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一、微封裝技術(shù)的發(fā)展 隨著(zhù)航空航天系統對于小型化、低功耗、高性能、高可靠性的要求，傳統PCB板上系統(SOB)的設計方案的缺點(diǎn)越來(lái)越明顯。由于芯片、模塊的體積和功耗的限制，PCB板尺寸和功耗不能無(wú)限制減小。單個(gè)芯片的封裝尺寸通常在mm到cm量級，但PCB板上的走線(xiàn)長(cháng)度通常在1cm~50cm量級，過(guò)大的封裝和走線(xiàn)造成損耗大、寄生參數多，限制了系統性能的提升。同時(shí)由于系統功能復雜，使用大量分立器件造成系統故障點(diǎn)多，整機可靠性降低。 為了解決傳統板上系統設計的弊端，航空航天領(lǐng)域也逐漸開(kāi)始采用在通信、計算機及消費類(lèi)電子廣泛使用的微封裝、微組裝技術(shù),來(lái)提高系統的集成度和可靠性。 典型的微封裝、微組裝技術(shù)有SoC、MCM、SiP、SoP等。 SoC技術(shù)最早出現于上世紀80年代，用于把多個(gè)功能模塊集成到一個(gè)晶片上，主要用于通信、計算機、網(wǎng)絡(luò )等高性能領(lǐng)域，典型的如NVIDIA的Tegra, Freescale的Vybrid以及下圖所示Intel的Core系列多核處理器等。SOC的特點(diǎn)是把相同工藝的多個(gè)功能模塊集成到1個(gè)單一晶片上，系統性能高、功耗低，是商用一體化芯片解決方案的首選. 其基本要求是要在同種半導體材料上實(shí)現, 而對于綜合了GaAs、GaN及鍺硅工藝的航空航天領(lǐng)域，則較難以實(shí)現。 MCM也是上世紀80年代出現的一種封裝技術(shù)，其特點(diǎn)是把多個(gè)芯片甚至裸Die通過(guò)金絲鍵合線(xiàn)以及基底材料集成到一個(gè)封裝里。MCM封裝后的模塊尺寸和成本可以降低很多，同時(shí)由于模塊內的各個(gè)芯片不需要單獨封裝，且芯片間走線(xiàn)更短，所以可以提供更好的傳輸性能。另外由于集成度高，容易進(jìn)行集中的屏蔽和保護，所以比起采用分立器件系統可靠性更高。 MCM技術(shù)可以把不同工藝的晶片集成在一個(gè)封裝里，因此使用非常靈活，可以構建模擬、數字、射頻以及電阻、電容等無(wú)源器件的混合系統。下圖分別是IBM和波音公司開(kāi)發(fā)的兩款MCM芯片。 圖1 IBM Power5處理器和Boeing公司的MCM控制芯片 SiP是上世紀90年代出現的封裝技術(shù)，可以認為是MCM技術(shù)的升級版。SiP封裝技術(shù)除了像MCM一樣可以進(jìn)行多個(gè)不同工藝晶片的平面封裝以外，還可以進(jìn)行裸Die或者封裝的立體3D堆疊，進(jìn)一步提高了封裝密度。目前廣泛應用于手機、PAD等便攜式消費電子設備里，典型的如Apple公司在iWatch里的核心模塊以及相控陣雷達里使用的T/R模塊等。 圖2 iWatch里使用的SiP模塊及射頻T/R SiP模塊 SoP是本世紀初出現的一種封裝技術(shù)，可以認為是SiP技術(shù)的進(jìn)一步升級。除了像SiP一樣可以完成多種晶片、無(wú)源器件的3D堆疊和封裝以外，還采用了薄膜技術(shù)和納米材料把一些常用的無(wú)源器件如電阻、電容、濾波器、波導、耦合器、天線(xiàn)甚至生物傳感器等直接集成到封裝基底上。這使得基底上的走線(xiàn)長(cháng)度從mm量級減小到了um甚至nm量級，進(jìn)一步提高了系統性能和集成度。下圖是一個(gè)SoP芯片應用的例子。 圖3 典型的SoP系統 由此可見(jiàn)，SoC、MCM、SiP、SoP等技術(shù)各有自己的特點(diǎn)和應用領(lǐng)域。為了實(shí)現航天電子系統的小型化并提高可靠性，MCM和SIP是特別適合系統級小型化設計可以采用的微封裝、微組裝技術(shù)，同時(shí)可以重點(diǎn)關(guān)注SOP技術(shù)的發(fā)展并做相應的技術(shù)儲備。 二、微封裝技術(shù)的挑戰 微封裝、微組裝技術(shù)可以帶來(lái)顯著(zhù)的集成度和系統性能的提高，但是由于采用和傳統的板級系統設計完全不同的技術(shù)和工藝，其設計和測試難度很大。尤其對于空間等高輻射、高可靠性應用的場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，如何進(jìn)行可靠性設計以及全面有效的功能、性能驗證尤其重要。在空間應用中采用微封裝技術(shù)的主要難點(diǎn)和挑戰體現在以下幾個(gè)方面。 1. 微封裝材料、互連技術(shù)的設計和仿真：在空間應用中，輻射、溫度、振動(dòng)等工作環(huán)境惡劣，一顆衛星的工作周期可能要20年以上并幾乎不可維修，使得其對于可靠性的要求很高，因此封裝材料和互連工藝的選擇至關(guān)重要。以基底材料來(lái)說(shuō)，可能有塑料、樹(shù)脂、鋁、陶瓷等多種選擇；以電介質(zhì)材料來(lái)說(shuō)，適合空間等惡劣環(huán)境應用BCB(苯并環(huán)丁烯)材料、Riston和Kapton材料等；以互連技術(shù)來(lái)說(shuō)，可能有球狀焊接、金絲鍵合、硅穿孔(TSV)等方式，而以主流的金絲鍵合方式來(lái)說(shuō)又存在著(zhù)多種的鍵合線(xiàn)結構。因此，對各種材料特性、加工工藝、走線(xiàn)拓撲進(jìn)行仿真并確定設計方案，同時(shí)確保滿(mǎn)足空間環(huán)境的電、熱和機械性能要求，就成為系統設計的難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。 2. 關(guān)鍵芯片的功能和性能驗證：微封裝模塊是把不同功能的芯片甚至裸Die封裝在一起并通過(guò)金絲鍵合在一起，整個(gè)模塊內部可能會(huì )有幾個(gè)甚至幾十個(gè)子功能模塊的芯片。由于航天級芯片的成本都非常高，如果封裝完后才發(fā)現其中某個(gè)芯片有問(wèn)題，會(huì )造成整個(gè)模塊的報廢，因此封裝前芯片功能和性能的檢測對于提高最終的成品率和降低成本至關(guān)重要。 3. 微封裝模塊的系統功能和性能測試：大部分微封裝模塊是把兩個(gè)或多個(gè)功能模塊如模擬、射頻、數字、電源等用金屬或陶瓷材料封裝在一起。當各個(gè)功能模塊被封裝在一起以后，需要對微封裝模塊的功能和性能進(jìn)行全面的測試，以確保封裝后的模塊功能和性能滿(mǎn)足設計要求。對高可靠性應用場(chǎng)合，還需要按照實(shí)際工作要求進(jìn)行環(huán)境老化試驗和篩選，以確保在未來(lái)幾年甚至幾十年內能夠可靠有效地工作，這就使得微封裝模塊的系統功能和性能測試至關(guān)重要。 三、關(guān)鍵功能模塊表征 1. 高速并串轉換芯片的功能和性能測試 并行總線(xiàn)是數字電路里最早也是最普遍采用的總線(xiàn)結構。為了解決并行總線(xiàn)占用尺寸過(guò)大且對布線(xiàn)等長(cháng)要求過(guò)于苛刻的問(wèn)題，隨著(zhù)芯片技術(shù)的發(fā)展和速度的提升，越來(lái)越多的數字接口開(kāi)始采用串行總線(xiàn)。 為了便于把多路并行的數字信號用盡可能少的電纜傳輸出去，并提供更好的噪聲抑制能力及傳輸距離，一般會(huì )通過(guò)高速TRANSCEIVER芯片把多路并行數據復用在一起并通過(guò)高速低壓差分信號進(jìn)行傳輸。 數據速率提高以后，對于阻抗匹配、線(xiàn)路損耗和抖動(dòng)的要求就更高，稍不注意就很容易產(chǎn)生信號質(zhì)量的問(wèn)題。對于高速串行收發(fā)芯片的測試，主要涉及以下幾個(gè)方面： ·高速串行芯片發(fā)送端信號質(zhì)量測試: 包括輸出幅度、眼圖、抖動(dòng)、上升時(shí)間、下降時(shí)間等； ·高速串行芯片接收端抖動(dòng)容限、噪聲容限、靈敏度、系統誤碼率測試，用于驗證系統實(shí)際傳輸的誤碼率、接收容限等。 ·芯片工作電壓、電流、功耗等 以下是整個(gè)高速收發(fā)芯片傳輸系統的測試平臺構成。 圖4 測試中使用高性能的多通道誤碼儀產(chǎn)生多路串行激勵信號和時(shí)鐘送給被測芯片，數據經(jīng)環(huán)回后回送誤碼儀進(jìn)行誤碼率統計或者接高帶寬示波器進(jìn)行信號質(zhì)量分析。誤碼率測試過(guò)程中可以在信號上加入隨機抖動(dòng)、確定性抖動(dòng)、共模噪聲、差模噪聲、ISI碼間干擾能影響以驗證接收端對于惡劣信號的容忍能力。 2. 衛星相機成像的電子系統微封裝模塊整體測試方案 其測試系統應包含以下功能。 ·CCD信號的模擬：應能模擬CCD器件輸出的模擬信號，并能靈活增加噪聲以驗證被測模塊提取和恢復圖像數據的能力。 ·高速輸出數據的采集和分析：應能采集捕獲被測模塊處理后的高速數據輸出，并能夠根據數據結構提取數據里的圖像信息，以驗證模塊在不同工作狀態(tài)下的功能和性能。 ·模擬輸出信號的分析：對CCD驅動(dòng)時(shí)鐘、電機/快門(mén)等驅動(dòng)信號的幅度、頻率、占空比、脈沖寬度等進(jìn)行測量和分析。 ·接口控制電路：應能控制模塊進(jìn)入正常工作狀態(tài)。 ·模塊功耗和電源抗擾度測試：應能對模塊在不同工作狀態(tài)下的電壓、電流、功耗做記錄，并能夠模擬電壓跌落、電源紋波、上下電時(shí)序變化等異常情況，驗證模塊在極端情況下的工作狀態(tài) 圖5：CCD相機SiP模塊測試系統 測試中用高性能的AWG任意波形發(fā)生模塊模擬產(chǎn)生CCD輸出的視頻模擬信號，經(jīng)被測模塊采集和處理后以高速數字形式輸出。如果是并行數據捕獲高速并行數據，可以用高速邏輯分析儀模塊捕獲分析；如果是多路高速串行數據，可以用并行誤碼儀的輸入端進(jìn)行時(shí)鐘恢復并捕獲數據。測試中要求AWG模塊的信噪比、動(dòng)態(tài)范圍、帶寬等指標能滿(mǎn)足系統信噪比測試要求，可以靈活添加噪聲等干擾因素，并有足夠深的內存以產(chǎn)生整視頻幀的信號。邏輯分析儀應有足夠高的狀態(tài)采樣速率和內存深度，誤碼儀應有多路串行數據輸入能力、時(shí)鐘恢復能力、高速信號均衡能力以及足夠的內存深度。 3. 以上兩例僅為典型信號及典型模塊測試方法，更多微封裝、微組裝測試方案，可聯(lián)系是德科技Keysight Technologies. |
