芯片封装科普：电子系统的集成主要分为三个层次与芯片封装清洗介绍

集成，integration，是指将不同的功能单元汇聚到一起，并能实现其特定功能的过程，集成多指人类的活动，集成电路、系统集成是比较常见的名词。

芯片上集成的基本单元是晶体管Transistor，我们称之为功能细胞 (Function Cell)，大量的功能细胞集成在一起形成了芯片。

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。

PCB上集成的基本单元是上一步完成的封装或SiP，我们称之为微系统(MicroSystem)，这些微系统在PCB上集成为尺度更大的系统。

可以看出，集成的层次是一步步进行的，每一个层次的集成，其功能在上一个层次的基础上不断地完善，尺度在也不断地放大。

到了PCB这一层次，电子系统的功能已经比较完备，尺度也已经放大适合人类操控的地步，加上其他的部件，就构成了人们最常用的系统——常系统 (Common System)，例如我们每天接触的手机或电脑。

（一）芯片上的集成    

芯片上的晶体管之所以被称作功能细胞，因为它是不可再分的最小功能单位。

功能细胞的数量也成为系统先进性的重要标志，人体的细胞数量为40~60万亿，系统如果要想真正成为像人一样智能的系统，其包含的功能细胞或许也要达到相同的量级。

为了集成更多的功能细胞，晶体管只能越做越小。现在的晶体管尺寸可能只有最初晶体管刚发明时尺寸的亿万分之一，而其基本功能却是没有变化的。

芯片上的集成，首先要制造出功能细胞，并将它们集成在一起，这些作为功能细胞的晶体管是怎么制造出来并集成在一起的呢？从极简的视角来说，我们需要了解三类材料和三类工艺。

1.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。

在导体中，导带与价带重叠，其中不存在禁带，电子容易产生移动，在外加电场下形成电流；在半导体中，少部分电子可以跃迁到导带，并在外加电场下形成电流；在绝缘体中，电子无法越过禁带，因而无法形成电流。

并非所有的芯片或者芯粒都需要在封装内进行集成，单芯片也可以直接封装并应用在PCB板上。然而，随着摩尔定律日渐失效，封装内的集成越来越受到重视，SiP、先进封装、Chiplet、异构集成、2.5D、3D等概念日益成为业内关注的焦点，封装内的集成终于迎来了春天。

从电子集成的历史来说，PCB上的集成应该是最早出现的，PCB的出现比封装早了11年，比集成电路早了22年。

PCB出现之前，元器件都是用电线直接连接的，除了非常凌乱，集成密度也是难以提升的。

虽然和集成电路以及封装相比，PCB出现的历史最早，但由于受封装尺寸和封装引脚密度的制约，PCB上集成技术的发展相对比较缓慢，从最初的单面板发展到双面板、多层板，组装工艺也由插装式发展为表面贴装SMT，组装密度也越来越高。

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。集成的主要目的就是将上一层次（封装内的集成）所完成的微系统模块再次集成并进行电气互联，并和其他部件一起，形成常系统，例如我们常用的手机和电脑。

上面我们讲述了电子系统的集成的三个层次：芯片上的集成，封装内的集成，PCB板级集成。每一个层次的集成，都分为不同的环节。

（一）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。

• 1.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。

晶体管的制造过程，主要包括隔离、栅结构、源漏、接触孔等形成工艺，一般称之为前段工艺（FEOL, Front End of Line)。

单晶硅通过离子注入可形成，N、N+、N-，P、P+、P-等多种不同参杂浓度的半导体，多晶硅则作为栅极或者电阻使用。

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。

• 2.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。

用于连接晶体管等器件的多层金属布线的制造，主要包括互连线间介质沉积，金属线的形成，引出焊盘形成，一般称为后段工艺（BEOL, Back End of Line)。

金属互连中采用的导体有钨、铜、铝等金属，绝缘体则有氧化硅，氮化硅，高介电常数膜，低介电常数膜，聚酰亚胺等。

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。

越是先进的集成电路工艺，由于结构尺寸越来越小，各种效应层出不穷，为了解决这些效应，制造出功能正常的晶体管，所用的元素种类越来越多，几乎是一场穷尽元素周期表的运动。

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。

• 1.芯片上的RDL和TSV制作

不过，现在的TSV技术的发展也日益强大，据称可以在1mm²面积蚀刻出多达一百万个TSV，完全能满足高密度互连的需求。

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。

在芯片上制作TSV实在是太难了，只有头部的Foundry厂可以做，这种TSV通常被称作3D TSV。

为了进一步提高集成度，人们又发明出了在硅基板Interposer上制作出TSV，被称作2.5D TSV。

• 2.Interposer上的RDL和TSV制作

Interposer被称为硅转接板，插入器，可以提供比普通基板更高的互连密度。

下图所示为典型的硅转接板，上面3层金属，下面2层金属，中间通过硅通孔连接，我们称之为3+2结构。

• 3.Substrate上的互连线路制作

下一步，我们还需要制作封装基板Substrate，封装基板的材质种类比较多，可分为有机基板和陶瓷基板。

• 3.器件装配及封装

下面，我们将Chiplet、Inteposer、Substrate组装起来，并采用先进封装工艺进行处理，就形成了完整的先进封装。

封装内集成的结果具备了系统的功能，并且体积微小，我们可以称之为SiP或者微系统。

（三）PCB上集成的环节    

• PCB互连线路的制作

• 1.PCB上元器件装配

（这张图建议读者保存，因为这张图可能是业内第一张从晶体管到PCB的5级电路集成全图，由Suny Li手工绘制。因为是示意图，并未严格按照比例绘制，实际上，从晶体管到PCB，尺寸扩大了约1000000倍）

三、芯片封装清洗的污染物与清洗剂选择：

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

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