摘 要： 介紹了系統(tǒng)級封裝的概念和特性，闡述了SiP設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)和基本生產(chǎn)實現(xiàn)流程。設(shè)計了一款基于ARM和FPGA管芯的SiP通用微處理系統(tǒng)，介紹了該SiP系統(tǒng)的整體框圖，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)各部分電路的功能結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)具有體積小、功耗低及功能完備等優(yōu)點，充分展現(xiàn)了SiP技術(shù)的優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞： 系統(tǒng)級封裝；ARM；FPGA；管芯
封裝是連接半導(dǎo)體芯片和電子系統(tǒng)的一道橋梁，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展及其向各行業(yè)的迅速滲透，電子封裝已經(jīng)逐步成為實現(xiàn)半導(dǎo)體芯片功能的一項關(guān)鍵技術(shù)，受到了越來越多的關(guān)注。近幾年，消費類電子和特殊應(yīng)用環(huán)境對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的迫切需要帶動了電子封裝產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。電子封裝技術(shù)正朝著多功能、高度集成、高可靠性、小型化等方向發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也從之前的傳統(tǒng)消費類電子設(shè)備領(lǐng)域擴展到雷達、聲吶、醫(yī)學(xué)影像和石油勘探等領(lǐng)域。
目前，業(yè)界高度集成化的電子系統(tǒng)主要有系統(tǒng)級芯片SoC（System on Chip）和系統(tǒng)級封裝SiP（System in Package）兩種。SoC技術(shù)相對比較成熟，已經(jīng)在電子系統(tǒng)中大量使用，但卻越來越受到工藝、可靠性等方面的限制。SiP是基于SoC的一種新型的封裝技術(shù)，它將一個或多個芯片及無源器件構(gòu)成的高性能模塊以芯片管芯的形式堆疊在一個殼體內(nèi)，從而使封裝由單一芯片升級為系統(tǒng)級芯片[1]。與SoC相比，SiP具有系統(tǒng)開發(fā)成本低、研制周期短、集成度高及可靠性高等優(yōu)點。
SiP技術(shù)功能可定制、體積小、功耗低和重量輕的特點適應(yīng)了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展需求，在嵌入式領(lǐng)域獲得了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。本文設(shè)計了一款采用ARM和FPGA管芯設(shè)計實現(xiàn)的SiP系統(tǒng)級封裝，該系統(tǒng)將具有多種功能的通用微處理系統(tǒng)封裝在一顆很小的SiP芯片內(nèi)，體積小、功耗低且功能齊全，實現(xiàn)了系統(tǒng)的高度集成。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
圖1為SiP內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，該SiP系統(tǒng)級封裝以ARM處理器和FPGA控制器為核心構(gòu)建。采用ARM為主處理器，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制和管理；FPGA作為系統(tǒng)的主橋控制器，完成系統(tǒng)多功能外設(shè)的綜合調(diào)度管理。FPGA內(nèi)部完成離散量、PWM、串口、A/D、D/A等控制邏輯，實現(xiàn)了16路模擬量輸入、2路模擬量輸出、8路PWM輸入、16路PWM輸出、5路離散量輸入、5路離散量輸出、6路RS-232、6路RS-422、1路RS-485等功能。
不同于傳統(tǒng)的封裝器件，SiP系統(tǒng)級封裝設(shè)計選用的所有器件均為芯片管芯，在該系統(tǒng)設(shè)計中，ARM處理器選用Silicon Labs公司的SIM3U167 ARM Cortex-M3管芯，F(xiàn)PGA選用Xilinx公司的XQV6000管芯，系統(tǒng)的其他功能電路（如PROM電路、A/D及D/A電路、接口驅(qū)動電路）均采用相應(yīng)的芯片管芯設(shè)計。該SiP系統(tǒng)的最終實現(xiàn)形式為BGA304塑體封裝芯片，所有功能信號、CPU下載、FPGA下載、電源信號均以管腳形式引到芯片管腳上。設(shè)計中芯片還預(yù)留了部分通用I/O管腳，以實現(xiàn)用戶開發(fā)時的自定義功能。用戶通過搭建簡單的基礎(chǔ)外圍電路，便可實現(xiàn)具有上述功能的完整復(fù)雜系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)
2.1 ARM電路
ARM作為系統(tǒng)的CPU，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制和管理，圖2為ARM與FPGA電路的連接結(jié)構(gòu)[2]。其中，EMIF為外部存儲器總線，該ARM芯片支持地址數(shù)據(jù)分用模式和復(fù)用模式兩種模式，復(fù)用模式下最高可支持24位數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)選用的是復(fù)用模式，EMIF_AD15：0為16位地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線。ARM通過WR寫使能信號、OE讀使能信號、ALEm地址鎖存信號、CSx片選信號和BEx字節(jié)使能信號控制FPGA芯片，實現(xiàn)對系統(tǒng)外圍電路的控制。其中，ALEm信號、BEx信號僅在復(fù)用模式下使用。系統(tǒng)采用的SIM3U167芯片是一款高性能處理器，具有256 KB Flash和32 KB SRAM片上存儲器，支持很多外圍通用接口。本系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計需要，將1路UART、1路USART、1路SPI、1路I2C、1路USB、2路12位A/D轉(zhuǎn)換、2路10位D/A轉(zhuǎn)換接口信號引到了SiP的外部管腳上。
2.2 PROM電路
FPGA一般需要PROM芯片存儲邏輯加載文件，本系統(tǒng)選用國微公司的SM18V04管芯作為FPGA的外圍配置器件。該管芯分并行加載和串行加載兩種方式[3]，此處選用串行加載方式，在該模式下，數(shù)據(jù)以每TCK一位的速度加載配置數(shù)據(jù)，加載速度可達33 MHz。PROM配置電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。
除TDI、TDO、TMS和TMK 4個JTAG專用邊界掃描信號外，F(xiàn)PGA與PROM之間還需一組控制信號，包括D0（配置數(shù)據(jù)輸入）、CCLK（配置時鐘）、DONE（FPGA配置完成）、PROG（觸發(fā)重配置）和INIT（配置初始化）5個信號，上電時PROM通過這些控制信號將配置數(shù)據(jù)加載到FPGA中，啟動系統(tǒng)正常運行。
2.3 模擬量輸入電路
系統(tǒng)具有16路模擬信號采集功能，電壓幅度范圍為-10 V~+10 V，實現(xiàn)框圖如圖4所示。信號通過1片16選1多路開關(guān)選通16路模擬信號中的1路信號進行A/D轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA產(chǎn)生通道選擇信號A3~A0，決定最終轉(zhuǎn)換哪路模擬信號。多路開關(guān)選用ADI公司的ADG506管芯實現(xiàn)，通過多路開關(guān)選通后的信號要經(jīng)過一級運算放大器進行電壓跟隨處理，電壓跟隨器輸入阻抗非常大，輸出阻抗非常小，可提高通道帶負(fù)載能力。
2.5 離散量與PWM電路
外部離散量與PWM輸入信號均為5 V TTL電平，而FPGA能處理的信號為3.3 V CMOS電平，因此，離散量與PWM信號在輸入、輸出時需要通過驅(qū)動器進行電平轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖6所示。驅(qū)動器選用國微公司的SM164245管芯，該芯片由兩組8位雙向數(shù)據(jù)緩沖器組成，每組數(shù)據(jù)緩沖器由一個DIR方向控制信號和一個OE#使能信號控制，兩信號均由FPGA邏輯產(chǎn)生，PWM和離散量的最終處理也由FPGA邏輯實現(xiàn)。
基板[5]選擇一般參考材料的熱膨脹系數(shù)CTE、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、電阻率和導(dǎo)熱率等因素。商用SiP產(chǎn)品一般都選擇有機基板，它是以高密度多層布線和微孔基板技術(shù)為基礎(chǔ)制造的，具有較低的互連電阻和介電常數(shù)，成本低，但存在芯片與基板之間CTE差高、熱失配大、穩(wěn)定性差等局限性。工業(yè)級產(chǎn)品一般多采用成本較高的陶瓷基板，其散熱優(yōu)良、氣密性好、可靠性高。
裸片與基板連接通常有引線鍵合（Wire Bonding）和倒裝焊（Flip-Chip）兩種方法。Wire Bonding加工靈活、成本低、可靠性高，但連接效率和焊接精度低。Flip-Chip具有焊接點牢固、信號傳輸路徑短、電源/地分布廣、I/O密度高、封裝體尺寸小和可靠性高等優(yōu)點，但加工成本相對較高。
3.2 SiP封裝制造工藝
SiP一般采用BGA塑體封裝或陶瓷封裝形式[3]，因此加工生產(chǎn)流程主要也是BGA封裝經(jīng)常采用的Wire Bonding BGA（WB-BGA）和FlipChip BGA（FC-BGA）兩種工藝。但由于SiP系統(tǒng)級封裝是由多顆管芯堆疊而成的，與普通單一功能的BGA芯片還不完全相同，可能會遇到裸片中既有支持WB工藝芯片，也有支持FC工藝芯片的情況，此時就需要采用混合SiP工藝流程。圖8給出了SiP混合工藝流程的流程圖。本系統(tǒng)較一般的SiP封裝設(shè)計，埋入的管芯和無源器件種類多、數(shù)量大，最終采用混合工藝流程生產(chǎn)實現(xiàn)。
本文對SiP設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)和生產(chǎn)實現(xiàn)進行了介紹，并以此為基礎(chǔ)，詳細(xì)闡述了一款采用ARM和FPGA實現(xiàn)的SiP系統(tǒng)級封裝系統(tǒng)，該芯片功能齊全、性能穩(wěn)定，相對于傳統(tǒng)的單板系統(tǒng)，其具有可定制、體積小、功耗低、重量輕等優(yōu)點，值得在以后的微處理系統(tǒng)中推廣使用。SiP技術(shù)是一種飛速發(fā)展的IC封裝技術(shù)，正受到越來越多的關(guān)注和推進，必將成為未來電子封裝的主流發(fā)展方向，為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展提供一種全新的解決途徑。
參考文獻
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