数字收发SIP的研究与设计

艾雷 彭霞

（中国电子科技集团公司第十四研究所 江苏省南京市 210039）

1 引言

随着微电子技术、微波技术、数字信号处理技术的发展，小型化成为雷达发展的一个热点方向。接收机是雷达系统的重要组成部分，也是雷达小型化的重点发展方向。目前雷达系统中广泛使用的是超外差接收机。超外差接收机的下行链路是将高频的射频信号与本振混频后变为低频的中频信号，然后通过AD 转换器件将中频信号转换为数字信号，由FPGA 等数字逻辑电路进行后续的数字信号处理。其上行链路是通过信号产生器件（DDS 或DA）产生中频信号，经混频、放大、滤波后将中频信号搬移到高频。[1-2]当前，混频模块的小型化已有较多的研究[3-6]，而数模混合器件及FPGA 等数模混合电路小型化的需求变得越来越迫切。

自集成电路问世以来，摩尔定律一直支配着半导体行业的发展。但是从目前的趋势看，摩尔定律已经走到了尽头。延续摩尔定律的两个方向是SOC（System-on-chip）和SIP（System-in-Package）。SOC 是把不同的电路集成到一个芯片中去，所有电路均须使用同一工艺。然而可编程逻辑器件FPGA 需要高端制程工艺，而AD/DA等数模混合器件并不需要高端制程工艺。开发SOC 的结果是导致研发成本和流片成本的提升，使得技术难以成熟。SIP 可将不同工艺制程的芯片、被动元器件等采用不同的技术（Flip-chip 或Wire-Bonding）装配到同一块基板上，形成一个模组，具有尺寸小、周期短、成本低等优点。因而，SIP（系统级封装）成为能延续摩尔定律的热门方向。

本文介绍了一种数字收发SIP，将多种不同功能的芯片和无源器件在三维空间内组装到一个基板上，并封装到同一个封装体内，形成具有多功能的单个标准封装件的电子系统。SIP 基板作为芯片的母板，实现电气连接、屏蔽、保护、支撑、散热等功能，与外壳一起构成封装结构。SIP 内有一片FPGA 用于数字信号处理，含有1 路DDS 器件和1 路AD 器件，并含有FLASH 器件可以用来固化FPGA 程序及存储数据，含有若干路电平转换器件用来对外部电路进行控制等功能。通过合理的方案设计，并利用微组装工艺技术实现了高集成度、高性能的数字收发SIP。

2 原理设计

SIP 的原理与常规数字收发电路板原理基本相同，包含一片FPGA、1 片ADC、1 片DDS、1 片PROM（NOR FLASH，用于固化FPGA 程序）、1 片FLASH、若干电平转换芯片。为了提高集成度，SIP 内部器件均采用裸芯片，裸芯片的使用极大的减少了SIP 基板的面积。对外则采用BGA 封装。

图1为单通道数字收发SIP 原理框图。

图1：单通道数字收发SIP 原理框图

FPGA是整个接收机数字信号处理及外围电路控制的核心器件，接收机接收的RF 信号经混频放大滤波后由ADC 芯片采样，DDS产生的中频信号经混频滤波后送出。同时，该SIP 内部的PROM器件可以存储FPGA 的固化文件，FLASH 器件可以额外存储必要的数据，FPGA 的transceiver 用于接收外部指令与传输数字信号处理后的数据，控制信号经电平转换后送给外部电路。

3 关键技术分析

3.1 高密度任意层互联技术

传统PCB电路板多使用通孔工艺或盲埋孔工艺实现垂直互联。而在SIP 设计时，由于裸芯片的使用极大的减少了基板的面积，而芯片之间的互联走线并未减少，因而导致布线密度大大增加，传统PCB 电路板设计方案已不适用。且由于FPGA 焊盘的节距较小，扇出较密集，也远远超过了传统PCB 扇出密度。为此，设计选用有机基板，并使用6 层任意层布线技术（中间使用一层较厚的芯板，上下各两个积层）。其中，芯板为整个基板提供物理支撑，过孔采用机械孔，外层过孔采用激光孔，整体布线密度非常高，满足FPGA 对布线密度的要求。任意层互联技术的引入，使基板上空间利用的更加充分，是完成SIP 小型化设计的关键技术。

3.2 裸芯片装配技术

传统PCB 电路板使用成品器件，按照成品器件的装配工艺进行装配。SIP 使用裸芯片，传统PCB 电路板装配工艺已不适用。SIP 内部含FPGA 器件，其对外引出为大规模球栅阵列，适用倒装焊（Flip-Chip）工艺，由于节距极小，装配时易产生虚焊、桥连等问题，为SIP 装配的一个难点。其余均为普通裸芯片，使用金丝键合（Wire-Bonding）工艺，键合质量的好坏直接影响SIP 的性能及可靠性，为SIP 装配的另一个难点。图2为单通道数字收发SIP 结构剖视图。

图2：单通道数字收发SIP 结构剖视图

3.3 装配温度梯度

封装时各个流程间的装配温度应满足工艺温度梯度要求，并且温度梯度区间不小于25℃。倒装焊芯片已植球，其使用的装配温度已固定。根据这个温度来选择底部BGA 球的材料，熔点降低30℃左右，保证内外焊料的熔点有一个温度梯度差，确保SIP 在下一级装配时内部不会重熔，提高使用时的可靠性。

3.4 数字信号串扰控制

SIP 内部信号线众多，各个信号线同时翻转，互相产生串扰。一般而言，数字信号线的噪声裕量较大，不易受影响。但SIP 内部有高速串行信号线引出，串扰问题需要考虑。布局上，多组高速信号线为平行走线，耦合长度较大，互相串扰较大。布线时增加屏蔽地线并多打地孔，并通过建立图3和图4所示的模型进行仿真，可以看出，相邻的高速串行总线信号线在整个工作频带内的串扰小于-40dB，满足使用需求。

图3：SIP 内部高速串行信号线仿真模型

图4：SIP 内部高速串行信号线串扰仿真

4 结论

本文主要介绍了单通道数字收发SIP 的设计方案以及设计中用到的关键技术。SIP 基于微组装技术，采用数模混合电路中常用的裸芯片来实现。该方案大幅度提升了数模混合电路板的集成度，实现了数字收发电路的小型化。设计时，通过对高速串行信号线的仿真，优化了高速串行信号线的性能，保证了设计的成功。实际测得SIP 中ADC、DDS 等芯片性能良好，高速串行信号线均可正常收发数据，所有器件均可正常工作，满足指标设计需求。该SIP 的设计，有力的支撑了雷达系统的小型化发展。