SiP 之 “4D“ 集成技术
时间：2021-08-19 15:10:01
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[导读]4DintegrationinSiP在本公众号前面一期的文章里，我们讨论过电子系统的集成（integration）可以从IC，PCB，Package三个领域来理解。（参看文章：Si³P之integration）IC和PCB主要是在2D上进行集成，虽然也有3D集成方面的尝试，但IC...
4D integration in SiP
在本公众号前面一期的文章里，我们讨论过电子系统的集成（integration）可以从IC，PCB，Package三个领域来理解。（参看文章：Si³P 之 integration）IC和PCB主要是在2D上进行集成，虽然也有3D集成方面的尝试，但IC由于工艺的限制，PCB由于尺寸的限制，目前二者在3D集成应用中均属于凤毛麟角。而Package中的集成则更为灵活多样，从2D到2.5D到3D，并最终发展出系统级封装SiP，并且正是因为其集成方式的多样性，从而使SiP成为当今电子系统集成的热点。
今天，我们讨论的是一个新的话题，在SiP中，除了2D，2.5D，3D集成外，还有没有其它的集成方式，如果有，我们又该如何理解呢？
四 维 空 间
看过盗梦空间的人大概不会忘记直立起来的地面，和高高悬挂于地面的建筑和房屋。现实中，这种情景只可能在梦境中出现或者在科幻作品中出现。如果有一天真有这样的情景出现，那么，我们的城市功能将会发生巨变。在地球上，由于受重力等因素的影响，这种情况出现的机率比较小。然而，在未来的太空城，则会大概率会出现折叠城市的情景。在这篇文章中，我们可以将这种空间结构定义为四维（4D）空间。
4D 集 成 定 义
今天，我们要讨论一下SiP中的4D集成技术。现有的SiP中的集成技术，包括2D，2.5D，3D集成，所有的芯片(Chip)，转接板(interposer)和基板(Substrate)，在三维坐标系中，其Z轴均是竖直向上。
当XY平面旋转时，其Z轴会发生偏移，我们可以做如下定义：在SiP中，当多块基板所处的XY平面并不平行，即不同基板的Z轴方向发生偏移，我们则可定义此类SiP中的集成方式为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，具体的4D集成如何实现呢？请看下面的详细阐述。
技 术 实 现
这里，我们描述两种典型的4D集成实现方法。1.通过刚柔结合折叠基板——实现4D集成以下描述的SiP系统级封装，采用了4D集成结构，其封装基板采用了刚柔结合板，其中包含6块刚性基板，中间通过5个柔性电路连接，在6块刚性基板上，均可安装芯片等元器件，柔性电路主要起到电气互联和物理连接的作用。在元器件安装完成后，对柔性区域进行90度弯曲，将刚性基板弯折并拼接成一开盖盒状体，并对其接缝处进行焊接，然后对封装体内部充胶加固，最后封盖，植球，形成完整的三维系统级封装。下图为4D集成SiP的基板顶视图，其中A、B、C、D、E、F为刚性基板，总共6块，通过5个柔性电路连接起来，有柔性电路连接的边做金属化处理，用于后期的焊接。每块刚性基板上可安装元器件，安装元器件的原则是尽可能将高度大的元器件安装在基板中央位置，高度小的可往基板外侧安装，但不能太靠近边缘，避免和其它基板上的元器件产生干涉，每块基板上的元器件高度大致呈金字塔型排布，如果是裸芯片，可进行芯片堆叠安装。元器件安装完成后，可做初步加固，一般对裸芯片做点胶处理，主要是为了保护键合线不在后续工艺中受到影响，然后将1、2、3、4处的柔性电路向上弯曲90度，形成开放式盒体，并对B、C、D、E四块刚性基板相邻的四个边进行焊接，参看下图。然后，给盒体灌胶，或者点胶加固芯片，并将柔性电路5向右弯折，使得刚性基板F和其它基板接触，并对其相邻边进行焊接。
焊接完成，等灌胶固化后，给A基板底部植球，封装完成，如果有需求，也可以进行封装堆叠，进一步增加空间的利用率，如下图所示。
2.通过边沿焊接折叠基板——实现4D集成以下描述的SiP系统级封装，采用了4D集成结构，其封装基板采用了陶瓷基板，整个封装体包含6块陶瓷基板，每一块陶瓷基板上均可安装芯片等元器件，并设计了电气连接点，基板之间通过焊接进行物理和电气连接。在所有元器件安装完成后，首先将其中4块基板垂直安放并焊接成一个框式结构，然后将其它两块基板焊接到框式结构的上下两个面，形成一个完整的封装体，因为对其接缝处设计了气密性焊接环，所以焊接完成后整个封装体内部和外部实现了气密性隔离，形成完整的气密性三维系统级封装。该4D集成基板分为6部分，在基板设计时，可整体进行设计，也可每块基板单独进行设计，基板设计时需要重点考虑各个基板之间的电气连接点，同时在基板边缘做金属化处理，用于后期的气密性焊接。封装完成后，所有元器件位于封装体内部，和外部空间隔绝，形成气密性三维系统级封装，其侧面剖视图如下图所示。然后给A基板底部植球，用于该系统级封装和外部电气连接点的连接，通常是焊接到PCB上的电气连接点。如果有需求，也可以进行封装体堆叠，进一步增加空间的利用率，如下图所示，其前提是在F基板顶部设计并制作了相应的电气连接点。
前 景 展 望
从严格物理意义上来说，以现有的人类认知出发，所有的物体都是三维的， 二向箔并不存在，四维空间更待考证。当然，为了便于区分，在SiP的集成方式中，我们将其分为2D、2.5D、3D，这同样是我们将基板折叠的SiP称之为“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叠的方式（2.5D、3D），其中包括芯片堆叠和基板堆叠等方式。平行堆叠方式目前虽然应用比较普遍，在一定程度上提高了系统级封装的集成度，但也有一些难以解决的问题。例如芯片堆叠中对芯片的尺寸、功耗等都有比较严格的要求；基板堆叠中对上下基板的尺寸及引脚对位也有严格的要求；互联的金属球或者柱占用了大量的芯片安装空间，另外散热问题也无法很好解决，所以在实际项目应用时有很大的局限性。另外，这种平行载板堆叠技术通常无法实现气密性封装，而这是航空航天、军工等很多领域特定应用的基本的要求。通过4D集成技术可以解决平行三维堆叠所无法解决的问题，提供更多、更灵活的芯片安装空间，解决大功率芯片的散热问题，以及航空航天、军工等领域应用中最主要的气密性问题。所以，展望未来，在多样化的SiP的集成方式中，4D集成技术必定占有一席之地，并将成为继2.5D、3D集成技术后重要的集成技术。那么，现实世界中，到底有没有4D空间呢？它是我们想象的那样吗？聪明的读者，这就作为一道思考题吧！
本文是2020年SiP公众号第一篇原创文章，也是SiP公众号第0020篇原创文章，祝愿所有的读者朋友新年快乐！
在本公众号前面一期的文章里，我们讨论过电子系统的集成（integration）可以从IC，PCB，Package三个领域来理解。（参看文章：Si³P 之 integration）IC和PCB主要是在2D上进行集成，虽然也有3D集成方面的尝试，但IC由于工艺的限制，PCB由于尺寸的限制，目前二者在3D集成应用中均属于凤毛麟角。而Package中的集成则更为灵活多样，从2D到2.5D到3D，并最终发展出系统级封装SiP，并且正是因为其集成方式的多样性，从而使SiP成为当今电子系统集成的热点。
今天，我们讨论的是一个新的话题，在SiP中，除了2D，2.5D，3D集成外，还有没有其它的集成方式，如果有，我们又该如何理解呢？
四 维 空 间
看过盗梦空间的人大概不会忘记直立起来的地面，和高高悬挂于地面的建筑和房屋。
现实中，这种情景只可能在梦境中出现或者在科幻作品中出现。如果有一天真有这样的情景出现，那么，我们的城市功能将会发生巨变。在地球上，由于受重力等因素的影响，这种情况出现的机率比较小。然而，在未来的太空城，则会大概率会出现折叠城市的情景。在这篇文章中，我们可以将这种空间结构定义为四维（4D）空间。4D 集 成 定 义
今天，我们要讨论一下SiP中的4D集成技术。现有的SiP中的集成技术，包括2D，2.5D，3D集成，所有的芯片(Chip)，转接板(interposer)和基板(Substrate)，在三维坐标系中，其Z轴均是竖直向上。
当XY平面旋转时，其Z轴会发生偏移，我们可以做如下定义：在SiP中，当多块基板所处的XY平面并不平行，即不同基板的Z轴方向发生偏移，我们则可定义此类SiP中的集成方式为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，具体的4D集成如何实现呢？请看下面的详细阐述。
技 术 实 现
这里，我们描述两种典型的4D集成实现方法。1.通过刚柔结合折叠基板——实现4D集成以下描述的SiP系统级封装，采用了4D集成结构，其封装基板采用了刚柔结合板，其中包含6块刚性基板，中间通过5个柔性电路连接，在6块刚性基板上，均可安装芯片等元器件，柔性电路主要起到电气互联和物理连接的作用。在元器件安装完成后，对柔性区域进行90度弯曲，将刚性基板弯折并拼接成一开盖盒状体，并对其接缝处进行焊接，然后对封装体内部充胶加固，最后封盖，植球，形成完整的三维系统级封装。下图为4D集成SiP的基板顶视图，其中A、B、C、D、E、F为刚性基板，总共6块，通过5个柔性电路连接起来，有柔性电路连接的边做金属化处理，用于后期的焊接。
每块刚性基板上可安装元器件，安装元器件的原则是尽可能将高度大的元器件安装在基板中央位置，高度小的可往基板外侧安装，但不能太靠近边缘，避免和其它基板上的元器件产生干涉，每块基板上的元器件高度大致呈金字塔型排布，如果是裸芯片，可进行芯片堆叠安装。元器件安装完成后，可做初步加固，一般对裸芯片做点胶处理，主要是为了保护键合线不在后续工艺中受到影响，然后将1、2、3、4处的柔性电路向上弯曲90度，形成开放式盒体，并对B、C、D、E四块刚性基板相邻的四个边进行焊接，参看下图。然后，给盒体灌胶，或者点胶加固芯片，并将柔性电路5向右弯折，使得刚性基板F和其它基板接触，并对其相邻边进行焊接。焊接完成，等灌胶固化后，给A基板底部植球，封装完成，如果有需求，也可以进行封装堆叠，进一步增加空间的利用率，如下图所示。2.通过边沿焊接折叠基板——实现4D集成以下描述的SiP系统级封装，采用了4D集成结构，其封装基板采用了陶瓷基板，整个封装体包含6块陶瓷基板，每一块陶瓷基板上均可安装芯片等元器件，并设计了电气连接点，基板之间通过焊接进行物理和电气连接。
在所有元器件安装完成后，首先将其中4块基板垂直安放并焊接成一个框式结构，然后将其它两块基板焊接到框式结构的上下两个面，形成一个完整的封装体，因为对其接缝处设计了气密性焊接环，所以焊接完成后整个封装体内部和外部实现了气密性隔离，形成完整的气密性三维系统级封装。该4D集成基板分为6部分，在基板设计时，可整体进行设计，也可每块基板单独进行设计，基板设计时需要重点考虑各个基板之间的电气连接点，同时在基板边缘做金属化处理，用于后期的气密性焊接。封装完成后，所有元器件位于封装体内部，和外部空间隔绝，形成气密性三维系统级封装，其侧面剖视图如下图所示。然后给A基板底部植球，用于该系统级封装和外部电气连接点的连接，通常是焊接到PCB上的电气连接点。如果有需求，也可以进行封装体堆叠，进一步增加空间的利用率，如下图所示，其前提是在F基板顶部设计并制作了相应的电气连接点。前 景 展 望
从严格物理意义上来说，以现有的人类认知出发，所有的物体都是三维的， 二向箔并不存在，四维空间更待考证。当然，为了便于区分，在SiP的集成方式中，我们将其分为2D、2.5D、3D，这同样是我们将基板折叠的SiP称之为“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叠的方式（2.5D、3D），其中包括芯片堆叠和基板堆叠等方式。平行堆叠方式目前虽然应用比较普遍，在一定程度上提高了系统级封装的集成度，但也有一些难以解决的问题。例如芯片堆叠中对芯片的尺寸、功耗等都有比较严格的要求；基板堆叠中对上下基板的尺寸及引脚对位也有严格的要求；互联的金属球或者柱占用了大量的芯片安装空间，另外散热问题也无法很好解决，所以在实际项目应用时有很大的局限性。另外，这种平行载板堆叠技术通常无法实现气密性封装，而这是航空航天、军工等很多领域特定应用的基本的要求。通过4D集成技术可以解决平行三维堆叠所无法解决的问题，提供更多、更灵活的芯片安装空间，解决大功率芯片的散热问题，以及航空航天、军工等领域应用中最主要的气密性问题。所以，展望未来，在多样化的SiP的集成方式中，4D集成技术必定占有一席之地，并将成为继2.5D、3D集成技术后重要的集成技术。那么，现实世界中，到底有没有4D空间呢？它是我们想象的那样吗？
聪明的读者，这就作为一道思考题吧！本文是2020年SiP公众号第一篇原创文章，也是SiP公众号第0020篇原创文章，祝愿所有的读者朋友新年快乐！
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