一種拼接結(jié)構(gòu)紅外探測器的封裝電學設(shè)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(yè)、醫(yī)療以及科學研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,紅外探測器的封裝結(jié)構(gòu)需要配合不同領(lǐng)域的不同需求,進行多元化設(shè)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(jié)構(gòu)將紅外探測器芯片完整封裝成產(chǎn)品,滿足探測器光機電接口的要求,并將其芯片的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇蛻艚涌诙?。紅外探測器封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計起著非常關(guān)鍵的作用,其中封裝電學設(shè)計,既要配合結(jié)構(gòu)整體設(shè)計,又要保證探測器信號完整傳輸,也就是既包括電學結(jié)構(gòu)設(shè)計又包括電學性能設(shè)計,是整體封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要組成部分。

本文介紹的拼接結(jié)構(gòu)封裝電學設(shè)計與常規(guī)拼接結(jié)構(gòu)相比,其采用多個單模塊結(jié)構(gòu)進行拼接,電學設(shè)計單獨可調(diào)可更換,并且以單個模塊為基礎(chǔ)可任意擴展拼接規(guī)模。其單模塊電學設(shè)計部分即降低了拼接縫隙,又單獨可調(diào)整,對提高整體拼接精度以及拼接結(jié)構(gòu)緊湊度有較大幫助;平臺間的電學設(shè)計配合單模塊結(jié)構(gòu),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(shè)計,提高信號集成度,從而使整體結(jié)構(gòu)更為緊湊,同時該設(shè)計方式對較大結(jié)構(gòu)的整體安裝適配更為便利。

2 一種拼接形式的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

封裝的電學設(shè)計首先要滿足封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計需求,在設(shè)計初期需要針對封裝結(jié)構(gòu)特點進行分析考慮。本此介紹的拼接結(jié)構(gòu)其如圖1所示。

圖1 封裝結(jié)構(gòu)示意圖

該封裝結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xiàn)信號交互。

3 針對拼接結(jié)構(gòu)的電學結(jié)構(gòu)設(shè)計

拼接形式的封裝結(jié)構(gòu),在電學結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)是否滿足實際工藝安裝需求。

3.1 單模塊電學結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)拼接結(jié)構(gòu)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(diào),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(shè)計一個單模塊結(jié)構(gòu),這個結(jié)構(gòu)用于將每個芯片的電學信號單獨引出,同時該種結(jié)構(gòu)可以滿足單芯片拼接時候位置可單獨調(diào)整[2]。其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 單模塊電學結(jié)構(gòu)示意圖

該種結(jié)構(gòu)為剛?cè)峤Y(jié)合的PCB結(jié)構(gòu),剛性板區(qū)域位于芯片底面,通過焊接插件方便實現(xiàn)與下平臺的連接,并且將剛性板設(shè)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(qū)域其鍵合區(qū)實現(xiàn)與單芯片互聯(lián)引出信號,因其柔帶便于彎折,可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計

為了方便在上下平臺間銜接,電學結(jié)構(gòu)設(shè)計也采用了剛?cè)峤Y(jié)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(qū)的結(jié)構(gòu),如圖3所示。

圖3 平臺之間連接電學結(jié)構(gòu)示意圖

該種結(jié)構(gòu)只需與上平臺每個單模塊接插件對插,即可實現(xiàn)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(qū)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(jié)構(gòu)整體工藝安裝的難度。

3.3 二級平臺的電學結(jié)構(gòu)設(shè)計

在下平臺的電學結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計,根據(jù)客戶對接口的需求,需要對單模塊引出端信號數(shù)量進行合并,達到減小引出端信號接口數(shù)的需求。該結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)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(cè)PCB板結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 整體電學結(jié)構(gòu)示意圖

為了配合結(jié)構(gòu)安裝,以及易于調(diào)整位置,設(shè)計了左右兩塊板子,其外形及結(jié)構(gòu)類似,分別進行安裝。一塊板子對應(yīng)4個芯片的端口和3個輸出端口。

該種電學結(jié)構(gòu)設(shè)計,采用PCB剛板結(jié)構(gòu)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(shè)計,便于信號合并,且可進行數(shù)模信號分層處理,為常見的PCB板設(shè)計結(jié)構(gòu),加工工藝成熟。

3.4 整體電學結(jié)構(gòu)設(shè)計

整體拼接結(jié)構(gòu)其電學結(jié)構(gòu)完整結(jié)構(gòu)如5圖所示。

4 拼接結(jié)構(gòu)電學布線設(shè)計

在拼接電學結(jié)構(gòu)方案確定后,電學布線設(shè)計首先需要滿足電學結(jié)構(gòu)設(shè)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(jù)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(shè)計的電性能參數(shù)。根據(jù)電性能參數(shù)和廠家提供的設(shè)計規(guī)則,才可開展布線設(shè)計[3]。

在單模塊以及平臺之間的電學引出部分,均采用剛?cè)峤Y(jié)合的結(jié)構(gòu),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(shè)計。在單模塊部分,因為有鍵合要求,在引出設(shè)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(shè)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(guān)系到信號的壓降問題。在設(shè)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(shè)計,應(yīng)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(shè)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(shè)計,采用多層剛性PCB板結(jié)構(gòu),多層板布線設(shè)計要滿足信號完整性和電源完整性原則,布線設(shè)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(shè)計走線寬度、走線長度,走線間間距來調(diào)整[5];其次需要考慮數(shù)模信號隔離,可通過采用數(shù)字、模擬信號分層或分區(qū)設(shè)計實現(xiàn)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(shù)字信號均會設(shè)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(jié) 論

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