《電子技術應用》
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一種基于系統級封裝技術的控制器設計與驗證
電子技術應用 11期
張志強,劉紹輝,劉驍知,文永森,王蕊
(中國電子科技集團公司第五十八研究所,江蘇 無錫 214035)
摘要: 隨著后摩爾時代的到來,通過系統級封裝技術來實現系統的小型化和集成化已成為集成電路行業發展的新方向,針對當前市場對于控制器低功耗、小型化和集成化的大量需求,提出了一種以系統級封裝技術為基礎,通過原理設計、封裝結構設計、版圖設計、信號完整性仿真、電源完整性仿真以及熱應力仿真等一系列的設計方法,并結合當前國內的制造工藝水平,研制出了一款全國產化的控制器集成芯片。該集成芯片內部以FPGA為控制核心,集成了射頻本振信號源和DDS信號源,實現對射頻信號源的控制、輸出以及數據通信等功能,最后通過對樣片的測試驗證,芯片功能穩定,性能滿足技術指標要求。與傳統的控制器板卡相比,所設計的集成芯片大大降低了產品的功耗,并實現了控制器的小型化和集成化,滿足當前的市場應用需求,并為后續控制器類集成芯片的研究提供技術和可行性參考。
中圖分類號:TN402
文獻標志碼:A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223542
引用格式: 張志強,劉紹輝,劉驍知,等. 一種基于系統級封裝技術的控制器設計與驗證[J]. 電子技術應用,2023,49(11):55-61.
Design and verification of controller based on system in package technology
Zhang Zhiqiang,Liu Shaohui,Liu Xiaozhi,Wen Yongsen,Wang Rui
(No.58 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Wuxi 214035,China)
Abstract: With the advent of the post-Moore era, it has become a new direction for the development of the integrated circuit industry to meet the miniaturization and integration of the system through system-level packaging technology. In view of the large demand for low power consumption, miniaturization and integration of controllers in the current market, this paper proposes a system-level packaging technology. Based on a series of design methods such as principle design, package structure design, layout design, signal integrity simulation, power integrity simulation, and thermal stress simulation, combined with the current domestic manufacturing process level, a fully localized controller integrated chip was developed. The integrated chip takes FPGA as the control core, integrates the RF local oscillator signal source and DDS signal source, and realizes the functions of control, output and communication of the RF signal source. Finally, through the test and verification of the sample, the chip has stable function and reliable index, which meets the requirements of technical indicators. Compared with the controller board, the designed integrated chip greatly reduces the power consumption of the product, realizes the miniaturization and integration of the controller, meets the current market application requirements, and provides technical and feasibility reference for the subsequent research of controller integrated chips.
Key words : system in package;controller;integrated chip;RF signal source

【引言】

目前,集成電路芯片制造工藝的特征尺寸已到達5 nm,制造工藝的特征尺寸開始向3 nm甚至1 nm邁進,遵循摩爾定律的晶體管特征尺寸等比例縮小的發展趨勢已開始放緩,成本卻在大幅提高,而且集成電路技術的工藝節點也逐步接近其物理極限,集成電路行業已進入后摩爾時代[1]。在后摩爾時代,通過系統級封裝技術(System in Package,SiP)來實現片上系統的小型化、多功能化和集成化已成為集成電路行業發展的新方向。

SiP技術是將多個有源器件(芯片)和無源器件(電阻、電容等)通過異構的方式封裝到一起,以實現特定系統功能的單個集成芯片技術[2]。按封裝體內元器件的排列方式不同,SiP可分為2D平鋪封裝和3D堆疊封裝[3]。SiP芯片內部的鍵合方式又可以分為單純的引線鍵合(Wire Bonding,WB)方式及倒裝鍵合(Flip Chip,FC)方式,或者兩種方式混合使用。因此根據芯片的不同排列方式以及不同的內部鍵合技術的組合搭配,使SiP芯片的設計產生多樣化的組合。

SiP技術除了靈活性強、集成度高、面積小等優勢之外,還具有成本較低、研發周期短等特點[4]。因此,SiP技術不僅在工業市場具有廣闊的應用前景,在軍事電子裝備市場中,尤其是無人機、飛艇、飛彈等控制平臺中同樣具有廣闊的應用前景[5-8]。

文獻[9]研究表明,在SiP應用市場中,射頻模組所占的市場份額最大,而控制器是射頻模組整機系統中最重要的單元之一,采用SiP技術將大大加快控制器小型化、集成化進程。但從研發角度而言,要推出一款成熟的高集成度SiP產品,還面臨諸多技術挑戰,首先,由于高度的集成化,使SiP芯片的尺寸更小,信號間的干擾也更加嚴重,封裝體內的熱密度也更高,因而SiP芯片的信號完整性(Signal Integrity,SI)、電源完整性(Power Integrity,PI)及散熱問題愈發突出[10]。其次,SiP芯片的實現對封裝制造工藝也有較高的要求。

因此本文基于SiP技術,使用國內封裝制造工藝,研發了一款全國產化的控制器集成芯片,內部集成了射頻本振信號源和DDS信號源,并具備對射頻信號源的控制、輸出等功能,實現了控制器的小型化和集成化。


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【作者信息】

張志強,劉紹輝,劉驍知,文永森,王蕊

(中國電子科技集團公司第五十八研究所,江蘇 無錫 214035)




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