基于ARM和FPGA的SiP通用微處理系統封裝設計

摘 要： 介紹了系統級封裝的概念和特性，闡述了SiP設計的關鍵技術和基本生產實現流程。設計了一款基于ARM和FPGA管芯的SiP通用微處理系統，介紹了該SiP系統的整體框圖，并詳細分析了系統各部分電路的功能結構。該系統具有體積小、功耗低及功能完備等優點，充分展現了SiP技術的優越性。

封裝是連接半導體芯片和電子系統的一道橋梁，隨著半導體產業的飛速發展及其向各行業的迅速滲透，電子封裝已經逐步成為實現半導體芯片功能的一項關鍵技術，受到了越來越多的關注。近幾年，消費類電子和特殊應用環境對嵌入式系統設計的迫切需要帶動了電子封裝產業的高速發展。電子封裝技術正朝著多功能、高度集成、高可靠性、小型化等方向發展，應用領域也從之前的傳統消費類電子設備領域擴展到雷達、聲吶、醫學影像和石油勘探等領域。

目前，業界高度集成化的電子系統主要有系統級芯片SoC（System on Chip）和系統級封裝SiP（System in Package）兩種。SoC技術相對比較成熟，已經在電子系統中大量使用，但卻越來越受到工藝、可靠性等方面的限制。SiP是基于SoC的一種新型的封裝技術，它將一個或多個芯片及無源器件構成的高性能模塊以芯片管芯的形式堆疊在一個殼體內，從而使封裝由單一芯片升級為系統級芯片[1]。與SoC相比，SiP具有系統開發成本低、研制周期短、集成度高及可靠性高等優點。

SiP技術功能可定制、體積小、功耗低和重量輕的特點適應了嵌入式系統的發展需求，在嵌入式領域獲得了越來越多的關注和應用。本文設計了一款采用ARM和FPGA管芯設計實現的SiP系統級封裝，該系統將具有多種功能的通用微處理系統封裝在一顆很小的SiP芯片內，體積小、功耗低且功能齊全，實現了系統的高度集成。

1 系統總體設計

圖1為SiP內部結構框圖，該SiP系統級封裝以ARM處理器和FPGA控制器為核心構建。采用ARM為主處理器，負責整個系統的控制和管理；FPGA作為系統的主橋控制器，完成系統多功能外設的綜合調度管理。FPGA內部完成離散量、PWM、串口、A/D、D/A等控制邏輯，實現了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。

不同于傳統的封裝器件，SiP系統級封裝設計選用的所有器件均為芯片管芯，在該系統設計中，ARM處理器選用Silicon Labs公司的SIM3U167 ARM Cortex-M3管芯，FPGA選用Xilinx公司的XQV6000管芯，系統的其他功能電路（如PROM電路、A/D及D/A電路、接口驅動電路）均采用相應的芯片管芯設計。該SiP系統的最終實現形式為BGA304塑體封裝芯片，所有功能信號、CPU下載、FPGA下載、電源信號均以管腳形式引到芯片管腳上。設計中芯片還預留了部分通用I/O管腳，以實現用戶開發時的自定義功能。用戶通過搭建簡單的基礎外圍電路，便可實現具有上述功能的完整復雜系統。

2 系統電路結構

2.1 ARM電路

ARM作為系統的CPU，負責整個系統的控制和管理，圖2為ARM與FPGA電路的連接結構[2]。其中，EMIF為外部存儲器總線，該ARM芯片支持地址數據分用模式和復用模式兩種模式，復用模式下最高可支持24位數據，本系統選用的是復用模式，EMIF_AD15：0為16位地址數據復用總線。ARM通過WR寫使能信號、OE讀使能信號、ALEm地址鎖存信號、CSx片選信號和BEx字節使能信號控制FPGA芯片，實現對系統外圍電路的控制。其中，ALEm信號、BEx信號僅在復用模式下使用。系統采用的SIM3U167芯片是一款高性能處理器，具有256 KB Flash和32 KB SRAM片上存儲器，支持很多外圍通用接口。本系統根據設計需要，將1路UART、1路USART、1路SPI、1路I2C、1路USB、2路12位A/D轉換、2路10位D/A轉換接口信號引到了SiP的外部管腳上。

2.2 PROM電路

FPGA一般需要PROM芯片存儲邏輯加載文件，本系統選用國微公司的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，數據以每TCK一位的速度加載配置數據，加載速度可達33 MHz。PROM配置電路結構如圖3所示。

除TDI、TDO、TMS和TMK 4個JTAG專用邊界掃描信號外，FPGA與PROM之間還需一組控制信號，包括D0（配置數據輸入）、CCLK（配置時鐘）、DONE（FPGA配置完成）、PROG（觸發重配置）和INIT（配置初始化）5個信號，上電時PROM通過這些控制信號將配置數據加載到FPGA中，啟動系統正常運行。

2.3 模擬量輸入電路

系統具有16路模擬信號采集功能，電壓幅度范圍為-10 V~+10 V，實現框圖如圖4所示。信號通過1片16選1多路開關選通16路模擬信號中的1路信號進行A/D轉換，FPGA產生通道選擇信號A3~A0，決定最終轉換哪路模擬信號。多路開關選用ADI公司的ADG506管芯實現，通過多路開關選通后的信號要經過一級運算放大器進行電壓跟隨處理，電壓跟隨器輸入阻抗非常大，輸出阻抗非常小，可提高通道帶負載能力。

2.5 離散量與PWM電路

外部離散量與PWM輸入信號均為5 V TTL電平，而FPGA能處理的信號為3.3 V CMOS電平，因此，離散量與PWM信號在輸入、輸出時需要通過驅動器進行電平轉換，電平轉換結構如圖6所示。驅動器選用國微公司的SM164245管芯，該芯片由兩組8位雙向數據緩沖器組成，每組數據緩沖器由一個DIR方向控制信號和一個OE#使能信號控制，兩信號均由FPGA邏輯產生，PWM和離散量的最終處理也由FPGA邏輯實現。

基板[5]選擇一般參考材料的熱膨脹系數CTE、介電常數、介質損耗、電阻率和導熱率等因素。商用SiP產品一般都選擇有機基板，它是以高密度多層布線和微孔基板技術為基礎制造的，具有較低的互連電阻和介電常數，成本低，但存在芯片與基板之間CTE差高、熱失配大、穩定性差等局限性。工業級產品一般多采用成本較高的陶瓷基板，其散熱優良、氣密性好、可靠性高。

裸片與基板連接通常有引線鍵合（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具有焊接點牢固、信號傳輸路徑短、電源/地分布廣、I/O密度高、封裝體尺寸小和可靠性高等優點，但加工成本相對較高。

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]，因此加工生產流程主要也是BGA封裝經常采用的Wire Bonding BGA（WB-BGA）和FlipChip BGA（FC-BGA）兩種工藝。但由于SiP系統級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。本系統較一般的SiP封裝設計，埋入的管芯和無源器件種類多、數量大，最終采用混合工藝流程生產實現。

本文對SiP設計的關鍵技術和生產實現進行了介紹，并以此為基礎，詳細闡述了一款采用ARM和FPGA實現的SiP系統級封裝系統，該芯片功能齊全、性能穩定，相對于傳統的單板系統，其具有可定制、體積小、功耗低、重量輕等優點，值得在以后的微處理系統中推廣使用。SiP技術是一種飛速發展的IC封裝技術，正受到越來越多的關注和推進，必將成為未來電子封裝的主流發展方向，為嵌入式系統的發展提供一種全新的解決途徑。