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数字处理器SiP封装

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发表于 2021-4-8 13:17 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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由于系统小型化要求,数字处理分机由原来的机箱缩小为一个表贴器件。通过选用裸芯片采用SIP封装的形式,把集成电路ADC芯片、ASIC、存储芯片和各类无源元件如电容、电感等集成到一个多层基板上。以现有混合集成技术为基础,主要研究器件装配工艺选择,对于关键器件,采用电磁仿真软件模拟装配方式对性能的影响。通过有限元仿真,分析芯片的散热需求;并详细探讨了基板材料对封装器件散热的影响。& ]$ I- v2 A0 Q% q
( J( m$ {- ^6 {5 n9 n/ _" c2 W% `) S
引言
0 Q' n0 j1 z$ b7 J3 H) {随着电子装备一体化需求,对分系统、模块的体积、质量提出了更高的要求,轻质化、小型化、系统化是未来的整机发展趋势。在微波技术领域中,以MMIC、RFIC、LTCC、MEMS等技术为主体,辅之以部分芯片离散元件,采用高密度的MCM技术,面向芯片内系统(SOC)和封装内系统(SIP),将微机电、数字电路、中视频IC、射频和微波电路集成在很小的电路单元内,形成一个微系统,以实现微波前端变频和数字处理功能。) V& Z; S+ o- c  P( h  o
从形态上来看,微系统产品分两个层次。一是芯片集成微系统,指以系统架构和算法为核心,以先进微电子、光电子、微机械为基础,融合集成的集传感、处理、通信、执行、微型电源供电等功能一体的、具有某种系统功能的、芯片级规格的微小型系统,芯片集成微系统是微系统的高级阶段如图1所示;二是功能集成微系统,指以系统架构和算法为核心,以微电子、光学(或光电子)、MEMS/NEMS等技术为基础,从系统工程的角度出发,通过跨学科多专业融合集成设计,采用SoC/SiP以及系统级封装集成制造,实现某种系统功能的微型或小型产品。功能集成微系统(如图2所示)能较灵活应用各种不同芯片资源和封装互连优势,优化系统性能,避免重复封装,可以缩短开发周期、降低成本并提高了集成度,是当今及今后较长时间的产品形态 。
" r4 b# V, D, J9 M) G& G5 x6 J2 e
) ?* g6 a4 l5 I! O现以小型化数字接收机为例,产品由原来一个机箱大小的数字化接收机,通过小型化设计,整体缩小为一个具有同等功能的SiP封装表贴器件,长宽大小不超过50 mm。设计上采用可寻的商业化芯片,自行设计专用芯片,把电路ADC、ASIC和无源元件如电容、电感集成到一个封装体内,实现数字信号处理功能。在有限的空间内,采用原有的混合集成器件加电缆集成的方式,体积上不满足要求。须采用多层基板加裸芯片集成的方式,本文重点对芯片集成和散热两方面考虑,研究芯片装配工艺。通过仿真软件HESS、ANSYS进行电、热性能仿真,根据仿真结果,确定芯片的装配方式,并选择适宜的基板材料,实现小型化数字处理器的装配工艺设计。8 |8 A% W" ^9 }* B- z6 q5 F6 u
3 i2 v) \' T$ ^/ p! t
1 数字处理器封装工艺流程设计. S+ E$ A- X  q8 d
根据数字处理器设计方案,以多层电路为布线基板,承担芯片物理载体和信号传输的功能。所有控制和信号在基板层内完成,芯片等元器件器件通过表贴、倒装和贴装集成在基板上。基于设计图纸,装配工艺流程设计如下:SMT贴装→回流焊→芯片安装(粘接后引线键合/倒装贴片)→等离子清洗→丝焊→封盖→植球→回流焊→表面打标→测试→包装。该工艺流程中,芯片与基板间的装配,有倒装和贴装两种方案可选,其他工序由于无备选工艺方案,工艺流程可以确定下来。因此,该数字处理器工艺流程设计关键在于选择合适的芯片装配工艺方式。
. f* |# v: k- O7 x! A目前,芯片有两种装配方式,倒装和贴装。两种工艺比较,倒装焊的芯片价格昂贵,采购困难,不适合小批量生产模式,该工艺的使用范围较窄。但是,倒装焊工艺相比贴装后焊线连接,在性能、布线和散热上具备如下优势:2 n: u; h! ^# i6 d
$ r4 }  n0 t) w1 R7 `2 a
(1)倒装焊技术无引线键合焊盘中心距极限的问题;) i9 F/ [1 N* A2 K" ?
$ a8 x: j2 Q* k% v) d3 Q0 ^! e$ X
(2)在芯片的电源/地线分布设计上可以给电子设计师提供更多的便利;8 |$ s& y( L5 h7 V9 Q9 e; E' v

9 I4 ~2 m1 d; r( U: P5 [(3)通过缩短互联长度,减小RC延迟,为高频率、大功率器件提供更完善的信号;
3 m$ f9 U3 \9 I1 z# y& X# P( u; O4 V& |3 B" _/ H; E
(4)封装面积小;
" y% D1 V  q) _
3 A: }+ M. l! V( n$ x8 H(5)热性能优良,芯片背面可安装散热器。. ^( f, Z  S6 I: Z1 c

. f2 U, n0 g" M3 v/ A0 Y, A$ x鉴于倒装在性能和散热两方面的优势,而ASIC芯片功耗为40 W,有较高的散热性要求,倒装芯片焊接可利用芯片背面与散热板接触散热,ASIC产生的热可在短时间内通过散热板导出封装外,可降低芯片节温,确保芯片长期稳定工作。另一方面,ASIC与ADC信号传输接口有几百个,采用倒装芯片可以减小封装尺寸,缩短传输路径,减少信号延迟时间,提高芯片性能。因此,考虑性能和散热因素,ASIC芯片最佳方案是采用倒装贴片的装配方式。4 ?4 \' K3 x% T, W
# A; ~% c. H6 t8 J
对于ADC芯片,功耗约1 W,对散热需求不明显。性能方面,通过HESS仿真,分别计算ADC倒装和贴装两种装配方式,对高速信号的完整性影响大小,如图3、图4所示。图5是贴装后焊接不同跨距互连金丝对性能的影响。通过插损和回损大小,判定芯片合适的装配方式。
) N: ]( G1 M0 _1 K% y. D# s9 h% W' [( q! t+ @; b
仿真结果如图6、图7所示,在0~2 GHz频段内,倒装贴片插损小,可以忽略不计,ADC倒装焊电性能达到最佳。芯片贴装后,金丝键合的插损随着引线跨距增加而增大,当跨距达到1.4 mm时,插损为-0.2 dB。在0~2 GHz频段内,倒装贴片回损小于-50 dB,贴装芯片随着金丝互连跨距加大,回损增加,1.4 mm金丝互连在2 GHz回损约为-15 dB。该器件插损要求大于-0.2 dB,回损小于-15 dB。因此,小于1.4 mm跨距金丝键合,丝焊仍满足性能要求。在2 GHz频段内,ADC芯片倒装贴片和引线键合均可满足要求,鉴于ADC芯片散热要求低,金丝互连对性能影响小,采用贴装工艺,可节约成本,提高产品可装配性,因此该芯片采用贴装后金丝互连的方式装配。
# K: ?9 g5 @. e; x8 G# J" K) `, z8 P' c/ }
) f) q% ?# I8 e( t* y# y
2 基板材料选择0 _* k7 t* Y! R6 ~. \: A4 ?) @
基板是数字处理器的重要组成部分,在封装中实现搭载器件和电气连通的作用。由于该器件需要在母板上再次集成,基板在满足器件本身功能的前提下,还需与系统母板安装相匹配。本次基板的选择需满足芯片倒装工艺,又要兼顾BGA封装后与母板二次焊接。常用封装基板有有机系(树脂系)、无机系(陶瓷系、金属系)和复合机系三种,前两种材料在性能上各有优缺点,而复合机系综合了两者的优点,已经成为基板的发展方向,但是目前没有大规模应用。本次选用有机、无机基板作为封装材料为封装基板研究对象。
6 `; m! h; [% g2.1 BT封装
5 W# z5 A$ c+ e* O# ?5 f4 v+ n封装基板有机系材料,也统称的BT树脂。
4 [$ T: x- U; _& A- U
( ?1 R/ O5 n9 n" ?0 q/ c8 tBT封装的优点:
$ t; R' g1 N$ M; b! g( }6 q; l. u% d' b. b3 ?
(1)与PCB的热匹配性好,两种材料的CTE比较接近,因而热匹配性好;) m" [# n5 s& h2 n: k
' d' v# ~0 A3 O
(2)在回流焊过程中可利用焊球的自对准作用,即熔融焊球的表面张力来达到焊球与焊盘的对准;
! }5 W6 }! M! s* _# y4 u) C# o/ j& G$ V& [9 b9 {, F
(3)成本低;
1 Y9 K) \1 w$ e6 Q4 [$ _# r& b- _! F! X9 R, N+ K) R+ J
(4)电性能良好。/ k% a% a3 R6 V% y) [
$ U1 }2 Q2 U; r% l$ R6 c; J
BT材料封装的缺点:对湿气敏感,不适用于有气密性要求和可靠性要求高的器件封装。
3 b) @5 x2 J" P3 P( N* a& A% T% f: c3 p5 F4 d8 ^9 z( w$ r  j5 j# X6 F
2.2 陶瓷封装
" U- b* @1 K5 ~+ o+ i, @, h. L' N  Z+ E
无机基板以陶瓷LTCC使用较广,多用于具有气密性高要求的封装中。, d. N( s7 y6 J8 t4 o

# E0 ~: B, f( K4 P* L- Y2 J9 U$ p陶瓷封装的优点:0 K) U# s" I9 h- Z" N

. [7 x% s$ V  W9 ^(1)气密性好,抗湿气性能高,因而封装组件的长期可靠性高;
% i1 w, G4 S( k: ^  `! J9 S; u
& H: x0 Z( u2 n6 k0 U(2)与BT封装器件相比,电绝缘特性更好;
- o9 C: ^! i# a
* q% b2 _- x9 p4 L& t% b; J  I(3)与BT封装器件相比,封装密度更高。1 |- x3 A3 B! C1 Q6 r4 a! h

- g) {/ S( V+ r陶瓷封装的缺点:8 x$ u8 O1 u. W( a- `! L

. `! X4 V! B3 W3 n3 [( _- J2 T1 b(1)由于陶瓷基板和PCB的热膨胀系数(CTE)相差较大(陶瓷基板约为7×10 -6 /℃,PCB约为17×10 -6 /℃),因此热匹配性差,焊点疲劳失效;, y% u( V7 o  t) d3 T$ F; j
7 V5 I; f5 o( {
(2)与BT封装器件相比,封装成本高;
% {. _# p% n6 R# C3 N8 j* P1 Q% L. V1 [9 E7 B0 j$ O. ?4 L0 m
(3)在封装体边缘的焊球对准难度增加。$ n& g3 Z3 m1 b* @5 \+ x
& t7 L5 x, [: T4 }5 g: Y1 x1 X% ~
2.3 BT和LTCC基板对芯片工作温度影响3 j, E, N; ~; X4 {. m5 J0 d% \/ n

: M2 {9 t- W4 Q7 x" n- x; ~数字处理器40 W以上的功耗,仅通过基板焊带不能将大量的热及时传导出去,大功耗器件ASIC芯片需金属外盖接触,外盖表面贴着热沉,结构设计如图8所示,热沉上表面由25 ℃的水冷系统进行冷却,对流换热系数为578 W/(m 2 ·K)。金属盖板用密封焊料焊接在基板上,用以保护芯片、引线及焊盘。ASIC芯片倒装后,芯片底面通过散热胶直接与金属盖接触,可以将大部分的热通过传导的  方式带出。其他表面为自然对流冷却,对流换热系数为10 W/(m 2 ·K),环境温度为85 ℃,ASIC芯片的功率为40 W,AD芯片的功率为1 W,闪存芯片的功率为0.5 W。通过ANSYS软件仿真,计算使用两种不同基板时,对应芯片的工作温度。图9是BT基板和LTCC基板封装仿真热分布,ASIC芯片(芯片1)的温度范围为105~118 ℃,ADC芯片(芯片2)的温度范围为102~112 ℃ ,闪存芯片的温度范围为100~105 ℃,芯片的最高温度位于BT封装的ASIC1底部中心位置,温度约为118 ℃,其次为LTCC封装的ASIC1底部中心位置,温度约为115 ℃。对比BT和LTCC基板封装,对芯片温度分布影响较小。1 V* t+ x  O4 C4 ?, X# S% ^6 `
' K5 J0 y3 P/ W

: d" \3 l1 E3 t/ j) `& U, Z5 e& _
对比LTCC和BT封装,芯片工作温度的变化较小。其主要原因是ASIC大功率芯片上表面紧贴热沉,其产生的绝大部分热量往上耗散,形成了热耗散通路,大功耗芯片的热少量向基板方向传导。其它芯片如ADC、存储芯片散热小,仅少量热会传给基板,本次基板散热性能的优劣对芯片散热的影响较小。因此,该数字处理器SiP封装基板材料两种均可选用,鉴于BT在BGA焊接方面的优势,在与母板焊接时,BT基板的热膨胀系数更匹配,本次选用BT材料作为封装基板。0 i* _5 {( E6 U2 h
/ ^# @* R" c4 v0 _  y& f! b" C
3 结论
7 i7 `5 n: }7 r2 h: E5 ^本文以现有混合集成技术为基础,主要研究在系统小型化过程中,关键芯片的封装工艺,并采用电磁仿真软件模拟倒装和贴装两种装配方式对性能的影响。且通过有限元仿真软件,分析芯片的散热需求,并探讨BT和LTCC作为基板材料对该结构数字处理器散热的影响。为后期小型化工艺设计指明了研究方向,是一次有效的SIP封装的工艺探索。目前,在国内SiP技术尚属于初级阶段,随着SiP技术逐步成熟,必将成为电子技术新热点和技术应 用的主要方向之一。而SiP封装工艺作为SiP封装技术的重要组成部分,值得花费力量从事相关技术研究。
  • TA的每日心情
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    2022-12-27 15:46
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    [LV.2]偶尔看看I

    2#
    发表于 2021-4-8 14:38 | 只看该作者
    SMT贴装→回流焊→芯片安装(粘接后引线键合/倒装贴片)→等离子清洗→丝焊→封盖→植球→回流焊→表面打标→测试→包装
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    2020-8-4 15:07
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    [LV.1]初来乍到

    3#
    发表于 2021-4-8 17:38 | 只看该作者
    从形态上来看,微系统产品分两个层次。一是芯片集成微系统,指以系统架构和算法为核心,以先进微电子、光电子、微机械为基础,融合集成的集传感、处理、通信、执行、微型电源供电等功能一体的、具有某种系统功能的、芯片级规格的微小型系统,芯片集成微系统是微系统的高级阶段如图1所示;二是功能集成微系统,指以系统架构和算法为核心,以微电子、光学(或光电子)、MEMS/NEMS等技术为基础,从系统工程的角度出发,通过跨学科多专业融合集成设计,采用SoC/SiP以及系统级封装集成制造,实现某种系统功能的微型或小型产品。功能集成微系统(如图2所示)能较灵活应用各种不同芯片资源和封装互连优势,优化系统性能,避免重复封装,可以缩短开发周期、降低成本并提高了集成度,是当今及今后较长时间的产品形态 。
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