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标题: 电子系统的集成 [打印本页]

作者: bekindasd 时间: 2022-4-1 13:58
标题: 电子系统的集成

电子系统的集成主要分为三个层次（Level）：芯片上的集成，封装内的集成，PCB板级集成，如下图所示：

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。

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。

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。

加工艺，减工艺，图形转移制造芯片的工艺很多，完成一颗芯片制造的工艺流程多达上千种，这些工艺可以分为三大类：加工艺，减工艺，图形转移。加工艺简单来说就是在基底上增加材料，例如，离子注入，溅射、化学气相沉积CVD，物理气象沉积PVD等都可以归类为加工艺。减工艺简单来说就是在去除材料，例如刻蚀，化学机械抛光CMP，晶圆整平等都可以归类为减工艺。图形转移是三类工艺里面最多且最难的，因为每一步的加工艺或者减工艺基本都要以图形转移为依据。图形转移就是将设计的出来的图形，转移的晶圆上，涉及到的是掩膜、光刻、光刻胶。图形转移其实也是人类思维和智慧的转移。

每一步的加工艺或者减工艺前后都需要进行图形转移，这样才能将特定的图形制作在芯片上。这些图形多层叠加，将半导体、导体、绝缘体三类材料组合在一起形成特定的立体结构，在晶圆平面创造出功能细胞，实现了相应的功能。三类材料 + 三类工艺就能造就如此复杂的芯片，也真应了古人讲的“一生二，二生三，三生万物”。数千道工序之后，芯片上集成的产品是晶圆，晶圆被切割后就形成了芯片Chip或者芯粒Chiplet，为下一个层次的集成做准备。

封装内的集成

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。

封装内集成不会用到半导体的特性，因此封装内集成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（芯片上的集成）所完成的芯片或芯粒在封装内集成并进行电气互联，形成微系统。最初的封装都是单芯片的，并没有集成的概念，传统的单芯片封装的主要作用有三个：芯片保护、尺度放大、电气连接。以SiP为代表的多芯片封装在传统封装的基础上又增加了3个功能：提升功能密度，缩短互连长度，进行系统重构。封装内的集成缓解了芯片上集成的压力，从而被看作延缓摩尔定律终结的神兵利器。封装内的集成由于不需要制造功能细胞(Transistor)，而只是将功能单元(chiplet)组装起来，因此其集成的难度被芯片上的集成要低不少。
封装内集成的另一个特点就是灵活度高，可分为2D、2D+、2.5D、3D、4D五种集成的维度（详见：集成的尺度和维度）。封装内集成的结果就是形成以SiP、先进封装为代表的功能单元，我们可以称之为微系统。

PCB上的集成

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。

作者: somethingabc 时间: 2022-4-1 14:47
芯片上、封装内、PCB板级

作者: fantasyqqq 时间: 2022-4-1 16:31
有些是把一个模块当一个器件用

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