摘要

 

隨著(zhù)ADC和DAC的性能規格、形狀參數和新的傳感器技術(shù)(Rx和Tx)的不斷發(fā)展，RF數據轉換系統正在發(fā)生快速變化。在這期間，一個(gè)系統級的設計問(wèn)題一直存在，即如何平衡模擬和數字電路的設計，以實(shí)現最大的軟件/系統靈活性（從傳感器到數字處理單元的輸入/輸出）。這個(gè)基本問(wèn)題需要系統設計師劃分（或組合）數據轉換電路器件，并結合模擬和數字信號的布線(xiàn)，實(shí)現多種服務(wù)的軟件最大化?，F在，隨著(zhù)高級的SiP（系統級封裝）組裝技術(shù)的發(fā)展，數據轉換器系統的設計正逐步從硬件中心向軟件中心轉變。Teledyne e2v的SiP設計、發(fā)展和組裝的專(zhuān)業(yè)技術(shù)革新了系統級設計，可實(shí)現最大的靈活性并支持多任務(wù)的應用。利用最先進(jìn)的技術(shù)（倒裝芯片、有機封裝等）開(kāi)發(fā)的RF混合信號數字處理應用可用于工業(yè)、醫療、航空電子、儀器、電信、軍事和宇航等應用。Teledyne e2v在高級SiP設計和組裝技術(shù)方面擁有超過(guò)40年的經(jīng)驗，可幫助系統設計師實(shí)現高級數據轉換系統平臺的最高性能和最大價(jià)值。

 

用于SiP設計的高級數據轉換器件

 

高頻數據轉換器系統需要高性能（和可靠的）半導體器件來(lái)處理整個(gè)信號鏈的關(guān)鍵功能。選擇可以滿(mǎn)足整個(gè)系統性能要求的合適的半導體器件對SiP的實(shí)現至關(guān)重要。Teledyne e2v為SiP的實(shí)現提供了高速數據轉換器、微處理器、存儲器以及各種模擬和邏輯功能器件。

顯然，數據轉換接收(Rx)系統的核心器件是ADC。Teledyne e2v在過(guò)去的20多年里一直致力于數據轉換器技術(shù)的創(chuàng )新，并提供了多通道、低噪聲、低失真的微波頻率ADC(如上圖的EV12AQ600)。這種數據轉換器使系統設計師能（通過(guò)直接RF轉換）消除傳統架構中下變頻所需的模擬環(huán)節。利用Teledyne e2v的高端ADC減少模擬環(huán)節，并使用高級的SiP設計技術(shù)配合無(wú)需許可證的標準和定制解決方案，設計師可以研發(fā)許多標準產(chǎn)品和定制產(chǎn)品，以滿(mǎn)足特定的性能和/或環(huán)境需求。

 

未來(lái)高速SiP直接RF數據轉換接收(Rx)方案的核心是EV12AQ600。結合RTH120跟蹤保持放大器(THA)，PS620實(shí)驗SiP RF前端接收板（如下圖所示）的性能非常優(yōu)秀（見(jiàn)第2頁(yè)上器件的核心參數）。EV12AQ600是一款四核ADC，包含交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)(CPS)前端，允許四個(gè)ADC核心同時(shí)、獨立或成對地工作，支持四通道1.6Gsps，兩通道3.2Gsps或單通道6.4Gsps的采樣率。典型的四通道模式的SFDR（不考慮H2和H3諧波）優(yōu)于70dBFS(-1dBFS輸出，頻率高達5980MHz）。

 

 

這款器件可提供多種級別，包括商業(yè)級、工業(yè)級、軍級，最高支持耐輻射宇航級。EV12AQ600可用于多種應用，如高速數據采集、高速測試儀器、自動(dòng)測試設備、地球觀(guān)測SAR雷達載荷、電信MIMO衛星載荷、超寬帶衛星數字接收機、C波段直接RF轉換、微波軟件定義無(wú)線(xiàn)電、點(diǎn)對點(diǎn)微波接收端、機器狀態(tài)監測系統、飛行時(shí)間質(zhì)譜分析、LiDAR、高能物理等。

 

器件核心參數

EV12AQ600 ADC:

• 四個(gè)12-bit 1.6 GSps ADC核心，支持1、2或4通

道時(shí)域交織

• 全交織模式采樣率高達6.4 GSps

• 6.5 GHz輸入帶寬(-3dB)

• 集成的寬帶交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)

• 支持多通道同步的同步鏈

RTH120 THA:

• 24GHz 輸入帶寬

• 雙THA使輸出保持時(shí)間超過(guò)半個(gè)采樣時(shí)鐘周期

• 全差分設計

 

 

在實(shí)現高速、最先進(jìn)的SiP數據轉換發(fā)射端(Tx)解決方案方面，關(guān)鍵的技術(shù)是EV12DD700(如右圖所示）。該雙路12位DAC支持高達12Gsps的采樣率，可直接產(chǎn)生高達21GHz的輸出信號，滿(mǎn)刻度階躍響應時(shí)間低至15ps，在微波頻率的噪聲很低，性能優(yōu)秀。EV12DD700雙通道DAC也支持Ka波段工作，支持波束形成的應用。這款DAC有25GHz的3dB輸出帶寬，即使超過(guò)25GHz也僅有略大于3dB的衰減（見(jiàn)下圖）。每個(gè)DAC都集成了一系列復雜的信號處理功能，包括一個(gè)用于直接數字合成(DDS)功能的可編程anti-sinc濾波器，一個(gè)可編程的復雜混頻器，以及一個(gè)包含四個(gè)插值環(huán)節的數字上變頻器。數字處理功能包括：插值（4x, 8x和16x）、帶有數字控制振蕩器（32位NCO)的數字上變頻(DUC)、直接數字合成(DDS)、數字波束形成和波束跳變。DAC的主要功能包括：可編程輸出模式(NRZ, RF, 2RF)、增益調節、可編程SINC補償功能和多器件同步。

 

圖 1

 

當然，所有的高速數據轉換系統也需要先進(jìn)的數字處理能力。例如，Teledyne e2v已經(jīng)認證并發(fā)布了一款從NXP最新的Layerscape® 系列篩選出的微處理器LS1046A，可工作在-55℃到125℃（宇航級LS1046-Spacce也很快會(huì )發(fā)布）。LS1046A是NXP的64位ARM® Layerscape產(chǎn)品系列的一款器件，使用四核ARM® Cortex® A72設計。

 

 

這種設計在盡可能小的封裝里實(shí)現了無(wú)與倫比的性能。用戶(hù)可以使用與ARM® 技術(shù)兼容的龐大的軟件、應用、工具的生態(tài)系統。LS1046A是一款1.8GHz的處理器，集成了包處理加速和高速外設，使用了高性能的架構，有業(yè)內領(lǐng)先的計算密度。其超過(guò)45,000CoreMarks® 的計算性能（即30K DMIPS@1.8GHz)，搭配雙路10Gb以太網(wǎng)、3路PCIe Gen3和1路SATAGen3，適用于一系列高可靠性的軍用、航空和航天的應用。LS1046A也集成到了Teledyne e2v最新的Qormino® 計算模塊中，這個(gè)模塊還包含了一個(gè)4GB的DDR4存儲器（見(jiàn)左側的照片）。此外，作為T(mén)eledyne e2v的半導體生命周期管理計劃SLiM™的一部分，這款器件的生命周期可達15年以上，避免了常見(jiàn)的昂貴的器件過(guò)時(shí)問(wèn)題。

 

數據轉換SiP實(shí)現峰值系統性能：適用于所有細分市場(chǎng)

 

在工業(yè)、醫療、飛行電子、儀器、電信、軍事和宇航領(lǐng)域，數據轉換系統正在經(jīng)歷快速的變化。對于所有的細分市場(chǎng)，首要的系統級設計問(wèn)題是，如何在模擬和數字電路之間取得平衡，實(shí)現最大的軟件/系統靈活性（從傳感器到計算機輸入或從計算機輸出到傳感器）。這個(gè)基本的問(wèn)題要求系統設計師劃分（或組合）數據轉換電路器件，并結合模擬和數字信號的布線(xiàn)，以實(shí)現多種服務(wù)的軟件最大化。

 

系統工程師了解他們的市場(chǎng)、應用和電路性能的規范需求，但設計參數，例如風(fēng)險、技術(shù)選擇、形狀參數、開(kāi)發(fā)時(shí)間表（包括時(shí)間表同步）、可靠性，以及與高性能數據轉換系統相關(guān)的成本，都是高度可變的。這些設計參數，加上不斷變化的系統性能規格需求，最終導致更窄的設計實(shí)現“交集”（圖2）。

 

當然，在任何設計參數上犯錯誤，都會(huì )付出巨大的代價(jià)。因此，任何可以嵌入到設計開(kāi)發(fā)中的靈活性，只要能為項目增加整體價(jià)值而不是降低價(jià)值，都是值得投資的。

 

圖 2 - 不斷增加的設計參數和系統級性能需求，產(chǎn)生了更窄的“交集”。

 

有一個(gè)設計參數可以提高設計階段的靈活性，并最終滿(mǎn)足必要的性能需求，特別是對于數據轉換系統。它是利用SiP(系統級封裝）技術(shù)實(shí)現所需的功能。過(guò)去，半導體工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步使系統級設計師能夠在SoC（片上系統）上實(shí)現完整的電路功能。隨著(zhù)門(mén)電路長(cháng)度縮短至10nm甚至更小，需要大量數字計算的SoC應用已可以通過(guò)半導體技術(shù)實(shí)現。不幸的是，隨著(zhù)半導體特征尺寸的減小，芯片的開(kāi)發(fā)成本呈指數級

增長(cháng)（見(jiàn)圖3）。

 

圖 3

 

圖3也顯示了最小幾何門(mén)尺寸和最大器件振蕩頻率之間的相關(guān)性。如圖所示，Fmax的拐點(diǎn)在門(mén)長(cháng)度<28nm的位置。相應的，隨著(zhù)門(mén)長(cháng)度的減小，開(kāi)發(fā)成本呈指數增長(cháng)（G=28nm（平均開(kāi)發(fā)成本5130萬(wàn)美元），G=16nm(平均開(kāi)發(fā)成本1.063億美元），G=7nm(成本2.97億美元），G=5nm(成本超過(guò)5億美元))。隨著(zhù)SoC包含更多的功能，需要使用更小的門(mén)長(cháng)度，其開(kāi)發(fā)的成本變得令人望而卻步。例如，SoC一直是移動(dòng)電話(huà)行業(yè)的驅動(dòng)技術(shù)，但對模擬技術(shù)（如MEMS傳感器）的需求不斷增加，導致從SoC到SiP方案的變革。圖4說(shuō)明了當前推進(jìn)從SoC到SiP的變革的三個(gè)共存的設計參數：1)技術(shù)：為最優(yōu)系統性能選擇最合適的工藝技術(shù)（即Si、GaAs、GaN、SiGe等），2)小型化，3)成本。

 

 

圖 4

 

推動(dòng)數據轉換系統從SoC向SiP發(fā)展的另一個(gè)因素是對數據轉換電路器件的劃分（或組合）以及模擬和數字信號的布線(xiàn)，這將允許對多種服務(wù)進(jìn)行最大程度的軟件化。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，數據轉換系統可以設計為“集中式”或“分隨著(zhù)SoC包含更多的功能，需要使用更小的門(mén)長(cháng)度，其開(kāi)發(fā)的成本變得令人望而卻步。例如，SoC一直是移動(dòng)電話(huà)行業(yè)的驅動(dòng)技術(shù)，但對模擬技術(shù)（如MEMS傳感器）的需求不斷增加，導致從SoC到SiP方案的變革。圖4說(shuō)明了當前推進(jìn)從SoC到SiP的變革的三個(gè)共存的設計參數：1)技術(shù)：為最優(yōu)系統性能選擇最合適的工藝技術(shù)（即Si、GaAs、GaN、SiGe等），2)小型化，3)成本。

 

 

圖 5

 

因此，Teledyne e2v的高級的SiP設計、開(kāi)發(fā)和組裝的專(zhuān)業(yè)技術(shù)使數據轉換系統的開(kāi)發(fā)發(fā)生了巨大的變革，實(shí)現了多任務(wù)應用設計參數的最大靈活度（即組合和劃分）。通過(guò)使用最先進(jìn)的技術(shù)（焊線(xiàn)、倒裝芯片等），組合（或劃分）RF、混合信號和數字處理半導體，高級的SiP設計和組裝技術(shù)能為系統設計師帶來(lái)最高性能、最低成本的高頻數據轉換系統平臺。

 

 

圖 6a

 

例如，圖6的PS640是一款SiP實(shí)現的RF數據轉換系統產(chǎn)品，目前正在研發(fā)，用于未來(lái)的L波段到Ka波段的頻率接收機（1GHz至40GHz)。PS640使用Teledyne e2v基于STMicro BiCMOS055工藝設計的新型THA和兩片互相交織的EV12AQ600 ADC，是一款“集中式”的高速SiP數據轉換接收器（Rx)。圖6也描述了其性能指標。圖7描述了一種相同的數據轉換系統的未來(lái)概念，這是一種“分布式”數據轉換接收器的實(shí)現方式，使用光引擎（包含在SiP中）驅動(dòng)數字處理器（FPGA)，實(shí)現最大軟件化（軟件中心）。

 

 

圖 6b
 

 

圖 7

 

TE2V的高級SiP組裝技術(shù)

 

SiP是將多個(gè)器件（主動(dòng)器件或被動(dòng)器件）封裝在一起的單個(gè)設備。SiP用于在電子系統層面執行多項功能。嵌入在SiP中的半導體器件（包括被動(dòng)器件）可以水平和/或垂直堆疊在基材上，然后進(jìn)行封裝。半導體可以通過(guò)焊線(xiàn)或焊接凸點(diǎn)的方式與基材連接（也可以用于將裸片堆疊成垂直的結構）。如前所述，數據轉換SiP可能包含多個(gè)裸片，如前置放大器、混頻器、ADC、DAC，專(zhuān)用處理器、存儲集成電路和被動(dòng)器件（如電阻和電容）。這些裸片是使用不同的安裝技術(shù)固定在同一個(gè)基材上。SiP的組裝技術(shù)促進(jìn)了細分市場(chǎng)的發(fā)展，特別是與超高RF(地面和非地面）、需要MEMs電路的物聯(lián)網(wǎng)(IOT)、移動(dòng)和可穿戴設備等應用相關(guān)的領(lǐng)域。憑借一系列的使用SiP技術(shù)的產(chǎn)品和封裝解決方案，Te2v為工業(yè)、醫療、航空、軍事、科學(xué)和空間等應用的細分市場(chǎng)提供設計和組裝服務(wù)。此外，Teledyne e2v的許多產(chǎn)品都是通過(guò)與NXP、Everspin、Micron等公司的戰略合作開(kāi)發(fā)的。

 

Te2v可提供一系列SiP設計開(kāi)發(fā)的供應鏈管理服務(wù)，包括：裸片設計、封裝設計、高可靠組裝、高性能速度測試、質(zhì)量服務(wù)和半導體生命周期管理（SLiMTM，見(jiàn)圖 8）。Te2v擁有超過(guò)40年的宇航設計經(jīng)驗，包括ADC、DAC、微處理器、存儲器以及內部測試和質(zhì)量服務(wù)，能為所有細分市場(chǎng)提供滿(mǎn)足任何質(zhì)量等級需求的高級SiP的產(chǎn)品和服務(wù)。Te2v的高級的SiP組裝技術(shù)包括：焊線(xiàn)、倒裝芯片、有機和陶瓷封裝（密封和非密封）以及混合組裝。

 

 

圖 8

 

當然，在組裝之前，高級高速SiP開(kāi)發(fā)需要封裝仿真和封裝參數的測試，以評估散熱和可靠性。例如，圖9介紹了上文提到的PS640的熱仿真。對于散熱設計，將多個(gè)裸片緊密地放置在一起是一個(gè)挑戰。為了準確預測器件最關(guān)鍵區域的結溫，需要進(jìn)行仔細的熱仿真。

 

 

圖 9 - PS640 SiP的熱仿真

 

Te2v使用與設計師和客戶(hù)討論商定的邊界條件，使仿真的性能匹配最終的測試結果（這對于SiP集成的關(guān)鍵

器件是必需的）。此外，Te2v使用高頻3D場(chǎng)解算器（Ansys HFSS)對RF SiP的開(kāi)發(fā)進(jìn)行仿真和設計。HFSS是一款用于電磁結構的商業(yè)有限元方法解算器，適用于SiP封裝包含的復雜RF電子電路/半導體器件、濾波器、傳輸線(xiàn)的封裝設計（見(jiàn)圖 10）。

 

 

圖 10 - 對 PS640 進(jìn)行 40GHz 模擬輸入的 3D 場(chǎng)解算器仿真 (Ansys HFSS) 顯示封裝到 THA 的裸片之間的連接狀況，并分析了硅金屬填充里的信號傳遞。

 

在這個(gè)例子里，Te2v的封裝團隊和負責Te2v的SiP開(kāi)發(fā)流程的半導體團隊共同設計了這個(gè)RF模擬前端。由于嵌入在單個(gè)有機基材里的硅技術(shù)有所不同，以及C4(受控塌陷芯片連接 - 倒裝芯片凸點(diǎn)）和C5（焊球）機電接口中的RoHS焊點(diǎn)，SiP設計的可靠性是一個(gè)重大的工程挑戰。Te2v不斷開(kāi)發(fā)新技術(shù)，通過(guò)熱機械分析，并考慮諸如焊料蠕變和粘塑性等的非線(xiàn)性行為，快速并準確地預測產(chǎn)品的翹曲和板級的可靠性

（見(jiàn)圖11）。

 

 

圖 11 - PS640 在室溫組裝后發(fā)生的封裝翹曲的 50 倍放大圖

 

具體的設計和組裝服務(wù)還包括：定制產(chǎn)品、中/低用量產(chǎn)品、高可靠/高端產(chǎn)品、QML-V/QML-Y認證以及宇航認證（參考圖12中的技術(shù)總結）：

 

 

圖 12 - Te2v 的高級組裝技術(shù)，可用于 SIP 的組裝

 

 
 

 

圖 13 - Te2v 的高級焊線(xiàn)（上）和倒裝芯片（下）技術(shù)，可用于 SIP 的組裝

 

圖13說(shuō)明了Te2v的高級SiP焊線(xiàn)和倒裝芯片組裝技術(shù)。對于焊線(xiàn)，圖13（上圖）說(shuō)明了滿(mǎn)足不同半導體類(lèi)型（Si、GaN、GaAs等）和封裝類(lèi)型的最新發(fā)展所需的眾多組裝技術(shù)。隨著(zhù)新一代的半導體和封裝的發(fā)布，必須開(kāi)發(fā)新的焊線(xiàn)技術(shù)，以滿(mǎn)足性能的要求。焊線(xiàn)大約占所有電子封裝組裝（包含flash存儲器和傳感器等）的三分之二。對于一些硅節點(diǎn)，如MEMS傳感器，無(wú)法使用先進(jìn)的倒裝芯片互聯(lián)技術(shù)。在這些情況下，焊線(xiàn)依然具有成本和可靠性方面的優(yōu)勢。

 

倒裝芯片技術(shù)（也如圖13所示）基于半導體頂部形成的一系列凸起或銅柱。倒裝芯片的流程和傳統IC的制造類(lèi)似，只需要增加幾個(gè)步驟。在制造過(guò)程接近尾聲時(shí)，對焊盤(pán)進(jìn)行金屬化或焊料預處理，使其更容易焊接。在最后的晶圓流程中，焊接凸起會(huì )在晶圓頂部的

 

芯片焊盤(pán)上形成，然后像往常一樣從晶圓上切下芯片。為了將芯片安裝在外部電路（SiP電路板和/或另一個(gè)芯片或裸片）上，需要翻轉芯片使其頂部朝下，并使它的焊盤(pán)與外部電路的焊盤(pán)對齊，然后進(jìn)行回流焊（通常使用熱超聲焊接或回流焊接），以使它們互相連接。這會(huì )在芯片電路和底部之間留下了一個(gè)很小的空間。在很多情況下，需填充電氣絕緣的粘合劑，以保證更強的機械連接，并產(chǎn)生熱橋，確保焊點(diǎn)不會(huì )由于芯片和系統的其他部分的熱量不同而受到應力。這些填充物減少了芯片和板子之間的熱膨脹系數的不匹配帶來(lái)的影響，防止應力集中于焊點(diǎn)，防止器件過(guò)早失效。倒裝芯片技術(shù)與焊線(xiàn)技術(shù)不同，在焊線(xiàn)技術(shù)中，芯片被簡(jiǎn)單地安裝，然后用線(xiàn)將芯片的焊盤(pán)和外部電路連接起來(lái)。

 

TE2V：為高級SiP的設計和組裝提供一站式服務(wù)

 

在性能生命周期內，SiP可降低特定產(chǎn)品和系統的總體成本，特別是與其他設計選項（如SoC等）相比時(shí)。SiP可在產(chǎn)品生命周期的各個(gè)階段減少總體的系統開(kāi)發(fā)成本，如：

 

1. 降低工程成本：在工程開(kāi)發(fā)時(shí)間、材料和上市時(shí)間方面顯著(zhù)降低設計的難度。

 

2. 降低PCB成本：簡(jiǎn)化特定器件的開(kāi)發(fā)和使用（利用COTS或定制半導體）。

 

3. 降低組裝成本：將多個(gè)器件集成到一個(gè)封裝里，可在系統整體制造流程中顯著(zhù)降低成本。

 

4. 降低供應鏈成本：簡(jiǎn)化供應鏈。來(lái)自不同制造商的多個(gè)器件可被單個(gè)SiP取代，這樣只需管理較少的供應商和器件，可大大簡(jiǎn)化供應鏈。

 

5. 驗證：子系統和系統級的測試和認證。

Te2v的高級SiP設計和組裝服務(wù)成為所有細分市場(chǎng)和產(chǎn)品類(lèi)型的“一站式商店”（參見(jiàn)圖14）。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，Te2v不但為宇航級的應用提供設計、組裝和認證服務(wù)，也面向其他所有的細分市場(chǎng)、應用和質(zhì)量等級。

 

 

圖 14

 

最后，隨著(zhù)高級系統的發(fā)展進(jìn)入下一個(gè)十年，SiP技術(shù)已成為減少門(mén)長(cháng)度、減小半導體尺寸的關(guān)鍵要素。隨著(zhù)越來(lái)越大的SoC逐漸成為SiP包含的眾多器件之一，使用有機基材和封裝材料進(jìn)行可靠組裝（焊線(xiàn)或倒裝芯片）的技術(shù)需要大量的技術(shù)投資。當前，Te2v正準備在未來(lái)幾年內實(shí)現這類(lèi)技術(shù)的進(jìn)步，所有的技術(shù)研發(fā)都由ESA贊助。

 

 

 

結語(yǔ)

當前，數據轉換系統的設計師正在經(jīng)歷半導體工藝選擇（和幾何尺寸）、電路小型化需求以及不斷增加的開(kāi)發(fā)成本等關(guān)鍵設計參數的挑戰。此外，高級系統的開(kāi)發(fā)可以使用越來(lái)越先進(jìn)的ADC、DAC、微處理器和存儲器件。在工業(yè)、醫療、航空電子、儀器儀表、通信、軍事和宇航應用領(lǐng)域，一個(gè)系統設計的問(wèn)題一直存在，即如何在模擬電路和數字電路之間取得平衡，以實(shí)現最大的軟件/系統靈活性（從傳感器到計算機輸入/輸出）?，F在，高級SiP（系統級封裝）技術(shù)的發(fā)展在所有的細分市場(chǎng)和應用中推動(dòng)了數據轉換系統的設計從硬件中心到軟件中心的變革。Teledyne e2v的SiP設計、開(kāi)發(fā)和組裝的專(zhuān)業(yè)技術(shù)革新了系統級設計，實(shí)現了最大的靈活性和多任務(wù)的能力。Teledyne e2v擁有超過(guò)40年的RF、混合信號和數字處理應用的封裝設計經(jīng)驗，其最先進(jìn)的SiP設計和組裝技術(shù)（焊線(xiàn)、倒裝芯片、有機封裝等）將幫助系統設計師實(shí)現高頻直接RF數據轉換系統平臺的最高性能和最大價(jià)值。

（來(lái)源：Teledyne e2v）