集成（integration）就是将孤立的元素通过特定的方式改变其原有的分散状态，将其组合在一起，并产生相互联系，从而构成一个有机整体的过程。当这个有机整体可以被称为系统时，集成也被称为系统集成。因此，集成是构建系统的必要手段。

4.1.1　集成的尺度

对于电子系统来说，可以按照尺度对集成进行分类。

从芯片内部的集成到封装内部的集成，再到PCB板级集成，可以按照其常用度量单位及其包含的主要元素的尺度来定义。

· 纳米级集成（Nano-scale Integration）：IC中的集成主要以nm作为度量单位，并且其包含的晶体管的尺度为纳米级，我们称之为纳米级集成；

· 微米级集成（Micron-scale Integration）：SiP或者先进封装中的集成主要以um作为度量单位，并且内部包含的裸芯片、键合线、重新布线层（Redistribution Layer，RDL）、硅通孔（Through Silicon Via，TSV）的尺度通常为微米级，我们称之为微米级集成；

· 毫米级集成（Milli-scale Integration）：PCB中的集成主要以mm作为度量单位，并且内部包含的元器件、引脚、布线和过孔的尺度通常为毫米级，我们称之为毫米级集成。

图4-1所示为集成的尺度示意图，可以看出IC、SiP、PCB三者尺度主要的分布区域。它们之间并非界限明确，有一些重叠。随着技术的发展，在某些领域三者甚至有融合的趋势。

1.IC内部的集成

IC内部的集成从集成电路诞生就开始了，它一直基于2D平面集成技术，并逐渐从最初的毫米级发展到微米级，直到今天的纳米级集成。今天的集成电路可以在1 mm ² 的面积上集成1亿个以上的晶体管，这些晶体管水平排列在硅基板上。虽然集成的密度越来越大，但直到今天，除3D NAND Flash之外，在IC内部的集成还是以2D集成为主。近些年随着IC工艺逐渐逼近物理极限，IC上的集成也面临集成密度难以再提高的困境。

2.封装内的集成

封装内的集成开始于多芯片模块（Multi Chip Module，MCM），最初在封装内的集成均基于2D集成，所有的芯片和无源元器件均水平安装在一块基板上，随着MCM功能和性能需求的提升，以及芯片规模的不断增大，当原有的概念已经不再适用时，SiP技术终于出现，并带有其独特优势：3D集成技术。

最初的3D集成将不同功能的裸芯片从下至上堆在一起，再由两侧的键合线连接，最后以系统级封装的外观呈现。堆叠的方式包括金字塔型堆叠、悬臂型堆叠、并排堆叠等多种方式。

随后，出现了基于硅中介板（Interposer）的3D集成方式，在硅中介板上布线和打孔，并在其上方安装芯片，与此同时，在芯片上直接打孔和布线的3D集成方式也越来越普遍，为了便于区分，人们将在硅中介板上打孔的集成方式称为2.5D IC，将在芯片上直接打孔的集成方式称为3D IC，这种叫法虽然有其合理性，但也容易让人混淆，例如，很多人都会把基于IC制造工艺的3D NAND Flash和基于芯片堆叠的NAND Flash弄混，前者是在IC内部的3D集成，而后者是封装内部的3D集成。

随着封装内集成需求的多样化和灵活性，基于刚柔结合板或者基板折叠的集成技术也在很多领域得到了广泛的应用，我们又该如何将其与其他集成方式进行区分呢？

3.PCB板级集成

印制电路板（Printed Circuit Board，PCB），是电子工业的重要部件之一。几乎每种电子设备，小到智能手环、遥控器、手机，大到计算机、无线通信设备、军用武器系统，任何设备，只要有集成电路等电子元器件，为了使各个元器件之间电气互连，都要使用PCB进行集成。

PCB由绝缘底板、连接导线、过孔和装配焊接电子元器件的焊盘组成，具有导电线路和绝缘底板的双重作用。现代PCB具有良好的产品一致性，可以采用标准化设计，有利于在生产过程中实现机械化和自动化。目前，PCB的品种已从单面板发展到双面板、多层板、HDI高密度板、柔性板、刚柔结合板等。

由于受元器件封装尺度的影响和PCB加工工艺的限制，PCB上的集成密度多年来变化不大。因此，要提升电子系统的集成密度，封装内部的集成目前发展空间最大，并且由于其集成方式的灵活性，受到了来自多方面的关注，从Foundry到OSAT再到系统厂商都积极研究并应用封装内的集成，SiP及先进封装技术也因此成为电子技术发展的热点。

4.1.2　一步集成和两步集成

从前面的内容了解到，集成是电子技术的基础，也是实现微系统的基础。下面按照4.1.1节的分类方法，重点介绍目前主流的集成技术。

在介绍集成技术之前，先介绍一步集成和两步集成。

1.一步集成（One Step Integration）

在本书中，将在一套工艺流程中完成的集成定义为一步集成。

例如，集成电路裸芯片的生产就是一步集成。首先，在一个完整的晶圆上涂上光阻剂，通过掩模版，用紫外光照射晶圆，使得光线以特定的形状照射在晶圆上，将微电路的版图形状影印在晶圆上；然后，通过光刻过程生成电路图形，然后通过离子注入，改变这些地区硅的导电性，形成晶体管电路；最后，通过多层金属建立各种晶体管的互连，完成复杂的集成电路生产。整个过程可能需要两千多个步骤才能最终完成，但整个电路从开始到完成都没有离开晶圆本身，一般在一个Foundry中完成整个加工过程，所以我们称之为一步集成。

一步集成基本以2D集成为主，应用在集成电路制造上的绝大多数的IC制造属于2D一步集成，目前仅有3D NAND Flash属于3D一步集成。3D NAND已经能做到128层甚至更高，其产量正在超越2D NAND，而且层数还会进一步扩展，因此，3D NAND能将摩尔定律很好地延续。随着技术的发展，当3D一步集成技术也能应用到其他的IC领域时，真正的3D IC时代就到来了。

2.两步集成（Two Steps Integration）

在本书中，将需要进行基板生产和组装两套工艺流程的集成定义为两步集成，常见的SiP、所有带基板的封装、MCM、PCB都属于两步集成。

在SiP的生产过程中，基板由专门的基板厂负责生产和测试，在基板生产完成后，再由封测厂商完成整个SiP的粘片、键合、焊接、封装、测试等流程。基板生产和封测通常是由不同的专业厂商，或者由不同的专业部门来完成的，所以我们称之为两步集成。

在下面介绍的封装内集成技术中，均是以基板作为集成的基础进行定义的，所以均属于两步集成的范畴。

4.1.3　封装内集成的分类命名

从传统意义上来讲，凡是有堆叠的集成都可以称为3D集成，无论此堆叠是位于芯片内部还是芯片外部，因为在Z轴上有了功能和信号的延伸。

由于封装内集成的多样性以及新技术的不断出现，人们在集成的定义上容易混淆。为了使读者对集成技术有更清晰的理解和深入的认识，笔者根据自己的经验，梳理了目前各种集成方式，并结合现有定义，对封装内集成技术进行了分类命名，如表4-1所示。

在进行集成技术分类时，遵循了两个标准：物理结构和电气互连。