波控系统设计［J］.现代雷达，2007,29（7）：45-47.

[3]孙海平.丁健译.Prakash R ashinkar，Peter Paterson，Leena Singh.系统芯片（SoC）验证方法与技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

谢勇光，男，南京电子技术研究所高级工程师，研究方向：电子信息控制和管理系统。

TN86

B

1008-4428（2015）05-101-02