SiP封裝共形屏蔽簡介、性能、工藝、應用及優點解析
前 言
移動設備向著輕薄短小的方向發展,手機行業是這一方向的前鋒,從幾代iPhone的尺寸可以看出----薄,是一直演進的方向(圖1)。隨著物聯網、可穿戴等市場興起,將這一方向推向極致。
圖1 iPhone厚度變化
手機的薄型化,得益於多方面技術的進步,包括SiP、PCB、顯示屏等技術,其中關鍵的技術之一就是EMI屏蔽技術。傳統的手機EMI屏蔽是採用金屬屏蔽罩,屏蔽罩在橫向上要佔用寶貴的PCB面積,縱向上也要佔用設備內部的立體空間,是設備小型化的一大障礙。新的屏蔽技術——共形屏蔽(Conformal shielding),將屏蔽層和封裝完全融合在一起,模組自身就帶有屏蔽功能,晶元貼裝在PCB上後,不再需要外加屏蔽罩,不佔用額外的設備空間,從而解決這一難題。如圖2,iPhone 7主板上,大部分晶元都採用了Conformal shielding技術,包括WiFi/BT、PA、Memory等模組,達到高度集成且輕薄短小的目的。
圖2 iPhone7主板上採用共形屏蔽技術的模組
SiP封裝共形屏蔽
電子系統中的屏蔽主要兩個目的:符合EMC規範;避免干擾。傳統解決方案主要是將屏蔽罩安裝在PCB上,會帶來規模產量的可修復性問題。 此方法也可以在SiP模組中使用,如圖3中的模組封裝,或Overmolded shielding將屏蔽罩封裝在塑封體內。 這兩種屏蔽解決方案,雖然實現了屏蔽罩的SiP封裝集成,但是並未降低模組的高度,同時也會帶來工藝和成本問題。
圖3 傳統的屏蔽罩模組及SiP封裝內集成(Overmolded shielding)屏蔽罩
SiP封裝的共形屏蔽,可以解決以上問題。如圖4,SiP封裝採用共形屏蔽技術,其外形與封裝一致,不增額外尺寸。
圖4 共形屏蔽SiP封裝以及與傳統屏蔽罩的區別
共形屏蔽的性能
共形屏蔽實現了極好的屏蔽效果,在遠場高達12GHz,近場高達6GHz,以及10MHz-100MHz的低頻,屏蔽效果在30dB以上。如圖5,從SiP封裝實際測量結果,可以看出共形屏蔽的出色效果。
圖5 共形屏蔽的測試效果
共形屏蔽的工藝
共形屏蔽目前主流工藝有三種:電鍍,噴塗,濺射。各工藝的優缺點對比如下表:
以濺射為例,工藝流程如圖6:
圖6 共形屏蔽的濺射工藝流程
共形屏蔽的應用
共形屏蔽主要用於PA,WiFi/BT、Memory等SiP模組封裝上,用來隔離封裝內部電路與外部系統之間的干擾,如圖7。
圖7 WiFi模組共形屏蔽結構
對於複雜的SiP封裝,將AP/BB、Memory、WiFi/BT、FEM等集成在一起,封裝內部各子系統之間也會相互干擾,需要在封裝內部隔離。另外,對於大尺寸的SiP封裝,其整個屏蔽結構的電磁諧振頻率較低,加上數字系統本身的雜訊帶寬很寬,容易在SiP內部形成共振,導致系統無法正常工作。
Compartment shielding(劃區屏蔽)除了可用於封裝外部屏蔽,還可以對封裝內部各子系統模塊間實現隔離。其由Conformal shielding技術改進而來,用激光打穿塑封體,露出封裝基板上的接地銅箔,灌入導電填料形成屏蔽牆,並與封裝表面的共形屏蔽層一起將各子系統完全隔離開。另外,劃區屏蔽將屏蔽腔劃分成小腔體,減小了屏蔽腔的尺寸,其諧振頻率遠高於系統雜訊頻率,避免了電磁共振,從而使得系統更穩定。Compartment shielding典型的應用案例就是iWatch里的S1模組,如圖8。
圖8 蘋果S1 SiP封裝Compartment shielding結構
總結SiP共形屏蔽的優點:
共形(Conformal)和劃區(Compartmental)屏蔽方案應用靈活廣泛:
最大限度減少封裝中的雜散和EMI輻射
最大限度減少系統中相鄰器件間的干擾
器件封裝橫向和縱向尺寸增加幾乎為零
節省系統特殊屏蔽部件的加工和組裝成本
節省PCB面積和設備內部空間
共形屏蔽技術,可以解決SiP內部以及周圍環境之間的EMI干擾,對封裝尺寸和重量幾乎沒有影響,具有優良的電磁屏蔽性能,可以取代大尺寸的金屬屏蔽罩。必將隨著SiP技術以及設備小型化需求而普及。
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