柔性基板模塊封裝技術(shù)?

江平

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

柔性基板模塊封裝技術(shù)?

江平

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

針對(duì)柔性基板模塊封裝過程中存在的材料選擇、疊層方式以及層間干涉等關(guān)鍵問題，提出了采用熱應(yīng)力分析進(jìn)行材料篩選，通過3D結(jié)構(gòu)疊層以及夾具隔離支撐措施，實(shí)現(xiàn)滿足電磁兼容、熱傳導(dǎo)及振動(dòng)要求的模塊整體封裝。這些方法和技術(shù)可用在適應(yīng)性要求高的異形空間。

軍用電子設(shè)備；柔性基板；模塊封裝；折疊方式；異形空間；電磁兼容

1 概述

柔性板疊層后進(jìn)行模塊灌封集成，保證模塊集成后電氣性能、電磁兼容及相關(guān)環(huán)境實(shí)驗(yàn)要求。

軍事電子裝備平臺(tái)性能要求大幅度提高，體積、重量要求越來越小，特別是作戰(zhàn)飛機(jī)、衛(wèi)星等升空平臺(tái)。其作戰(zhàn)性能要求提高，攜帶各種裝備增加，這就要求這些裝備平臺(tái)上使用的電子設(shè)備體積、重量減少，也對(duì)電路模塊功能集成以及體積、重量指標(biāo)提出了更高要求。軍用電子模塊正在趨向更加多樣、復(fù)雜和精密，而在重量、體積上則更輕、更小，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力也要求更高，使用周期內(nèi)具有更高的可靠性和穩(wěn)定性。

柔性基板模塊集成封裝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)樣件小型化、輕型化及模塊化指標(biāo)要求的關(guān)鍵技術(shù)，能很好地解決軍用電子設(shè)備小型化、適應(yīng)性多樣化的發(fā)展要求，也迎合了未來集成模塊的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。模塊封裝要求對(duì)前期組裝好元器件的

2 柔性基板模塊特點(diǎn)

柔性基板作為一種特殊的電子互連技術(shù)，有著十分顯著的優(yōu)越性。它具有輕、薄、短、小、結(jié)構(gòu)靈活的特點(diǎn)，適合元件之間要求高密度互聯(lián)的應(yīng)用，它除能作靜態(tài)彎曲外，還能作動(dòng)態(tài)彎曲、卷曲和折疊等，具有較好的適應(yīng)性，但由于其撓性特性，在穩(wěn)定性、散熱性以及通用性方面也存在一些問題。柔性基板封裝模塊則能很好解決這些問題。

柔性基板模塊封裝就是把完成柔性基板疊層組裝后的模塊放置在比其尺寸略大的模具中，在其間隙中注入導(dǎo)熱材料或合成材料，經(jīng)加熱固化進(jìn)行整體集成，必要時(shí)可以在柔性基板之間增加金屬板或散熱板，來解決諸如公共地、散熱、電磁屏蔽等問題。在集成時(shí)可以做些工裝夾具固定好所有需要集成的每一層，以保證各層的平整度，避免柔板不平整帶來的短路。

由于導(dǎo)熱材料、柔性基板以及柔性基板上的集成電路可能存在著熱膨脹系數(shù)不匹配，采用導(dǎo)熱材料對(duì)疊層組裝后的柔性基板模塊進(jìn)行整體集成，在工作狀態(tài)下會(huì)帶來可靠性問題。因此，有必要對(duì)柔性基板模塊的集成進(jìn)行可靠性仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，以選擇合理的材料和確定最佳集成方式。應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)集成柔性基板模塊在工作條件下由材料熱膨脹系數(shù)失配所引起的應(yīng)力應(yīng)變、不同集成結(jié)構(gòu)形式引起的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)分析結(jié)果確定合適的灌封材料和集成方式。

3 柔性基板模塊封裝技術(shù)

柔性基板模塊封裝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)樣件小型化、輕型化要求的重要技術(shù)，而其中封裝材料選擇、柔性基板疊層方式和層間干涉又是其中的難點(diǎn)，也是實(shí)際應(yīng)用中面臨的問題，這些難點(diǎn)問題的解決將為模塊的順利集成灌封奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.1 封裝材料熱應(yīng)力分析

柔性基板的灌封對(duì)象（見圖1所示）是撓性基板卷曲折疊互聯(lián)模塊，此模塊是在撓性基板的不同位置貼裝多個(gè)元器件，隨后將撓性的基板折疊成緊湊的形狀，然后在相應(yīng)的位置上進(jìn)行灌封，固化后形成的一種3D互聯(lián)結(jié)構(gòu)。

由于卷曲折疊后，電路板的散熱面積減小，且柔性板上存在BGA、QFP等大器件，以及封裝后環(huán)境實(shí)驗(yàn)要求，故在選擇集成封裝材料時(shí)重點(diǎn)考慮了流動(dòng)性、導(dǎo)熱性、熱應(yīng)力及強(qiáng)度等4個(gè)方面的要求。

目前柔性基板封裝常用的3種典型封裝材料是聚氨酯集成封裝材料、有機(jī)硅集成封裝材料及環(huán)氧樹脂集成封裝材料。通過材料本身的性能特征對(duì)比分析，本文以依美時(shí)遠(yuǎn)東有限公司的EMS 400-64和美國(guó)LORD公司的SC-320兩種封裝材料作為研究對(duì)象，下面針對(duì)這兩種材料進(jìn)行柔性基板模塊熱應(yīng)力分析，并根據(jù)分析結(jié)果確定最后的選擇。

EMS 400-64為環(huán)氧樹脂灌封材料，SC-320為有機(jī)硅灌封材料，兩種材料都具有良好的散熱能力，但彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)等性能參數(shù)，兩種材料有很大差別。為此，通過對(duì)兩種材料進(jìn)行熱應(yīng)力分析，以便比較兩種材料的性能。熱應(yīng)仿真分析中用到的材料參數(shù)見表1。

通過對(duì)比分析分別采用EMS400-64材料和SC -320材料時(shí)的灌封互聯(lián)模塊熱應(yīng)力分布圖可知，采用SC-320材料時(shí)，柔性基板模塊整體應(yīng)力、灌封材料的應(yīng)力、FPCB的應(yīng)力以及元器件的應(yīng)力都明顯降低，其主要原因有兩點(diǎn)：一是SC-320有機(jī)硅灌封材料為彈性體，彈性模量非常?。欢荢C-320灌封材料導(dǎo)熱率高達(dá)3.2W／（m·K），散熱能力高于EMS400 -6材料。同時(shí)，SC-320材料還具有優(yōu)良的防潮、防塵、防腐蝕、減震的作用，以及良好的電絕緣性和較為簡(jiǎn)單的灌封工藝。為此，可選擇美國(guó)LORD公司生產(chǎn)的SC-320為柔性基板模塊的灌封材料。

3.2 柔性基板疊層方式

柔性基板模塊封裝要求將裝配好的柔性基板疊層后封裝在有限尺寸空間的殼體里，采用何種疊層方式是模塊集成封裝不可回避的問題。

柔性基板卷曲疊層方式基本思想是通過對(duì)平面結(jié)構(gòu)的柔性電路進(jìn)行平行彎曲折疊實(shí)現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)。典型結(jié)構(gòu)與疊層流程如圖2所示，這種集成模式從本質(zhì)上將單一的平面結(jié)構(gòu)改變?yōu)?D結(jié)構(gòu)［1］。

為了盡可能減小柔性基板折疊對(duì)元器件焊點(diǎn)的應(yīng)力影響，以及防止大器件之間的空間干涉，在元器件布局時(shí)，彎曲區(qū)不放置器件，把BGA、QFP等大器件都放置在柔性基板疊層后的底面。采用的折疊方式能夠最大限度地減少集成模塊的體積，有效增大器件相互之間距離，以達(dá)到保證大功率元器件散熱，避免高密度集成以及對(duì)折時(shí)引起短路，解決對(duì)折時(shí)元器件之間的空間干涉和電磁干擾等問題，增大集成灌封空間，有利于后續(xù)的整體灌封［2］。具體柔性基板疊層方式三維模型如圖3所示。

3.3 層間干涉

設(shè)備小型化的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)封裝外殼重量和體積提出了更高的要求。外殼空間有限，層間間隔很小，可能會(huì)造成器件短路、散熱及電磁兼容等諸多干涉問題。層間干涉問題是模塊集成封裝技術(shù)必須攻關(guān)突破的關(guān)鍵點(diǎn)，直接影響整個(gè)模塊集成封裝后的電氣性能。

采用高溫絕緣膠帶和加工支撐夾具兩種方式來解決層間干涉問題，實(shí)現(xiàn)層間的隔離，確保封裝后模塊的電氣性能。

3.3.1 高溫膠帶絕緣保護(hù)

封裝前，可以考慮在柔性基板雙面貼上聚酰亞胺高溫膠帶（見圖4所示），能耐300℃高溫，有良好的絕緣性能；可橫向全貼，也可考慮豎向分段貼膠的方式，可減小粘接拉力的影響。

3.3.2 支撐隔離夾具

雙面貼高溫絕緣膠帶主要是解決層間出現(xiàn)的短路干涉，而支撐隔離夾具不只能避免層間器件干涉，而且能更好地解決層間電磁兼容和散熱等干涉問題，確保模塊的順利灌封以及灌封后電氣性能的實(shí)現(xiàn)。

為了不額外增加模塊的重量和減少灌封的尺寸空間，選用2mm寬、11～12mm高的絕緣環(huán)氧樹脂板作為夾具材料，并對(duì)應(yīng)3層的夾持空間開了3個(gè)插槽，間距為1～2mm。加工后的支撐夾具如圖5所示。

圖6 是沒有使用支撐隔離夾具基板的疊層情況，由于柔性基板的撓性特性，放在封裝外殼里，出現(xiàn)了扭曲現(xiàn)象，發(fā)生了器件相碰的情況，這是不允許的。圖7是使用了支撐隔離夾具的情況，很好地解決了干涉問題。

3.4 模塊的封裝集成

為了確保集成后模塊滿足振動(dòng)和高低溫沖擊環(huán)境實(shí)驗(yàn)要求，可以選用全灌封的集成方式。

為了保證柔性基板上器件及印制線間的絕緣性，在基板兩個(gè)表面都貼上了絕緣聚酰亞胺高溫膠帶，防止層間短路；灌封前需要對(duì)插座縫隙處、柔性連接板引出槽以及上下蓋板間采用高溫膠帶進(jìn)行密封處理，避免有機(jī)硅膠材料的外泄和灌封后加溫固化時(shí)的膨脹效應(yīng)。

模塊集成灌封的基本流程為：對(duì)柔性板的正背面用聚酰亞胺膠帶粘貼→將柔性板彎成3層沉入腔體→用沉頭螺釘對(duì)外殼進(jìn)行安裝及固定→室溫下灌封→灌封后靜止2 h→加溫到60℃固化（2 h）→外殼上固定螺絲→清潔處理。封裝后模塊如圖8所示。

4 結(jié)束語

通過對(duì)柔性基板模塊封裝技術(shù)研究，提出了封裝材料的選擇方法、優(yōu)化的疊層方式以及防干涉設(shè)計(jì)，解決了柔性材料折疊帶來的熱傳導(dǎo)性不良、抗振性差以及層間干涉等關(guān)鍵問題。這些方法和技術(shù)對(duì)柔性基板疊層實(shí)際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

柔性基板模塊封裝技術(shù)主要是針對(duì)功能集成模塊進(jìn)行研究，達(dá)到小型化、重量輕、性能可靠要求。隨著關(guān)鍵技術(shù)的解決突破，將在軍事電子裝備中逐漸被應(yīng)用，特別是異形空間對(duì)適應(yīng)性要求高的環(huán)境。

［1］Bivragh Majeed.Thermo-Mechanical Modelling and Thermal Performance Characterisation of a 3-D Folded Flex Module［C］／／Proceedings of 2006 Electronic Components and Technology Conference.Cork，Ireland：IEEE，2006：728-733.

［2］Young Gon Kim.Folded Stacked Package Development［C］／／Proceedings of 2002 Electronic Components and Technology Conference.San Jose，USA：IEEE，2002：1341-1346.

Packaging Technology for Flexible PCB Module

JIANG Ping
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Due to the key problem aboutmaterial choosing，foldingmethod and interbedded interference during the packaging of flexible PCBmodule，an approach based on caloric stress analysis，3D structure and interbedded insulating support is proposed in this paper.It can satisfy electromagnetic compatibility（EMC），heat exchange and the vibration criterion.These technicalmethods can apply to abnormity spacewith high adaptability requirement.

military electronic equipment；flexible PCB；module package；foldingmethod；abnormity space；EMC

the B.S.degree from Guilin University of Electronic Technology in 2004.He is now an engineer.His research concerns electrical connection and PCB design formanufacturing.

1001-893X（2011）11-0117-04

2011-07-17；

2011-09-29

TN80

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.024

江平（1982—），男，四川自貢人，2004年獲桂林電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)殡姎饣ヂ?lián)及印制板可制造設(shè)計(jì)。

Email：frogsoccer＠sina.com

JIANGPingwas born in Zigong，Sichuan Province，in 1982.He