基于SiP技术的信号处理通道设计分析

随着电子系统的微型化和高性能化，传统的基于 PCB 的系统集成方法受到了很大的挑战。系统级封装（SiP）是一种新型的集成化设计方法，它通过将多个功能芯片整合到一个封装中，从而提高了系统的集成度和性能。本项目拟结合信号处理的具体要求，开展 SiP 信道设计理论与方法的研究，以期突破目前高速信号处理中存在的一些瓶颈问题，为相关研究与应用奠定基础。

一、SiP 技术概述

SiP (System Scale Package, SiP）是一种将多个功能芯片、无源器件等部件集成到一个封装中的一种新型集成技术。相对于传统的集成方法， SiP 技术具有三大优点：一是可以通过 3D 叠层等方法极大地减小了系统的体积，从而提高了系统的集成度。其次，采用 SiP 工艺可以有效地减少网络中的杂散干扰，从而改善系统的性能。最终， SiP 技术可以将多个制程的芯片进行集成，从而达到异质集成[1]。

在信号处理领域中， SiP 的应用有三个方向，第一，它能够将模拟前端，数字信号处理器，内存等紧密结合起来；二是实现了对信号的高速传送的最优控制；三是方便了电路的低功耗设计；SiP 是一种非常适用于高性能的数字信号处理系统，具有广阔的应用前景。

二、信号处理通道系统架构设计

本文提出了一种以 SiP 为核心的信号处理信道体系结构。物理层则是将晶片之间的互联与基本功能结合在一起；其中，协议层负责对数据传送进行格式及定时；在应用层中，实现了对信号的特定处理。该体系结构在保证设计灵活性的同时，也保证了系统的性能。

其中，信号处理通道的主要功能有：高速数字接口模块，实现与外界设备之间的数据交互；对信号进行初调和预处理；完成对信号的主要处理算法的核心处理模块；储存模组，可储存资料、储存程式；功率管理模块，使整个系统的电力消耗达到最优。采用 SiP 工艺，将各模块紧密结合在一起，构成了一个高效率的信号处理通道。

三、信号完整性分析与设计

信号的完整性是 SiP 信号处理信道的一个重要问题。传输线的作用会引起信号失真、时间偏移；反射可能导致信号超调或下行。在此基础上，本文提出了一种新的路由方法：一是通过合理的路由策略来控制线路的长度及阻抗的匹配。在重要的信号线路上，采用差分对结构，保证线路的对称。其次，对堆叠结构进行了优化，使其能够实现高速率的传输。利用电磁模拟软件对信号进行了品质分析，保证了关键信号的完好性符合设计要求。最后，在选择芯片时，应以信号完整度好的元件为优先，以降低讯号品质问题。

四、电源完整性设计与优化

配电网络阻抗控制、动态电流引起的电压脉动和多电压域协同管理是其供电安全的关键问题。为解决上述问题，本项目拟将功率分布网络分为封装层和芯片层两个层次。在此基础上，对退耦合电容进行了合理配置，从而构成了一个高效的功率滤波网络[2]。利用功率完整性分析工具，对电容器的布置及数值进行优化，以保证在指定频率范围内，电源阻抗在预定的范围之内。针对多电压区域，提出了分段供电的策略，并利用电平变换器，在不同的电压域之间进行信号传递。

五、热管理与可靠性设计

SiP 系统高度集成化对其热管理提出了严峻的挑战。建立了一种基于三维传热模型的传热计算方法，对其进行了优化。其主要方法有：选用高导热系数的密封材料；将所述热通路设置在所述主要发热元件之下；优化晶片配置，均衡散热；如有需要，可使用小型散热器或温差电致冷等主动冷却解决方案。在可靠性设计中，主要针对热-力作用下的失效进行研究。采用有限元法对封装件进行力学性能评价，并对选材及结构进行优化。通过加速寿命实验，对设计进行了可靠度检验，以保证系统在预定使用年限内的稳定性。

六、设计实例与性能分析6.1 实例系统架构设计

利用 SiP 技术，设计和开发了一套 X 波段雷达信号处理通道的样机。设计了一种多层次的堆栈架构，包括模拟前端、数字处理层、存储层以及电源管理层。在模拟前端，采用了两片 14 位 1.5 GSPSADC 及与之匹配的反混淆滤波器；该数字处理层由 1 块 XilinxZynqUltraScale+ RFSoCFPGA 以及 2个数字向下转换器组成；所述存储层由四块 MicronLPDDR4 构成；功率管理系统包含 6 个高效率的直流-直流转换器，48 个去耦合电容器[3]。该系统的布线采用 7 层高密度的互连衬底，主要的信号线采用差分对，阻抗小于 100 欧姆 ±10%_o9 。该封装尺寸为 25 毫米 ×25 毫米 ×3.2 毫米，包装方式为 BGA576

6.2 关键技术实现

在信号完整性设计上，本项目提出一种基于源同步时序的高速模数转换器数据接口，将数据线长匹配精度控制在 ±50 ps 以内，核心时钟网络采用树状结构和缓冲结构抑制抖动，实现 12 GHz 波段的插损<3 dB，回波损失>15 dB。本项目提出一种基于分布式电源结构的电源系统，将系统分为 6 个独立的供电区，将 100MHz-1GHz 范围内的电源阻抗控制在 1mΩ 以内，并利用动态调压技术将功率消耗降低 22% ，同时电源噪音峰峰值小于 30mV 。该方法利用导热系数为 15 W/mK 的导热胶粘剂，在核心生热体底部设置 36 个散热孔，使其在 25℃环境中最热斑的温度不超过 85℃，并通过温度传感器进行动态调谐。

6.3 测试方案与结果

该试验环境包括：KeysightE8267DPSG 矢量信号产生器，TektronixDPO73304SX 示波器，KeysightN6705B 型直流功率分析仪，FLIRA655sc 型红外线热象仪。实验结果表明： SiP 芯片的体积比常规PCB 芯片的 5.0cm ³缩小了 60%3.8 W 相比 5.8 W 的功耗减少了 35% ，处理延迟 1.2μ s 相比 2.4μ s提升 50% ，数据吞吐量 12 Gbps 相比 8 Gbps 提升 50% ，信噪比 68 dB 相比 62 dB 提升 6 dB，工作温度范围- 40-485C ，-20~+70℃扩展 15^qC 实验结果显示：0-6 GHz 的眼距变化小于 ±0.5 dB,12 Gbps 的眼高- ⋅120mV 和-82 dBm，最大温度差<15 。

6.4 结果分析与讨论

实验结果显示， SiP 的设计在许多重要的性能指标上都比传统的 PCB 设计有明显的改善。由于采用了 3D 叠层结构，以及有效的互连方式，使其体积大大缩小；减少能耗源自缩短了互联距离，并优化了功率管理；提高了信号的完整性，使系统更加紧凑，从而提高了系统的性能。尤其值得一提的是，减少了处理时延，使得该系统能够支持更为先进的实时信号处理算法，延长了操作温度范围，提高了系统的环境适应能力。一体化设计降低了 30% 的 BOM 设备，增加了可靠性。项目研究成果将为下一代高性能微型化信号处理器件的研制奠定基础。在此基础上，我们还可以利用更高层次的互联技术以及 2.5、3 D 的融合方式，来进一步提高系统的整体性能。

七、结论

本论文以 SiP 技术为基础，对信号处理信道的设计进行了较为系统的研究。通过本项目的研究，我们提出了一种基于 SiP 的微小型、低功耗、高性能的新方法。在此基础上，通过对信号完整性、电源完整性、热管理等关键技术的优化，构建高性能信号处理信道。在今后的研究中，硅光子晶体将会有更好的应用前景。

参考文献

[1] 梁涛涛,李岩,刘振华.基于 SiP 技术多核处理器微系统设计[J].电子技术应用, 2024, 50(9):83-88.

[2] 梁丹薇.基于 SIP 协议的 VoIP 语音获取技术[J]., 2021, 2(6):3-4.

[3] 周海斌,何国强.基于 SiP 技术的雷达信号处理微系统设计[J].遥测遥控, 2021, 4(2):12.

作者简介

郭细根-1992 年 2 月-汉族-男-江西吉安-工程师-硕士研究生-电磁频谱---