通過Level和Step兩方面剖析現(xiàn)代電子集成技術(shù)

原文作者：Suny Li

芯片上的集成，封裝內(nèi)的集成，PCB板級集成，是電子集成的三個層次。每一個層次的集成，都分為不同的環(huán)節(jié)。這篇文章，我們從層次-Level和環(huán)節(jié)-Step兩個方面來剖析現(xiàn)代電子集成技術(shù)。 ?

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集成的層次

電子系統(tǒng)的集成主要分為三個層次（Level）：芯片上的集成，封裝內(nèi)的集成，PCB板級集成，如下圖所示：

芯片上集成的基本單元是晶體管Transistor，我們稱之為功能細胞 (Function Cell)，大量的功能細胞集成在一起形成了芯片。 ? 封裝內(nèi)集成的基本單元是上一步完成的裸芯片或者小芯片Chiplet，我們稱之為功能單元 (Function Unit)，這些功能單元在封裝內(nèi)集成形成了SiP。 ? PCB上集成的基本單元是上一步完成的封裝或SiP，我們稱之為微系統(tǒng)(MicroSystem)，這些微系統(tǒng)在PCB上集成為尺度更大的系統(tǒng)。 ? 可以看出，集成的層次是一步步進行的，每一個層次的集成，其功能在上一個層次的基礎(chǔ)上不斷地完善，尺度在也不斷地放大。 ?

到了PCB這一層次，電子系統(tǒng)的功能已經(jīng)比較完備，尺度也已經(jīng)放大適合人類操控的地步，加上其他的部件，就構(gòu)成了人們最常用的系統(tǒng)——常系統(tǒng)?(Common System)，例如我們每天接觸的手機或電腦。

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芯片上的集成 ? ?

芯片上的晶體管之所以被稱作功能細胞，因為它是不可再分的最小功能單位。

功能細胞的數(shù)量也成為系統(tǒng)先進性的重要標志，人體的細胞數(shù)量為40~60萬億，系統(tǒng)如果要想真正成為像人一樣智能的系統(tǒng)，其包含的功能細胞或許也要達到相同的量級。

為了集成更多的功能細胞，晶體管只能越做越小?，F(xiàn)在的晶體管尺寸可能只有最初晶體管剛發(fā)明時尺寸的億萬分之一，而其基本功能卻是沒有變化的。

芯片上的集成，首先要制造出功能細胞，并將它們集成在一起，這些作為功能細胞的晶體管是怎么制造出來并集成在一起的呢？從極簡的視角來說，我們需要了解三類材料和三類工藝。

導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體

雖然芯片上的材料非常多，現(xiàn)代集成電路中用到的材料幾乎要窮盡元素周期表，所有的材料可以分為三大類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。 導(dǎo)體負責(zé)傳輸電子，絕緣體負責(zé)隔離電子，其中最重要的自然是半導(dǎo)體，因為它是可變的，它有時候變成導(dǎo)體（導(dǎo)通），允許電子通過，有時候可變成絕緣體（關(guān)斷），阻隔電子通過。并且，這種變化是可控的，通過設(shè)計特別的結(jié)構(gòu)，并施加電流或者電壓來控制。 在導(dǎo)體中，導(dǎo)帶與價帶重疊，其中不存在禁帶，電子容易產(chǎn)生移動，在外加電場下形成電流；在半導(dǎo)體中，少部分電子可以躍遷到導(dǎo)帶，并在外加電場下形成電流；在絕緣體中，電子無法越過禁帶，因而無法形成電流。

加工藝，減工藝，圖形轉(zhuǎn)移

制造芯片的工藝很多，完成一顆芯片制造的工藝流程多達上千種，這些工藝可以分為三大類：加工藝，減工藝，圖形轉(zhuǎn)移。

加工藝簡單來說就是在基底上增加材料，例如，離子注入，濺射、化學(xué)氣相沉積CVD，物理氣象沉積PVD等都可以歸類為加工藝。

減工藝簡單來說就是在去除材料，例如刻蝕，化學(xué)機械拋光CMP，晶圓整平等都可以歸類為減工藝。

圖形轉(zhuǎn)移是三類工藝里面最多且最難的，因為每一步的加工藝或者減工藝基本都要以圖形轉(zhuǎn)移為依據(jù)。圖形轉(zhuǎn)移就是將設(shè)計的出來的圖形，轉(zhuǎn)移的晶圓上，涉及到的是掩膜、光刻、光刻膠。

圖形轉(zhuǎn)移其實也是人類思維和智慧的轉(zhuǎn)移。

每一步的加工藝或者減工藝前后都需要進行圖形轉(zhuǎn)移，這樣才能將特定的圖形制作在芯片上。

這些圖形多層疊加，將半導(dǎo)體、導(dǎo)體、絕緣體三類材料組合在一起形成特定的立體結(jié)構(gòu)，在晶圓平面創(chuàng)造出功能細胞，實現(xiàn)了相應(yīng)的功能。

三類材料 + 三類工藝就能造就如此復(fù)雜的芯片，也真應(yīng)了古人講的“一生二，二生三，三生萬物”。

數(shù)千道工序之后，芯片上集成的產(chǎn)品是晶圓，晶圓被切割后就形成了芯片Chip或者芯粒Chiplet，為下一個層次的集成做準備。

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封裝內(nèi)的集成?? ?

并非所有的芯片或者芯粒都需要在封裝內(nèi)進行集成，單芯片也可以直接封裝并應(yīng)用在PCB板上。然而，隨著摩爾定律日漸失效，封裝內(nèi)的集成越來越受到重視，SiP、先進封裝、Chiplet、異構(gòu)集成、2.5D、3D等概念日益成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點，封裝內(nèi)的集成終于迎來了春天。

封裝內(nèi)集成不會用到半導(dǎo)體的特性，因此封裝內(nèi)集成所用的材料主要分為兩大類：導(dǎo)體和絕緣體，集成的主要目的就是將上一層次（芯片上的集成）所完成的芯片或芯粒在封裝內(nèi)集成并進行電氣互聯(lián)，形成微系統(tǒng)。 最初的封裝都是單芯片的，并沒有集成的概念，傳統(tǒng)的單芯片封裝的主要作用有三個：芯片保護、尺度放大、電氣連接。 以SiP為代表的多芯片封裝在傳統(tǒng)封裝的基礎(chǔ)上又增加了3個功能：提升功能密度，縮短互連長度，進行系統(tǒng)重構(gòu)。 封裝內(nèi)的集成緩解了芯片上集成的壓力，從而被看作延緩摩爾定律終結(jié)的神兵利器。 封裝內(nèi)的集成由于不需要制造功能細胞(Transistor)，而只是將功能單元(chiplet)組裝起來，因此其集成的難度被芯片上的集成要低不少。 封裝內(nèi)集成的另一個特點就是靈活度高，可分為2D、2D+、2.5D、3D、4D五種集成的維度。 封裝內(nèi)集成的結(jié)果就是形成以SiP、先進封裝為代表的功能單元，我們可以稱之為微系統(tǒng)。 ? ? ? ?

PCB上的集成?? ?

從電子集成的歷史來說，PCB上的集成應(yīng)該是最早出現(xiàn)的，PCB的出現(xiàn)比封裝早了11年，比集成電路早了22年。 PCB出現(xiàn)之前，元器件都是用電線直接連接的，除了非常凌亂，集成密度也是難以提升的。 雖然和集成電路以及封裝相比，PCB出現(xiàn)的歷史最早，但由于受封裝尺寸和封裝引腳密度的制約，PCB上集成技術(shù)的發(fā)展相對比較緩慢，從最初的單面板發(fā)展到雙面板、多層板，組裝工藝也由插裝式發(fā)展為表面貼裝SMT，組裝密度也越來越高。 今天，PCB上基本都是雙面安裝元器件，板層也能達到幾十層，高密度HDI板、剛?cè)峤Y(jié)合板，微波電路板，埋入式器件板等都在廣泛應(yīng)用。 和封裝內(nèi)的集成一樣，PCB上集成也不會用到半導(dǎo)體的特性，因此所用的材料主要分為兩大類：導(dǎo)體和絕緣體。集成的主要目的就是將上一層次（封裝內(nèi)的集成）所完成的微系統(tǒng)模塊再次集成并進行電氣互連，并和其他部件一起，形成常系統(tǒng)，例如我們常用的手機和電腦。

Integration

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集成的環(huán)節(jié)

上面我們講述了電子系統(tǒng)的集成的三個層次：芯片上的集成，封裝內(nèi)的集成，PCB板級集成。每一個層次的集成，都分為不同的環(huán)節(jié)。

芯片上集成的環(huán)節(jié)? ??

芯片上的集成主要分為兩大環(huán)節(jié)：器件制造和金屬互連，也稱為前段工藝FEOL和后段工藝BEOL。

器件制造（前段工藝）

器件制造就是在單晶硅片上通過光刻、刻蝕，離子注入，濺射、化學(xué)氣相沉積，物理氣象沉積、化學(xué)機械拋光、晶圓整平等工藝步驟，制造出被我們稱為功能細胞的晶體管、電阻、電容、二極管等?，F(xiàn)在的5nm工藝可以在1mm2毫米的面積上制造出超過1億只以上的晶體管。

晶體管的制造過程，主要包括隔離、柵結(jié)構(gòu)、源漏、接觸孔等形成工藝，一般稱之為前段工藝（FEOL, Front End of Line)。

單晶硅通過離子注入可形成，N、N+、N-，P、P+、P-等多種不同參雜濃度的半導(dǎo)體，多晶硅則作為柵極或者電阻使用。

下圖所示為FinFET晶體管在顯微鏡下的照片，其中較高的白色橫梁為柵極G，矮橫梁為Fin，其寬度約為柵極寬度的0.67倍，柵極的兩側(cè)為源級S和漏極D。

金屬互連（后段工藝）

晶體管層制造好后，通過鎢等金屬制造接觸孔contact連接晶體管和首層布線，然后通過多層金屬布線和過孔進行電氣互連，早先的芯片用鋁布線，現(xiàn)在的芯片多用銅布線。 用于連接晶體管等器件的多層金屬布線的制造，主要包括互連線間介質(zhì)沉積，金屬線的形成，引出焊盤形成，一般稱為后段工藝（BEOL, Back End of Line)。 金屬互連中采用的導(dǎo)體有鎢、銅、鋁等金屬，絕緣體則有氧化硅，氮化硅，高介電常數(shù)膜，低介電常數(shù)膜，聚酰亞胺等。 下圖所示為芯片上的金屬互連線在顯微鏡下的照片，可以看出多層布線結(jié)構(gòu)，目前的工藝可以支持超過10層以上的金屬布線。 ? 越是先進的集成電路工藝，由于結(jié)構(gòu)尺寸越來越小，各種效應(yīng)層出不窮，為了解決這些效應(yīng)，制造出功能正常的晶體管，所用的元素種類越來越多，幾乎是一場窮盡元素周期表的運動。 下圖給出了前段工藝FEOL和后段工藝BEOL的結(jié)構(gòu)示意圖，先在硅基底上制造晶體管，然后通過金屬互連將它們連接起來并引出到芯片的PAD。

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封裝內(nèi)集成的環(huán)節(jié)? ??

早先的封裝比較簡單，主要起著芯片保護、尺度放大、電氣互連的作用。其示意圖大致如下，通過鍵合線Bond Wire將芯片的PAD連接到封裝基板或者引線框架，然后再連接到外部引腳，通過引腳的排列方式，可分為BGA，CGA，QFP，LCC，SOP，DIP等多種封裝形式。

傳統(tǒng)的封裝由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較單一，都是用鍵合線將芯片引腳連接的引線框架或者基板，而外部引腳排布方式卻多樣化，因此人們談?wù)撈鸱庋b，津津樂道的就是其外部的各種封裝形式。因此我們說：傳統(tǒng)封裝重外不重內(nèi)。 而到了SiP和先進封裝時代，這種情況發(fā)生了巨大的改變，SiP和先進封裝其外部封裝形式逐漸統(tǒng)一到引腳排布更多、互連密度更大的BGA，CGA等封裝形式，而封裝內(nèi)部由于有了集成的功能，其結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，人們對封裝的關(guān)注逐漸由外部的封裝形式轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部的封裝結(jié)構(gòu)。因此我們說：先進封裝重內(nèi)不重外。 為了提高封裝內(nèi)的功能密度，需要在封裝內(nèi)集成更多的功能單元，傳統(tǒng)的鍵合線連接方式已經(jīng)無法滿足要求，人們發(fā)明出多種多樣的先進封裝技術(shù)，下面我們就看看其中最為典型的技術(shù)。

芯片上的RDL和TSV制作

在芯片表面布線，通過RDL (Redistribution Layer) 重新布線層將PAD連接到占位更寬松的位置并制作凸點Bump，我們稱之為XY平面的延伸。 然后通過Bump，芯片就可以直接安裝在基板上了，這種工藝被稱為倒裝焊 Flip Chip，看看下面的圖，你就會明白為啥叫倒裝了。

倒裝焊工藝出現(xiàn)于上世紀60年代，和鍵合線基本是同時代的產(chǎn)物，歷史已經(jīng)很久了，我一般不稱之為先進封裝。 倒裝焊芯片由于無法堆疊，因此無法進行Z軸的延伸，人們就發(fā)明出了能打穿整個芯片體的通孔技術(shù)，被稱作TSV（Through Silicon Via）技術(shù)。 TSV有許多工藝難點需要克服，我認為最需要解決的是TSV的位置選擇和孔徑縮小。 因為TSV需要穿過整個芯片體，位置選擇不好就會損壞內(nèi)部的電路連接和晶體管，所以位置選擇很重要?？讖降目s小也是為了盡可能少占芯片上的空間。畢竟1mm2面積可以安放一億只以上的晶體管，弄不好幾個億一下子就沒了。 不過，現(xiàn)在的TSV技術(shù)的發(fā)展也日益強大，據(jù)稱可以在1mm2面積蝕刻出多達一百萬個TSV，完全能滿足高密度互連的需求。 下圖就是芯片上的TSV示意圖，通過TSV可將芯片上下表面通過金屬導(dǎo)體連接起來，為芯片堆疊做好了準備。

在芯片上制作TSV實在是太難了，只有頭部的Foundry廠可以做，這種TSV通常被稱作3D TSV。 為了進一步提高集成度，人們又發(fā)明出了在硅基板Interposer上制作出TSV，被稱作2.5D TSV。

Interposer上的RDL和TSV制作

Interposer被稱為硅轉(zhuǎn)接板，插入器，可以提供比普通基板更高的互連密度。 下圖所示為典型的硅轉(zhuǎn)接板，上面3層金屬，下面2層金屬，中間通過硅通孔連接，我們稱之為3+2結(jié)構(gòu)。

Interposer上的TSV通常比芯片上的TSV尺寸大一些、密度小一些，制作難度也要低一些，目前OSAT封測廠可以加工的就是此類2.5D TSV。 制作好Interposer，我們就可以將芯片或者芯粒安裝在硅轉(zhuǎn)接板上了。 如下圖所示，因為結(jié)構(gòu)上包含了3D TSV和2.5D TSV，因此我們稱之為2.5D+3D先進封裝。

Substrate上的互連線路制作

下一步，我們還需要制作封裝基板Substrate，封裝基板的材質(zhì)種類比較多，可分為有機基板和陶瓷基板。 有機基板是由有機樹脂和玻璃纖維布為主要材料制作而成，導(dǎo)體通常為銅箔。有機樹脂通常包括：環(huán)氧樹脂（FR4），BT樹脂（雙馬來酰亞胺三嗪樹脂），PPE樹脂（聚苯醚樹脂），PI樹脂（聚酰亞胺樹脂）等。 陶瓷基板相對有機基板有更好的機械性能和熱性能，通常包含HTCC、LTCC、氮化鋁等陶瓷基板。 下圖所示為典型的有機基板結(jié)構(gòu)，中間4層為Laminate層壓法制作，上下表面的2層為Buildup積層法制造，我們稱之為2+4+2結(jié)構(gòu)。

封裝基板一般頂部安裝器件，底部通過BGA和PCB連接。

器件裝配及封裝

下面，我們將Chiplet、Inteposer、Substrate組裝起來，并采用先進封裝工藝進行處理，就形成了完整的先進封裝。

封裝內(nèi)集成的結(jié)果具備了系統(tǒng)的功能，并且體積微小，我們可以稱之為SiP或者微系統(tǒng)。

PCB上集成的環(huán)節(jié)? ??

芯片在封裝內(nèi)集成完成后，尺寸還不夠大，另外有些分立元器件、例如大的電容、變壓器等也無法集成到芯片封裝內(nèi)部，因此，對于電子產(chǎn)品來說，PCB始終是必不可少的。

PCB互連線路的制作

PCB的制造工藝和有機基板類似，其布線密度沒有有機基板高，結(jié)構(gòu)也相對比較簡單。 PCB上多采用通孔結(jié)構(gòu)，雖然現(xiàn)在高密度HDI板也采用了盲埋孔結(jié)構(gòu)，但通孔由于結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，在PCB中得到了普遍的應(yīng)用。 下圖所示為6層通孔結(jié)構(gòu)PCB，通過PCB，可將器件固定并進行電氣互連。

PCB上元器件裝配

PCB加工好后，需要將封裝好的元器件組裝在PCB上，如下圖所示，并通過PCB對外接插件和外部設(shè)備相連。

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從Transistor到PCB的全圖? ??

下面，我們給出一張從晶體管（Transistor）到PCB的集成全圖，如下所示：

（這張圖建議讀者保存，因為這張圖可能是業(yè)內(nèi)第一張從晶體管到PCB的5級電路集成全圖，由Suny Li手工繪制。因為是示意圖，并未嚴格按照比例繪制，實際上，從晶體管到PCB，尺寸擴大了約1000000倍） 晶體管（NMOS或PMOS）在硅基底上制造完成后，通過接觸孔連接到芯片上的金屬布線，再連接到芯片的Pad，然后通過RDL連接到3DTSV，通過uBump連接到硅轉(zhuǎn)接板上的RDL和2.5DTSV，再通過Bump連接到封裝基板，然后通過封裝基板上的連線和過孔連接到BGA，最后連接到PCB上的布線和過孔。 從晶體管到PCB，完整的5級電信號通路如下： Transitor→Contact→Copper→Pad→RDL1→3DTSV→uBump→RDL2→2.5DTSV→Bump→Trace1→Via1→BGA→Trace2→Via2→PCB 在集成電路芯片上，人類通過晶體管實現(xiàn)了功能的創(chuàng)造，在SiP或先進封裝上實現(xiàn)了功能的重構(gòu)和尺度的放大，在PCB上進一步進行功能的重構(gòu)和尺度的放大。 從晶體管到PCB，尺度放大了一百萬倍，可以和人類自身的尺度相匹配。 最終，PCB和其他的部件有機地組合在一起，成為了現(xiàn)代人手中隨時隨地可以操作的手機和工作中基本無法離開的電腦。

總 結(jié)

在這篇文章中，我們從層次和環(huán)節(jié)兩個方面來剖析現(xiàn)代電子集成技術(shù)。 我們將現(xiàn)代電子集成技術(shù)分為三個層次，芯片、封裝、PCB，每個層次又分為不同的環(huán)節(jié)來詳述。

編輯:黃飛