集成的層次

電子系統的集成主要分為三個層次（Level）：芯片上的集成，封裝內的集成，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(MicroSystem)，這些微系統在PCB上集成為尺度更大的系統。

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

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。

功能細胞的數量也成為系統先進性的重要標志，人體的細胞數量為40~60萬億，系統如果要想真正成為像人一樣智能的系統，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。現在的晶體管尺寸可能只有最初晶體管剛發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。

導體、半導體、絕緣體

雖然芯片上的材料非常多，現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：導體、半導體、絕緣體。

導體負責傳輸電子，絕緣體負責隔離電子，其中最重要的自然是半導體，因為它是可變的，它有時候變成導體（導通），允許電子通過，有時候可變成絕緣體（關斷），阻隔電子通過。并且，這種變化是可控的，通過設計特別的結構，并施加電流或者電壓來控制。

在導體中，導帶與價帶重疊，其中不存在禁帶，電子容易產生移動，在外加電場下形成電流；在半導體中，少部分電子可以躍遷到導帶，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，化學機械拋光CMP，晶圓整平等都可以歸類為減工藝。

圖形轉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移為依據。圖形轉移就是將設計的出來的圖形，轉移的晶圓上，涉及到的是掩膜、光刻、光刻膠。圖形轉移其實也是人類思維和智慧的轉移。

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

這些圖形多層疊加，將半導體、導體、絕緣體三類材料組合在一起形成特定的立體結構，在晶圓平面創造出功能細胞，實現了相應的功能。

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

數千道工序之后，芯片上集成的產品是晶圓，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。

封裝內的集成

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

封裝內集成不會用到半導體的特性，因此封裝內集成所用的材料主要分為兩大類：導體和絕緣體，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集成并進行電氣互聯，形成微系統。

最初的封裝都是單芯片的，并沒有集成的概念，傳統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封裝的基礎上又增加了3個功能：提升功能密度，縮短互連長度，進行系統重構。

封裝內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的神兵利器。

封裝內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。

封裝內集成的結果就是形成以SiP、先進封裝為代表的功能單元，我們可以稱之為微系統。

PCB上的集成

從電子集成的歷史來說，PCB上的集成應該是最早出現的，PCB的出現比封裝早了11年，比集成電路早了22年。

PCB出現之前，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上集成技術的發展相對比較緩慢，從最初的單面板發展到雙面板、多層板，組裝工藝也由插裝式發展為表面貼裝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、剛柔結合板，微波電路板，埋入式器件板等都在廣泛應用。

和封裝內的集成一樣，PCB上集成也不會用到半導體的特性，因此所用的材料主要分為兩大類：導體和絕緣體。集成的主要目的就是將上一層次（封裝內的集成）所完成的微系統模塊再次集成并進行電氣互聯，并和其他部件一起，形成常系統，例如我們常用的手機和電腦。

集成的環節

上面我們講述了電子系統的集成的三個層次：芯片上的集成，封裝內的集成，PCB板級集成。每一個層次的集成，都分為不同的環節。

芯片上集成的環節    

芯片上的集成主要分為兩大環節：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、化學氣相沉積，物理氣象沉積、化學機械拋光、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。現在的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、柵結構、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體有鎢、銅、鋁等金屬，絕緣體則有氧化硅，氮化硅，高介電常數膜，低介電常數膜，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構，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，由于結構尺寸越來越小，各種效應層出不窮，為了解決這些效應，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的結構示意圖，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。

封裝內集成的環節    

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。

傳統的封裝由于內部結構比較單一，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，因此人們談論起封裝，津津樂道的就是其外部的各種封裝形式。因此我們說：傳統封裝重外不重內。

而到了SiP和先進封裝時代，這種情況發生了巨大的改變，SiP和先進封裝其外部封裝形式逐漸統一到引腳排布更多、互連密度更大的BGA，CGA等封裝形式，而封裝內部由于有了集成的功能，其結構變得越來越復雜，人們對封裝的關注逐漸由外部的封裝形式轉變為內部的封裝結構。因此我們說：先進封裝重內不重外。

為了提高封裝內的功能密度，需要在封裝內集成更多的功能單元，傳統的鍵合線連接方式已經無法滿足要求，人們發明出多種多樣的先進封裝技術，下面我們就看看其中最為典型的技術。

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。

倒裝焊工藝出現于上世紀60年代，和鍵合線基本是同時代的產物，歷史已經很久了，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，人們就發明出了能打穿整個芯片體的通孔技術，被稱作TSV（Through Silicon Via）技術。

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部的電路連接和晶體管，所以位置選擇很重要。孔徑的縮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，現在的TSV技術的發展也日益強大，據稱可以在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結構。

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接板上了。

如下圖所示，因為結構上包含了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，導體通常為銅箔。有機樹脂通常包括：環氧樹脂（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構，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結構。

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。

封裝內集成的結果具備了系統的功能，并且體積微小，我們可以稱之為SiP或者微系統。

PCB上集成的環節

芯片在封裝內集成完成后，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部，因此，對于電子產品來說，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，結構也相對比較簡單。

PCB上多采用通孔結構，雖然現在高密度HDI板也采用了盲埋孔結構，但通孔由于結構簡單，成本低廉，在PCB中得到了普遍的應用。

下圖所示為6層通孔結構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備相連。

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內第一張從晶體管到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了功能的創造，在SiP或先進封裝上實現了功能的重構和尺度的放大，在PCB上進一步進行功能的重構和尺度的放大。

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。