【導讀】隨著ADC和DAC的性能規(guī)格、形狀參數(shù)和新的傳感器技術(Rx和Tx)的不斷發(fā)展，RF數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)正在發(fā)生快速變化。在這期間，一個系統(tǒng)級的設計問題一直存在，即如何平衡模擬和數(shù)字電路的設計，以實現(xiàn)最大的軟件/系統(tǒng)靈活性（從傳感器到數(shù)字處理單元的輸入/輸出）。
摘要
隨著ADC和DAC的性能規(guī)格、形狀參數(shù)和新的傳感器技術(Rx和Tx)的不斷發(fā)展，RF數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)正在發(fā)生快速變化。在這期間，一個系統(tǒng)級的設計問題一直存在，即如何平衡模擬和數(shù)字電路的設計，以實現(xiàn)最大的軟件/系統(tǒng)靈活性（從傳感器到數(shù)字處理單元的輸入/輸出）。這個基本問題需要系統(tǒng)設計師劃分（或組合）數(shù)據(jù)轉換電路器件，并結合模擬和數(shù)字信號的布線，實現(xiàn)多種服務的軟件最大化。現(xiàn)在，隨著高級的SiP（系統(tǒng)級封裝）組裝技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)轉換器系統(tǒng)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)展和組裝的專業(yè)技術革新了系統(tǒng)級設計，可實現(xiàn)最大的靈活性并支持多任務的應用。利用最先進的技術（倒裝芯片、有機封裝等）開發(fā)的RF混合信號數(shù)字處理應用可用于工業(yè)、醫(yī)療、航空電子、儀器、電信、軍事和宇航等應用。Teledyne e2v在高級SiP設計和組裝技術方面擁有超過40年的經(jīng)驗，可幫助系統(tǒng)設計師實現(xiàn)高級數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)平臺的最高性能和最大價值。
用于SiP設計的高級數(shù)據(jù)轉換器件
高頻數(shù)據(jù)轉換器系統(tǒng)需要高性能（和可靠的）半導體器件來處理整個信號鏈的關鍵功能。選擇可以滿足整個系統(tǒng)性能要求的合適的半導體器件對SiP的實現(xiàn)至關重要。Teledyne e2v為SiP的實現(xiàn)提供了高速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)轉換接收(Rx)系統(tǒng)的核心器件是ADC。Teledyne e2v在過去的20多年里一直致力于數(shù)據(jù)轉換器技術的創(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(shù)據(jù)轉換器使系統(tǒng)設計師能（通過直接RF轉換）消除傳統(tǒng)架構中下變頻所需的模擬環(huán)節(jié)。利用Teledyne e2v的高端ADC減少模擬環(huán)節(jié)，并使用高級的SiP設計技術配合無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，以滿足特定的性能和/或環(huán)境需求。
未來高速SiP直接RF數(shù)據(jù)轉換接收(Rx)方案的核心是EV12AQ600。結合RTH120跟蹤保持放大器(THA)，PS620實驗SiP RF前端接收板（如下圖所示）的性能非常優(yōu)秀（見第2頁上器件的核心參數(shù)）。EV12AQ600是一款四核ADC，包含交叉點開關(CPS)前端，允許四個ADC核心同時、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(shù)據(jù)采集、高速測試儀器、自動測試設備、地球觀測SAR雷達載荷、電信MIMO衛(wèi)星載荷、超寬帶衛(wèi)星數(shù)字接收機、C波段直接RF轉換、微波軟件定義無線電、點對點微波接收端、機器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、飛行時間質譜分析、LiDAR、高能物理等。
器件核心參數(shù)
EV12AQ600 ADC:
• 四個12-bit 1.6 GSps ADC核心，支持1、2或4通
道時域交織
• 全交織模式采樣率高達6.4 GSps
• 6.5 GHz輸入帶寬(-3dB)
• 集成的寬帶交叉點開關
• 支持多通道同步的同步鏈
RTH120 THA:
• 24GHz 輸入帶寬
• 雙THA使輸出保持時間超過半個采樣時鐘周期
• 全差分設計
在實現(xiàn)高速、最先進的SiP數(shù)據(jù)轉換發(fā)射端(Tx)解決方案方面，關鍵的技術是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，滿刻度階躍響應時間低至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25GHz也僅有略大于3dB的衰減（見下圖）。每個DAC都集成了一系列復雜的信號處理功能，包括一個用于直接數(shù)字合成(DDS)功能的可編程anti-sinc濾波器，一個可編程的復雜混頻器，以及一個包含四個插值環(huán)節(jié)的數(shù)字上變頻器。數(shù)字處理功能包括：插值（4x, 8x和16x）、帶有數(shù)字控制振蕩器（32位NCO)的數(shù)字上變頻(DUC)、直接數(shù)字合成(DDS)、數(shù)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(jié)、可編程SINC補償功能和多器件同步。
圖 1
當然，所有的高速數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)也需要先進的數(shù)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現(xiàn)了無與倫比的性能。用戶可以使用與ARM® 技術兼容的龐大的軟件、應用、工具的生態(tài)系統(tǒng)。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(nèi)領先的計算密度。其超過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，這個模塊還包含了一個4GB的DDR4存儲器（見左側的照片）。此外，作為Teledyne 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，避免了常見的昂貴的器件過時問題。
數(shù)據(jù)轉換SiP實現(xiàn)峰值系統(tǒng)性能：適用于所有細分市場
在工業(yè)、醫(yī)療、飛行電子、儀器、電信、軍事和宇航領域，數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)正在經(jīng)歷快速的變化。對于所有的細分市場，首要的系統(tǒng)級設計問題是，如何在模擬和數(shù)字電路之間取得平衡，實現(xiàn)最大的軟件/系統(tǒng)靈活性（從傳感器到計算機輸入或從計算機輸出到傳感器）。這個基本的問題要求系統(tǒng)設計師劃分（或組合）數(shù)據(jù)轉換電路器件，并結合模擬和數(shù)字信號的布線，以實現(xiàn)多種服務的軟件最大化。
系統(tǒng)工程師了解他們的市場、應用和電路性能的規(guī)范需求，但設計參數(shù)，例如風險、技術選擇、形狀參數(shù)、開發(fā)時間表（包括時間表同步）、可靠性，以及與高性能數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)相關的成本，都是高度可變的。這些設計參數(shù)，加上不斷變化的系統(tǒng)性能規(guī)格需求，最終導致更窄的設計實現(xiàn)“交集”（圖2）。
當然，在任何設計參數(shù)上犯錯誤，都會付出巨大的代價。因此，任何可以嵌入到設計開發(fā)中的靈活性，只要能為項目增加整體價值而不是降低價值，都是值得投資的。
圖 2 - 不斷增加的設計參數(shù)和系統(tǒng)級性能需求，產(chǎn)生了更窄的“交集”。
有一個設計參數(shù)可以提高設計階段的靈活性，并最終滿足必要的性能需求，特別是對于數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)。它是利用SiP(系統(tǒng)級封裝）技術實現(xiàn)所需的功能。過去，半導體工藝技術的不斷進步使系統(tǒng)級設計師能夠在SoC（片上系統(tǒng)）上實現(xiàn)完整的電路功能。隨著門電路長度縮短至10nm甚至更小，需要大量數(shù)字計算的SoC應用已可以通過半導體技術實現(xiàn)。不幸的是，隨著半導體特征尺寸的減小，芯片的開發(fā)成本呈指數(shù)級
增長（見圖3）。
圖 3
圖3也顯示了最小幾何門尺寸和最大器件振蕩頻率之間的相關性。如圖所示，F(xiàn)max的拐點在門長度<28nm的位置。相應的，隨著門長度的減小，開發(fā)成本呈指數(shù)增長（G=28nm（平均開發(fā)成本5130萬美元），G=16nm(平均開發(fā)成本1.063億美元），G=7nm(成本2.97億美元），G=5nm(成本超過5億美元))。隨著SoC包含更多的功能，需要使用更小的門長度，其開發(fā)的成本變得令人望而卻步。例如，SoC一直是移動電話行業(yè)的驅動技術，但對模擬技術（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說明了當前推進從SoC到SiP的變革的三個共存的設計參數(shù)：1)技術：為最優(yōu)系統(tǒng)性能選擇最合適的工藝技術（即Si、GaAs、GaN、SiGe等），2)小型化，3)成本。
圖 4
推動數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)從SoC向SiP發(fā)展的另一個因素是對數(shù)據(jù)轉換電路器件的劃分（或組合）以及模擬和數(shù)字信號的布線，這將允許對多種服務進行最大程度的軟件化。簡單來說，數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)可以設計為“集中式”或“分隨著SoC包含更多的功能，需要使用更小的門長度，其開發(fā)的成本變得令人望而卻步。例如，SoC一直是移動電話行業(yè)的驅動技術，但對模擬技術（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說明了當前推進從SoC到SiP的變革的三個共存的設計參數(shù)：1)技術：為最優(yōu)系統(tǒng)性能選擇最合適的工藝技術（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、開發(fā)和組裝的專業(yè)技術使數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)的開發(fā)發(fā)生了巨大的變革，實現(xiàn)了多任務應用設計參數(shù)的最大靈活度（即組合和劃分）。通過使用最先進的技術（焊線、倒裝芯片等），組合（或劃分）RF、混合信號和數(shù)字處理半導體，高級的SiP設計和組裝技術能為系統(tǒng)設計師帶來最高性能、最低成本的高頻數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)平臺。
圖 6a
例如，圖6的PS640是一款SiP實現(xiàn)的RF數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)產(chǎn)品，目前正在研發(fā)，用于未來的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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)的未來概念，這是一種“分布式”數(shù)據(jù)轉換接收器的實現(xiàn)方式，使用光引擎（包含在SiP中）驅動數(shù)字處理器（FPGA)，實現(xiàn)最大軟件化（軟件中心）。
圖 6b
圖 7
TE2V的高級SiP組裝技術
SiP是將多個器件（主動器件或被動器件）封裝在一起的單個設備。SiP用于在電子系統(tǒng)層面執(zhí)行多項功能。嵌入在SiP中的半導體器件（包括被動器件）可以水平和/或垂直堆疊在基材上，然后進行封裝。半導體可以通過焊線或焊接凸點的方式與基材連接（也可以用于將裸片堆疊成垂直的結構）。如前所述，數(shù)據(jù)轉換SiP可能包含多個裸片，如前置放大器、混頻器、ADC、DAC，專用處理器、存儲集成電路和被動器件（如電阻和電容）。這些裸片是使用不同的安裝技術固定在同一個基材上。SiP的組裝技術促進了細分市場的發(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)、移動和可穿戴設備等應用相關的領域。憑借一系列的使用SiP技術的產(chǎn)品和封裝解決方案，Te2v為工業(yè)、醫(yī)療、航空、軍事、科學和空間等應用的細分市場提供設計和組裝服務。此外，Teledyne e2v的許多產(chǎn)品都是通過與NXP、Everspin、Micron等公司的戰(zhàn)略合作開發(fā)的。
Te2v可提供一系列SiP設計開發(fā)的供應鏈管理服務，包括：裸片設計、封裝設計、高可靠組裝、高性能速度測試、質量服務和半導體生命周期管理（SLiMTM，見圖 8）。Te2v擁有超過40年的宇航設計經(jīng)驗，包括ADC、DAC、微處理器、存儲器以及內(nèi)部測試和質量服務，能為所有細分市場提供滿足任何質量等級需求的高級SiP的產(chǎn)品和服務。Te2v的高級的SiP組裝技術包括：焊線、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開發(fā)需要封裝仿真和封裝參數(shù)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，將多個裸片緊密地放置在一起是一個挑戰(zhàn)。為了準確預測器件最關鍵區(qū)域的結溫，需要進行仔細的熱仿真。
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集成的關鍵
器件是必需的）。此外，Te2v使用高頻3D場解算器（Ansys HFSS)對RF SiP的開發(fā)進行仿真和設計。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、傳輸線的封裝設計（見圖 10）。
圖 10 - 對 PS640 進行 40GHz 模擬輸入的 3D 場解算器仿真 (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。
在這個例子里，Te2v的封裝團隊和負責Te2v的SiP開發(fā)流程的半導體團隊共同設計了這個RF模擬前端。由于嵌入在單個有機基材里的硅技術有所不同，以及C4(受控塌陷芯片連接 - 倒裝芯片凸點）和C5（焊球）機電接口中的RoHS焊點，SiP設計的可靠性是一個重大的工程挑戰(zhàn)。Te2v不斷開發(fā)新技術，通過熱機械分析，并考慮諸如焊料蠕變和粘塑性等的非線性行為，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中的技術總結）：
圖 12 - Te2v 的高級組裝技術，可用于 SIP 的組裝
圖 13 - Te2v 的高級焊線（上）和倒裝芯片（下）技術，可用于 SIP 的組裝
圖13說明了Te2v的高級SiP焊線和倒裝芯片組裝技術。對于焊線，圖13（上圖）說明了滿足不同半導體類型（Si、GaN、GaAs等）和封裝類型的最新發(fā)展所需的眾多組裝技術。隨著新一代的半導體和封裝的發(fā)布，必須開發(fā)新的焊線技術，以滿足性能的要求。焊線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(jié)點，如MEMS傳感器，無法使用先進的倒裝芯片互聯(lián)技術。在這些情況下，焊線依然具有成本和可靠性方面的優(yōu)勢。
倒裝芯片技術（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(tǒng)IC的制造類似，只需要增加幾個步驟。在制造過程接近尾聲時，對焊盤進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，焊接凸起會在晶圓頂部的
芯片焊盤上形成，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/或另一個芯片或裸片）上，需要翻轉芯片使其頂部朝下，并使它的焊盤與外部電路的焊盤對齊，然后進行回流焊（通常使用熱超聲焊接或回流焊接），以使它們互相連接。這會在芯片電路和底部之間留下了一個很小的空間。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，確保焊點不會由于芯片和系統(tǒng)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(shù)的不匹配帶來的影響，防止應力集中于焊點，防止器件過早失效。倒裝芯片技術與焊線技術不同，在焊線技術中，芯片被簡單地安裝，然后用線將芯片的焊盤和外部電路連接起來。
TE2V：為高級SiP的設計和組裝提供一站式服務
在性能生命周期內(nèi)，SiP可降低特定產(chǎn)品和系統(tǒng)的總體成本，特別是與其他設計選項（如SoC等）相比時。SiP可在產(chǎn)品生命周期的各個階段減少總體的系統(tǒng)開發(fā)成本，如：
1. 降低工程成本：在工程開發(fā)時間、材料和上市時間方面顯著降低設計的難度。
2. 降低PCB成本：簡化特定器件的開發(fā)和使用（利用COTS或定制半導體）。
3. 降低組裝成本：將多個器件集成到一個封裝里，可在系統(tǒng)整體制造流程中顯著降低成本。
4. 降低供應鏈成本：簡化供應鏈。來自不同制造商的多個器件可被單個SiP取代，這樣只需管理較少的供應商和器件，可大大簡化供應鏈。
5. 驗證：子系統(tǒng)和系統(tǒng)級的測試和認證。
Te2v的高級SiP設計和組裝服務成為所有細分市場和產(chǎn)品類型的“一站式商店”（參見圖14）。簡單來說，Te2v不但為宇航級的應用提供設計、組裝和認證服務，也面向其他所有的細分市場、應用和質量等級。
圖 14
最后，隨著高級系統(tǒng)的發(fā)展進入下一個十年，SiP技術已成為減少門長度、減小半導體尺寸的關鍵要素。隨著越來越大的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行可靠組裝（焊線或倒裝芯片）的技術需要大量的技術投資。當前，Te2v正準備在未來幾年內(nèi)實現(xiàn)這類技術的進步，所有的技術研發(fā)都由ESA贊助。
結語
當前，數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)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發(fā)成本等關鍵設計參數(shù)的挑戰(zhàn)。此外，高級系統(tǒng)的開發(fā)可以使用越來越先進的ADC、DAC、微處理器和存儲器件。在工業(yè)、醫(yī)療、航空電子、儀器儀表、通信、軍事和宇航應用領域，一個系統(tǒng)設計的問題一直存在，即如何在模擬電路和數(shù)字電路之間取得平衡，以實現(xiàn)最大的軟件/系統(tǒng)靈活性（從傳感器到計算機輸入/輸出）?，F(xiàn)在，高級SiP（系統(tǒng)級封裝）技術的發(fā)展在所有的細分市場和應用中推動了數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)的設計從硬件中心到軟件中心的變革。Teledyne e2v的SiP設計、開發(fā)和組裝的專業(yè)技術革新了系統(tǒng)級設計，實現(xiàn)了最大的靈活性和多任務的能力。Teledyne e2v擁有超過40年的RF、混合信號和數(shù)字處理應用的封裝設計經(jīng)驗，其最先進的SiP設計和組裝技術（焊線、倒裝芯片、有機封裝等）將幫助系統(tǒng)設計師實現(xiàn)高頻直接RF數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)平臺的最高性能和最大價值。
（來源：Teledyne e2v）
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