电子系统从2D到4D集成技术的发展

逍遥设计自动化

集成规模的理解
/ q- [4 I& ^& Y电子系统集成技术已经从简单的2D排列发展到复杂的4D结构。集成规模可分为三个主要类别：IC的纳米级集成（以nm为单位）、SiP或先进封装的微米级集成（以μm为单位）以及PCB的毫米级集成（以mm为单位）[1]。
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图1展示了集成规模示意图，说明了IC、SiP和PCB技术在不同尺度范围的分布及其重叠区域。
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* u  h" s' P) p2D集成基础技术
6 X1 s# ^2 N. J' P+ h* U+ E2D集成是最基本的集成形式，所有组件都水平安装在基板表面上。这种方法常用于多芯片模块（MCM）和基本的系统级封装（SiP）设计。电气连接通过基板实现，组件直接与安装表面接触。
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图2展示了2D集成定义图，描述了组件水平安装在基板平面上，电气连接通过基板实现的方式。

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: q* b4 o  ^$ G图3展示了使用2D集成的SiP实例，展现了水平组件安装的实际应用。

+ {9 s% ]4 H6 b1 r# ?; @- L2D+集成技术进展
& ~, _+ V) C  v4 x, O2D+集成是2D排列的改进版本，引入了垂直堆叠，同时保持基板级电气连接。这种技术提供了三种主要的堆叠配置：金字塔式、悬臂式和并排堆叠。
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+ I/ [8 K5 C- O# V3 S/ k图4展示了2D+集成的三种主要类型：金字塔芯片堆叠、带间隔物的悬臂芯片堆叠以及并排堆叠配置。

" X+ ]) L/ Q3 c& D2.5D集成技术
2 a! [, u, N. `( H7 X$ y" l2.5D集成在芯片和基板之间引入了中间层，实现了更高的集成密度和更好的电气性能。这种方法可以使用多种中间层材料，包括硅、玻璃或陶瓷，每种材料都具有特定应用的优势。

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; L4 _) @. T  `- |5 L* h图5展示了带TSV和不带TSV的硅中间层2.5D集成实现方式，展示了不同的中间层连接方法。
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3D集成技术
3D集成在垂直堆叠技术方面实现了重大突破，直接通过芯片实现硅通孔（TSV）。这种技术实现了芯片间的直接连接和更高的集成密度，可应用于相同和不同芯片的组合。
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+ N# A; X# j3 ~# f1 E- u, ^图6展示了相同芯片和不同芯片的3D集成，展示了TSV技术在垂直连接中的应用。
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4D集成技术
8 }2 F; L" W& V4D集成引入了多个基板非平行排列的新方法。这可以通过刚性-柔性组合或专用陶瓷结构实现，为空间排列和功能提供了新的可能。

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) b' N8 Q0 m! b图7展示了基于刚性-柔性基板的4D集成展开图和完成图。
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图8展示了气密4D集成配置。
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% {1 W( V/ N7 I腔体集成技术
. w$ ]+ h$ v2 P腔体集成利用特殊设计的基板开口来增强封装功能。这些腔体可以提供多种用途，包括提高键合线的稳定性、增强陶瓷封装的气密性，以及实现双面组件安装。
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图9展示了SiP设计中的腔体结构、多级腔体配置和嵌入式腔体实现。
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6 ~# o+ }; o; o$ v% _图10展示了腔体集成的实际应用，展示了改进的键合线稳定性、增强的气密性和双面组件安装能力。
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$ w# `4 r" L2 i( d/ v( A平面集成技术
& |! {" r  w& [# {& c* O: v平面集成代表了将无源组件嵌入基板本身的先进方法。这包括通过特殊材料和工艺技术制作的电阻、电容和电感，提供了更好的空间利用率和电气性能。

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图11展示了嵌入基板内的平面电阻、电容和电感的实现方式及其基本结构。
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图12展示了平面电阻和电容的各种结构，展示了嵌入式无源组件的不同设计选项。

集成技术总览和未来展望

9 ]: v  T  ~4 l5 a6 z" g4 b图13提供了七种不同集成技术在定义坐标系中的关系概览。

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图14展示了SiP集成技术的总结，展示了现代电子系统中如何组合不同的方法。

集成技术的选择取决于多个因素，包括所需功能、成本限制和性能要求。随着电子系统的不断发展，这些集成技术将在实现新一代器件和应用中发挥更加重要的作用。不同集成方法的组合使设计人员能够针对特定要求优化系统，同时保持未来修改和改进的灵活性。
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/ ], e0 ~* u) q6 h) e( Z. ^* O% K参考文献
/ v* }$ v; x* l' X2 T8 x5 t8 p[1] S. Li, "From 2D to 4D Integration," in MicroSystem Based on SiP Technology, S. Li, Ed. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2022, ch. 4, pp. 89-115.

END


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