基于ARM和FPGA的SiP通用微處理系統(tǒng)封裝設(shè)計(jì)

摘 要： 介紹了系統(tǒng)級(jí)封裝的概念和特性，闡述了SiP設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和基本生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)流程。設(shè)計(jì)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(diǎn)，充分展現(xiàn)了SiP技術(shù)的優(yōu)越性。

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(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體芯片功能的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。近幾年，消費(fèi)類(lèi)電子和特殊應(yīng)用環(huán)境對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的迫切需要帶動(dòng)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(fèi)類(lèi)電子設(shè)備領(lǐng)域擴(kuò)展到雷達(dá)、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(jí)芯片SoC（System on Chip）和系統(tǒng)級(jí)封裝SiP（System in Package）兩種。SoC技術(shù)相對(duì)比較成熟，已經(jīng)在電子系統(tǒng)中大量使用，但卻越來(lái)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(gè)或多個(gè)芯片及無(wú)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(gè)殼體內(nèi)，從而使封裝由單一芯片升級(jí)為系統(tǒng)級(jí)芯片[1]。與SoC相比，SiP具有系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本低、研制周期短、集成度高及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

SiP技術(shù)功能可定制、體積小、功耗低和重量輕的特點(diǎn)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(lái)越多的關(guān)注和應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一款采用ARM和FPGA管芯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的SiP系統(tǒng)級(jí)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(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高度集成。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1為SiP內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，該SiP系統(tǒng)級(jí)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(gè)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(shí)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(jí)封裝設(shè)計(jì)選用的所有器件均為芯片管芯，在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)電路）均采用相應(yīng)的芯片管芯設(shè)計(jì)。該SiP系統(tǒng)的最終實(shí)現(xiàn)形式為BGA304塑體封裝芯片，所有功能信號(hào)、CPU下載、FPGA下載、電源信號(hào)均以管腳形式引到芯片管腳上。設(shè)計(jì)中芯片還預(yù)留了部分通用I/O管腳，以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)開(kāi)發(fā)時(shí)的自定義功能。用戶(hù)通過(guò)搭建簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)外圍電路，便可實(shí)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(gè)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(chǔ)器總線(xiàn)，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(xiàn)。ARM通過(guò)WR寫(xiě)使能信號(hào)、OE讀使能信號(hào)、ALEm地址鎖存信號(hào)、CSx片選信號(hào)和BEx字節(jié)使能信號(hào)控制FPGA芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)外圍電路的控制。其中，ALEm信號(hào)、BEx信號(hào)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(chǔ)器，支持很多外圍通用接口。本系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)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(hào)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(chǔ)邏輯加載文件，本系統(tǒng)選用國(guó)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(dá)33 MHz。PROM配置電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

除TDI、TDO、TMS和TMK 4個(gè)JTAG專(zhuān)用邊界掃描信號(hào)外，F(xiàn)PGA與PROM之間還需一組控制信號(hào)，包括D0（配置數(shù)據(jù)輸入）、CCLK（配置時(shí)鐘）、DONE（FPGA配置完成）、PROG（觸發(fā)重配置）和INIT（配置初始化）5個(gè)信號(hào)，上電時(shí)PROM通過(guò)這些控制信號(hào)將配置數(shù)據(jù)加載到FPGA中，啟動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.3 模擬量輸入電路

系統(tǒng)具有16路模擬信號(hào)采集功能，電壓幅度范圍為-10 V~+10 V，實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。信號(hào)通過(guò)1片16選1多路開(kāi)關(guān)選通16路模擬信號(hào)中的1路信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA產(chǎn)生通道選擇信號(hào)A3~A0，決定最終轉(zhuǎn)換哪路模擬信號(hào)。多路開(kāi)關(guān)選用ADI公司的ADG506管芯實(shí)現(xiàn)，通過(guò)多路開(kāi)關(guān)選通后的信號(hào)要經(jīng)過(guò)一級(jí)運(yùn)算放大器進(jìn)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(hào)均為5 V TTL電平，而FPGA能處理的信號(hào)為3.3 V CMOS電平，因此，離散量與PWM信號(hào)在輸入、輸出時(shí)需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖6所示。驅(qū)動(dòng)器選用國(guó)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(gè)DIR方向控制信號(hào)和一個(gè)OE#使能信號(hào)控制，兩信號(hào)均由FPGA邏輯產(chǎn)生，PWM和離散量的最終處理也由FPGA邏輯實(shí)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(jī)基板，它是以高密度多層布線(xiàn)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(jí)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(xiàn)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(diǎn)牢固、信號(hào)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(diǎn)，但加工成本相對(duì)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(jí)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(huì)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(shí)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(jì)，埋入的管芯和無(wú)源器件種類(lèi)多、數(shù)量大，最終采用混合工藝流程生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)。

本文對(duì)SiP設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(shí)現(xiàn)的SiP系統(tǒng)級(jí)封裝系統(tǒng)，該芯片功能齊全、性能穩(wěn)定，相對(duì)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(diǎn)，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(lái)越多的關(guān)注和推進(jìn)，必將成為未來(lái)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。