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
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。

2D集成基础技术
2D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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! g0 d5 l# q/ V) w& o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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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。

2D+集成技术进展
( z8 x3 ?, ^/ \2D+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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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。
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: Y# g- u$ j0 K/ S9 `; e& J( ]' Q2.5D集成技术
* V! }. l- I5 |* @2.5D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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9 B, z# h/ A/ B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。

3D集成技术
, f6 h3 @$ M# K7 T& j! x. g3D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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( \/ {. @% E# {6 H2 E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。

4D集成技术
# V6 r( I8 {  P7 y5 A! }0 c. z, P4D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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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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腔体集成技术
: f# V: j( f: [$ V9 q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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  ^+ z. @% L6 h# h7 j2 Y& a% q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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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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8 i5 c+ r; o$ ^- ~平面集成技术
' S/ D2 |6 M" L, B9 h6 Z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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+ r$ a' s- U1 ^% O5 G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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  ]6 m. f) E4 T! E6 b4 y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。
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集成技术总览和未来展望

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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) r- o5 A+ w  u9 [# d% j; |/ [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。

" y. M1 r# }1 A; y2 I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。
) c, |: V+ V5 r1 [. U5 z2 o2 e5 Y# ?
$ q3 `9 z2 @2 N8 c3 @参考文献
8 R. x0 A3 x( f5 d[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.
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