集成，integration，是指將不同的功能單元匯聚到一起，并能實(shí)現(xiàn)其特定功能的過程，集成多指人類的活動，集成電路、系統(tǒng)集成是比較常見的名詞。

芯片上集成的基本單元是晶體管Transistor，我們稱之為功能細(xì)胞 (Function Cell)，大量的功能細(xì)胞集成在一起形成了芯片。

封裝內(nèi)集成的基本單元是上一步完成的裸芯片或者小芯片Chiplet，我們稱之為功能單元 (Function Unit)，這些功能單元在封裝內(nèi)集成形成了SiP。

PCB上集成的基本單元是上一步完成的封裝或SiP，我們稱之為微系統(tǒng)(MicroSystem)，這些微系統(tǒng)在PCB上集成為尺度更大的系統(tǒng)。

可以看出，集成的層次是一步步進(jìn)行的，每一個(gè)層次的集成，其功能在上一個(gè)層次的基礎(chǔ)上不斷地完善，尺度在也不斷地放大。

到了PCB這一層次，電子系統(tǒng)的功能已經(jīng)比較完備，尺度也已經(jīng)放大適合人類操控的地步，加上其他的部件，就構(gòu)成了人們最常用的系統(tǒng)——常系統(tǒng) (Common System)，例如我們每天接觸的手機(jī)或電腦。

（一）芯片上的集成    

芯片上的晶體管之所以被稱作功能細(xì)胞，因?yàn)樗遣豢稍俜值淖钚」δ軉挝弧?/p>

功能細(xì)胞的數(shù)量也成為系統(tǒng)先進(jìn)性的重要標(biāo)志，人體的細(xì)胞數(shù)量為40~60萬億，系統(tǒng)如果要想真正成為像人一樣智能的系統(tǒng)，其包含的功能細(xì)胞或許也要達(dá)到相同的量級。

為了集成更多的功能細(xì)胞，晶體管只能越做越小?，F(xiàn)在的晶體管尺寸可能只有最初晶體管剛發(fā)明時(shí)尺寸的億萬分之一，而其基本功能卻是沒有變化的。

芯片上的集成，首先要制造出功能細(xì)胞，并將它們集成在一起，這些作為功能細(xì)胞的晶體管是怎么制造出來并集成在一起的呢？從極簡的視角來說，我們需要了解三類材料和三類工藝。

1.導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體

雖然芯片上的材料非常多，現(xiàn)代集成電路中用到的材料幾乎要窮盡元素周期表，所有的材料可以分為三大類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。

導(dǎo)體負(fù)責(zé)傳輸電子，絕緣體負(fù)責(zé)隔離電子，其中最重要的自然是半導(dǎo)體，因?yàn)樗强勺兊?，它有時(shí)候變成導(dǎo)體（導(dǎo)通），允許電子通過，有時(shí)候可變成絕緣體（關(guān)斷），阻隔電子通過。并且，這種變化是可控的，通過設(shè)計(jì)特別的結(jié)構(gòu)，并施加電流或者電壓來控制。

在導(dǎo)體中，導(dǎo)帶與價(jià)帶重疊，其中不存在禁帶，電子容易產(chǎn)生移動，在外加電場下形成電流；在半導(dǎo)體中，少部分電子可以躍遷到導(dǎo)帶，并在外加電場下形成電流；在絕緣體中，電子無法越過禁帶，因而無法形成電流。

并非所有的芯片或者芯粒都需要在封裝內(nèi)進(jìn)行集成，單芯片也可以直接封裝并應(yīng)用在PCB板上。然而，隨著摩爾定律日漸失效，封裝內(nèi)的集成越來越受到重視，SiP、先進(jìn)封裝、Chiplet、異構(gòu)集成、2.5D、3D等概念日益成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)，封裝內(nèi)的集成終于迎來了春天。

從電子集成的歷史來說，PCB上的集成應(yīng)該是最早出現(xiàn)的，PCB的出現(xiàn)比封裝早了11年，比集成電路早了22年。

PCB出現(xiàn)之前，元器件都是用電線直接連接的，除了非常凌亂，集成密度也是難以提升的。

雖然和集成電路以及封裝相比，PCB出現(xiàn)的歷史最早，但由于受封裝尺寸和封裝引腳密度的制約，PCB上集成技術(shù)的發(fā)展相對比較緩慢，從最初的單面板發(fā)展到雙面板、多層板，組裝工藝也由插裝式發(fā)展為表面貼裝SMT，組裝密度也越來越高。

今天，PCB上基本都是雙面安裝元器件，板層也能達(dá)到幾十層，高密度HDI板、剛?cè)峤Y(jié)合板，微波電路板，埋入式器件板等都在廣泛應(yīng)用。

和封裝內(nèi)的集成一樣，PCB上集成也不會用到半導(dǎo)體的特性，因此所用的材料主要分為兩大類：導(dǎo)體和絕緣體。集成的主要目的就是將上一層次（封裝內(nèi)的集成）所完成的微系統(tǒng)模塊再次集成并進(jìn)行電氣互聯(lián)，并和其他部件一起，形成常系統(tǒng)，例如我們常用的手機(jī)和電腦。

上面我們講述了電子系統(tǒng)的集成的三個(gè)層次：芯片上的集成，封裝內(nèi)的集成，PCB板級集成。每一個(gè)層次的集成，都分為不同的環(huán)節(jié)。

（一）芯片上集成的環(huán)節(jié)    

芯片上的集成主要分為兩大環(huán)節(jié)：器件制造和金屬互連，也稱為前段工藝FEOL和后段工藝BEOL。

• 1.器件制造（前段工藝）

器件制造就是在單晶硅片上通過光刻、刻蝕，離子注入，濺射、化學(xué)氣相沉積，物理氣象沉積、化學(xué)機(jī)械拋光、晶圓整平等工藝步驟，制造出被我們稱為功能細(xì)胞的晶體管、電阻、電容、二極管等?，F(xiàn)在的5nm工藝可以在1mm2毫米的面積上制造出超過1億只以上的晶體管。

晶體管的制造過程，主要包括隔離、柵結(jié)構(gòu)、源漏、接觸孔等形成工藝，一般稱之為前段工藝（FEOL, Front End of Line)。

單晶硅通過離子注入可形成，N、N+、N-，P、P+、P-等多種不同參雜濃度的半導(dǎo)體，多晶硅則作為柵極或者電阻使用。

下圖所示為FinFET晶體管在顯微鏡下的照片，其中較高的白色橫梁為柵極G，矮橫梁為Fin，其寬度約為柵極寬度的0.67倍，柵極的兩側(cè)為源級S和漏極D。

• 2.金屬互連（后段工藝）

晶體管層制造好后，通過鎢等金屬制造接觸孔contact連接晶體管和首層布線，然后通過多層金屬布線和過孔進(jìn)行電氣互連，早先的芯片用鋁布線，現(xiàn)在的芯片多用銅布線。

用于連接晶體管等器件的多層金屬布線的制造，主要包括互連線間介質(zhì)沉積，金屬線的形成，引出焊盤形成，一般稱為后段工藝（BEOL, Back End of Line)。

金屬互連中采用的導(dǎo)體有鎢、銅、鋁等金屬，絕緣體則有氧化硅，氮化硅，高介電常數(shù)膜，低介電常數(shù)膜，聚酰亞胺等。

下圖所示為芯片上的金屬互連線在顯微鏡下的照片，可以看出多層布線結(jié)構(gòu)，目前的工藝可以支持超過10層以上的金屬布線。

越是先進(jìn)的集成電路工藝，由于結(jié)構(gòu)尺寸越來越小，各種效應(yīng)層出不窮，為了解決這些效應(yīng)，制造出功能正常的晶體管，所用的元素種類越來越多，幾乎是一場窮盡元素周期表的運(yùn)動。

下圖給出了前段工藝FEOL和后段工藝BEOL的結(jié)構(gòu)示意圖，先在硅基底上制造晶體管，然后通過金屬互連將它們連接起來并引出到芯片的PAD。

• 1.芯片上的RDL和TSV制作

不過，現(xiàn)在的TSV技術(shù)的發(fā)展也日益強(qiáng)大，據(jù)稱可以在1mm2面積蝕刻出多達(dá)一百萬個(gè)TSV，完全能滿足高密度互連的需求。

下圖就是芯片上的TSV示意圖，通過TSV可將芯片上下表面通過金屬導(dǎo)體連接起來，為芯片堆疊做好了準(zhǔn)備。

在芯片上制作TSV實(shí)在是太難了，只有頭部的Foundry廠可以做，這種TSV通常被稱作3D TSV。

為了進(jìn)一步提高集成度，人們又發(fā)明出了在硅基板Interposer上制作出TSV，被稱作2.5D TSV。

• 2.Interposer上的RDL和TSV制作

Interposer被稱為硅轉(zhuǎn)接板，插入器，可以提供比普通基板更高的互連密度。

下圖所示為典型的硅轉(zhuǎn)接板，上面3層金屬，下面2層金屬，中間通過硅通孔連接，我們稱之為3+2結(jié)構(gòu)。

• 3.Substrate上的互連線路制作

下一步，我們還需要制作封裝基板Substrate，封裝基板的材質(zhì)種類比較多，可分為有機(jī)基板和陶瓷基板。

• 3.器件裝配及封裝

下面，我們將Chiplet、Inteposer、Substrate組裝起來，并采用先進(jìn)封裝工藝進(jìn)行處理，就形成了完整的先進(jìn)封裝。

封裝內(nèi)集成的結(jié)果具備了系統(tǒng)的功能，并且體積微小，我們可以稱之為SiP或者微系統(tǒng)。

（三）PCB上集成的環(huán)節(jié)    

• PCB互連線路的制作

• 1.PCB上元器件裝配

（這張圖建議讀者保存，因?yàn)檫@張圖可能是業(yè)內(nèi)第一張從晶體管到PCB的5級電路集成全圖，由Suny Li手工繪制。因?yàn)槭鞘疽鈭D，并未嚴(yán)格按照比例繪制，實(shí)際上，從晶體管到PCB，尺寸擴(kuò)大了約1000000倍）

三、芯片封裝清洗的污染物與清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個(gè)長期的使用和運(yùn)行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

合明科技運(yùn)用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù)，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求，打破國外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產(chǎn)自主提供強(qiáng)有力的支持。

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