陶瓷封裝SiP腔體結(jié)構(gòu)介紹

SiP系統(tǒng)級(jí)封裝產(chǎn)品按工藝或材料通常分為：塑料封裝SiP、陶瓷封裝SiP和金屬封裝SiP幾種類型和各自的特點(diǎn)。其中陶瓷封裝SiP也簡(jiǎn)稱為陶封SiP，美國(guó)航空航天局NASA，歐洲太空局ESA采用的SiP基本上均為陶瓷封裝SiP。目前，國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的航空航天和軍工領(lǐng)域的研究所都開始研究和應(yīng)用SiP技術(shù)，他們也不約而同地選擇陶瓷封裝作為首選的SiP產(chǎn)品封裝。

陶封SiP密封性好，散熱性能好，對(duì)極限溫度的抵抗性好，容易拆解，便于問題分析，相對(duì)于金屬封裝體積小，適合大規(guī)模復(fù)雜芯片。有了這些優(yōu)點(diǎn)，陶封SiP確實(shí)最適合在極限苛刻環(huán)境中應(yīng)用的航空航天等軍工領(lǐng)域。在陶封SiP設(shè)計(jì)中，有一個(gè)最明顯的特征就是：陶封SiP中基本都采用了腔體結(jié)構(gòu)。

1 什么是腔體？

在《SiP系統(tǒng)級(jí)封裝設(shè)計(jì)與仿真》一書中，我這樣寫道：“腔體Cavity是在基板上開的一個(gè)孔槽，通常不會(huì)穿越所有的板層（在特殊情況下的通腔稱之為Contour）。腔體可以是開放式的，也可以是密閉在內(nèi)層空間的腔體，腔體可以是單級(jí)腔體也可以是多級(jí)腔體，所謂多級(jí)腔體就是在一個(gè)腔體的內(nèi)部再挖腔體，逐級(jí)縮小，如同城市中的下沉廣場(chǎng)一樣。”下圖是城市中常見的下沉廣場(chǎng)，底部區(qū)域供人們活動(dòng)，臺(tái)階可以當(dāng)看臺(tái)或者坐下休息。

下圖是陶封SiP中常見的腔體結(jié)構(gòu)，底部區(qū)域安裝芯片，多級(jí)腔體的臺(tái)階上可以放置鍵合指Bond Pad。兩者唯一的區(qū)別就是下沉廣場(chǎng)多為圓形，而陶封SiP中的腔體多為方形，當(dāng)然也不排除有些項(xiàng)目中采用了圓形腔體。

陶封SiP中常用到的腔體結(jié)構(gòu)

2 陶封SiP為何基本都會(huì)采用腔體？

搞明白了腔體的定義后，我們?cè)賮?lái)看看陶封SiP為何基本都會(huì)采用腔體？根據(jù)親自參與的多個(gè)陶封SiP實(shí)際項(xiàng)目，我總結(jié)了一下，大致有以下三種原因：

腔體結(jié)構(gòu)有利于鍵合線的穩(wěn)定性

對(duì)于復(fù)雜的芯片，常常要采用多層鍵合線，鍵合指的排列經(jīng)常有3-4排，這樣外層鍵合線就會(huì)很長(zhǎng)，跨度很大，不利于鍵合線的穩(wěn)定性，而腔體結(jié)構(gòu)則能有效改善這種問題。從下面兩張圖就可以明顯地看出腔體結(jié)構(gòu)大大減小了鍵合線的長(zhǎng)度，從而有效地提高了鍵合線的穩(wěn)定性。

腔體結(jié)構(gòu)有利于陶瓷封裝的密封

采用腔體結(jié)構(gòu)的陶瓷基板，芯片和鍵合線均位于腔體內(nèi)部，只需要用密封蓋板將SiP封裝密封即可。如果無(wú)腔體結(jié)構(gòu)，則需要專門焊接金屬框架來(lái)抬高蓋板的位置，這樣就多了一道焊接工序，其焊縫的氣密性也需要經(jīng)過嚴(yán)格考核才能達(dá)到氣密性要求。

腔體結(jié)構(gòu)有利雙面安裝元器件

現(xiàn)在的SiP復(fù)雜程度很高，需要安裝的器件很多，在基板單面經(jīng)常無(wú)法安裝上所有器件，需要雙面安裝器件。這時(shí)候，腔體結(jié)構(gòu)也就大有用武之地，通過腔體可以將一部分器件安裝在SiP封裝的底面，在封裝底面外側(cè)設(shè)計(jì)并植上焊接球，如下圖所示。

如果沒有腔體結(jié)構(gòu)，就無(wú)法在背面安裝器件，如下圖所示：

如果將器件完全安裝在頂面，不可避免要擴(kuò)大封裝的面積，和SiP小型化的概念是背道而馳的。

最后，我們來(lái)看一款實(shí)際的陶瓷封裝SiP項(xiàng)目的Expedition設(shè)計(jì)截圖：此項(xiàng)目為國(guó)內(nèi)第一款采用雙面腔體的陶封SiP項(xiàng)目，完全在一顆SiP中實(shí)現(xiàn)了航天計(jì)算機(jī)的所有功能，并達(dá)到軍品級(jí)要求。該項(xiàng)目在世界上也處于領(lǐng)先地位，目前已經(jīng)成功應(yīng)用到多個(gè)航空、航天等重點(diǎn)工程中。

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