一種小型化高密度FPGA系統級3D封裝電路

楊進

摘 要：本文簡要介紹了一種小型化高密度FPGA系統級3D封裝電路，詳細闡述了該電路的三維架構、電路設計和工藝方案。本設計大大縮小了電路體積;同時具有良好的氣密性、高可靠性;PCB layout設計簡單，具有較強的實用性。

關鍵詞：小型化;高密度;FPGA;系統級封裝;三維集成

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）09-0065-03

0 前言

上世紀90年代以來，便攜式、微型化電子產品以及航空航天、軍事電子進入了一個高速發展時期，要求半導體器件最大程度地實現小型化、輕量化、高密度的同時滿足高可靠性。集成電路技術應運而生。然而，目前集成電路的工藝技術已經接近其物理極限，摩爾定律（Moores Law）將無法保持。在這樣的背景下，提出了系統級封裝（System in Package，SIP），作為“超摩爾定律”（More than Moore）的重要技術。“超摩爾定律”的概念著眼于系統集成的層面，為電子行業的發展提供了新的方向[1-2]。

國際半導體技術藍圖（ITRS，International Technology Roadmap for Semiconductors）對SIP進行了明確的定義：SIP是采用任何組合將多個具有不同功能的有源和無源電子元器件以及諸如MEMS、光學甚至生物芯片等其他器件組裝在單一封裝中，形成一個具有多種功能的系統或子系統。

SIP采用目前最先進的工藝與技術，主要包括：

（1）材料技術（半導體材料、陶瓷材料、金屬材料、金屬基復合材料）;（2）芯片技術（邏輯芯片、數字芯片、模擬芯片、功率芯片）;（3）互聯技術（高密度多層互聯、芯片與芯片互聯、倒裝焊接、引線鍵合）;（4）封裝技術（BGA、芯片級封裝、無源集成）;（5）組裝技術（層疊封裝、芯片堆疊、高精度組裝）;（6）測試技術（裸片測試、封裝測試、系統測試）。

本文設計了一款基于FPGA裸芯片和FLASH裸芯片的小型化高密度系統級3D封裝電路。該封裝電路將FPGA裸芯片、FLASH裸芯片、電源電路、去耦電路、配置電路等FPGA最小系統電路在一個小型化陶瓷電路中實現，通過BGA（球柵陣列）扇出，同時實現了高集成度和高可靠性。

1 系統三維架構

本3D封裝電路由10部分組成。其中，包括LTCC基板電路1、可伐框2、可伐蓋板3、FPGA裸芯片4、FLASH裸芯片5、引線鍵合6、電源電路7、配置電路8、去耦電路9和BGA10，如圖1～圖4所示。

本3D封裝電路架構上主要采用了三維芯片堆疊、無源集成和球柵陣列：

1.1 三維芯片堆疊

因為FPGA裸芯片和FLASH裸芯片都是硅芯片，屬于同質芯片，金屬化體系相同，所以可以堆疊[3]。FPGA裸芯片1和FLASH裸芯片2通過金字塔式堆疊在LTCC基板電路上的TOP層，如圖5所示。

1.2 無源集成

基于電路小型化的考慮，本3D封裝電路在LTCC基板電路的背面設計了一個無源集成腔1，用于將電源電路2、去耦電路3、配置電路4埋置到無源集成腔內的SMT層電路，如圖6所示。這樣的設計有2個顯著優點：

（1）充分利用三維空間，實現電路小型化和高集成度;（2）根據去耦電路的機理，去耦電容離芯片電源PAD路徑越短越好。傳統的去耦電路都是去耦電容排列在FPGA封裝器件的四周或者背面，路徑較長，去耦效果不夠理想;本設計極大地改善了去耦效果;（3）由于本設計集成了電源電路、去耦電路和配置電路，外部PCB只需要單電源供電，無需再設計電源電路、去耦電路和配置電路，極大地簡化了PCB設計。

1.3 球柵陣列

LTCC基板電路通過高密度多層布線，將FPGA的I/O、VCC、GND和JTAG功能PAD重新排布，合理分布在BOT層電路的四周，通過BGA焊球形式扇出，如圖7所示，包括球柵陣列PAD1、球焊料2。

2 系統電路設計

2.1 電路總體設計

本系統電路以FPGA處理器和FLASH存儲器為核心構建FPGA最小系統電路。FPGA外圍電路包括電源電路、去耦電路、配置電路等，在一個LTCC基板電路上實現。系統電路原理圖如圖8所示。

LTCC基板電路共有十層電路結構，分別為TOP層、SIG1層、GND1層、VCC層、SIG2層、SIG3層、GND2層、SMT層、GND3層和BOT層。電路實物照片如圖9所示。各層電路功能如下：

（1）TOP層實現FPGA裸芯片和FLASH裸芯片的三維芯片堆疊以及芯片各功能PAD和基板電路的互聯;（2）SMT層實現電源電路、去耦電路和配置電路;（3）SIG1、SIG2、SIG3層實現高密度信號布線;（4）VCC層實現電源平面;（5）GND1、GND2、GND3層實現地平面;（6）BOT層實現BGA球柵陣列扇出;（7）GND3和BOT層陶瓷中間開腔，SMT層的電路埋置在腔中。

2.2 電路優點

傳統的FPGA器件，所有功能PAD都做扇出，PAD數量眾多、排布復雜，器件體積大，PCB Layout設計難度大;本文設計的封裝電路不僅實現了傳統FPGA器件的所有功能，還把FPGA最小系統電路全部集成在金屬陶瓷封裝中，減少了PAD數量，大大縮小了電路體積，在實現高集成度的同時實現了高可靠性，顯著降低了PCB Layout的設計難度。

LTCC基板電路通過十層高密度陶瓷電路對FPGA各功能PAD重新布局和布線，其中FPGA管理功能PAD在內部實現互聯，只需要將基本的I/O、VCC、GND和JTAG功能PAD通過BGA扇出，大大減少了PAD數量，布局更加簡潔合理。

原來設計FPGA系統電路的PCB時，至少需要8層Layout，設計難度大，加工周期長;現在設計PCB時，只需要連接VCC、GND，將JTAG和I/O扇出連線即可，僅僅需要4層甚至更少的Layout即可，極大地簡化了PCB設計，縮短了加工周期，具有很強的實用性。

3 工藝實現方案

本文設計的封裝電路，巧妙利用芯片堆疊、引線鍵合、LTCC技術、SMT工藝和BGA植球的優勢，實現多種功能：

（1）通過金字塔式芯片堆疊工藝，將FPGA裸芯片和FLASH裸芯片組裝到TOP層;（2）通過引線鍵合工藝，實現FPGA裸芯片和FLASH裸芯片各功能PAD和基板電路的互聯。FPGA裸芯片和FLASH裸芯片通過內中外三層引線鍵合，將FPGA裸芯片和FLASH裸芯片上的3層PAD鍵合到LTCC基板TOP層電路對應的內中外三層鍵合PAD上，實現了高密度信號互聯，如圖10所示;（3）通過LTCC高密度多層電路工藝[4]，實現FPGA和FLASH的信號互聯、電源、去耦、配置電路布線，將FPGA的I/O、VCC、GND和JTAG功能PAD重新排布，合理分布在BOT層電路的四周;在LTCC陶瓷基座上焊接可伐邊框，通過平行封焊工藝封蓋，實現封裝電路的高氣密性;（4）通過SMT工藝，將電源電路、去耦電路和配置電路組裝到SMT層，埋置在GND3和BOT層的腔內;（5）通過BGA植球工藝，將BOT層的I/O、VCC、GND和JTAG焊盤通過球柵陣列扇出。

4 結語

本文設計的封裝電路通過十層高密度陶瓷電路布線、金字塔式芯片堆疊和陶瓷開腔工藝埋置電路，大大縮小了電路體積，實現了電路小型化;陶瓷基座上焊接可伐邊框，通過平行封焊工藝封蓋，實現封裝電路的高氣密性。該封裝電路具有集成度高、體積小、可靠性高等優點。

本設計的目的在于提供一種小型化高密度FPGA系統級3D封裝電路，滿足對FPGA小型化、可靠性有較高要求的應用場景。本設計的電路大大縮小了電路體積，實現了電路小型化;同時具有良好的氣密性、高可靠性，PCB Layout設計簡單，具有較強的實用性。

參考文獻

[1] 代明清，韓強，鄧豹，段小虎，等.基于ARM和FPGA的SiP系統級封裝設計[J].微型機與應用，2014，33（1）：25-28.

[2] 冉彤，白國強，等.基于系統級封裝SIP的信息安全芯片集成設計[J].微電子學與計算機，2012，29（1）：10-14.

[3] 王喆垚.三維集成技術[M].北京：清華大學出版社，2014.

[4] 高嶺，趙東亮.系統級封裝用陶瓷基板材料研究進展和發展趨勢[J].真空電子技術，2016（05）：11-14.