一種拼接結構紅外探測器的封裝電學設計

馬 靜,付志凱,袁羽輝

(中國電子科技集團公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

紅外焦平面探測器在工業、醫療以及科學研究領域有著廣泛的應用,紅外探測器的封裝結構需要配合不同領域的不同需求,進行多元化設計,在保證探測器性能的同時,滿足客戶接口需求[1]。紅外探測器封裝結構將紅外探測器芯片完整封裝成產品,滿足探測器光機電接口的要求,并將其芯片的數據傳輸到客戶接口端。紅外探測器封裝結構設計起著非常關鍵的作用,其中封裝電學設計,既要配合結構整體設計,又要保證探測器信號完整傳輸,也就是既包括電學結構設計又包括電學性能設計,是整體封裝結構設計中重要組成部分。

本文介紹的拼接結構封裝電學設計與常規拼接結構相比,其采用多個單模塊結構進行拼接,電學設計單獨可調可更換,并且以單個模塊為基礎可任意擴展拼接規模。其單模塊電學設計部分即降低了拼接縫隙,又單獨可調整,對提高整體拼接精度以及拼接結構緊湊度有較大幫助;平臺間的電學設計配合單模塊結構,其柔帶連接形式提高上下平臺安裝工藝的可操作性和適配性;其二級平臺電學設計,提高信號集成度,從而使整體結構更為緊湊,同時該設計方式對較大結構的整體安裝適配更為便利。

2 一種拼接形式的封裝結構設計

封裝的電學設計首先要滿足封裝結構設計需求,在設計初期需要針對封裝結構特點進行分析考慮。本此介紹的拼接結構其如圖1所示。

圖1 封裝結構示意圖

該封裝結構由8個紅外探測器芯片交錯排布組成。其中一級平臺作為拼接的主要平面,其作用為固定8個芯片的安裝位置,并按照拼接精度將芯片拼接好,其拼接精度要滿足x、y、z三個方向的精度。

二級平臺作為封裝結構外殼底面,其作用有兩個,一個是安裝固定柱,支撐固定一級平臺,另外一個是在該平臺安裝插件,將電學信號從該底面引出,作為對客戶的電學接口,實現信號交互。

3 針對拼接結構的電學結構設計

拼接形式的封裝結構,在電學結構設計通常會考慮幾個方面,首先要考慮每個芯片的信號是否能夠獨立完整的引出,其次要考慮信號在引出端是否滿足客戶的電學接口需求,最后還需考慮該種電學結構是否滿足實際工藝安裝需求。

3.1 單模塊電學結構設計

根據拼接結構需要保證多個芯片拼接精度的需求,故每個芯片在拼接前必須獨立可調,且能保證單個芯片電學信號的完整輸出。基于以上考慮,首先要設計一個單模塊結構,這個結構用于將每個芯片的電學信號單獨引出,同時該種結構可以滿足單芯片拼接時候位置可單獨調整[2]。其結構形式如圖2所示。

圖2 單模塊電學結構示意圖

該種結構為剛柔結合的PCB結構,剛性板區域位于芯片底面,通過焊接插件方便實現與下平臺的連接,并且將剛性板設計在單模塊底面可以最大程度減小拼縫,避免拼接模塊間的干涉;柔性區域其鍵合區實現與單芯片互聯引出信號,因其柔帶便于彎折,可實現結構從正面鍵合到剛板背面安裝的可操作性。

3.2 平臺之間的電學結構設計

為了方便在上下平臺間銜接,電學結構設計也采用了剛柔結合的PCB板形式。該部分的柔帶采用了一種兩端均為剛性板焊接插件中間為柔性區的結構,如圖3所示。

圖3 平臺之間連接電學結構示意圖

該種結構只需與上平臺每個單模塊接插件對插,即可實現上下平臺間信號的電學引出,不會造成對上平臺拼接精度的破壞,且因中間為柔性區域,有一定偏移余量,即使下平臺對插端有些許錯位,也可正常安裝,降低結構整體工藝安裝的難度。

3.3 二級平臺的電學結構設計

在下平臺的電學結構設計上,主要考慮的是與客戶接口端的電學引出需求。

在本部分設計,根據客戶對接口的需求,需要對單模塊引出端信號數量進行合并,達到減小引出端信號接口數的需求。該結構設計需要將8個單模塊芯片的輸入,其中每個單模塊需要引出74個信號,轉為6個輸出端口,其中每個端口為51個信號,如圖4所示。

圖4 二級平臺左側PCB板結構示意圖

圖5 整體電學結構示意圖

為了配合結構安裝,以及易于調整位置,設計了左右兩塊板子,其外形及結構類似,分別進行安裝。一塊板子對應4個芯片的端口和3個輸出端口。

該種電學結構設計,采用PCB剛板結構其正面焊接插件與中間層的銜接柔帶一端對插,背面焊接輸出端插件,與外殼底板的輸出端接口對插。在該部分采用多層PCB板設計,便于信號合并,且可進行數模信號分層處理,為常見的PCB板設計結構,加工工藝成熟。

3.4 整體電學結構設計

整體拼接結構其電學結構完整結構如5圖所示。

4 拼接結構電學布線設計

在拼接電學結構方案確定后,電學布線設計首先需要滿足電學結構設計要求,其中包括機械尺寸、熱性能、機械強度等,還要滿足電學性能要求如信號完整性和電源完整性等。根據這幾個方面先對材料和工藝進行選型,選型確定才可確定其布線設計的電性能參數。根據電性能參數和廠家提供的設計規則,才可開展布線設計[3]。

在單模塊以及平臺之間的電學引出部分,均采用剛柔結合的結構,考慮到彎折性以及熱性能,均采用單層柔性板,在剛板部分也采用單層剛板設計。在單模塊部分,因為有鍵合要求,在引出設計時還需考慮鍵合工藝需求。在平臺之間的電學引出,因柔帶較長,首先要考慮電學性能設計,對于絕緣電阻和導通電阻均需考慮,尤其導通電阻直接關系到信號的壓降問題。在設計中適當加寬走線可以降低導通電阻,但是導線越寬其熱耗越大,故在此處的設計,應考慮柔帶外形限制,綜合計算熱耗及計算導通電阻,兩者取折中,設計出柔帶的合理走線尺寸既保證熱耗,又保證電學性能[4]。

二級平臺電學引出設計,采用多層剛性PCB板結構,多層板布線設計要滿足信號完整性和電源完整性原則,布線設計首先需要考慮信號阻抗匹配,導通電阻以及走線間絕緣電阻,可通過設計走線寬度、走線長度,走線間間距來調整[5];其次需要考慮數模信號隔離,可通過采用數字、模擬信號分層或分區設計實現隔離;同時還需要考慮重要信號屏蔽隔離,可用相鄰層布地線層進行屏蔽隔離。信號因其類型不同,模擬及數字信號均會設計多層,因此還需在多層布線之間考慮參考地平面問題。多層布線示意圖如圖6所示。

圖6 多層布線示意圖

5 結 論

本文闡述了一種紅外探測器拼接結構中的封裝電學設計。該種結構的電學設計,有利于提高拼接精度、減小拼接縫隙,使整體結構更為緊湊,且易于安裝調試。以單模塊為基礎,與常規結構比便于電學調試和更換,也適合靈活組合拼接規模。本文首先介紹如何根據拼接結構設計電學引出結構,電學引出結構設計既要滿足結構約束,又要滿足工藝安裝可行性。然后介紹如何根據結構,選擇工藝及布線設計,保證電學引出性能。拼接結構的電學設計,其復雜性遠超單芯片結構,只有結合結構、工藝安裝以及電學性能綜合考慮,才能設計出可實施性高且可靠的封裝電學設計。