集成，integration，是指將不同的功能單元匯聚到一起，并能實現(xiàn)其特定功能的過程，集成多指人類的活動，集成電路、系統(tǒng)集成是比較常見的名詞。

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。

（一）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。現(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。

1.導體、半導體、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(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。

在導體中，導帶與價帶重疊，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。

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。

從電子集成的歷史來說，PCB上的集成應該是最早出現(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用。

和封裝內(nèi)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(nèi)的集成）所完成的微系統(tǒng)模塊再次集成并進行電氣互聯(lián)，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。

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)。

（一）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。

• 1.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(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。

• 2.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(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。

• 1.芯片上的RDL和TSV制作

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。

• 2.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)。

• 3.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。

• 3.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)。

（三）PCB上集成的環(huán)節(jié)    

• PCB互連線路的制作

• 1.PCB上元器件裝配

（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）

三、芯片封裝清洗的污染物與清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質(zhì)量降低、焊接時焊點拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

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