4.6 4D集成技术
4.6.1 4D集成的定义
封装内集成方式的多样性是SiP成为当今电子系统发展热点的重要原因，前面分别讲述了2D、2D+、2.5D和3D集成，除此之外，在SiP中还有没有其他的集成方式呢？如果有，又该如何命名呢？
看过电影《盗梦空间》的人应该对直立起来的地面和高高悬挂于地面之上的建筑印象深刻。在地球上，由于受重力等因素的影响，这种情况出现的概率比较小，然而，在未来的太空城，则有很大概率会出现空间折叠的城市风景。那时，我们的城市功能将会发生巨变。
在本书中，将图4-14所示的空间结构定义为“4D”空间。
图4-14 “4D”空间结构示意图
下面讨论SiP中的4D集成技术。
现有SiP中的集成技术包括2D、2D+、2.5D和3D集成，所有的芯片、中介层和基板在三维坐标系中，Z轴均是竖直向上的，即所有的基板和芯片都是平行安装的。在4D集成中，这种情况会发生改变。
在传统的三维坐标系中，当XY平面绕X轴或者Y轴旋转时，Z轴均会发生偏移。4D集成定义示意图如图4-15所示。集成中包含多块基板，对于每一块基板分别创建坐标系，以基板上表面的左下角为原点，以基板上表面所处的平面为XY平面，以基板法线为Z轴，创建坐标系。不同基板所处的XY平面并不平行，即不同基板的Z轴方向有所偏移，我们可定义此类集成方式为4D集成。物理结构：多块基板以非平行的方式安装，每块基板上都安装有元器件，元器件的安装方式多样化。电气连接：基板之间通过柔性电路或者焊接方式连接，基板上芯片电气连接方式多样化。
图4-15 4D集成定义示意图
4D集成的定义主要是针对多块基板的方位和相互连接方式的，因此4D集成也包含2D、2D+、2.5D、3D的集成方式。
在实际应用中，我们通常以产品中所包含的最高维度的集成为其集成方式命名，例如，在一个SiP中既包含了2.5D集成，又包含了3D集成，那么通常称其为3D集成，以此类推。
4.6.2 4D集成的应用
1.通过刚柔结合板实现4D集成
图4-16所示为基于刚柔结合板的4D集成封装展开图，图中A、B、C、D、E、F为刚性基板，共6块，这些刚性基板通过5个柔性电路连接起来。在6块刚性基板上均可安装芯片等元器件，柔性电路主要起到电气互连和物理连接的作用。有柔性电路连接的边做金属化处理，用于后期的焊接。
图4-16 基于刚柔结合板的4D集成封装展开图
每块刚性基板上可安装元器件，安装元器件的原则是尽可能将高度大的元器件安装在基板中央位置，高度小的元器件可安装在基板外侧，避免与基板上的其他元器件产生干涉，每块基板上的元器件高度大致呈金字塔型排布，如果是裸芯片，可进行芯片堆叠安装。
元器件安装完成后，将柔性电路向上弯曲90度，形成开放式盒体，并对刚性基板相邻的边进行焊接，然后给盒体灌胶，或者以其他方式加固芯片，最后密封并给底部植球，图4-17所示为基于刚柔结合板的4D集成封装完成图。
图4-17 基于刚柔结合板的4D集成封装完成图
2.通过陶瓷基板实现气密性4D集成
下面描述的4D集成结构，其封装基板采用了陶瓷基板，整个封装体包含6块陶瓷基板，每一块陶瓷基板上均可安装芯片等元器件，并设计了电气连接点，基板之间通过焊接进行物理和电气连接。气密性4D集成封装展开图如图4-18所示。
图4-18 气密性4D集成封装展开图
在所有元器件安装完成后，将其中4块基板垂直安装并焊接成一个框式结构，然后将其他两块基板焊接到框式结构的上下两面，形成一个完整的封装体，因为对其接缝处设计了气密性焊接环，所以焊接完成后整个封装体内部和外部实现了气密性隔离。
该4D集成封装基板分为6块，在设计基板时可进行整体设计，也可对每块基板单独进行设计，在设计基板时需要重点考虑各个基板之间的电气连接点，同时在基板边缘做金属化处理，用于后期的气密性焊接。封装完成后，所有元器件位于封装体内部，与外部空间隔绝，气密性4D集成封装完成图如图4-19所示。
给A基板底部植球，用于4D集成封装和外部电气连接。如果有需求，也可以进行封装体堆叠，进一步增加空间的利用率。
图4-19 气密性4D集成封装完成图
4.6.3 4D集成的意义
在严格的物理意义上来说，从现有的人类认知出发，所有的物体都是三维的，科幻作品中的“二向箔”并不存在，四维空间更有待考证。为了便于区分多种不同的集成方式，我们将集成方式分为2D、2D+、2.5D、3D和4D五种。
目前，在SiP中增加集成度主要采用平行堆叠的方式（2D+、2.5D、3D），包括芯片堆叠和基板堆叠等方式。平行堆叠方式目前应用比较普遍，在很大程度上提高了封装的集成度，但也有一些难以解决的问题。例如：①芯片堆叠中对芯片的尺寸、功耗等都有比较严格的要求；②基板堆叠中对上下基板的尺寸及引脚对位也有严格的要求；③互联的金属球或柱占用了大量的芯片安装空间；④散热问题也无法很好地解决。因此，实际项目应用有很大的局限性。另外，这种平行堆叠技术通常无法实现气密性封装，而这是航空航天、军工等很多领域特定应用的基本的要求。
通过4D集成技术可以解决平行三维堆叠所无法解决的问题，提供更多、更灵活的芯片安装空间，解决大功率芯片的散热问题，以及航空航天、军工等领域应用中十分重要的气密性问题。
4D集成技术提升了集成的灵活性和多样化。展望未来，在SiP的集成方式中，4D集成技术必将占有一席之地，并将成为继2D、2D+、2.5D、3D集成技术之后重要的集成技术。
