數(shù)字收發(fā)SIP的研究與設(shè)計(jì)

艾雷 彭霞

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所 江蘇省南京市 210039）

1 引言

隨著微電子技術(shù)、微波技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，小型化成為雷達(dá)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)方向。接收機(jī)是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，也是雷達(dá)小型化的重點(diǎn)發(fā)展方向。目前雷達(dá)系統(tǒng)中廣泛使用的是超外差接收機(jī)。超外差接收機(jī)的下行鏈路是將高頻的射頻信號(hào)與本振混頻后變?yōu)榈皖l的中頻信號(hào)，然后通過(guò)AD 轉(zhuǎn)換器件將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由FPGA 等數(shù)字邏輯電路進(jìn)行后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理。其上行鏈路是通過(guò)信號(hào)產(chǎn)生器件（DDS 或DA）產(chǎn)生中頻信號(hào)，經(jīng)混頻、放大、濾波后將中頻信號(hào)搬移到高頻。[1-2]當(dāng)前，混頻模塊的小型化已有較多的研究[3-6]，而數(shù)?；旌掀骷癋PGA 等數(shù)?；旌想娐沸⌒突男枨笞兊迷絹?lái)越迫切。

自集成電路問世以來(lái)，摩爾定律一直支配著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。但是從目前的趨勢(shì)看，摩爾定律已經(jīng)走到了盡頭。延續(xù)摩爾定律的兩個(gè)方向是SOC（System-on-chip）和SIP（System-in-Package）。SOC 是把不同的電路集成到一個(gè)芯片中去，所有電路均須使用同一工藝。然而可編程邏輯器件FPGA 需要高端制程工藝，而AD/DA等數(shù)?；旌掀骷⒉恍枰叨酥瞥坦に?。開發(fā)SOC 的結(jié)果是導(dǎo)致研發(fā)成本和流片成本的提升，使得技術(shù)難以成熟。SIP 可將不同工藝制程的芯片、被動(dòng)元器件等采用不同的技術(shù)（Flip-chip 或Wire-Bonding）裝配到同一塊基板上，形成一個(gè)模組，具有尺寸小、周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)。因而，SIP（系統(tǒng)級(jí)封裝）成為能延續(xù)摩爾定律的熱門方向。

本文介紹了一種數(shù)字收發(fā)SIP，將多種不同功能的芯片和無(wú)源器件在三維空間內(nèi)組裝到一個(gè)基板上，并封裝到同一個(gè)封裝體內(nèi)，形成具有多功能的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝件的電子系統(tǒng)。SIP 基板作為芯片的母板，實(shí)現(xiàn)電氣連接、屏蔽、保護(hù)、支撐、散熱等功能，與外殼一起構(gòu)成封裝結(jié)構(gòu)。SIP 內(nèi)有一片F(xiàn)PGA 用于數(shù)字信號(hào)處理，含有1 路DDS 器件和1 路AD 器件，并含有FLASH 器件可以用來(lái)固化FPGA 程序及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，含有若干路電平轉(zhuǎn)換器件用來(lái)對(duì)外部電路進(jìn)行控制等功能。通過(guò)合理的方案設(shè)計(jì)，并利用微組裝工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高集成度、高性能的數(shù)字收發(fā)SIP。

2 原理設(shè)計(jì)

SIP 的原理與常規(guī)數(shù)字收發(fā)電路板原理基本相同，包含一片F(xiàn)PGA、1 片ADC、1 片DDS、1 片PROM（NOR FLASH，用于固化FPGA 程序）、1 片F(xiàn)LASH、若干電平轉(zhuǎn)換芯片。為了提高集成度，SIP 內(nèi)部器件均采用裸芯片，裸芯片的使用極大的減少了SIP 基板的面積。對(duì)外則采用BGA 封裝。

圖1為單通道數(shù)字收發(fā)SIP 原理框圖。

圖1：?jiǎn)瓮ǖ罃?shù)字收發(fā)SIP 原理框圖

FPGA是整個(gè)接收機(jī)數(shù)字信號(hào)處理及外圍電路控制的核心器件，接收機(jī)接收的RF 信號(hào)經(jīng)混頻放大濾波后由ADC 芯片采樣，DDS產(chǎn)生的中頻信號(hào)經(jīng)混頻濾波后送出。同時(shí)，該SIP 內(nèi)部的PROM器件可以存儲(chǔ)FPGA 的固化文件，F(xiàn)LASH 器件可以額外存儲(chǔ)必要的數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA 的transceiver 用于接收外部指令與傳輸數(shù)字信號(hào)處理后的數(shù)據(jù)，控制信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后送給外部電路。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 高密度任意層互聯(lián)技術(shù)

傳統(tǒng)PCB電路板多使用通孔工藝或盲埋孔工藝實(shí)現(xiàn)垂直互聯(lián)。而在SIP 設(shè)計(jì)時(shí)，由于裸芯片的使用極大的減少了基板的面積，而芯片之間的互聯(lián)走線并未減少，因而導(dǎo)致布線密度大大增加，傳統(tǒng)PCB 電路板設(shè)計(jì)方案已不適用。且由于FPGA 焊盤的節(jié)距較小，扇出較密集，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)PCB 扇出密度。為此，設(shè)計(jì)選用有機(jī)基板，并使用6 層任意層布線技術(shù)（中間使用一層較厚的芯板，上下各兩個(gè)積層）。其中，芯板為整個(gè)基板提供物理支撐，過(guò)孔采用機(jī)械孔，外層過(guò)孔采用激光孔，整體布線密度非常高，滿足FPGA 對(duì)布線密度的要求。任意層互聯(lián)技術(shù)的引入，使基板上空間利用的更加充分，是完成SIP 小型化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 裸芯片裝配技術(shù)

傳統(tǒng)PCB 電路板使用成品器件，按照成品器件的裝配工藝進(jìn)行裝配。SIP 使用裸芯片，傳統(tǒng)PCB 電路板裝配工藝已不適用。SIP 內(nèi)部含F(xiàn)PGA 器件，其對(duì)外引出為大規(guī)模球柵陣列，適用倒裝焊（Flip-Chip）工藝，由于節(jié)距極小，裝配時(shí)易產(chǎn)生虛焊、橋連等問題，為SIP 裝配的一個(gè)難點(diǎn)。其余均為普通裸芯片，使用金絲鍵合（Wire-Bonding）工藝，鍵合質(zhì)量的好壞直接影響SIP 的性能及可靠性，為SIP 裝配的另一個(gè)難點(diǎn)。圖2為單通道數(shù)字收發(fā)SIP 結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖2：?jiǎn)瓮ǖ罃?shù)字收發(fā)SIP 結(jié)構(gòu)剖視圖

3.3 裝配溫度梯度

封裝時(shí)各個(gè)流程間的裝配溫度應(yīng)滿足工藝溫度梯度要求，并且溫度梯度區(qū)間不小于25℃。倒裝焊芯片已植球，其使用的裝配溫度已固定。根據(jù)這個(gè)溫度來(lái)選擇底部BGA 球的材料，熔點(diǎn)降低30℃左右，保證內(nèi)外焊料的熔點(diǎn)有一個(gè)溫度梯度差，確保SIP 在下一級(jí)裝配時(shí)內(nèi)部不會(huì)重熔，提高使用時(shí)的可靠性。

3.4 數(shù)字信號(hào)串?dāng)_控制

SIP 內(nèi)部信號(hào)線眾多，各個(gè)信號(hào)線同時(shí)翻轉(zhuǎn)，互相產(chǎn)生串?dāng)_。一般而言，數(shù)字信號(hào)線的噪聲裕量較大，不易受影響。但SIP 內(nèi)部有高速串行信號(hào)線引出，串?dāng)_問題需要考慮。布局上，多組高速信號(hào)線為平行走線，耦合長(zhǎng)度較大，互相串?dāng)_較大。布線時(shí)增加屏蔽地線并多打地孔，并通過(guò)建立圖3和圖4所示的模型進(jìn)行仿真，可以看出，相鄰的高速串行總線信號(hào)線在整個(gè)工作頻帶內(nèi)的串?dāng)_小于-40dB，滿足使用需求。

圖3：SIP 內(nèi)部高速串行信號(hào)線仿真模型

圖4：SIP 內(nèi)部高速串行信號(hào)線串?dāng)_仿真

4 結(jié)論

本文主要介紹了單通道數(shù)字收發(fā)SIP 的設(shè)計(jì)方案以及設(shè)計(jì)中用到的關(guān)鍵技術(shù)。SIP 基于微組裝技術(shù)，采用數(shù)?；旌想娐分谐Ｓ玫穆阈酒瑏?lái)實(shí)現(xiàn)。該方案大幅度提升了數(shù)?；旌想娐钒宓募啥龋瑢?shí)現(xiàn)了數(shù)字收發(fā)電路的小型化。設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)對(duì)高速串行信號(hào)線的仿真，優(yōu)化了高速串行信號(hào)線的性能，保證了設(shè)計(jì)的成功。實(shí)際測(cè)得SIP 中ADC、DDS 等芯片性能良好，高速串行信號(hào)線均可正常收發(fā)數(shù)據(jù)，所有器件均可正常工作，滿足指標(biāo)設(shè)計(jì)需求。該SIP 的設(shè)計(jì)，有力的支撐了雷達(dá)系統(tǒng)的小型化發(fā)展。