【光电集成】芯片集成的三个层次

今日光电 2024-03-11 18:01

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Integration

集成的层次

电子系统的集成主要分为三个层次（Level）：芯片上的集成，封装内的集成，PCB板级集成，如下图所示：

封装内集成的基本单元是上一步完成的裸芯片或者小芯片Chiplet，我们称之为功能单元 (Function Unit)，这些功能单元在封装内集成形成了SiP。

芯片上的集成

从极简的视角来说，我们需要了解三类材料和三类工艺。导体、半导体、绝缘体虽然芯片上的材料非常多，现代集成电路中用到的材料几乎要穷尽元素周期表，所有的材料可以分为三大类：导体、半导体、绝缘体。导体负责传输电子，绝缘体负责隔离电子，其中最重要的自然是半导体，因为它是可变的，它有时候变成导体（导通），允许电子通过，有时候可变成绝缘体（关断），阻隔电子通过。并且，这种变化是可控的，通过设计特别的结构，并施加电流或者电压来控制。

加工艺，减工艺，图形转移

加工艺简单来说就是在基底上增加材料，例如，离子注入，溅射、化学气相沉积CVD，物理气象沉积PVD等都可以归类为加工艺。

减工艺简单来说就是在去除材料，例如刻蚀，化学机械抛光CMP，晶圆整平等都可以归类为减工艺。

图形转移是三类工艺里面最多且最难的，因为每一步的加工艺或者减工艺基本都要以图形转移为依据。图形转移就是将设计的出来的图形，转移的晶圆上，涉及到的是掩膜、光刻、光刻胶。

产品是晶圆，晶圆被切割后就形成了芯片Chip或者芯粒Chiplet，为下一个层次的集成做准备。

封装内的集成

封装内集成不会用到半导体的特性，因此封装内集成所用的材料主要分为两大类：导体和绝缘体，集成的主要目的就是将上一层次（芯片上的集成）所完成的芯片或芯粒在封装内集成并进行电气互联，形成微系统封装内集成的结果就是形成以SiP、先进封装为代表的功能单元，我们可以称之为微系统。

PCB上的集成

今天，PCB上基本都是双面安装元器件，板层也能达到几十层，高密度HDI板、刚柔结合板，微波电路板，埋入式器件板等都在广泛应用。

和封装内的集成一样，PCB上集成也不会用到半导体的特性，因此所用的材料主要分为两大类：导体和绝缘体。

Integration

集成的环节

芯片上集成的环节

芯片上的集成主要分为两大环节：器件制造和金属互连，也称为前段工艺FEOL和后段工艺BEOL。

器件制造（前段工艺）

器件制造就是在单晶硅片上通过光刻、刻蚀，离子注入，溅射、化学气相沉积，物理气象沉积、化学机械抛光、晶圆整平等工艺步骤，制造出被我们称为功能细胞的晶体管、电阻、电容、二极管等。现在的5nm工艺可以在1mm²毫米的面积上制造出超过1亿只以上的晶体管。

下图所示为FinFET晶体管在显微镜下的照片，其中较高的白色横梁为栅极G，矮横梁为Fin，其宽度约为栅极宽度的0.67倍，栅极的两侧为源级S和漏极D。

金属互连（后段工艺）

晶体管层制造好后，通过钨等金属制造接触孔contact连接晶体管和首层布线，然后通过多层金属布线和过孔进行电气互连，早先的芯片用铝布线，现在的芯片多用铜布线。

下图所示为芯片上的金属互连线在显微镜下的照片，可以看出多层布线结构，目前的工艺可以支持超过10层以上的金属布线。

下图给出了前段工艺FEOL和后段工艺BEOL的结构示意图，先在硅基底上制造晶体管，然后通过金属互连将它们连接起来并引出到芯片的PAD。

封装内集成的环节

通过键合线Bond Wire将芯片的PAD连接到封装基板或者引线框架，然后再连接到外部引脚，通过引脚的排列方式，可分为BGA，CGA，QFP，LCC，SOP，DIP等多种封装形式。

为了提高封装内的功能密度，需要在封装内集成更多的功能单元，传统的键合线连接方式已经无法满足要求，人们发明出多种多样的先进封装技术，下面我们就看看其中最为典型的技术。

芯片上的RDL和TSV制作

在芯片表面布线，通过RDL (Redistribution Layer) 重新布线层将PAD连接到占位更宽松的位置并制作凸点Bump，我们称之为XY平面的延伸。

然后通过Bump，芯片就可以直接安装在基板上了，这种工艺被称为倒装焊 Flip Chip，看看下面的图，你就会明白为啥叫倒装了。

倒装焊芯片由于无法堆叠，因此无法进行Z轴的延伸，人们就发明出了能打穿整个芯片体的通孔技术，被称作TSV（Through Silicon Via）技术。

TSV有许多工艺难点需要克服，我认为最需要解决的是TSV的位置选择和孔径缩小。

下图就是芯片上的TSV示意图，通过TSV可将芯片上下表面通过金属导体连接起来，为芯片堆叠做好了准备。

Interposer上的RDL和TSV制作

Substrate上的互连线路制作

封装基板一般顶部安装器件，底部通过BGA和PCB连接。

器件装配及封装

PCB上集成的环节

芯片在封装内集成完成后，尺寸还不够大，另外有些分立元器件、例如大的电容、变压器等也无法集成到芯片封装内部，因此，对于电子产品来说，PCB始终是必不可少的。

PCB互连线路的制作

PCB的制造工艺和有机基板类似，其布线密度没有有机基板高，结构也相对比较简单。PCB上多采用通孔结构，虽然现在高密度HDI板也采用了盲埋孔结构，但通孔由于结构简单，成本低廉，在PCB中得到了普遍的应用。下图所示为6层通孔结构PCB，通过PCB，可将器件固定并进行电气互连。

PCB上元器件装配

从Transistor到PCB的全图

下面，我们给出一张从晶体管（Transistor）到PCB的集成全图，如下所示：

晶体管（NMOS或PMOS）在硅基底上制造完成后，通过接触孔连接到芯片上的金属布线，再连接到芯片的Pad，然后通过RDL连接到3DTSV，通过uBump连接到硅转接板上的RDL和2.5DTSV，再通过Bump连接到封装基板，然后通过封装基板上的连线和过孔连接到BGA，最后连接到PCB上的布线和过孔。从晶体管到PCB，完整的5级电信号通路如下：

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来源：祺芯半导体