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。

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