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SiP係統級封裝錫膏焊料深圳福英達分享:集成的尺度和維度

2022-02-21

SiP係統級封裝錫膏焊料深圳福英達分享:集成的尺度和維度

錫膏_焊錫膏_超微焊料_助焊膏生產(chan) 商-深圳福英達是一家集錫膏、錫膠及合金焊粉產(chan) 、銷、研與(yu) 服務於(yu) 一體(ti) 的綜合型錫膏供應商, 是工信部焊錫粉標準製定主導單位,產(chan) 品涵蓋超微無鉛印刷錫膏,超微無鉛點膠錫膏,超微無鉛噴印錫膏,超微無鉛針轉移錫膏,超微無鉛免洗焊錫膏,超微無鉛水洗錫膏,高溫焊錫膏,中高溫焊錫膏,低溫焊錫膏,7號錫膏、8號錫膏,低溫超微錫膠,中高溫錫膠,各向異性導電膠,金錫錫膏,金錫錫粉,多次回流錫膏,激光錫膏,微間距助焊膠,高溫無鉛錫膏,低溫錫鉍銀錫膏,低溫高可靠性錫膏,無鉛焊膏錫鉍銀錫膏/膠,SAC305錫膏,低溫高可靠性錫膏&錫膠,無銀&錫銅錫膏,超微焊粉,Low alpha無鉛焊料,Low alpha高鉛焊料,SMT粉,定製焊料。擁有從(cong) 合金焊粉到應用產(chan) 品的完整產(chan) 品線,可製造T2-T10全尺寸超微合金焊粉的電子級封裝材料。

導 讀


集成,integration,是指將不同的單元匯聚到一起,並能實現其特定功能的過程,集成多指人類的活動,而非自然的過程。
集成電路、係統集成是比較常見的名詞。
在這篇文章中,我們從尺度(Scale)和維度(Dimension)兩方麵來剖析現代電子集成技術。

Integration


1


集成的尺度


尺度,一般理解為(wei) 尺寸、尺碼,計量的長度,規定的限度,可引申為(wei) 準則、法度。在本文中,尺度就指的是被描述對象的尺寸或大小。

按照從(cong) 小到大的順序來分析集成的尺度,我們(men) 就從(cong) 最小的基本粒子開始吧!


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基本粒子    


人類已知的世界由61種基本粒子(Elementary Particles)組成。

61種基本粒子被分為(wei) 了誇克 (quark)、輕子 (lepton)、玻色子 (boson)三大類。

其中,隻有電子(Electron)、光子(photon)與(yu) 中微子(neutrino)是穩定存在於(yu) 自然界且能作用於(yu) 宏觀世界的粒子。大名鼎鼎的誇克,被禁閉在質子與(yu) 中子這樣的複合粒子中,終生不得釋放。

電子 (輕子):電子是人類認識最充分,應用最廣泛的基本粒子。今天,現代科技基本上都是圍繞著電子開展,如果沒有了電子,整個(ge) 世界都會(hui) 停滯。

光子 (玻色子):光子應用比電子還早,從(cong) 遠古時代就開始應用,現代從(cong) 日常生活到最新的科學領域都離不開光子。

中微子 (輕子):中微子很難探測,因此被稱作神秘粒子,雖然目前應用不多,卻被看作很有潛力的一種粒子。它速度極快,接近光速,並且可以無阻礙地穿越一切物體(ti) ,未來可應用於(yu) 中微子通訊,地層掃描等領域。

而那些不能獨立存在於(yu) 自然界的基本粒子,無法和宏觀世界直接打交道,因此無法實用,對人類的影響就遠遠小於(yu) 電子、光子和中微子了。


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原子    


我們(men) 將尺度放大到原子。

人類目前已知的118種元素中,來自自然界的元素有92種,其餘(yu) 的元素則是由人工合成的。代表元素的最小單位我們(men) 稱之為(wei) 原子,不同的原子構成了不同的物質。

原子的結構,原子由原子核和繞核運動的電子組成。原子核隻占原子體(ti) 積的幾千億(yi) 分之一,因此,原子的體(ti) 積是由核外電子決(jue) 定的。

電子有波粒二象性,它不像宏觀物體(ti) 的運動那樣有確定的軌道,無法預測它在某一時刻究竟出現在核外空間的哪個(ge) 地方,隻知道它在某處出現的幾率有多少,如同一片帶負電的雲(yun) 狀物籠罩在原子核周圍,因此被稱為(wei) “電子雲(yun) ”。

SiP係統級封裝錫膏焊料深圳福英達分享:集成的尺度和維度

我們(men) 以半導體(ti) 中最常用的矽元素為(wei) 例,矽原子核外有14個(ge) 電子,其中第一層有2個(ge) 電子,第二層有8個(ge) 電子,最外層4個(ge) 電子為(wei) 價(jia) 電子。

矽晶體(ti) 中沒有明顯的自由電子,矽原子最外層的4個(ge) 電子,既不像導體(ti) 中那樣活躍,也不像絕緣體(ti) 那樣被緊緊束縛住,其活躍度介於(yu) 導體(ti) 與(yu) 絕緣體(ti) 之間,具有半導體(ti) 性質。能導電,但導電率不及金屬,且隨溫度升高而增加。

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原子的尺度,原子沒有一個(ge) 精確定義(yi) 的最外層,通常所說的原子半徑是根據相鄰原子的平均核間距測定的。那麽(me) ,在矽晶體(ti) 中,矽原子之間的距離到底是多少呢?

構成晶體(ti) 的最基本的幾何單元稱為(wei) 晶胞(Unit Cell),矽晶體(ti) 是一個(ge) 麵立方體(ti) ,其晶胞的邊長為(wei) 0.543nm,以矽原子晶胞的一個(ge) 麵作為(wei) 平麵,矽原子排列如下圖所示,矽原子在該平麵的最小間距為(wei) 0.384nm,三個(ge) 矽原子的排列寬度為(wei) 1.152nm。

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那麽(me) ,一立方納米中有多少矽原子呢?

在由矽原子構成的一個(ge) 麵心立方體(ti) 的晶胞內(nei) ,8個(ge) 頂點和6個(ge) 麵各有一個(ge) 矽原子,另外還有4個(ge) 矽原子,分別位於(yu) 四個(ge) 空間對角線的 1/4處,平均到每一個(ge) 矽晶胞中的原子數為(wei) 8 (8 × 1/8 + 6 × 1/2 + 4 = 8)。

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矽的晶胞邊長為(wei) a(晶格常數),在300K時,a=5.4305Å(0.543nm)。

8 ÷(0.543³)=49.97≈50,也就是說,1nm³ 中的矽原子數量為(wei) 50個(ge) ,通過矽材料的密度和矽原子質量進行計算,也會(hui) 得到同樣的結果。

為(wei) 了改善矽的導電性質,在其中摻入少量5價(jia) 元素,形成N型半導體(ti) ,或者摻入少量3價(jia) 元素,形成P型半導體(ti) 。

無論摻入何種元素,基本不會(hui) 改變矽的晶格結構,因此,原子之間的距離也不會(hui) 變化,1nm³ 中的原子數量也不會(hui) 變化,依然是50個(ge) 。

到了納米尺度,原子也是可以論個(ge) 來數的。





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從(cong) 原子到功能細胞    


什麽(me) 是功能細胞(Function Cell)?我們(men) 定義(yi) 其為(wei) 功能的最小單位,在集成電路中,晶體(ti) 管就可以被定義(yi) 為(wei) 功能細胞。當然,電阻、電容、電感、二極管等也是功能細胞。

功能細胞是由原子組成的,而功能的實現則是通過控製電子而實現的,也可以說,功能細胞的功能是由電子賦予的,能夠合理地控製電子,就具備了相應的功能。

功能的實現則來源於(yu) 現實的需求、人類的智慧和那些堪稱偉(wei) 大的發明或發現。

我們(men) 就以集成電路中最典型的功能細胞晶體(ti) 管為(wei) 例。

晶體(ti) 管之所以能成為(wei) 功能細胞,就在於(yu) 其能有效地控製電子。


下圖是目前主流的FinFET晶體(ti) 管,通過在柵極(Gate)施加合理的電壓,電子就能從(cong) 源極(Source)流向漏極(Drain),從(cong) 而產(chan) 生電流並導通。

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通過晶體(ti) 管的導通和關(guan) 斷,可以表示不同的狀態,多個(ge) 晶體(ti) 管組合在一起,就能形成不同的邏輯電路,從(cong) 而完成不同的功能。

隻要能執行相同的功能,功能細胞的體(ti) 積自然是越小越好。那功能細胞能小到什麽(me) 程度呢?

針對現有的矽基晶體(ti) 管而言,大致受兩(liang) 個(ge) 因素的製約,一個(ge) 是晶體(ti) 管內(nei) 最小的結構寬度,另一個(ge) 是晶體(ti) 管自身所占的麵積(體(ti) 積)。

從(cong) 上麵分析我們(men) 知道,三個(ge) 矽原子並排排列的寬度就超過了1nm,晶體(ti) 管的最小結構寬度可能達到甚至小於(yu) 1nm嗎?現在不好下論斷,這麽(me) 小的寬度除了工藝製作很難,按照現有理論工作的晶體(ti) 管也難以正常工作。


新型的晶體(ti) 管,例如單原子晶體(ti) 管,其最小結構寬度僅(jin) 為(wei) 一個(ge) 原子,通過操作單個(ge) 原子來控製晶體(ti) 管的導通和關(guan) 斷。


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據稱,單原子晶體(ti) 管的能耗將隻有矽基晶體(ti) 管的萬(wan) 分之一(1/10000),這對未來應用是一個(ge) 決(jue) 定性的優(you) 勢。





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從(cong) 功能細胞到常係統    


功能細胞可以很小,現在的技術可以支持在指甲蓋大小的芯片上集成超過100億(yi) 以上的晶體(ti) 管。多個(ge) 功能細胞可以組成功能塊(Function Block),多個(ge) 功能塊又組成了功能單元(Function Unit),多個(ge) 功能單元組成了微係統(MicroSystem)。

然而,對於(yu) 人類來說,其產(chan) 品的尺度需要適合人類的需要,必定要和人類自身的尺度相當。

例如手機和電腦,前者需要經常拿在手中,因此需要和人手的尺度相當,後者需要放在桌麵或者膝蓋上,因此和人體(ti) 橫向的尺度相當。

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這一類係統,我們(men) 稱之為(wei) 常係統(Common System),意為(wei) 常人可以接觸並經常使用的係統。常係統由微係統、功能單元組成,最終也是由功能細胞組成。

常係統由於(yu) 需要和人類的尺度相匹配,即使科技發展的再先進,其尺度也不會(hui) 變化太大,但為(wei) 了滿足人類更多的功能需求,其內(nei) 含的功能細胞會(hui) 不斷地增加,即係統的功能密度(Function Density)會(hui) 不斷增加。

並且,在人類文明發展的過程中,這種趨勢會(hui) 一直延續下去,這也符合功能密度定律(Function Density Law)的描述。


image從(cong) 常係統到大係統    


另外,還有一類係統,雖然也是為(wei) 人服務的,但並非為(wei) 個(ge) 人服務,而是為(wei) 群體(ti) 服務,因此其尺度可以很大,這類係統我們(men) 稱之為(wei) 大係統(Giant System)。例如載人航天係統,無線通訊網絡係統,GPS全球衛星定位係統等等。

大係統通常都很複雜,一般由很多的常係統、微係統或者功能單元組成。


例如GPS係統,分為(wei) 三大部分:空間部分,一共由24顆衛星組成;地麵部分,由主控製站,監測站,地麵天線組成;用戶設備部分,即各式各樣的GPS 信號接收機。

GPS係統可對地麵車輛、船隻、飛機、衛星和飛船等各種移動用戶進行實時的高精度定位測速和精確授時。

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大係統和常係統一樣,為(wei) 了滿足更多的功能需求,其功能密度也會(hui) 不斷增加,並且這種趨勢會(hui) 隨著人類文明的發展一直延續下去,同樣也符合功能密度定律的描述。


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集成的尺度總結    


這裏,我們(men) 用兩(liang) 張圖對集成的尺度做個(ge) 總結。

我們(men) 將電子係統按照層次分為(wei) 6級,稱為(wei) 電子係統6級分類法(詳見一書(shu) )

其中,功能細胞是最小的功能單位,功能細胞→功能塊功能單元,為(wei) 三級不同的功能單位,並由此組成了微係統常係統大係統,如下圖所示。


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然後,我們(men) 對功能細胞進行解析,將功能細胞按照層次分為(wei) 4級:基本粒子組成了原子,原子形成晶胞,晶胞組成了功能細胞。


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在本文中,從(cong) 基本粒子到人類目前可實現的最複雜係統,我們(men) 按照尺度將其分成了10(4+6)個(ge) 層次,其中,功能細胞是最為(wei) 關(guan) 鍵的環節,是功能的基本單位和載體(ti) ,就如同人類的細胞一樣,是人類生命的組成單位和智慧的載體(ti) 。

每一個(ge) 層次或環節,都需要不同的人去探索、去實現,去創新,去發展,並將人類的智慧融入其中。

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錫銀銅SAC錫膏   錫銀銅 SACS錫膏     錫鉍銀SnBiAg錫膏     錫鉍銀銻SnBiAgSb錫膏  錫鉍銀SnBiAgX錫膏  錫鉍SnBi錫膏     BiX 錫膏  金錫AuSn錫膏     錫銻SnSb錫膏     含鉛 SnPb錫膏      各向異性導電錫膠    微間距助焊膠

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Integration


2


集成的維度



人類可以感知的世界,空間維度隻有三個(ge) ,加上時間,常被稱為(wei) 四維時空。

弦理論裏描述的11維時空,無法證實其是否真實存在。即使存在,也如同那些被禁錮在微觀世界的基本粒子,在人類的宏觀世界根本無法感知,因此,對人類的活動幾乎沒有任何影響。

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在我們(men) 通常的認識中,零維是點,一維是線,二維是平麵,三維是立體(ti) 。

集成,是將不同的單元匯聚到一起,並能實現其特定功能的過程,因此,零維的點,一維的線都不適應於(yu) 集成,現實中主要的集成方式就是兩(liang) 維的平麵集成和三維的立體(ti) 集成。

實際應用中,僅(jin) 僅(jin) 用兩(liang) 維和三維來對集成進行分類確實有些勉為(wei) 其難,例如有的人就用“假3D”,“真3D”來區分不同類型的芯片堆疊方式。

在本文中,我們(men) 將集成分為(wei) :2D、2D+、2.5D、3D、4D,共五種集成維度,目的是為(wei) 了便於(yu) 集成的分類和區分,同時也兼容目前的主流說法。


此外,我們(men) 給出了兩(liang) 個(ge) 重要的判據,物理結構電氣互連

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下麵描述的集成主要針對集成電路封裝領域,對於(yu) 其他領域也可以此類推。


image2D集成    


2D 集成是指在基板的表麵水平安裝所有芯片和無源器件的集成方式。


以基板 (Substrate) 上表麵的左下角為(wei) 原點,基板上表麵所處的平麵為(wei) XY平麵,基板法線為(wei) Z軸,創建坐標係。

物理結構所有芯片和無源器件均安裝在基板平麵,芯片和無源器件和 XY 平麵直接接觸,基板上的布線和過孔均位於(yu) XY 平麵下方;電氣互連均需要通過基板(除了極少數通過鍵合線直接連接的鍵合點)。

我們(men) 最常見的2D集成技術應用於(yu) MCM、部分SiP以及PCB。

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

在傳(chuan) 統的封裝領域,所有的封裝都是麵向芯片的,為(wei) 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(xing) 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、部件或者係統。

2D集成的SiP,其工藝路線和MCM非常相似,和MCM主要的區別在於(yu) 2D集成的SiP規模比MCM大,並且能夠形成獨立的係統。

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2D 集成示意圖


此外,基於(yu) FOWLP的集成,例如INFO,雖然沒有基板,也可以歸結為(wei) 2D集成。目前,集成電路中的晶體(ti) 管排列也基本上屬於(yu) 2D集成。

2D集成對EDA設計工具來說最為(wei) 簡單,下圖所示為(wei) EDA工具中實現的2D集成設計。


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EDA工具中實現的2D集成設計




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2D+集成    


2D+集成是指的傳(chuan) 統的通過鍵合線連接的芯片堆疊集成。也許會(hui) 有人問,芯片堆疊不就是3D嗎,為(wei) 什麽(me) 要定義(yi) 為(wei) 2D+集成呢?


主要基於(yu) 以下兩(liang) 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(wei) 了避免概念混淆,我們(men) 定義(yi) 這種傳(chuan) 統的芯片堆疊為(wei) 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,然後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(wei) 2D+集成。

物理結構:所有芯片和無源器件均地位於(yu) XY平麵上方,部分芯片不直接接觸基板,基板上的布線和過孔均位於(yu) XY平麵下方;電氣互連: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於(yu) 2D+集成

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2D+ 集成示意圖


此外,對於(yu) 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進行判定,將其歸結為(wei) 2D+集成。

EDA設計工具對2D+集成一直有很好的支持,下圖所示為(wei) EDA工具中實現的2D+集成設計。


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EDA工具中實現的2D+集成設計



image2.5D集成    


2.5D顧名思義(yi) 是介於(yu) 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,現實中並不存在2.5D這種維度。


物理結構所有芯片和無源器件均XY平麵上方,至少有部分芯片和無源器件安裝在中介層上(Interposer),在XY平麵的上方有中介層的布線和過孔,在XY平麵的下方有基板的布線和過孔。電氣互連中介層(Interposer)可提供位於(yu) 中介層上的芯片的電氣連接。

2.5D集成的關(guan) 鍵在於(yu) 中介層Interposer,一般會(hui) 有幾種情況,1)中介層是否采用矽轉接板,2)中介層是否采用TSV,3)采用其他類型的材質的轉接板;在矽轉接板上,我們(men) 將穿越中介層的過孔稱之為(wei) TSV,對於(yu) 玻璃轉接板,我們(men) 稱之為(wei) TGV。

矽中介層有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(wei) 中介層的矽基板采用Bump和基板相連,矽基板表麵通過RDL布線,TSV作為(wei) 矽基板上下表麵電氣連接的通道,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形式安裝在矽基板上。

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有TSV的2.5D集成示意圖


矽中介層無TSV的2.5D集成的結構一般如下圖所示,有一顆麵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(liang) 種方式,大芯片上方由於(yu) 麵積較大,可以安裝多個(ge) 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(ge) 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,然後通過Bond Wire連接到基板。這類中介層通常不需要TSV,隻需要通過Interposer上表麵的布線進行電氣互連,Interposer采用Bond Wire和封裝基板連接。


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無TSV的2.5D集成示意圖


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


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EDA工具中實現的2.5D集成設計




image3D集成    


3D集成和2.5D集成的主要區別在於(yu) :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於(yu) XY平麵上方,芯片堆疊在一起,在XY平麵的上方有穿過芯片的TSV,在XY平麵的下方有基板的布線和過孔。電氣互連通過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(ge) 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(chu) 器集成中,例如DRAM Stack,FLASH Stack等。

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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(liang) 種不同的芯片垂直堆疊,並通過TSV電氣連接在一起,並和下方的基板互連,有時候需要在芯片表麵製作RDL來連接上下層的TSV。


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不同類芯片的3D集成示意圖


此外,現在的3D Nand Flash是在芯片上直接製作多層存儲(chu) 單元,也是一種3D集成技術。

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

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EDA工具中實現的3D集成設計




image4D集成    


前麵介紹了2D,2D+,2.5D,3D集成,4D集成又是如何定義(yi) 的呢?


在前麵介紹的幾種集成中,所有的芯片(Chip),中介板(interposer)和基板(Substrate),在三維坐標係中,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平麵並不平行,即不同基板的Z軸方向有所偏移,我們(men) 則可定義(yi) 此類集成方式為(wei) 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。電氣互連: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。

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基於(yu) 剛柔基板的4D集成示意圖


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氣密性陶瓷4D集成示意圖

4D集成定義(yi) 主要是關(guan) 於(yu) 多塊基板的方位和相互連接方式,因此在4D集成每一塊基板中都可能會(hui) 包含有2D,2D+,2.5D,3D的集成方式。


通過4D集成技術可以解決(jue) 平行三維堆疊所無法解決(jue) 的問題,提供更多、更靈活的芯片安裝空間,解決(jue) 大功率芯片的散熱問題,以及航空航天等領域應用中關(guan) 注的氣密性問題。

現在,EDA設計工具對4D集成也有了很好的支持,如下圖所示為(wei) EDA工具中實現的4D集成設計。


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EDA工具中實現的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,在多種集成維度中,4D集成也必定占有一席之地,並將成為(wei) 繼2D、2D+、2.5D、3D集成技術之後重要的集成技術。


從(cong) 嚴(yan) 格物理意義(yi) 上來說,以現有的人類認知出發,所有的物體(ti) 都是三維的, 二向箔並不存在,四維空間更待考證。

為(wei) 了便於(yu) 區分多種不同的集成方式,我們(men) 將其分為(wei) 2D、2D+、2.5D、3D,4D,5種集成維度。




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集成的維度總結    


這裏,我們(men) 用一張圖對集成的維度做個(ge) 總結,如下圖所示,包含5種集成維度的EDA設計圖例和每種維度具體(ti) 包含的集成類型。


SiP係統級封裝錫膏焊料深圳福英達分享:集成的尺度和維度


後 記


集成一般指人類的活動,而非自然的過程,因此,集成也是人類改造世界的重要手段。
在這篇文章中,我們從尺度和維度兩個方麵來剖析現代電子集成技術,二者都屬於空間的範疇,一個代表空間的大小,一個代表空間的方位。
集成的尺度從最小的基本粒子到最複雜的大係統,分為10個層次進行描述;集成的維度定義了5個維度來進行分類和描述。
空間軸我們對集成的描述已經足夠充分了。
後麵,我會撰寫文章從時間軸上對集成進行解析,分為短時間軸和長時間軸,歡迎讀者繼續關注、閱讀並提出建議。



來源:SiP與(yu) 先進封裝技術



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