SiP系统级封装设计仿真技术

现代电子技术ModernElectronicsTechniqueJul.2023Vol.46No.142023年7月15日第46卷第14期

0引言阵列化是当前电子信息装备的重要发展趋势，无论从作战需求还是从装备升级换代方面考虑，陆海空天各类平台均在向阵列化发展。目前，射频收发机在研制上主要基于低集成度分立器件的路线，通用化程度低、体积重量大、功效抵下、性能指标一致性差，成本居高不下，无法满足先进平台的使用需求[1]。为解决这一系列瓶颈问题，系统级封装（SysteminPackage,SiP）设计理念被提出。SiP是一种新型的封装技术，在ITRS2005中对SiP的定义是：系统级封装是采用任何组合，将多个具有不同功能的有源电子器件与可选择的无源组件，以及诸如微机电或者光学器件等其他器件，组装成为可以提供多种功能的单个标准封装件，形成一个系统或者子系统[2]。SiP可以在一个衬底上集成多种芯片以及无源器件，极大地提高了电路和系统的集成度。SiP封装能够实现不同的工艺、异质材料的系统集成，如可实现表面贴装、有源（射频、数字、模拟等）/无源器件埋入的灵活组合。由于可以使用多种工艺，使得在每一个应用领域都可以采用最合适的技术，如无源滤波器可以采用声表或者体声波滤波器，功率放大器可以使用GaAs工艺，逻辑电路可以采用硅工艺等等。由于SiP采用“集百家之所长”的方式来进行电路系统搭建，使得研发成本大大降低，研发周期大大缩短，极大地增加了SiP产品的竞争力。SiP封装技术与现有封装工艺兼容或具有继承DOI：10.16652/j.issn.1004‐373x.2023.14.024引用格式：徐晓瑶，黄晓国，张琦，等.基于数字化设计仿真的射频干扰抵消SiP设计[J].现代电子技术，2023，46（14）：141‐146.基于数字化设计仿真的射频干扰抵消SiP设计徐晓瑶，黄晓国，张琦，姜建军（中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴314033）摘要：随着无线电子系统朝着阵列化、微系统化、高频化等方向发展，系统调试难、失效、故障难以排除等问题逐渐凸显，基于“经验设计+后续调试”的传统设计方法已难以满足实际需求。基于机、电、热、磁等多学科数字化协同设计仿真能够对各设计阶段进行指导与验证，在提高设计效率的同时保证产品的性能指标，是微系统的主流设计方法。基于此，文中以射频干扰抵消SiP为例，详细介绍电、磁、热协同设计仿真的整个设计流程。实验表明，所提设计达到了预期目标，可为从事硬件电路设计者提供指导与参考。关键词：射频干扰抵消；系统级封装；Ballmap预布局；数字化协同设计；信号完整性；电源完整性；热仿真中图分类号：TN921‐34文献标识码：A文章编号：1004‐373X（2023）14‐0141‐06DesignofRFinterferencecancellationSiPbasedondigitaldesignandsimulationXUXiaoyao,HUANGXiaoguo,ZHANGQi,JIANGJianjun(No.36InstituteofChinaElectronicTechnologyGroupCorporation,Jiaxing314033,China)Abstract：Withthedevelopmentofwirelesselectronicsystemstowardsarray,microsystemization,high‐frequency,andotherdirections,problemssuchasdifficultyinsystemdebugging,failure,anddifficultyintroubleshootinghavegraduallybecomeprominent.Thetraditionaldesignmethodbasedon"experientialdesign+subsequentdebugging"isnolongerabletomeetpracticalneeds.Basedonmultidisciplinarydigitalcollaborativedesignsimulationofmechanical,electrical,thermal,magnetic,andotherdisciplines,variousdesignstagescanbeguidedandverified,andthedesignefficiencycanbeimprovedwhileensuringproductperformanceindicators,whichisthemainstreamdesignmethodformicrosystems.Onthisbasis,takingtheRFinterferecancellationSiP(systeminpackage)asanexample,thewholedesignprocessofelectrical,thermal,magneticcooperativedesignsimulationisintroducedindetail.Theexperimentalresultsshowthattheproposeddesignreachtheexpectedgoal,whichcanprovideguidanceandreferenceforthedesignerofhardwarecircuit.Keywords：RFinterferecancellation;SiP;Ballmapprelayout;digitalcollaborativedesign;signalintegrity;powerintegrity;thermalsimulation

0 引言随着国防军工、计算机和汽车电子产业的发展，电子产品和系统要求实现功能强、性能优、体积小、重量轻之特性，从当前电子产品及芯片发展的技术领域来考虑，实现该功能的电子产品有两种方式：其一，从芯片设计角度出发，依赖于 SoC 片上系统芯片设计及制造技术的发展和推进；其二，从芯片封装技术的角度考虑，依赖于近年来逐步发展和成熟起来的先进封装技术的支持。SoC（System on Chip）片上系统是芯片研发人员研究的主方向。它是将多个功能模块进行片上系统设计，进而形成一个单芯片电子系统，实现电子产品小型化、多功能、高可靠的特征需求，是芯片向更高层次发展的终极目标；但是，SoC 片上系统需要多个功能模块工艺集成，同时涉及各功能模块电路的信号传输和处理，技术要求高，研发周期长，开发成本高，无法满足电子产品升级换代的快速更新。基于以上产品需求，在混合集成电路 HIC（Hybrid

integrated circuit）封装技术基础上，MCM（Multi-Chip Module）及 SIP（System in package）等微电子封装技术逐渐在此方向上获得突破，在牺牲部分面积等指标的情况下，形成单一的封装“芯片”，并且可快速实现相同功能的芯片量产，推动产品快速上市。本文将介绍 SoC 片上系统的优势和产品快速更新需求的矛盾，为解决此矛盾，从封装技术角度出发，给出微电子封装技术发展的 3 个关键环节，即HIC、MCM 及 SIP，介绍了其各自封装技术的优缺点，阐释了 HIC、MCM 及 SIP 的相互关系，最终分析形成一套基本满足 SOC

片上系统功能且可快速开发组装形成批量产能的 SIP 封装技术，快速实现电子产品整机或系统的芯片级更新需求。1 SoC 片上系统分析SoC 即系统级芯片，从狭义的角度讲，SoC 是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上；从广义的角度讲，SoC 是一个微小型系统。与一般芯片定义相比，SoC 更强调的是一个系统整体，即由多个具有特定功能的集成电路组合在一个芯片上，对所有或部分必要的电子电路进行整体设计和加工的技术，最终形成包含完整的软硬件的系统或产品。图 1 所示为 SoC 片上系统芯片在同一硅片上的设计示意图。

2024年系统级封装（SiP）芯片市场分析现状

引言

系统级封装（SiP）是一种集成多个芯片和其他电子组件的封装技术。随着消费电子产品的不断发展和多样化，系统级封装技术在芯片设计和制造领域扮演着重要角色。本文旨在分析系统级封装（SiP）芯片市场的现状，并探讨其未来发展趋势。

市场规模与增长趋势

根据市场研究公司的数据，系统级封装（SiP）芯片市场从2019年至2025年将以超过10%的复合年增长率增长。这一增长趋势主要受到以下因素的推动：

1. 5G通信技术的兴起：5G通信技术的普及将带来更高的数据传输速度和更低的延迟，这对于消费电子产品的性能提升有重要意义。系统级封装技术可以集成多个芯片，提高整体性能，适应5G时代的需求。

2. 物联网（IoT）的发展：物联网的快速发展将推动对低功耗、小尺寸、集成度高的芯片的需求，这也是系统级封装芯片的一个主要应用领域。多种传感器和通信芯片的集成将有助于物联网设备的发展。

3. 消费电子产品的多样性：消费电子产品市场的竞争日益激烈，产品差异化成为企业之间争相竞争的关键。系统级封装技术可以为各种消费电子产品提供更高的集成度和更小的体积，满足不同产品需求。 主要市场参与者

系统级封装（SiP）芯片市场的竞争激烈，目前主要的市场参与者包括：

1. 英特尔公司（Intel）：作为全球领先的芯片制造商之一，英特尔在系统级封装领域具有强大的实力和丰富的经验。该公司通过收购其他公司和进行研发，不断提高其SiP芯片的性能和集成度。

2. 赛灵思公司（Xilinx）：作为可编程逻辑器件领域的领导者，赛灵思公司在系统级封装芯片领域也具有竞争力。该公司通过开发高度可编程、高集成度的SiP芯片，满足不同领域的应用需求。

3. 台积电（TSMC）：作为全球最大的芯片代工厂商之一，台积电在系统级封装芯片的制造领域占据重要地位。该公司通过先进的制造工艺和高效的生产能力，为各类客户提供优质的SiP芯片。

第 1 页 系统级封装（Sip）问题的研究

1优势

1.1较短的开发时间

系统级封装产品研制开发的周期比较短，市场响应时间比较快。

全新的SoC需要耗费大量的时间与金钱，许多产品(特别是消费类产品)不堪重负。例如，某些SoC的上市时间长达18个月，而SiP可以将该时间削减50%或更短。

1.2满足小型化需求，缩短互联距离

将原本各自独立的封装元件改成以SiP技术整合，便能缩小封装体积以节省空间，并缩短元件间的连接线路而使电阻降低，提升电性效果，最终呈现微小封装体取代大片电路载板的优势，又仍可维持各别晶片原有功能。

系统级封装可以使多个封装合而为一， 从而显着减小封装体积、重量，减少I／O引脚数，缩短元件之间的连线，有效传输信号。SiP可以将微处理器、存储器(如EPROM与DRAM)、FPGA、电阻器、电容与电感器合并在一个容纳多达四或五个芯片的封装中。与传统的IC封装相比，通常最多可节约80%的资源，并将重量降低90%。

通过垂直集成，SiP也可以缩短互连距离。这样可以缩短信号延迟时间、降低噪音并减少电容效应，使信号速度更快。功率消耗也较低。 第 2 页 1.3节约成本

系统级封装减少了产品封装层次与工序，因此相应地降低了生产制造成本，提高了产品可靠性。虽然就单一产品而言封装制造成本相对较高。但从产业链整合、运营及产品销售的角度来看，SiP产品开发时间大幅缩短，而且通过封装产品的高度整合可减少印刷电路板尺寸及层数，降低整体材料成本，有效减少终端产品的制造与运行成本，提高了生产效率

1.4能实现多功能集成

系统级封装可以集成不同工艺类型的芯片，如模拟、数字与RF等功能芯片，很容易地在单一封装结构内实现混合信号的集成化。

1.5满足产品需求

第一，要求产品在精致的封装中具有更高的性能、更长的电池寿命与不断提高的存储器密度；第二要求降低成本并简化产品

因SiP是将相关电路以封装体完整包覆，因此可增加电路载板的抗化学腐蚀与抗应力（Anti-stress）能力，可提高产品整体可靠性，对产品寿命亦能提升。