一文詳解芯片上的集成技術

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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： ?

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。

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芯片上的集成 ? ?

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。

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。

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? ??

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。

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PCB上的集成? ??

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。

Integration

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集成的環節

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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?，F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。 ? 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。

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。

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? ??

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。

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。

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。

Interposer上的RDL和TSV制作

Substrate上的互連線路制作

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

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

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：

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。
審核編輯：黃飛

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