Si3P 之 integration
时间：2021-08-19 15:10:01
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[导读] 文章导读在本公众号前面一期的文章中，本文作者首次提出一个新的概念：Si³P，用于加深对SiP含义的理解，其目的是为了使读者更为深入，更为全面、更为系统化地理解SiP中包含的相关技术。在这篇文章中，作者就Si³P中的integration做详细解读，是为深入解读Si³P的第一篇文...
文 章 导 读
在本公众号前面一期的文章中，本文作者首次提出一个新的概念：Si³P，用于加深对SiP含义的理解，其目的是为了使读者更为深入，更为全面、更为系统化地理解SiP中包含的相关技术。在这篇文章中，作者就Si³P中的integration做详细解读，是为深入解读Si³P的第一篇文章。
在首次提出Si³P 概念后，受到了大多数读者的肯定，但也有人认为是在玩文字游戏，具体情况到底如何呢？
下面，我们就对Si³P 中的integration进行详细解读。从电子系统集成的角度看，可分为三个层次（level）的集成：1. IC层面的集成(Integration on Chip)，其中最具代表性的就是SoC。2. 封装层面的集成(Integration in Package)，其中最具代表性的就是SiP。3. 电路板层面的集成(Integration on PCB)，其中最具代表性的就是 PCB。
电子系统集成的三个层次这篇文章里，我们对三者逐一进行解读。
1 Integration on Chip
IC 集成电路（Integrated Circuit），所谓集成电路（IC），就是在一块极小的硅单晶片上，利用半导体工艺制作上许多晶体二极管、三极管及电阻、电容等元件，并连接成完成具有特定电子功能的电子电路。集成电路的发明者Jack Kilby基尔比认为：电路所需的所有器件都可以用硅一种材料来制作。由电阻、电容、二极管和三极管组成的电路可以被集成在一块硅晶片上，只需要一种半导体材料就能将所有电子器件集成起来。今天，我们称之为同构集成（homogeneous integration）。1958年9月12日，第一款集成电路试验成功，包含电阻、电容、二极管和三极管组成的Phase-Shift Oscillator ，成品的尺寸为：0.12ｘ0.4英寸（3.05ｘ10.2mm）。
世界第一款集成电路（1958年）直到42年后，基尔比因为发明了集成电路，获得了2000年的诺贝尔物理学奖。
集成电路发明获得诺贝尔奖（2000年）从1958年9月12日到现在，集成电路已经走过了61年的”Integration之路“，集成（Integration）至始至终是集成电路（IC）首要关注的问题。今天，集成电路深刻地影响着我们社会的每一个角落。集成电路本身也发生了天翻地覆的变化，首先尺度从最初的毫米级(mm)进化到微米级(um)再到今天的纳米级(nm) ，缩小了100万倍，内部集成的晶体管数量也达到了百亿级别。例如，苹果的处理器Apple A13: 集成了8.5 billion transistor，采用7nm工艺。
Apple A13处理器（2019年）- IC 上的集成主要体现在三个方面
2.芯片面积的扩大为了增加硅片上的集成度，除了缩小单个晶体管的体积外，另一种方式就是增大芯片的面积，不过，长期以来，由于工艺限制和成本约束等原因，芯片面积变化一直也不大，400平方毫米（20mmX20mm）以上面积的就算是比较大的芯片了......2017年，TeslaV100曾经以815平方毫米创造了芯片尺寸的记录......然而，直到有一天（2019年8月20日），来自美国创企Cerebras的巨型芯片（WSE）吸引了足够的眼球，这款芯片的尺寸达到了惊人的46225 平方毫米，每边约22厘米（约8.5英寸），比iPad还要大。
世界最大芯片（2019年）在一个12寸的晶圆上只能只做一个芯片！它的惊人参数还包括，拥有1.2 万亿个晶体管（别人还都在百亿级别），并且拥有超过6台电磁炉的功率（功耗为1.5万瓦），可以毫不夸张地说，这款芯片一工作起来完全可以供30个人一起吃火锅了！然而，这款产品我们只能把它归类于小众产品，甚至可以称之为网红产品，除了吸引眼球外，其实用性并不强，在实际应用中应该没有多大市场。看来，芯片面积的增长也会有一个限制！3. 向3D立体方向发展我们先看一张图，下面是Planar FET（平面场效应晶体管） ，FinFET （鳍式场效应晶体管），Stacked nanosheet FET（堆叠纳米片场效应晶体管）结构的比较。其中，Planar FET适合沟道长度>22nm的工艺，FinFET 适合22nm>沟道长度>5nm的工艺，而Stacked nanosheet FET适合沟道长度<5nm的工艺。
1平面晶体管 2鳍式晶体管 3堆叠纳米片晶体管晶体管的三种微观物理结构从上图我们可以看出，晶体管的内部微观结构已经向3D方向发展，不过IC上的晶体管本身还是处于一个平面层。那么，可不可以将晶体管也进行多层堆叠呢？答案确实是有的，下面的3D NAND就是一个典型的例子。
3D NAND 物理结构现在堆叠64层的3D NAND已经比较成熟，每层晶体管的厚度约为60nm，整体闪存堆栈厚度也仅仅只有大约4.5μm。需要读者注意的是，这里的3D NAND和我们通常听到的3D IC并不是一个概念，请不要混淆，3D IC一般是指通过芯片堆叠的放置进行3D集成，其本质属于封装或者SiP的范畴。IC 的集成向3D方向发展，主要面临的困难是工艺难度大，并且，目前适用范围局限在某些特定领域，例如目前看到的仅有3D NAND，当然，未来可期，技术的发展往往也会超出我们的想象。2 Integration on PCB
讨论完IC上的集成，我们来看看PCB上的集成（Integration on PCB）。PCB （Print Circuit Board）中文名称为印刷电路板，又称印刷线路板，是电子元器件电气连接的载体。几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，手机，无人机，大到计算机，通讯电子设备，军用武器系统，只要有集成电路等电子元器件，为了它们之间的电气互连，都要使用PCB印刷电路板。可以说，PCB是电子工业最重要的部件之一。
PCB上的电子系统集成PCB的历史比集成电路提前了22年。自PCB印刷电路板诞生开始直至发展到今天，已经有80多年的历史了。1936年，奥地利人Paul Eisner博士在英国提出“印刷电路(print cricuit)”这个概念，被人们称为“印刷电路板之父，他首先在收音机里采用了印刷电路板。自20世纪50年代起，随着晶体管大量取代电子管的地位，印刷电路板技术才开始被广泛采用。PCB技术发展到今天，PCB上的集成度也得到了极大的提升，PCB上的集成主要体现在两个方面：1.PCB基板上集成度的提升，主要包括线条密度的增大和层数的增加；2.器件组装密度的提高，这主要得益于器件封装尺寸的缩小和器件引脚密度的增大。PCB基板线条的宽度和间距也可以达到了50μm级别，其层数最多的PCB甚至已经能达到100层以上。由于封装技术的提升，器件封装尺寸越来越小，引脚密度越来越大，引脚排列从线阵列到面阵列，都大大地促进了PCB集成度的提高。在PCB的层面上，集成已经得到了充分的发展，要想再进一步，比如继续缩小线宽和线间距，或者再提高布线层数，已经没多太多的余地了。所以人们也考虑是否可以在PCB层面上进行3D集成呢？
- PCB上的3D集成
堆叠PCB技术
不过，堆叠PCB技术凤毛麟角，绝大多数PCB上的集成基本上仅是在XY平面进行。PCB并不适合进行3D集成，其主要原因是：1.相对而言PCB尺寸比较大，3D集成局限性比较大；2.安装在PCB上的元器件通常不支持3D堆叠安装；3.PCB要进行3D集成，在结构强度上往往要借助结构件，就使得的结构设计变得复杂。
3 Integration in Package
下面，我们重点来讲在封装内（Integration in Package）的集成。
微电子封装 首先，和IC及PCB一样，我们先了解一下封装的发展历史。第一款微电子封装可以追溯到1947年，比集成电路早了11年，比PCB晚了11年。1947年，贝尔实验室的三位科学家巴丁、布赖顿和肖克莱发明了第一只晶体管，同时也开创了微电子封装的历史。最早的电子封装是以三根引线的TO型为主，逐渐发展到了以双列直插式引线（DIP）封装为主流。
Intel 8080采用的DIP封装（1972年）从DIP封装开始，由于芯片本身的复杂度提供，需要向外引出的引点数也变多，封装开始向高密度多引脚数目发展，逐渐由双列引脚的DIP发展到四边引脚安装的LCC，QFP，以及面阵列安装的PGA及BGA等。在这个年代，电子封装的主要功能是：尺度放大，电气互联，保护芯片。所有的电子封装内通常只包含一个IC芯片，也就没有所谓集成（Integration）的概念了。直到有一天，MCM（Multichip Module）的横空出世。MCM中文翻译成多芯片模块，顾名思义，里面集成了多个芯片。MCM的发展和混合集成电路 HIC（Hybrid Integrated Circuit）密不可分，混合集成电路通常包括厚膜混合集成电路和薄膜混合集成电路，是和本文前面提到的IC单片集成电路技术相对应的技术。随着混合集成电路HIC技术的迅速发展，后来逐渐发展出现了多芯片组件(MCM)，开始在封装内部实现集成。MCM大致出现在上世纪70年代（电子封装发展了大约30年后），到上世纪90年代后，开始发展迅速。MCM大多数应用在航空、航天、兵器、船舶等军工领域，和传统的电子封装本没有太多交集，而是作为混合集成电路发展到一定程度而出现的一种技术。但是MCM本身就是在封装内部实现的集成，可以看作是封装内集成（Integration in Package）的先驱技术。
一款用于舵机控制的MCMMCM主要以二维集成为主，通常芯片在XY平面分布，此外，MCM采用的芯片规模都比较小，功能比较单一，所以，MCM还不能被称之为独立的系统，所以我们称之为模块。直到 SiP（System in Package）概念出现后，封装内集成技术的春天才真正来到了。从某种程度上，我们可以说，SiP技术是封装内部的集成的最典型的代表。真正的SiP技术是什么时间出现的呢？确切的时间确实不好追溯。
在中国，笔者是作为最早参与SiP研发的工程人员。2009-2010年，我参与了一款SiP项目的研制，该产品主要为了服务航空航天项目中的系统小型化而研发，内部集成了包括SoC, FPGA，SRAM, SDRAM, Flash 等多种芯片，真正成为一个系统。和原型PCB相比，其面积不到原始PCB面积的5%，真正实现了产品小型化，此外该产品性能提升、功耗降低。真正体现了SiP小型化、低功耗、高性能的特点。
国内第一款SiP设计版图（2010年）直到今天，这款产品依然在某些国家重点部门得到广泛应用。在SiP技术出现后，商业公司很少明确表明他们是否采用SiP技术，所以SiP并不为大众所知晓，只是在相关技术人员中间讨论和流传。直到2014 年 9 月，苹果推出了万众期待的 Apple Watch，明确提出采用了SiP技术，SiP技术开始一下子变得炙手可热，很多大公司纷纷表示向SiP技术进军。
基于SiP的概念和思路，新的概念和技术层出不穷，例如FOWLP，InFO，CoWos，HBM，HMC，Wide-IO，AiP，Chiplet，Cavity，Die stack，Heterogeneous…... 等等，请不要让这些字眼弄花了你的眼睛，这些技术总归都是基于不同的工艺和技术，为了实现在封装内的集成。包括OSAT，Foundry，系统厂商都开始关注SiP技术并积极展开研发和应用。
- 封装内的3D集成
- 基于芯片堆叠式的3D技术
基于芯片堆叠的3D集成技术 另一种常见的方式是将一颗倒装焊（flip-chip）裸芯片安装在SiP基板上，另外一颗裸芯片以键合的方式安装在其上方，如下图所示，这种3D解决方案在手机中比较常用。
- 基于无源TSV的3D技术
- 基于有源TSV的3D技术
下图显示了无源TSV和有源TSV分别对应的2.5D和3D集成技术。
基于TSV的两种3D集成技术比较以上的技术都是指在芯片工艺制作完成后，再进行堆叠形成3D集成，这些手段基本都是在封装阶段进行，我们可以称之为封装内的3D集成、3D封装或者3D SiP技术。
现在，我们甚至可以说，几乎每个人都离不开SiP技术了！因为现在的每一款手机中都采用了SiP技术，而且SiP也开始更加广泛地应用到了国民生产和生活的各个领域。那为什么SiP技术在短期内会受到如此多的关注和快速的发展呢？
笔者总结了一下，大致为以下几点原因：1. 和IC技术及PCB技术一开始就专注与集成（Integration）不同，封装内的集成是封装技术发展到一定程度（电子封装出现30年后），并且结合混合集成电路技术而发展起来的，所以其发展历史相对较短，具有更大的发展潜力。2.在3D集成领域，封装内的集成具有天然的优势，芯片向上的引出点通过键合线连接到基板的结构，本身就便于堆叠安装，FlipChip芯片和Bond Wire可以堆叠在一起，加上Interposer以及TSV技术的发展，封装内进行3D集成更是如虎添翼。3.封装尺度适中，不像IC在微观上已经发展到了极限（几十个原子排列），也不像PCB在宏观上尺寸已经较大，其集成往往要借助结构件进行加固，所以封装内的集成在尺度上也比较适合目前技术发展的要求。
4 总 结
最后，我们比较一下在IC、PCB和 Package中集成的特点，并做出总结和相关预测：
1 Integration on Chip (硅片上集成)
- IC上晶体管的微观尺度所以已经接近理论极限，难以为继；
- IC面积的增大带来成本升高，工艺难度增大，功耗大，不可持续发展；
- IC上的3D集成技术难度大，目前仅仅限于3D NAND技术，对于其它类型器件还没有相应的解决方案。
2 Integration on PCB (PCB上集成)
- PCB基板上线条密度的增大和层数的增加多年来发展缓慢，基本上到达了实用的极限，继续缩小线宽和线间距，或者再提高布线层数，已经没有太多的余地；
- PCB器件组装密度的提高依赖于器件封装尺寸的缩小和器件引脚密度的增大；
- PCB尺寸比较大，3D集成局限性比较大，安装在PCB上的元器件通常不支持3D堆叠安装，PCB本身要进行3D集成，在结构强度上往往要借助结构件，就使得的结构设计变得复杂。
3 Integration in Package (封装内集成)
- 封装内集成的历史相对封装本身的发展历史较短，相对IC和PCB而言，还远远不够充分，具有更大的发展潜力；
- 在3D集成领域，封装内的集成具有天然的优势，芯片向上的引出点通过键合线连接到基板的结构，本身就便于堆叠安装，FlipChip芯片和Bond Wire可以堆叠在一起，加上Interposer以及TSV技术的发展，封装内进行3D集成更是如虎添翼；
- 封装尺度适中，不像IC在微观上已经发展到了极限（几十个原子排列），也不像PCB在宏观上尺寸较大，其集成往往要借助结构件进行加固，所以封装内的集成在尺度上比较适合目前电子系统集成技术发展的要求。
从以上总结可以看出：以SiP技术为代表的封装内集成（Integration in Package），在现阶段，必将成为电子系统集成技术中发展最快，最有潜力的技术！
最后，需要提醒读者注意的是，集成（Integration）是SiP技术发展的核心和关键，但SiP技术可不仅仅局限于集成，后面我们要继续讨论Interconnection 和 intelligence，同样是SiP技术的精华所在。请关注本公众号后面的文章！
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