系统级封装(SIP)技术在波控系统中的应用

第２９卷第６期　２０１３年１２月　电子机械工程　

Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．２９．Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．２０１３　

系统级封装（ＳＩＰ）技术在波控系统中的应用　彭　为，王查散，邬天恺　（南京电子技术研究所，　江苏南京２１００３９）　

摘　要：多功能、数字化和智能化是相控阵雷达的发展方向，波控系统作为相控阵雷达的控制核心，则向　着小型化、芯片化发展，系统级封装（ＳＩＰ）技术和系统芯片（ＳＯＣ）技术相似，都是在更小体积、更多功能　和更好的稳定性的基础上发展而来的。文中介绍了ＳＩＰ技术的发展、技术特点和应用情况，具体分析了　波控系统的技术需求，详细探讨了ＳＩＰ技术在波控系统中应用的可行性，并在此基础上提出了基于ＳＩＰ　技术的波控系统芯片的产品架构及实现途径。ＳＩＰ技术为实现高可靠、高集成的波控系统芯片提供了　完整可行的解决方案，并为以后的工程实现提供了坚实的技术基础。　关键词：系统级封装；相控阵雷达；波控系统　中图分类号：ＴＮ３０５．９４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８—５３００（２０１３）０６—００５７—０３　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＳＩＰ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｏ　Ｂｅａｍ　Ｓｔｅｅｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＰＥＮＧ　Ｗｅｉ，ＷＡＮＧ　Ｃｈａ－ｓａｎ，ＷＵ　Ｔｉａｎ－ｋａｉ　（Ｎａ　ｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｆｉｎｇ　２１００３９，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｕｈｉｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｄｉｇｉｔｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ　ａｒｅ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅｄ　ａｒｒａｙ　ｒａ—　ｄａｒ．Ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｏｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅｄ　ａｒｒａｙ　ｒａｄａｒ，ｔｈｅ　ｂｅａｍ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｖｅｌｏｐｓ　ｔｏｗａｒｄｓ　ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍ—ｏｎ—ｃｈｉｐ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｐａｃｋａｇｅ（ＳＩＰ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　ｃｈｉｐ（ＳＯＣ）ｔｅｃｈｎｏｌ—　ｏｇｙ．Ｂｏｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅｍ　ａｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｓｍａｌｌｅｒ　ｖｏｌｕｍｅ，ｍｏｒｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｂｅｔｔｅｒ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ　ｄｅ—　ｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ＳＩＰ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｆｉｒｓｔ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｅａｍ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ印ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ＳＩＰ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ｂｅａｍ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａｎｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ　ｂａｓｉｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｔｏｇｅｔｈｅｒ　ｗｉｔｈ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｂｅａｍ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｈｉｐｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＳＩＰ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．ＳＩＰ　ｔｅｃｈｎｏｌ—　ｏｇｙ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ａｎｄ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｉｎｇ　ｂｅａｍ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｃｈｉｐ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｉｎｔｅ—　ｇｒａｔｉｏｎ．Ａｎｄ　ｉｔ　ａｌｓｏ　ｇｉｖｅｓ　ａ　ｓｏｌｉｄ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｐａｃｋａｇｅ（ＳＩＰ）；ｐｈａｓｅｄ　ａｒｒａｙ　ｒａｄａｒ；ｂｅａｍ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　

引　言　系统级封装（Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｐａｃｋａｇｅ，ＳＩＰ）是一种基于　系统芯片（Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　Ｃｈｉｐ，ＳＯＣ）的新型封装技术，它　将一个或多个芯片及可能的由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，都是在更小体积、更多　功能、更好稳定性的基础上发展而来的。ＳＩＰ不仅提　出了系统级封装的概念，更是一种富有创意的封装思　收稿日期：２０１３—１１—１３　想，开拓了一种低成本系统集成的可行思路与方法，同　时较好地解决了ＳＯＣ中诸如工艺兼容、信号混合、电　磁干扰、芯片体积、开发成本等问题。ＳＩＰ封装集成能　在最大程度上优化系统性能，避免重复封装，能缩短开　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　

・５７・　、　・工艺技术・　电子机械工程　２０１３年ｌ２月　控阵雷达向多功能、数字化和智能化方向发展。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，而且在工程实现上还要向小型化、　芯片化方向发展。　ＳＩＰ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　技术及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，在提高性能的　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。　

１　ＳＩＰ技术特点　ＳＩＰ作为目前最高级的封装技术，代表着封装技　术的发展趋势。该技术经过多年的发展，已取得了许　多重要突破，在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，在很多方面具有极大　的优势，主要表现在以下４个方面：　１）采用高密度互连基板和立体封装，大大减小了　ＰＣＢ面积及重量，实现了系统小型化；　２）采用先进的封装工艺，确保了高强度的机械性　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，降低了寄生效应，增强了抗电磁　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，降低了系统功耗和内部　互连的复杂度，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，从而降低了设计、验证、调试　的复杂度，缩短了系统实现量产的时间。　ＳＩＰ主要采用现有的封装和组装工艺，其与传统　封装技术的区别在于与系统集成有关的２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　术和工艺如图ｌ所示。　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，并将随其技术的发展而得到扩充、完善。　

・５８・　

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图１　ＳＩＰ技术关键技术和工艺组成图　２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　破了单一功能的限制，朝着综合化、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。波控系统的主要功能　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。　波控系统在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：已从最初的单片机、　ＤＳＰ、ＥＰＬＤ等发展到了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，波控系统已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　第２９卷第６期　彭为，等：系统级封装（ＳＩＰ）技术在波控系统中的应用　・工艺技术・　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　高速硬件运算模块和灵活的软件设计特点，具备运算、　存储和控制功能，可满足相控阵雷达的工作需求，并已　逐步实现工程化应用。　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　中还存在下列问题：　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。　３基于ＳＩＰ的波控芯片技术研究　与波控ＳＯＣ芯片相比，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，　易于实现ＳＩＰ；　３）波控组成元器件分别制造，性能可靠，缩短了　研制周期；　４）通用性好，一体化程度高，应用领域广。　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，还可集成ＵＡＲＴ、ＳＥＲ—　ＤＥＳ、ＳＰＩ等多种外围接口，使之构成了一个功能强大　易于扩展的波控系统。波控ＳＩＰ芯片的设计主要包括　系统模块的划分与设计、基板设计和模块组装技术３　个方面。　３．１　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），因此，电　路与系统的设计水平就成了衡量其是否具有ＳＩＰ开发　能力的一个关键指标。根据功能划分，系统可分为２大　功能模块：运算模块和控制模块。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。　３．２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，在应用上存在局限　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　区别在于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。　因此，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，同时便于更好地实现气密性封装，使芯片具有　优良的电子、机械、热学性能，大大提高了可靠性。　３．３模块组装技术　在模块组装方面，芯片直接组装技术（Ｃｈｉｐ　ｏｎ　Ｂｏａｒｄ）和芯片叠加（Ｃｈｉｐ　ｏｎ　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芯片采用陶瓷基板和ＴＳＶ硅转接板单面　承载芯片进行堆叠，使用ｓｉ封帽的组装方式，如图３　所示。