導(dǎo) 讀
當(dāng)今，如果要評選國人最關(guān)注、最熱門的詞語，我想“集成電路”一定高票當(dāng)選！由于“卡脖子”事件，集成電路成了懸在中國人頭上的“達(dá)摩克利斯之劍”，一日不解決，就一日不能睡安穩(wěn)覺。全國人民熱情高漲，國家也采取一系列措施來積極應(yīng)對：首先，集成電路終于成為了一級學(xué)科，對集成電路領(lǐng)域的投入也日益加大，各大高校相繼成立集成電路學(xué)院，南京還專門成立了一所集成電路大學(xué)......集成電路屬于電子集成技術(shù)的一種，那么，現(xiàn)在的電子集成技術(shù)發(fā)展到了什么程度呢？先進(jìn)的電子集成技術(shù)可以在不到芝麻粒大小的1平方毫米內(nèi)集成1億只以上的晶體管，一個指甲蓋大小的芯片上集成的晶體管數(shù)量可輕松超過100億甚至更多，而目前地球上的總?cè)丝诓挪坏?0億。這篇原創(chuàng)文章對“電子集成技術(shù)”進(jìn)行了全面的解析，讀者可以了解到：電子集成 (5+2) 分類法，2D集成，2D+集成，2.5D集成，3D集成，4D集成，Cavity集成，Planar集成，共七種集成方式。
ELECTRONIC INTEGRATION TECHNOLOGY
電子集成 (5+2) 分類法
電子集成技術(shù)分為三個層次，芯片上的集成，封裝內(nèi)的集成，PCB板級集成，其代表技術(shù)分別為SoC，SiP和PCB（也可以稱為SoP或者SoB）。
芯片上的集成主要以2D為主，晶體管以平鋪的形式集成于晶圓平面；同樣，PCB上的集成也是以2D為主，電子元器件平鋪安裝在PCB表面，因此，二者都屬于2D集成。
而針對于封裝內(nèi)的集成，情況就要復(fù)雜的多，并且業(yè)界目前對電子集成的分類還沒有形成統(tǒng)一的共識，這也是我寫這篇文章的原因之一。
理解集成的時候，人們通常通過物理結(jié)構(gòu)來判斷，今天，我們提出電子集成技術(shù)分類的兩個重要判據(jù)：1.物理結(jié)構(gòu)，2.電氣連接(電氣互連)。
通過這兩個判據(jù)，我們將電子集成分為7類：2D集成，2D+集成，2.5D集成，3D集成，4D集成，Cavity集成，Planar集成。其中前面5類是位于基板之上，屬于組裝（Assembly）范疇，后面2類位于基板之內(nèi)，屬于基板制造（Fabrication）范疇。故此命名為（5+2）分類法。請參看下表：
2D 集成
2D 集成是指在基板的表面水平安裝所有芯片和無源器件的集成方式。
以基板 (Substrate) 上表面的左下角為原點(diǎn)，基板上表面所處的平面為XY平面，基板法線為Z軸，創(chuàng)建坐標(biāo)系。
物理結(jié)構(gòu)：所有芯片和無源器件均安裝在基板平面，芯片和無源器件和 XY 平面直接接觸，基板上的布線和過孔均位于 XY 平面下方；電氣連接：均需要通過基板（除了極少數(shù)通過鍵合線直接連接的鍵合點(diǎn)）。
我們最常見的2D集成技術(shù)應(yīng)用于MCM、部分SiP以及PCB。
MCM（Multi Chip Module）多芯片模塊是將多個裸芯片高密度安裝在同一基板上構(gòu)成一個完整的部件。
在傳統(tǒng)的封裝領(lǐng)域，所有的封裝都是面向器件的，為芯片服務(wù)，起到保護(hù)芯片、尺度放大和電氣連接的作用，是沒有任何集成的概念的。隨著MCM興起，封裝中才有了集成的概念，所以封裝也發(fā)生了本質(zhì)的變化，MCM將封裝的概念由芯片轉(zhuǎn)向模塊、部件或者系統(tǒng)。
2D集成的SiP，其工藝路線和MCM非常相似，和MCM主要的區(qū)別在于2D集成的SiP規(guī)模比MCM大，并且能夠形成獨(dú)立的系統(tǒng)。首先制作有機(jī)基板或者高密度陶瓷基板，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行封裝和測試。
2D 集成示意圖
此外，基于FOWLP的集成，例如INFO，雖然沒有基板，也可以歸結(jié)為2D集成。
2D+ 集成
2D+集成是指的傳統(tǒng)的通過鍵合線連接的芯片堆疊集成。也許會有人問，芯片堆疊不就是3D嗎，為什么要定義為2D+集成呢？
主要基于以下兩點(diǎn)原因：1）3D集成目前在很大程度上特指通過3D TSV的集成，為了避免概念混淆，我們定義這種傳統(tǒng)的芯片堆疊為2D+集成；2）雖然物理結(jié)構(gòu)上是3D的，但其電氣互連上均需要通過基板，即先通過鍵合線鍵合到基板，然后在基板上進(jìn)行電氣互連。這一點(diǎn)和2D集成相同，比2D集成改進(jìn)的是結(jié)構(gòu)上的堆疊，能夠節(jié)省封裝的空間，因此稱之為2D+集成。
物理結(jié)構(gòu)：所有芯片和無源器件均地位于XY平面上方，部分芯片不直接接觸基板，基板上的布線和過孔均位于XY平面下方；電氣連接：均需要通過基板（除了極少數(shù)通過鍵合線直接連接的鍵合點(diǎn)）。
下圖所示幾種集成均屬于2D+集成。
2D+ 集成示意圖
此外，對于PoP (Package on Package) 類的集成方式，也可以根據(jù)其物理結(jié)構(gòu)和電氣連接，將其歸結(jié)為2D+集成。
2.5D 集成
2.5D顧名思義是介于2D和3D之間，通常是指既有2D的特點(diǎn)，又有部分3D的特點(diǎn)的一種維度，現(xiàn)實(shí)中并不存在2.5D這種維度。
物理結(jié)構(gòu)：所有芯片和無源器件均XY平面上方，至少有部分芯片和無源器件安裝在中介層上（Interposer），在XY平面的上方有中介層的布線和過孔，在XY平面的下方有基板的布線和過孔。電氣連接：中介層（Interposer）可提供位于中介層上的芯片的電氣連接。
2.5D集成的關(guān)鍵在于中介層Interposer，一般會有幾種情況，1）中介層是否采用硅轉(zhuǎn)接板，2）中介層是否采用TSV，3）采用其他類型的材質(zhì)的轉(zhuǎn)接板；在硅轉(zhuǎn)接板上，我們將穿越中介層的過孔稱之為TSV，對于玻璃轉(zhuǎn)接板，我們稱之為TGV。
硅中介層有TSV的集成是最常見的一種2.5D集成技術(shù)，芯片通常通過MicroBump和中介層相連接，作為中介層的硅基板采用Bump和基板相連，硅基板表面通過RDL布線，TSV作為硅基板上下表面電氣連接的通道，這種2.5D集成適合芯片規(guī)模比較大，引腳密度高的情況，芯片一般以FlipChip形式安裝在硅基板上。
有TSV的2.5D集成示意圖
硅中介層無TSV的2.5D集成的結(jié)構(gòu)一般如下圖所示，有一顆面積較大的裸芯片直接安裝在基板上，該芯片和基板的連接可以采用Bond Wire或者Flip Chip兩種方式，大芯片上方由于面積較大，可以安裝多個較小的裸芯片，但小芯片無法直接連接到基板，所以需要插入一塊中介層（Interposer），在中介層上方安裝多個裸芯片，中介層上有RDL布線，可將芯片的信號引出到中介層的邊沿，然后通過Bond Wire連接到基板。這類中介層通常不需要TSV，只需要通過Interposer上表面的布線進(jìn)行電氣互連，Interposer采用Bond Wire和封裝基板連接。
無TSV的2.5D集成示意圖
現(xiàn)在，EDA工具對2.5D集成有了很好的支持，下圖所示為Mentor (Siemens EDA) 中實(shí)現(xiàn)的2.5D集成設(shè)計。
Siemens EDA中實(shí)現(xiàn)的2.5D集成設(shè)計
3D 集成
3D集成和2.5D集成的主要區(qū)別在于：2.5D集成是在中介層Interposer上進(jìn)行布線和打孔，而3D集成是直接在芯片上打孔（TSV）和布線（RDL），電氣連接上下層芯片。
物理結(jié)構(gòu)：所有芯片和無源器件均位于XY平面上方，芯片堆疊在一起，在XY平面的上方有穿過芯片的TSV，在XY平面的下方有基板的布線和過孔。電氣連接：通過TSV和RDL將芯片直接電氣連接。
3D集成大多數(shù)應(yīng)用在同類芯片堆疊中，多個相同的芯片垂直堆疊在一起，通過穿過芯片堆疊的TSV互連，如下圖所示。同類芯片集成大多應(yīng)用在存儲器集成中，例如DRAM Stack，F(xiàn)LASH Stack等。
同類芯片的3D集成示意圖
不同類芯片的3D集成中，一般是將兩種不同的芯片垂直堆疊，并通過TSV電氣連接在一起，并和下方的基板互連，有時候需要在芯片表面制作RDL來連接上下層的TSV。
不同類芯片的3D集成示意圖
現(xiàn)在，EDA工具對3D集成有了很好的支持，下圖所示為Mentor (Siemens EDA) 中實(shí)現(xiàn)的3D集成設(shè)計。
Siemens EDA中實(shí)現(xiàn)的3D集成設(shè)計
4D 集成
前面介紹了2D，2D+，2.5D，3D集成，4D集成又是如何定義的呢？
在前面介紹的幾種集成中，所有的芯片(Chip)，中介板（interposer）和基板（Substrate），在三維坐標(biāo)系中，其Z軸均是豎直向上，即所有的基板和芯片都是平行安裝的。在4D集成中，這種情況則發(fā)生了改變。
當(dāng)不同基板所處的XY平面并不平行，即不同基板的Z軸方向有所偏移，我們則可定義此類集成方式為4D集成。物理結(jié)構(gòu)：多塊基板以非平行方式安裝，每塊基板上都安裝有元器件，元器件安裝方式多樣化。電氣連接：基板之間通過柔性電路或者焊接連接，基板上芯片電氣連接多樣化。
基于剛?cè)峄宓?D集成示意圖
氣密性陶瓷4D集成示意圖
4D集成定義主要是關(guān)于多塊基板的方位和相互連接方式，因此在4D集成也會包含有2D，2D+，2.5D，3D的集成方式。
通過4D集成技術(shù)可以解決平行三維堆疊所無法解決的問題，提供更多、更靈活的芯片安裝空間，解決大功率芯片的散熱問題，以及航空航天、軍工等領(lǐng)域應(yīng)用中最主要的氣密性問題?，F(xiàn)在，EDA工具對4D集成也有了很好的支持，如下圖所示為Mentor (Siemens EDA) 中實(shí)現(xiàn)的4D集成設(shè)計。
Siemens EDA中實(shí)現(xiàn)的4D集成設(shè)計
4D集成技術(shù)提升了集成的靈活性和多樣化，展望未來，在SiP的集成方式中，4D集成技術(shù)必定占有一席之地，并將成為繼2D、2D+、2.5D、3D集成技術(shù)之后重要的集成技術(shù)。
從嚴(yán)格物理意義上來說，以現(xiàn)有的人類認(rèn)知出發(fā)，所有的物體都是三維的， 二向箔并不存在，四維空間更待考證。為了便于區(qū)分多種不同的集成方式，我們將其分為2D、2D+、2.5D、3D，4D這5種集成方式。
Cavity 集成
Cavity腔體是在基板上開的一個孔槽，通常不會穿越所有的板層。腔體可以是開放式的，也可以是密閉在內(nèi)層空間的腔體，腔體可以是單級腔體也可以是多級腔體，所謂多級腔體就是在一個腔體的內(nèi)部再挖腔體，逐級縮小，如同城市中的下沉廣場一樣。
多級腔體示意圖
埋入式腔體示意圖
通過腔體結(jié)構(gòu)可以提升鍵合線的穩(wěn)定性，增強(qiáng)陶瓷封裝的氣密性，并且可以通過腔體結(jié)構(gòu)雙面安裝元器件。
通過腔體結(jié)構(gòu)提高鍵合線穩(wěn)定性
通過腔體結(jié)構(gòu)雙面安裝元器件
Planar 集成
Planar集成技術(shù)也稱為平面埋置技術(shù)，是通過特殊的材料制作電阻、電容、電感等平面化無源器件，并印刷在基板表面或者嵌入到基板的板層之間的一種技術(shù)。
將電阻、電容、電感等無源元件通過設(shè)計和工藝的結(jié)合，以蝕刻或印刷方法將無源元件做在基板表層或者內(nèi)層，用來取代基板表面需要焊接的無源元件，從而提高有源芯片的布局空間及布線自由度，這種方法制作的電阻、電容、電感基本沒有高度，不會影響基板的厚度。
7種集成技術(shù)匯總
通過下面一個表格，我們將電子集成技術(shù)進(jìn)行匯總，通過物理結(jié)構(gòu)和電氣連接兩大指標(biāo)對7種集成技術(shù)進(jìn)行分類，并通過圖例查看其典型的結(jié)構(gòu)。
在下面一張圖中，我們將7種集成技術(shù)匯聚到了一個設(shè)計中，讓它們來一個大團(tuán)圓。在基板的表面從左至右分別是2D, 2D+, 2.5D, 3D, 4D五種集成，在基板內(nèi)部則包含了Cavity和Planar兩種集成。
今天，我們從物理結(jié)構(gòu)和電氣連接兩大判據(jù)，總結(jié)了七種電子集成技術(shù)。寫到這里，我突然發(fā)現(xiàn)，七竟然是一個神奇的數(shù)字，七子之歌，建安七子，竹林七賢，七彩云南，七色光，紅橙黃綠青藍(lán)紫.....其實(shí)“七”是一個相當(dāng)“武俠”的數(shù)字，七種武器，七劍下天山，江南七怪，全真七子.....還有，當(dāng)代的中國高校也有著名的“國防七子”，本人的母校也位列其中。
總 結(jié)
1）這篇文章中描述的7種（5+2）集成技術(shù)：其中2D+集成和4D集成概念是本人首次提出，目前還沒有成為業(yè)界的共識。
2）Cavity集成Planar集成在業(yè)內(nèi)通常也沒有和其他集成放到一起來分類，是我將它們和其他5種集成技術(shù)拉扯到了一起。
3）7種集成技術(shù)中，2D，2.5D和3D是比較成熟的提法，不過在細(xì)節(jié)的區(qū)分上不同的人也有不同的看法，例如Interposer中沒有TSV的是否為2.5D，在這篇文章中都給出了明確的定義。
4）4D集成的靈感來源于空間彎曲和空間折疊，雖然4D集成并不一定能提高系統(tǒng)的功能密度，但卻是一種靈活的選擇，也是電子集成技術(shù)多樣性的體現(xiàn)。
5）電子集成技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)，需要全面的了解并熟練掌握，才能靈活運(yùn)用到項目中，并取得應(yīng)有的社會效益。
6）本文是一個簡化版本，沒有給出坐標(biāo)圖，更詳細(xì)的關(guān)于集成技術(shù)的定義，以及各種集成技術(shù)在設(shè)計中的實(shí)際應(yīng)用，請參考新書《基于SiP技術(shù)的微系統(tǒng)》。此外，書中對7種集成技術(shù)在EDA工具中如何實(shí)現(xiàn)的方法都有詳細(xì)的闡述。
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