電子集成 (5+2) 分類法 ?

電子集成技術分為三個層次，芯片上的集成，封裝內的集成，PCB板級集成，其代表技術分別為SoC，SiP和PCB（也可以稱為SoP或者SoB）。

芯片上的集成主要以2D為主，晶體管以平鋪的形式集成于晶圓平面；同樣，PCB上的集成也是以2D為主，電子元器件平鋪安裝在PCB表面，因此，二者都屬于2D集成。

而針對于封裝內的集成，情況就要復雜的多，并且業界目前對電子集成的分類還沒有形成統一的共識，這也是我寫這篇文章的原因之一。 理解集成的時候，人們通常通過物理結構來判斷，今天，我們提出電子集成技術分類的兩個重要判據：1.物理結構，2.電氣連接(電氣互連)。 通過這兩個判據，我們將電子集成分為7類：2D集成，2D+集成，2.5D集成，3D集成，4D集成，Cavity集成，Planar集成。其中前面5類是位于基板之上，屬于組裝（Assembly）范疇，后面2類位于基板之內，屬于基板制造（Fabrication）范疇。故此命名為（5+2）分類法。請參看下表：

2D 集成 ? 2D 集成是指在基板的表面水平安裝所有芯片和無源器件的集成方式。

以基板 (Substrate) 上表面的左下角為原點，基板上表面所處的平面為XY平面，基板法線為Z軸，創建坐標系。

物理結構：所有芯片和無源器件均安裝在基板平面，芯片和無源器件和 XY 平面直接接觸，基板上的布線和過孔均位于 XY 平面下方；電氣連接：均需要通過基板（除了極少數通過鍵合線直接連接的鍵合點）。

我們最常見的2D集成技術應用于MCM、部分SiP以及PCB。

MCM（Multi Chip Module）多芯片模塊是將多個裸芯片高密度安裝在同一基板上構成一個完整的部件。

在傳統的封裝領域，所有的封裝都是面向器件的，為芯片服務，起到保護芯片、尺度放大和電氣連接的作用，是沒有任何集成的概念的。隨著MCM興起，封裝中才有了集成的概念，所以封裝也發生了本質的變化，MCM將封裝的概念由芯片轉向模塊、部件或者系統。

2D集成的SiP，其工藝路線和MCM非常相似，和MCM主要的區別在于2D集成的SiP規模比MCM大，并且能夠形成獨立的系統。首先制作有機基板或者高密度陶瓷基板，然后在此基礎上進行封裝和測試。

2D 集成示意圖

此外，基于FOWLP的集成，例如INFO，雖然沒有基板，也可以歸結為2D集成。 ?

2D+ 集成

2D+集成是指的傳統的通過鍵合線連接的芯片堆疊集成。也許會有人問，芯片堆疊不就是3D嗎，為什么要定義為2D+集成呢？

主要基于以下兩點原因：1）3D集成目前在很大程度上特指通過3D TSV的集成，為了避免概念混淆，我們定義這種傳統的芯片堆疊為2D+集成；2）雖然物理結構上是3D的，但其電氣互連上均需要通過基板，即先通過鍵合線鍵合到基板，然后在基板上進行電氣互連。這一點和2D集成相同，比2D集成改進的是結構上的堆疊，能夠節省封裝的空間，因此稱之為2D+集成。

物理結構：所有芯片和無源器件均地位于XY平面上方，部分芯片不直接接觸基板，基板上的布線和過孔均位于XY平面下方；電氣連接：均需要通過基板（除了極少數通過鍵合線直接連接的鍵合點）。

下圖所示幾種集成均屬于2D+集成。

2D+ 集成示意圖

此外，對于PoP (Package on Package) 類的集成方式，也可以根據其物理結構和電氣連接，將其歸結為2D+集成。 ? 2.5D 集成 ? 2.5D顧名思義是介于2D和3D之間，通常是指既有2D的特點，又有部分3D的特點的一種維度，現實中并不存在2.5D這種維度。

物理結構：所有芯片和無源器件均XY平面上方，至少有部分芯片和無源器件安裝在中介層上（Interposer），在XY平面的上方有中介層的布線和過孔，在XY平面的下方有基板的布線和過孔。電氣連接：中介層（Interposer）可提供位于中介層上的芯片的電氣連接。

2.5D集成的關鍵在于中介層Interposer，一般會有幾種情況，1）中介層是否采用硅轉接板，2）中介層是否采用TSV，3）采用其他類型的材質的轉接板；在硅轉接板上，我們將穿越中介層的過孔稱之為TSV，對于玻璃轉接板，我們稱之為TGV。

硅中介層有TSV的集成是最常見的一種2.5D集成技術，芯片通常通過MicroBump和中介層相連接，作為中介層的硅基板采用Bump和基板相連，硅基板表面通過RDL布線，TSV作為硅基板上下表面電氣連接的通道，這種2.5D集成適合芯片規模比較大，引腳密度高的情況，芯片一般以FlipChip形式安裝在硅基板上。

有TSV的2.5D集成示意圖

硅中介層無TSV的2.5D集成的結構一般如下圖所示，有一顆面積較大的裸芯片直接安裝在基板上，該芯片和基板的連接可以采用Bond Wire或者Flip Chip兩種方式，大芯片上方由于面積較大，可以安裝多個較小的裸芯片，但小芯片無法直接連接到基板，所以需要插入一塊中介層（Interposer），在中介層上方安裝多個裸芯片，中介層上有RDL布線，可將芯片的信號引出到中介層的邊沿，然后通過Bond Wire連接到基板。這類中介層通常不需要TSV，只需要通過Interposer上表面的布線進行電氣互連，Interposer采用Bond Wire和封裝基板連接。

無TSV的2.5D集成示意圖

現在，EDA工具對2.5D集成有了很好的支持，下圖所示為Mentor (Siemens EDA) 中實現的2.5D集成設計。

Siemens EDA中實現的2.5D集成設計

3D 集成 ? 3D集成和2.5D集成的主要區別在于：2.5D集成是在中介層Interposer上進行布線和打孔，而3D集成是直接在芯片上打孔（TSV）和布線（RDL），電氣連接上下層芯片。

物理結構：所有芯片和無源器件均位于XY平面上方，芯片堆疊在一起，在XY平面的上方有穿過芯片的TSV，在XY平面的下方有基板的布線和過孔。電氣連接：通過TSV和RDL將芯片直接電氣連接。

3D集成大多數應用在同類芯片堆疊中，多個相同的芯片垂直堆疊在一起，通過穿過芯片堆疊的TSV互連，如下圖所示。同類芯片集成大多應用在存儲器集成中，例如DRAM Stack，FLASH Stack等。 同類芯片的3D集成示意圖 不同類芯片的3D集成中，一般是將兩種不同的芯片垂直堆疊，并通過TSV電氣連接在一起，并和下方的基板互連，有時候需要在芯片表面制作RDL來連接上下層的TSV。

不同類芯片的3D集成示意圖

現在，EDA工具對3D集成有了很好的支持，下圖所示為Mentor (Siemens EDA) 中實現的3D集成設計。

Siemens EDA中實現的3D集成設計

4D 集成

前面介紹了2D，2D+，2.5D，3D集成，4D集成又是如何定義的呢？

在前面介紹的幾種集成中，所有的芯片(Chip)，中介板（interposer）和基板（Substrate），在三維坐標系中，其Z軸均是豎直向上，即所有的基板和芯片都是平行安裝的。在4D集成中，這種情況則發生了改變。

當不同基板所處的XY平面并不平行，即不同基板的Z軸方向有所偏移，我們則可定義此類集成方式為4D集成。物理結構：多塊基板以非平行方式安裝，每塊基板上都安裝有元器件，元器件安裝方式多樣化。電氣連接：基板之間通過柔性電路或者焊接連接，基板上芯片電氣連接多樣化。

基于剛柔基板的4D集成示意圖

氣密性陶瓷4D集成示意圖

4D集成定義主要是關于多塊基板的方位和相互連接方式，因此在4D集成也會包含有2D，2D+，2.5D，3D的集成方式。

通過4D集成技術可以解決平行三維堆疊所無法解決的問題，提供更多、更靈活的芯片安裝空間，解決大功率芯片的散熱問題，以及航空航天、軍工等領域應用中最主要的氣密性問題。 現在，EDA工具對4D集成也有了很好的支持，如下圖所示為Mentor (Siemens EDA) 中實現的4D集成設計。

Siemens EDA中實現的4D集成設計

4D集成技術提升了集成的靈活性和多樣化，展望未來，在SiP的集成方式中，4D集成技術必定占有一席之地，并將成為繼2D、2D+、2.5D、3D集成技術之后重要的集成技術。

從嚴格物理意義上來說，以現有的人類認知出發，所有的物體都是三維的， 二向箔并不存在，四維空間更待考證。為了便于區分多種不同的集成方式，我們將其分為2D、2D+、2.5D、3D，4D這5種集成方式。

Cavity 集成

Cavity腔體是在基板上開的一個孔槽，通常不會穿越所有的板層。腔體可以是開放式的，也可以是密閉在內層空間的腔體，腔體可以是單級腔體也可以是多級腔體，所謂多級腔體就是在一個腔體的內部再挖腔體，逐級縮小，如同城市中的下沉廣場一樣。

多級腔體示意圖

埋入式腔體示意圖

通過腔體結構可以提升鍵合線的穩定性，增強陶瓷封裝的氣密性，并且可以通過腔體結構雙面安裝元器件。

通過腔體結構提高鍵合線穩定性

通過腔體結構雙面安裝元器件

Planar 集成 ? Planar集成技術也稱為平面埋置技術，是通過特殊的材料制作電阻、電容、電感等平面化無源器件，并印刷在基板表面或者嵌入到基板的板層之間的一種技術。

將電阻、電容、電感等無源元件通過設計和工藝的結合，以蝕刻或印刷方法將無源元件做在基板表層或者內層，用來取代基板表面需要焊接的無源元件，從而提高有源芯片的布局空間及布線自由度，這種方法制作的電阻、電容、電感基本沒有高度，不會影響基板的厚度。

7種集成技術匯總 ?

通過下面一個表格，我們將電子集成技術進行匯總，通過物理結構和電氣連接兩大指標對7種集成技術進行分類，并通過圖例查看其典型的結構。

在下面一張圖中，我們將7種集成技術匯聚到了一個設計中，讓它們來一個大團圓。在基板的表面從左至右分別是2D, 2D+, 2.5D,?3D, 4D五種集成，在基板內部則包含了Cavity和Planar兩種集成。

今天，我們從物理結構和電氣連接兩大判據，總結了七種電子集成技術。 寫到這里，我突然發現，七竟然是一個神奇的數字，七子之歌，建安七子，竹林七賢，七彩云南，七色光，紅橙黃綠青藍紫..... 其實“七”是一個相當“武俠”的數字，七種武器，七劍下天山，江南七怪，全真七子..... 還有，當代的中國高校也有著名的“國防七子”，本人的母校也位列其中。

總 結

1）這篇文章中描述的7種（5+2）集成技術：其中2D+集成和4D集成概念是本人首次提出，目前還沒有成為業界的共識。

2）Cavity集成Planar集成在業內通常也沒有和其他集成放到一起來分類，是我將它們和其他5種集成技術拉扯到了一起。

3）7種集成技術中，2D，2.5D和3D是比較成熟的提法，不過在細節的區分上不同的人也有不同的看法，例如Interposer中沒有TSV的是否為2.5D，在這篇文章中都給出了明確的定義。

4）4D集成的靈感來源于空間彎曲和空間折疊，雖然4D集成并不一定能提高系統的功能密度，但卻是一種靈活的選擇，也是電子集成技術多樣性的體現。

5）電子集成技術是現代信息技術的基礎，需要全面的了解并熟練掌握，才能靈活運用到項目中，并取得應有的社會效益。

6）本文是一個簡化版本，沒有給出坐標圖。

編輯：黃飛

?