基于ARM和FPGA的SiP系统级封装设计 半导体, 消费类, 电子, 技术, 行业

摘 要： 介绍了系统级封装的概念和特性，阐述了SiP设计的关键技术和基本生产实现流程。设计了一款基于ARM和FPGA管芯的SiP通用微处理系统，介绍了该SiP系统的整体框图，并详细分析了系统各部分电路的功能结构。该系统具有体积小、功耗低及功能完备等优点，充分展现了SiP技术的优越性。
封装是连接半导体芯片和电子系统的一道桥梁，随着半导体产业的飞速发展及其向各行业的迅速渗透，电子封装已经逐步成为实现半导体芯片功能的一项关键技术，受到了越来越多的关注。近几年，消费类电子和特殊应用环境对嵌入式系统设计的迫切需要带动了电子封装产业的高速发展。电子封装技术正朝着多功能、高度集成、高可靠性、小型化等方向发展，应用领域也从之前的传统消费类电子设备领域扩展到雷达、声呐、医学影像和石油勘探等领域。
　目前，业界高度集成化的电子系统主要有系统级芯片SoC（System on Chip）和系统级封装SiP（System in Package）两种。SoC技术相对比较成熟，已经在电子系统中大量使用，但却越来越受到工艺、可靠性等方面的限制。SiP是基于SoC的一种新型的封装技术，它将一个或多个芯片及无源器件构成的高性能模块以芯片管芯的形式堆叠在一个壳体内，从而使封装由单一芯片升级为系统级芯片[1]。与SoC相比，SiP具有系统开发成本低、研制周期短、集成度高及可靠性高等优点。
　SiP技术功能可定制、体积小、功耗低和重量轻的特点适应了嵌入式系统的发展需求，在嵌入式领域获得了越来越多的关注和应用。本文设计了一款采用ARM和FPGA管芯设计实现的SiP系统级封装，该系统将具有多种功能的通用微处理系统封装在一颗很小的SiP芯片内，体积小、功耗低且功能齐全，实现了系统的高度集成。
1 系统总体设计
　图1为SiP内部结构框图，该SiP系统级封装以ARM处理器和FPGA控制器为核心构建。采用ARM为主处理器，负责整个系统的控制和管理；FPGA作为系统的主桥控制器，完成系统多功能外设的综合调度管理。FPGA内部完成离散量、PWM、串口、A/D、D/A等控制逻辑，实现了16路模拟量输入、2路模拟量输出、8路PWM输入、16路PWM输出、5路离散量输入、5路离散量输出、6路RS-232、6路RS-422、1路RS-485等功能。


不同于传统的封装器件，SiP系统级封装设计选用的所有器件均为芯片管芯，在该系统设计中，ARM处理器选用Silicon Labs公司的SIM3U167 ARM Cortex-M3管芯，FPGA选用Xilinx公司的XQV6000管芯，系统的其他功能电路（如PROM电路、A/D及D/A电路、接口驱动电路）均采用相应的芯片管芯设计。该SiP系统的最终实现形式为BGA304塑体封装芯片，所有功能信号、CPU下载、FPGA下载、电源信号均以管脚形式引到芯片管脚上。设计中芯片还预留了部分通用I/O管脚，以实现用户开发时的自定义功能。用户通过搭建简单的基础外围电路，便可实现具有上述功能的完整复杂系统。
2 系统电路结构
2.1 ARM电路
　ARM作为系统的CPU，负责整个系统的控制和管理，图2为ARM与FPGA电路的连接结构[2]。其中，EMIF为外部存储器总线，该ARM芯片支持地址数据分用模式和复用模式两种模式，复用模式下最高可支持24位数据，本系统选用的是复用模式，EMIF_AD15：0为16位地址数据复用总线。ARM通过WR写使能信号、OE读使能信号、ALEm地址锁存信号、CSx片选信号和BEx字节使能信号控制FPGA芯片，实现对系统外围电路的控制。其中，ALEm信号、BEx信号仅在复用模式下使用。系统采用的SIM3U167芯片是一款高性能处理器，具有256 KB Flash和32 KB SRAM片上存储器，支持很多外围通用接口。本系统根据设计需要，将1路UART、1路USART、1路SPI、1路I2C、1路USB、2路12位A/D转换、2路10位D/A转换接口信号引到了SiP的外部管脚上。


2.2 PROM电路
　FPGA一般需要PROM芯片存储逻辑加载文件，本系统选用国微公司的SM18V04管芯作为FPGA的外围配置器件。该管芯分并行加载和串行加载两种方式[3]，此处选用串行加载方式，在该模式下，数据以每TCK一位的速度加载配置数据，加载速度可达33 MHz。PROM配置电路结构如图3所示。


除TDI、TDO、TMS和TMK 4个JTAG专用边界扫描信号外，FPGA与PROM之间还需一组控制信号，包括D0（配置数据输入）、CCLK（配置时钟）、DONE（FPGA配置完成）、PROG（触发重配置）和INIT（配置初始化）5个信号，上电时PROM通过这些控制信号将配置数据加载到FPGA中，启动系统正常运行。
2.3 模拟量输入电路
　系统具有16路模拟信号采集功能，电压幅度范围为-10 V~+10 V，实现框图如图4所示。信号通过1片16选1多路开关选通16路模拟信号中的1路信号进行A/D转换，FPGA产生通道选择信号A3~A0，决定最终转换哪路模拟信号。多路开关选用ADI公司的ADG506管芯实现，通过多路开关选通后的信号要经过一级运算放大器进行电压跟随处理，电压跟随器输入阻抗非常大，输出阻抗非常小，可提高通道带负载能力。


2.5 离散量与PWM电路
　外部离散量与PWM输入信号均为5 V TTL电平，而FPGA能处理的信号为3.3 V CMOS电平，因此，离散量与PWM信号在输入、输出时需要通过驱动器进行电平转换，电平转换结构如图6所示。驱动器选用国微公司的SM164245管芯，该芯片由两组8位双向数据缓冲器组成，每组数据缓冲器由一个DIR方向控制信号和一个OE#使能信号控制，两信号均由FPGA逻辑产生，PWM和离散量的最终处理也由FPGA逻辑实现。


基板[5]选择一般参考材料的热膨胀系数CTE、介电常数、介质损耗、电阻率和导热率等因素。商用SiP产品一般都选择有机基板，它是以高密度多层布线和微孔基板技术为基础制造的，具有较低的互连电阻和介电常数，成本低，但存在芯片与基板之间CTE差高、热失配大、稳定性差等局限性。工业级产品一般多采用成本较高的陶瓷基板，其散热优良、气密性好、可靠性高。
　裸片与基板连接通常有引线键合（Wire Bonding）和倒装焊（Flip-Chip）两种方法。Wire Bonding加工灵活、成本低、可靠性高，但连接效率和焊接精度低。Flip-Chip具有焊接点牢固、信号传输路径短、电源/地分布广、I/O密度高、封装体尺寸小和可靠性高等优点，但加工成本相对较高。
3.2 SiP封装制造工艺
　SiP一般采用BGA塑体封装或陶瓷封装形式[3]，因此加工生产流程主要也是BGA封装经常采用的Wire Bonding BGA（WB-BGA）和FlipChip BGA（FC-BGA）两种工艺。但由于SiP系统级封装是由多颗管芯堆叠而成的，与普通单一功能的BGA芯片还不完全相同，可能会遇到裸片中既有支持WB工艺芯片，也有支持FC工艺芯片的情况，此时就需要采用混合SiP工艺流程。图8给出了SiP混合工艺流程的流程图。本系统较一般的SiP封装设计，埋入的管芯和无源器件种类多、数量大，最终采用混合工艺流程生产实现。


本文对SiP设计的关键技术和生产实现进行了介绍，并以此为基础，详细阐述了一款采用ARM和FPGA实现的SiP系统级封装系统，该芯片功能齐全、性能稳定，相对于传统的单板系统，其具有可定制、体积小、功耗低、重量轻等优点，值得在以后的微处理系统中推广使用。SiP技术是一种飞速发展的IC封装技术，正受到越来越多的关注和推进，必将成为未来电子封装的主流发展方向，为嵌入式系统的发展提供一种全新的解决途径。
作者：代明清，韩 强，邓 豹，段小虎 来源:来源：微型机与应用2014年第1期