電子集成全面解析：7種（5+2）集成技術(shù)

電子集成 (5+2) 分類法 ?

電子集成技術(shù)分為三個(gè)層次，芯片上的集成，封裝內(nèi)的集成，PCB板級(jí)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(duì)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(duì)電子集成的分類還沒(méi)有形成統(tǒng)一的共識(shí)，這也是我寫這篇文章的原因之一。 理解集成的時(shí)候，人們通常通過(guò)物理結(jié)構(gòu)來(lái)判斷，今天，我們提出電子集成技術(shù)分類的兩個(gè)重要判據(jù)：1.物理結(jié)構(gòu)，2.電氣連接(電氣互連)。 通過(guò)這兩個(gè)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(qǐng)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(wú)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(wú)源器件均安裝在基板平面，芯片和無(wú)源器件和 XY 平面直接接觸，基板上的布線和過(guò)孔均位于 XY 平面下方；電氣連接：均需要通過(guò)基板（除了極少數(shù)通過(guò)鍵合線直接連接的鍵合點(diǎn)）。

我們最常見(jiàn)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(gè)裸芯片高密度安裝在同一基板上構(gòu)成一個(gè)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(méi)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(cè)試。

2D 集成示意圖

此外，基于FOWLP的集成，例如INFO，雖然沒(méi)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(guò)鍵合線連接的芯片堆疊集成。也許會(huì)有人問(wèn)，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(guò)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(guò)基板，即先通過(guò)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(wú)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(guò)孔均位于XY平面下方；電氣連接：均需要通過(guò)基板（除了極少數(shù)通過(guò)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(duì)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(wú)源器件均XY平面上方，至少有部分芯片和無(wú)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(guò)孔，在XY平面的下方有基板的布線和過(guò)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(huì)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(guò)孔稱之為TSV，對(duì)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(jiàn)的一種2.5D集成技術(shù)，芯片通常通過(guò)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(guò)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(wú)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(gè)較小的裸芯片，但小芯片無(wú)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(gè)裸芯片，中介層上有RDL布線，可將芯片的信號(hào)引出到中介層的邊沿，然后通過(guò)Bond Wire連接到基板。這類中介層通常不需要TSV，只需要通過(guò)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(wú)TSV的2.5D集成示意圖

現(xiàn)在，EDA工具對(duì)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(jì)。

Siemens EDA中實(shí)現(xiàn)的2.5D集成設(shè)計(jì)

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(wú)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(guò)芯片的TSV，在XY平面的下方有基板的布線和過(guò)孔。電氣連接：通過(guò)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(gè)相同的芯片垂直堆疊在一起，通過(guò)穿過(guò)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(chǔ)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(guò)TSV電氣連接在一起，并和下方的基板互連，有時(shí)候需要在芯片表面制作RDL來(lái)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(duì)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(jì)。

Siemens EDA中實(shí)現(xiàn)的3D集成設(shè)計(jì)

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(guò)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(huì)包含有2D，2D+，2.5D，3D的集成方式。

通過(guò)4D集成技術(shù)可以解決平行三維堆疊所無(wú)法解決的問(wèn)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(wèn)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(wèn)題。 現(xiàn)在，EDA工具對(duì)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(jì)。

Siemens EDA中實(shí)現(xiàn)的4D集成設(shè)計(jì)

4D集成技術(shù)提升了集成的靈活性和多樣化，展望未來(lái)，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(lái)說(shuō)，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(kāi)的一個(gè)孔槽，通常不會(huì)穿越所有的板層。腔體可以是開(kāi)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(jí)腔體也可以是多級(jí)腔體，所謂多級(jí)腔體就是在一個(gè)腔體的內(nèi)部再挖腔體，逐級(jí)縮小，如同城市中的下沉廣場(chǎng)一樣。

多級(jí)腔體示意圖

埋入式腔體示意圖

通過(guò)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(guò)腔體結(jié)構(gòu)雙面安裝元器件。

通過(guò)腔體結(jié)構(gòu)提高鍵合線穩(wěn)定性

通過(guò)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(guò)特殊的材料制作電阻、電容、電感等平面化無(wú)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(wú)源元件通過(guò)設(shè)計(jì)和工藝的結(jié)合，以蝕刻或印刷方法將無(wú)源元件做在基板表層或者內(nèi)層，用來(lái)取代基板表面需要焊接的無(wú)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(méi)有高度，不會(huì)影響基板的厚度。

7種集成技術(shù)匯總 ?

通過(guò)下面一個(gè)表格，我們將電子集成技術(shù)進(jìn)行匯總，通過(guò)物理結(jié)構(gòu)和電氣連接兩大指標(biāo)對(duì)7種集成技術(shù)進(jìn)行分類，并通過(guò)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(gè)設(shè)計(jì)中，讓它們來(lái)一個(gè)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(gè)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(gè)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(guó)高校也有著名的“國(guó)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(méi)有成為業(yè)界的共識(shí)。

2）Cavity集成Planar集成在業(yè)內(nèi)通常也沒(méi)有和其他集成放到一起來(lái)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(guò)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(méi)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(lái)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(xiàng)目中，并取得應(yīng)有的社會(huì)效益。

6）本文是一個(gè)簡(jiǎn)化版本，沒(méi)有給出坐標(biāo)圖。

編輯：黃飛

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