SiP封装共形屏蔽简介、性能、工艺、应用及优点解析

EDA365 发表于 2018-01-21 10:23:10 收藏 已收藏
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SiP封装共形屏蔽简介、性能、工艺、应用及优点解析

EDA365 发表于 2018-01-21 10:23:10 收藏

前 言

移动设备向着轻薄短小的方向发展,手机行业是这一方向的前锋,从几代iPhone的尺寸可以看出----薄,是一直演进的方向(图1)。随着物联网、可穿戴等市场兴起,将这一方向推向极致。

SiP封装共形屏蔽简介、性能、工艺、应用及优点解析

图1    iPhone厚度变化

手机的薄型化,得益于多方面技术的进步,包括SiP、PCB、显示屏等技术,其中关键的技术之一就是EMI屏蔽技术。传统的手机EMI屏蔽是采用金属屏蔽罩,屏蔽罩在横向上要占用宝贵的PCB面积,纵向上也要占用设备内部的立体空间,是设备小型化的一大障碍。新的屏蔽技术——共形屏蔽(Conformal shielding),将屏蔽层和封装完全融合在一起,模组自身就带有屏蔽功能,芯片贴装在PCB上后,不再需要外加屏蔽罩,不占用额外的设备空间,从而解决这一难题。如图2,iPhone 7主板上,大部分芯片都采用了Conformal shielding技术,包括WiFi/BT、PA、Memory等模组,达到高度集成且轻薄短小的目的。

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图2    iPhone7主板上采用共形屏蔽技术的模组

SiP封装共形屏蔽

电子系统中的屏蔽主要两个目的:符合EMC规范;避免干扰。传统解决方案主要是将屏蔽罩安装在PCB上,会带来规模产量的可修复性问题。 此方法也可以在SiP模组中使用,如图3中的模组封装,或Overmolded shielding将屏蔽罩封装在塑封体内。 这两种屏蔽解决方案,虽然实现了屏蔽罩的SiP封装集成,但是并未降低模组的高度,同时也会带来工艺和成本问题。

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图3    传统的屏蔽罩模组及SiP封装内集成(Overmolded shielding)屏蔽罩

SiP封装的共形屏蔽,可以解决以上问题。如图4,SiP封装采用共形屏蔽技术,其外形与封装一致,不增额外尺寸。

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图4    共形屏蔽SiP封装以及与传统屏蔽罩的区别

共形屏蔽的性能

共形屏蔽实现了极好的屏蔽效果,在远场高达12GHz,近场高达6GHz,以及10MHz-100MHz的低频,屏蔽效果在30dB以上。如图5,从SiP封装实际测量结果,可以看出共形屏蔽的出色效果。

图5    共形屏蔽的测试效果

共形屏蔽的工艺

共形屏蔽目前主流工艺有三种:电镀,喷涂,溅射。各工艺的优缺点对比如下表:

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以溅射为例,工艺流程如图6:

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图6  共形屏蔽的溅射工艺流程

共形屏蔽的应用

共形屏蔽主要用于PA,WiFi/BT、Memory等SiP模组封装上,用来隔离封装内部电路与外部系统之间的干扰,如图7。

图7 WiFi模组共形屏蔽结构

对于复杂的SiP封装,将AP/BB、Memory、WiFi/BT、FEM等集成在一起,封装内部各子系统之间也会相互干扰,需要在封装内部隔离。另外,对于大尺寸的SiP封装,其整个屏蔽结构的电磁谐振频率较低,加上数字系统本身的噪声带宽很宽,容易在SiP内部形成共振,导致系统无法正常工作。

Compartment shielding(划区屏蔽)除了可用于封装外部屏蔽,还可以对封装内部各子系统模块间实现隔离。其由Conformal shielding技术改进而来,用激光打穿塑封体,露出封装基板上的接地铜箔,灌入导电填料形成屏蔽墙,并与封装表面的共形屏蔽层一起将各子系统完全隔离开。另外,划区屏蔽将屏蔽腔划分成小腔体,减小了屏蔽腔的尺寸,其谐振频率远高于系统噪声频率,避免了电磁共振,从而使得系统更稳定。Compartment shielding典型的应用案例就是iWatch里的S1模组,如图8。

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图8    苹果S1 SiP封装Compartment shielding结构

总结SiP共形屏蔽的优点:

共形(Conformal)和划区(Compartmental)屏蔽方案应用灵活广泛:

最大限度减少封装中的杂散和EMI辐射

最大限度减少系统中相邻器件间的干扰

器件封装横向和纵向尺寸增加几乎为零

节省系统特殊屏蔽部件的加工和组装成本

节省PCB面积和设备内部空间

共形屏蔽技术,可以解决SiP内部以及周围环境之间的EMI干扰,对封装尺寸和重量几乎没有影响,具有优良的电磁屏蔽性能,可以取代大尺寸的金属屏蔽罩。必将随着SiP技术以及设备小型化需求而普及。

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