4D integration in SiP

在本公眾號前面一期的文章里，我們討論過電子系統(tǒng)的集成（integration）可以從IC，PCB，Package三個領域來理解。（參看文章：Si3P 之 integration）IC和PCB主要是在2D上進行集成，雖然也有3D集成方面的嘗試，但IC由于工藝的限制，PCB由于尺寸的限制，目前二者在3D集成應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)級封裝SiP，并且正是因為其集成方式的多樣性，從而使SiP成為當今電子系統(tǒng)集成的熱點。
今天，我們討論的是一個新的話題，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

看過盜夢空間的人大概不會忘記直立起來的地面，和高高懸掛于地面的建筑和房屋。

現(xiàn)實中，這種情景只可能在夢境中出現(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)的機率比較小。

然而，在未來的太空城，則會大概率會出現(xiàn)折疊城市的情景。

在這篇文章中，我們可以將這種空間結構定義為四維（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。現(xiàn)有的SiP中的集成技術，包括2D，2.5D，3D集成，所有的芯片(Chip)，轉接板(interposer)和基板(Substrate)，在三維坐標系中，其Z軸均是豎直向上。
當XY平面旋轉時，其Z軸會發(fā)生偏移，我們可以做如下定義：在SiP中，當多塊基板所處的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集成如何實現(xiàn)呢？請看下面的詳細闡述。

技 術 實 現(xiàn)

這里，我們描述兩種典型的4D集成實現(xiàn)方法。

1.通過剛柔結合折疊基板——實現(xiàn)4D集成

以下描述的SiP系統(tǒng)級封裝，采用了4D集成結構，其封裝基板采用了剛柔結合板，其中包含6塊剛性基板，中間通過5個柔性電路連接，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，對柔性區(qū)域進行90度彎曲，將剛性基板彎折并拼接成一開蓋盒狀體，并對其接縫處進行焊接，然后對封裝體內(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個柔性電路連接起來，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，可進行芯片堆疊安裝。

元器件安裝完成后，可做初步加固，一般對裸芯片做點膠處理，主要是為了保護鍵合線不在后續(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B、C、D、E四塊剛性基板相鄰的四個邊進行焊接，參看下圖。

然后，給盒體灌膠，或者點膠加固芯片，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，并對其相鄰邊進行焊接。

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，也可以進行封裝堆疊，進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——實現(xiàn)4D集成以下描述的SiP系統(tǒng)級封裝，采用了4D集成結構，其封裝基板采用了陶瓷基板，整個封裝體包含6塊陶瓷基板，每一塊陶瓷基板上均可安裝芯片等元器件，并設計了電氣連接點，基板之間通過焊接進行物理和電氣連接。

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框式結構，然后將其它兩塊基板焊接到框式結構的上下兩個面，形成一個完整的封裝體，因為對其接縫處設計了氣密性焊接環(huán)，所以焊接完成后整個封裝體內(nèi)部和外部實現(xiàn)了氣密性隔離，形成完整的氣密性三維系統(tǒng)級封裝。

該4D集成基板分為6部分，在基板設計時，可整體進行設計，也可每塊基板單獨進行設計，基板設計時需要重點考慮各個基板之間的電氣連接點，同時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)級封裝，其側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)級封裝和外部電氣連接點的連接，通常是焊接到PCB上的電氣連接點。

如果有需求，也可以進行封裝體堆疊，進一步增加空間的利用率，如下圖所示，其前提是在F基板頂部設計并制作了相應的電氣連接點。

前 景 展 望

從嚴格物理意義上來說，以現(xiàn)有的人類認知出發(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用比較普遍，在一定程度上提高了系統(tǒng)級封裝的集成度，但也有一些難以解決的問題。例如芯片堆疊中對芯片的尺寸、功耗等都有比較嚴格的要求；基板堆疊中對上下基板的尺寸及引腳對位也有嚴格的要求；互聯(lián)的金屬球或者柱占用了大量的芯片安裝空間，另外散熱問題也無法很好解決，所以在實際項目應用時有很大的局限性。另外，這種平行載板堆疊技術通常無法實現(xiàn)氣密性封裝，而這是航空航天、軍工等很多領域特定應用的基本的要求。通過4D集成技術可以解決平行三維堆疊所無法解決的問題，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、軍工等領域應用中最主要的氣密性問題。所以，展望未來，在多樣化的SiP的集成方式中，4D集成技術必定占有一席之地，并將成為繼2.5D、3D集成技術后重要的集成技術。那么，現(xiàn)實世界中，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公眾號第一篇原創(chuàng)文章，也是SiP公眾號第0020篇原創(chuàng)文章，祝愿所有的讀者朋友新年快樂！