4D integration in SiP

在本公眾號(hào)前面一期的文章里，我們討論過電子系統(tǒng)的集成（integration）可以從IC，PCB，Package三個(gè)領(lǐng)域來(lái)理解。（參看文章：Si3P 之 integration）IC和PCB主要是在2D上進(jìn)行集成，雖然也有3D集成方面的嘗試，但I(xiàn)C由于工藝的限制，PCB由于尺寸的限制，目前二者在3D集成應(yīng)用中均屬于鳳毛麟角。而Package中的集成則更為靈活多樣，從2D到2.5D到3D，并最終發(fā)展出系統(tǒng)級(jí)封裝SiP，并且正是因?yàn)槠浼煞绞降亩鄻有?，從而使SiP成為當(dāng)今電子系統(tǒng)集成的熱點(diǎn)。
今天，我們討論的是一個(gè)新的話題，在SiP中，除了2D，2.5D，3D集成外，還有沒有其它的集成方式，如果有，我們又該如何理解呢？
四 維?空 間

看過盜夢(mèng)空間的人大概不會(huì)忘記直立起來(lái)的地面，和高高懸掛于地面的建筑和房屋。

現(xiàn)實(shí)中，這種情景只可能在夢(mèng)境中出現(xiàn)或者在科幻作品中出現(xiàn)。

如果有一天真有這樣的情景出現(xiàn)，那么，我們的城市功能將會(huì)發(fā)生巨變。

在地球上，由于受重力等因素的影響，這種情況出現(xiàn)的機(jī)率比較小。

然而，在未來(lái)的太空城，則會(huì)大概率會(huì)出現(xiàn)折疊城市的情景。

在這篇文章中，我們可以將這種空間結(jié)構(gòu)定義為四維（4D）空間。

4D?集 成?定 義
今天，我們要討論一下SiP中的4D集成技術(shù)。現(xiàn)有的SiP中的集成技術(shù)，包括2D，2.5D，3D集成，所有的芯片(Chip)，轉(zhuǎn)接板(interposer)和基板(Substrate)，在三維坐標(biāo)系中，其Z軸均是豎直向上。
當(dāng)XY平面旋轉(zhuǎn)時(shí)，其Z軸會(huì)發(fā)生偏移，我們可以做如下定義：在SiP中，當(dāng)多塊基板所處的XY平面并不平行，即不同基板的Z軸方向發(fā)生偏移，我們則可定義此類SiP中的集成方式為4D集成。In SiP, when the XY planes?of multiple substrates are not parallel, that is, the Z-axis direction of different substrates is offset, we can define??such integration method?as a 4D integration?in?SiP.?
在SiP中，具體的4D集成如何實(shí)現(xiàn)呢？請(qǐng)看下面的詳細(xì)闡述。

技 術(shù) 實(shí) 現(xiàn)

這里，我們描述兩種典型的4D集成實(shí)現(xiàn)方法。

1.通過剛?cè)峤Y(jié)合折疊基板——實(shí)現(xiàn)4D集成

以下描述的SiP系統(tǒng)級(jí)封裝，采用了4D集成結(jié)構(gòu)，其封裝基板采用了剛?cè)峤Y(jié)合板，其中包含6塊剛性基板，中間通過5個(gè)柔性電路連接，在6塊剛性基板上，均可安裝芯片等元器件，柔性電路主要起到電氣互聯(lián)和物理連接的作用。在元器件安裝完成后，對(duì)柔性區(qū)域進(jìn)行90度彎曲，將剛性基板彎折并拼接成一開蓋盒狀體，并對(duì)其接縫處進(jìn)行焊接，然后對(duì)封裝體內(nèi)部充膠加固，最后封蓋，植球，形成完整的三維系統(tǒng)級(jí)封裝。下圖為4D集成SiP的基板頂視圖，其中A、B、C、D、E、F為剛性基板，總共6塊，通過5個(gè)柔性電路連接起來(lái)，有柔性電路連接的邊做金屬化處理，用于后期的焊接。每塊剛性基板上可安裝元器件，安裝元器件的原則是盡可能將高度大的元器件安裝在基板中央位置，高度小的可往基板外側(cè)安裝，但不能太靠近邊緣，避免和其它基板上的元器件產(chǎn)生干涉，每塊基板上的元器件高度大致呈金字塔型排布，如果是裸芯片，可進(jìn)行芯片堆疊安裝。

元器件安裝完成后，可做初步加固，一般對(duì)裸芯片做點(diǎn)膠處理，主要是為了保護(hù)鍵合線不在后續(xù)工藝中受到影響，然后將1、2、3、4處的柔性電路向上彎曲90度，形成開放式盒體，并對(duì)B、C、D、E四塊剛性基板相鄰的四個(gè)邊進(jìn)行焊接，參看下圖。

然后，給盒體灌膠，或者點(diǎn)膠加固芯片，并將柔性電路5向右彎折，使得剛性基板F和其它基板接觸，并對(duì)其相鄰邊進(jìn)行焊接。

焊接完成，等灌膠固化后，給A基板底部植球，封裝完成，如果有需求，也可以進(jìn)行封裝堆疊，進(jìn)一步增加空間的利用率，如下圖所示。

2.通過邊沿焊接折疊基板——實(shí)現(xiàn)4D集成以下描述的SiP系統(tǒng)級(jí)封裝，采用了4D集成結(jié)構(gòu)，其封裝基板采用了陶瓷基板，整個(gè)封裝體包含6塊陶瓷基板，每一塊陶瓷基板上均可安裝芯片等元器件，并設(shè)計(jì)了電氣連接點(diǎn)，基板之間通過焊接進(jìn)行物理和電氣連接。

在所有元器件安裝完成后，首先將其中4塊基板垂直安放并焊接成一個(gè)框式結(jié)構(gòu)，然后將其它兩塊基板焊接到框式結(jié)構(gòu)的上下兩個(gè)面，形成一個(gè)完整的封裝體，因?yàn)閷?duì)其接縫處設(shè)計(jì)了氣密性焊接環(huán)，所以焊接完成后整個(gè)封裝體內(nèi)部和外部實(shí)現(xiàn)了氣密性隔離，形成完整的氣密性三維系統(tǒng)級(jí)封裝。

該4D集成基板分為6部分，在基板設(shè)計(jì)時(shí)，可整體進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可每塊基板單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)，基板設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮各個(gè)基板之間的電氣連接點(diǎn)，同時(shí)在基板邊緣做金屬化處理，用于后期的氣密性焊接。

封裝完成后，所有元器件位于封裝體內(nèi)部，和外部空間隔絕，形成氣密性三維系統(tǒng)級(jí)封裝，其側(cè)面剖視圖如下圖所示。然后給A基板底部植球，用于該系統(tǒng)級(jí)封裝和外部電氣連接點(diǎn)的連接，通常是焊接到PCB上的電氣連接點(diǎn)。

如果有需求，也可以進(jìn)行封裝體堆疊，進(jìn)一步增加空間的利用率，如下圖所示，其前提是在F基板頂部設(shè)計(jì)并制作了相應(yīng)的電氣連接點(diǎn)。

前 景 展 望

從嚴(yán)格物理意義上來(lái)說(shuō)，以現(xiàn)有的人類認(rèn)知出發(fā)，所有的物體都是三維的，?二向箔并不存在，四維空間更待考證。當(dāng)然，為了便于區(qū)分，在SiP的集成方式中，我們將其分為2D、2.5D、3D，這同樣是我們將基板折疊的SiP稱之為“4D集成”的原因所在。目前，在SiP中增加集成度主要采用平行堆疊的方式（2.5D、3D），其中包括芯片堆疊和基板堆疊等方式。平行堆疊方式目前雖然應(yīng)用比較普遍，在一定程度上提高了系統(tǒng)級(jí)封裝的集成度，但也有一些難以解決的問題。例如芯片堆疊中對(duì)芯片的尺寸、功耗等都有比較嚴(yán)格的要求；基板堆疊中對(duì)上下基板的尺寸及引腳對(duì)位也有嚴(yán)格的要求；互聯(lián)的金屬球或者柱占用了大量的芯片安裝空間，另外散熱問題也無(wú)法很好解決，所以在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用時(shí)有很大的局限性。另外，這種平行載板堆疊技術(shù)通常無(wú)法實(shí)現(xiàn)氣密性封裝，而這是航空航天、軍工等很多領(lǐng)域特定應(yīng)用的基本的要求。通過4D集成技術(shù)可以解決平行三維堆疊所無(wú)法解決的問題，提供更多、更靈活的芯片安裝空間，解決大功率芯片的散熱問題，以及航空航天、軍工等領(lǐng)域應(yīng)用中最主要的氣密性問題。所以，展望未來(lái)，在多樣化的SiP的集成方式中，4D集成技術(shù)必定占有一席之地，并將成為繼2.5D、3D集成技術(shù)后重要的集成技術(shù)。那么，現(xiàn)實(shí)世界中，到底有沒有4D空間呢？它是我們想象的那樣嗎？聰明的讀者，這就作為一道思考題吧！
本文是2020年SiP公眾號(hào)第一篇原創(chuàng)文章，也是SiP公眾號(hào)第0020篇原創(chuàng)文章，祝愿所有的讀者朋友新年快樂！