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集成的尺度和維度

發(fā)布時(shí)間:2022-04-01作者來(lái)源:薩科微瀏覽:2038


01 
集成的尺度




尺度,一般理解為
尺寸、尺碼,計(jì)量的長(zhǎng)度,規(guī)定的限度,可引申為準(zhǔn)則、法度。在本文中,尺度就指的是被描述對(duì)象的尺寸或大小。照從小到大的順序來(lái)分析集成的尺度,我們就從最小的基本粒子開始吧!

1、基本粒子    

人類已知的世界由61種基本粒子(Elementary Particles)組成。

61種基本粒子被分為了夸克 (quark)、輕子 (lepton)、玻色子 (boson)三大類。

其中,只有電子(Electron)、光子(photon)與中微子(neutrino)是穩(wěn)定存在于自然界且能作用于宏觀世界的粒子。大名鼎鼎的夸克,被禁閉在質(zhì)子與中子這樣的復(fù)合粒子中,終生不得釋放。

電子 (輕子):電子是人類認(rèn)識(shí)最充分,應(yīng)用最廣泛的基本粒子。今天,現(xiàn)代科技基本上都是圍繞著電子開展,如果沒有了電子,整個(gè)世界都會(huì)停滯。

光子 (玻色子):光子應(yīng)用比電子還早,從遠(yuǎn)古時(shí)代就開始應(yīng)用,現(xiàn)代從日常生活到[敏感詞]的科學(xué)領(lǐng)域都離不開光子。

中微子 (輕子):中微子很難探測(cè),因此被稱作神秘粒子,雖然目前應(yīng)用不多,卻被看作很有潛力的一種粒子。它速度極快,接近光速,并且可以無(wú)阻礙地穿越一切物體,未來(lái)可應(yīng)用于中微子通訊,地層掃描等領(lǐng)域。
而那些不能獨(dú)立存在于自然界的基本粒子,無(wú)法和宏觀世界直接打交道,因此無(wú)法實(shí)用,對(duì)人類的影響就遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電子、光子和中微子了。

2、原子    

我們將尺度放大到原子。

人類目前已知的118種元素中,來(lái)自自然界的元素有92種,其余的元素則是由人工合成的。代表元素的最小單位我們稱之為原子,不同的原子構(gòu)成了不同的物質(zhì)。

原子的結(jié)構(gòu),原子由原子核和繞核運(yùn)動(dòng)的電子組成。原子核只占原子體積的幾千億分之一,因此,原子的體積是由核外電子決定的。

電子有波粒二象性,它不像宏觀物體的運(yùn)動(dòng)那樣有確定的軌道,無(wú)法預(yù)測(cè)它在某一時(shí)刻究竟出現(xiàn)在核外空間的哪個(gè)地方,只知道它在某處出現(xiàn)的幾率有多少,如同一片帶負(fù)電的云狀物籠罩在原子核周圍,因此被稱為 “電子云”。

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我們以半導(dǎo)體中最常用的硅元素為例,硅原子核外有14個(gè)電子,其中[敏感詞]層有2個(gè)電子,第二層有8個(gè)電子,最外層4個(gè)電子為價(jià)電子。

硅晶體中沒有明顯的自由電子,硅原子最外層的4個(gè)電子,既不像導(dǎo)體中那樣活躍,也不像絕緣體那樣被緊緊束縛住,其活躍度介于導(dǎo)體與絕緣體之間,具有半導(dǎo)體性質(zhì)。硅能導(dǎo)電,但導(dǎo)電率不及金屬,且隨溫度升高而增加。

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原子的尺度,原子沒有一個(gè)精確定義的最外層,通常所說(shuō)的原子半徑是根據(jù)相鄰原子的平均核間距測(cè)定的。那么,在硅晶體中,硅原子之間的距離到底是多少呢?

構(gòu)成晶體的最基本的幾何單元稱為晶胞(Unit Cell),硅晶體是一個(gè)面立方體,其晶胞的邊長(zhǎng)為0.543nm,以硅原子晶胞的一個(gè)面作為平面,硅原子排列如下圖所示,硅原子在該平面的最小間距為0.384nm,三個(gè)硅原子的排列寬度為1.152nm。

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那么,一立方納米中有多少硅原子呢?

在由硅原子構(gòu)成的一個(gè)面心立方體的晶胞內(nèi),8個(gè)頂點(diǎn)和6個(gè)面各有一個(gè)硅原子,另外還有4個(gè)硅原子,分別位于四個(gè)空間對(duì)角線的 1/4處,平均到每一個(gè)硅晶胞中的原子數(shù)為8 (8 × 1/8 + 6 × 1/2 + 4 = 8)。

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硅的晶胞邊長(zhǎng)為a(晶格常數(shù)),在300K時(shí),a=5.4305?(0.543nm)。

8 ÷(0.5433)=49.97≈50,也就是說(shuō),1nm3 中的硅原子數(shù)量為50個(gè),通過(guò)硅材料的密度和硅原子質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算,也會(huì)得到同樣的結(jié)果。

為了改善硅的導(dǎo)電性質(zhì),在其中摻入少量5價(jià)元素,形成N型半導(dǎo)體,或者摻入少量3價(jià)元素,形成P型半導(dǎo)體。

無(wú)論摻入何種元素,基本不會(huì)改變硅的晶格結(jié)構(gòu),因此,原子之間的距離也不會(huì)變化,1nm3 中的原子數(shù)量也不會(huì)變化,依然是50個(gè)。

到了納米尺度,原子也是可以論個(gè)來(lái)數(shù)的。

3、從原子到功能細(xì)胞    

什么是功能細(xì)胞(Function Cell)?我們定義其為功能的最小單位,在集成電路中,晶體管就可以被定義為功能細(xì)胞。當(dāng)然,電阻、電容、電感、二極管等也是功能細(xì)胞。

功能細(xì)胞是由原子組成的,而功能的實(shí)現(xiàn)則是通過(guò)控制電子而實(shí)現(xiàn)的,也可以說(shuō),功能細(xì)胞的功能是由電子賦予的,能夠合理地控制電子,就具備了相應(yīng)的功能。

功能的實(shí)現(xiàn)則來(lái)源于現(xiàn)實(shí)的需求、人類的智慧和那些堪稱偉大的發(fā)明或發(fā)現(xiàn)。

我們就以集成電路中最典型的功能細(xì)胞晶體管為例。

晶體管之所以能成為功能細(xì)胞,就在于其能有效地控制電子。

下圖是目前主流的FinFET晶體管,通過(guò)在柵極(Gate)施加合理的電壓,電子就能從源極(Source)流向漏極(Drain),從而產(chǎn)生電流并導(dǎo)通。

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通過(guò)晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷,可以表示不同的狀態(tài),多個(gè)晶體管組合在一起,就能形成不同的邏輯電路,從而完成不同的功能。

只要能執(zhí)行相同的功能,功能細(xì)胞的體積自然是越小越好。那功能細(xì)胞能小到什么程度呢?

針對(duì)現(xiàn)有的硅基晶體管而言,大致受兩個(gè)因素的制約,一個(gè)是晶體管內(nèi)最小的結(jié)構(gòu)寬度,另一個(gè)是晶體管自身所占的面積(體積)。

從上面分析我們知道,三個(gè)硅原子并排排列的寬度就超過(guò)了1nm,晶體管的最小結(jié)構(gòu)寬度可能達(dá)到甚至小于1nm嗎?現(xiàn)在不好下論斷,這么小的寬度除了工藝制作很難,按照現(xiàn)有理論工作的晶體管也難以正常工作。

新型的晶體管,例如單原子晶體管,其最小結(jié)構(gòu)寬度僅為一個(gè)原子,通過(guò)操作單個(gè)原子來(lái)控制晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷。

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據(jù)稱,單原子晶體管的能耗將只有硅基晶體管的萬(wàn)分之一(1/10000),這對(duì)未來(lái)應(yīng)用是一個(gè)決定性的優(yōu)勢(shì)。

4、從功能細(xì)胞到常系統(tǒng)    

功能細(xì)胞可以很小,現(xiàn)在的技術(shù)可以支持在指甲蓋大小的芯片上集成超過(guò)100億以上的晶體管。多個(gè)功能細(xì)胞可以組成功能塊(Function Block),多個(gè)功能塊又組成了功能單元(Function Unit),多個(gè)功能單元組成了微系統(tǒng)(MicroSystem)。

然而,對(duì)于人類來(lái)說(shuō),其產(chǎn)品的尺度需要適合人類的需要,必定要和人類自身的尺度相當(dāng)。

例如手機(jī)和電腦,前者需要經(jīng)常拿在手中,因此需要和人手的尺度相當(dāng),后者需要放在桌面或者膝蓋上,因此和人體橫向的尺度相當(dāng)。

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這一類系統(tǒng),我們稱之為常系統(tǒng)(Common System),意為常人可以接觸并經(jīng)常使用的系統(tǒng)。常系統(tǒng)由微系統(tǒng)、功能單元組成,最終也是由功能細(xì)胞組成。


常系統(tǒng)由于需要和人類的尺度相匹配,即使科技發(fā)展的再先進(jìn),其尺度也不會(huì)變化太大,但為了滿足人類更多的功能需求,其內(nèi)含的功能細(xì)胞會(huì)不斷地增加,即系統(tǒng)的功能密度(Function Density)會(huì)不斷增加。

并且,在人類文明發(fā)展的過(guò)程中,這種趨勢(shì)會(huì)一直延續(xù)下去,這也符合功能密度定律(Function Density Law)的描述。

5、從常系統(tǒng)到大系統(tǒng)    

另外,還有一類系統(tǒng),雖然也是為人服務(wù)的,但并非為個(gè)人服務(wù),而是為群體服務(wù),因此其尺度可以很大,這類系統(tǒng)我們稱之為大系統(tǒng)(Giant System)。例如載人航天系統(tǒng),無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等等。

大系統(tǒng)通常都很復(fù)雜,一般由很多的常系統(tǒng)、微系統(tǒng)或者功能單元組成。

例如GPS系統(tǒng),分為三大部分:空間部分,一共由24顆衛(wèi)星組成;地面部分,由主控制站,監(jiān)測(cè)站,地面天線組成;用戶設(shè)備部分,即各式各樣的GPS 信號(hào)接收機(jī)。

GPS系統(tǒng)可對(duì)地面車輛、船只、飛機(jī)、衛(wèi)星和飛船等各種移動(dòng)用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)的高精度定位測(cè)速和精確授時(shí)。

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大系統(tǒng)和常系統(tǒng)一樣,為了滿足更多的功能需求,其功能密度也會(huì)不斷增加,并且這種趨勢(shì)會(huì)隨著人類文明的發(fā)展一直延續(xù)下去,同樣也符合功能密度定律的描述。

6、集成的尺度總結(jié)    

這里,我們用兩張圖對(duì)集成的尺度做個(gè)總結(jié)。我們將電子系統(tǒng)按照層次分為6級(jí),稱為電子系統(tǒng)6級(jí)分類法。其中,功能細(xì)胞是最小的功能單位,功能細(xì)胞→功能塊功能單元,為三級(jí)不同的功能單位,并由此組成了微系統(tǒng)常系統(tǒng)大系統(tǒng),如下圖所示。

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然后,我們對(duì)功能細(xì)胞進(jìn)行解析,將功能細(xì)胞按照層次分為4級(jí):基本粒子組成了原子,原子形成晶胞,晶胞組成了功能細(xì)胞。

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在本文中,從基本粒子到人類目前可實(shí)現(xiàn)的最復(fù)雜系統(tǒng),我們按照尺度將其分成了10(4+6)個(gè)層次,其中,功能細(xì)胞是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié),是功能的基本單位和載體,就如同人類的細(xì)胞一樣,是人類生命的組成單位和智慧的載體。


每一個(gè)層次或環(huán)節(jié),都需要不同的人去探索、去實(shí)現(xiàn),去創(chuàng)新,去發(fā)展,并將人類的智慧融入其中。

02 集成的維度


人類可以感知的世界,空間維度只有三個(gè),加上時(shí)間,常被稱為四維時(shí)空。

弦理論里描述的11維時(shí)空,無(wú)法證實(shí)其是否真實(shí)存在。即使存在,也如同那些被禁錮在微觀世界的基本粒子,在人類的宏觀世界根本無(wú)法感知,因此,對(duì)人類的活動(dòng)幾乎沒有任何影響。

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在我們通常的認(rèn)識(shí)中,零維是點(diǎn),一維是線,二維是平面,三維是立體。

集成,是將不同的單元匯聚到一起,并能實(shí)現(xiàn)其特定功能的過(guò)程,因此,零維的點(diǎn),一維的線都不適應(yīng)于集成,現(xiàn)實(shí)中主要的集成方式就是兩維的平面集成和三維的立體集成。

實(shí)際應(yīng)用中,僅僅用兩維和三維來(lái)對(duì)集成進(jìn)行分類確實(shí)有些勉為其難,例如有的人就用“假3D”,“真3D”來(lái)區(qū)分不同類型的芯片堆疊方式。

在本文中,我們將集成分為:2D、2D+、2.5D、3D、4D,共五種集成維度,目的是為了便于集成的分類和區(qū)分,同時(shí)也兼容目前的主流說(shuō)法。

此外,我們給出了兩個(gè)重要的判據(jù),物理結(jié)構(gòu)和電氣互連。

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下面描述的集成主要針對(duì)集成電路封裝領(lǐng)域,對(duì)于其他領(lǐng)域也可以此類推。

1、2D集成    

2D 集成是指在基板的表面水平安裝所有芯片和無(wú)源器件的集成方式。

以基板 (Substrate) 上表面的左下角為原點(diǎn),基板上表面所處的平面為XY平面,基板法線為Z軸,創(chuàng)建坐標(biāo)系。

物理結(jié)構(gòu):所有芯片和無(wú)源器件均安裝在基板平面,芯片和無(wú)源器件和 XY 平面直接接觸,基板上的布線和過(guò)孔均位于 XY 平面下方;電氣互連:均需要通過(guò)基板(除了極少數(shù)通過(guò)鍵合線直接連接的鍵合點(diǎn))。

我們最常見的2D集成技術(shù)應(yīng)用于MCM、部分SiP以及PCB。

MCM(Multi Chip Module)多芯片模塊是將多個(gè)裸芯片高密度安裝在同一基板上構(gòu)成一個(gè)完整的部件。

在傳統(tǒng)的封裝領(lǐng)域,所有的封裝都是面向芯片的,為芯片服務(wù),起到保護(hù)芯片、尺度放大和電氣連接的作用,是沒有任何集成的概念的。隨著MCM興起,封裝中才有了集成的概念,所以封裝也發(fā)生了本質(zhì)的變化,MCM將封裝的概念由芯片轉(zhuǎn)向模塊、部件或者系統(tǒng)。

2D集成的SiP,其工藝路線和MCM非常相似,和MCM主要的區(qū)別在于2D集成的SiP規(guī)模比MCM大,并且能夠形成獨(dú)立的系統(tǒng)。

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2D 集成示意圖

此外,基于FOWLP的集成,例如INFO,雖然沒有基板,也可以歸結(jié)為2D集成。目前,集成電路中的晶體管排列也基本上屬于2D集成。

2D集成對(duì)EDA設(shè)計(jì)工具來(lái)說(shuō)最為簡(jiǎn)單,下圖所示為EDA工具中實(shí)現(xiàn)的2D集成設(shè)計(jì)。

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EDA工具中實(shí)現(xiàn)的2D集成設(shè)計(jì)

2、2D+集成    

2D+集成是指的傳統(tǒng)的通過(guò)鍵合線連接的芯片堆疊集成。也許會(huì)有人問(wèn),芯片堆疊不就是3D嗎,為什么要定義為2D+集成呢?

主要基于以下兩點(diǎn)原因:1)3D集成目前在很大程度上特指通過(guò)3D TSV的集成,為了避免概念混淆,我們定義這種傳統(tǒng)的芯片堆疊為2D+集成;2)雖然物理結(jié)構(gòu)上是3D的,但其電氣互連上均需要通過(guò)基板,即先通過(guò)鍵合線鍵合到基板,然后在基板上進(jìn)行電氣互連。這一點(diǎn)和2D集成相同,比2D集成改進(jìn)的是結(jié)構(gòu)上的堆疊,能夠節(jié)省封裝的空間,因此稱之為2D+集成。

物理結(jié)構(gòu):所有芯片和無(wú)源器件均地位于XY平面上方,部分芯片不直接接觸基板,基板上的布線和過(guò)孔均位于XY平面下方;電氣互連:均需要通過(guò)基板(除了極少數(shù)通過(guò)鍵合線直接連接的鍵合點(diǎn))。

下圖所示幾種集成均屬于2D+集成。

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2D+ 集成示意圖

此外,對(duì)于PoP (Package on Package) 類的集成方式,也可以根據(jù)其物理結(jié)構(gòu)和電氣連接進(jìn)行判定,將其歸結(jié)為2D+集成。

EDA設(shè)計(jì)工具對(duì)2D+集成一直有很好的支持,下圖所示為EDA工具中實(shí)現(xiàn)的2D+集成設(shè)計(jì)。

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EDA工具中實(shí)現(xiàn)的2D+集成設(shè)計(jì)

3、2.5D集成    

2.5D顧名思義是介于2D和3D之間,通常是指既有2D的特點(diǎn),又有部分3D的特點(diǎn)的一種維度,現(xiàn)實(shí)中并不存在2.5D這種維度。

物理結(jié)構(gòu):所有芯片和無(wú)源器件均XY平面上方,至少有部分芯片和無(wú)源器件安裝在中介層上(Interposer),在XY平面的上方有中介層的布線和過(guò)孔,在XY平面的下方有基板的布線和過(guò)孔。電氣互連:中介層(Interposer)可提供位于中介層上的芯片的電氣連接。

2.5D集成的關(guān)鍵在于中介層Interposer,一般會(huì)有幾種情況,1)中介層是否采用硅轉(zhuǎn)接板,2)中介層是否采用TSV,3)采用其他類型的材質(zhì)的轉(zhuǎn)接板;在硅轉(zhuǎn)接板上,我們將穿越中介層的過(guò)孔稱之為TSV,對(duì)于玻璃轉(zhuǎn)接板,我們稱之為TGV。

硅中介層有TSV的集成是最常見的一種2.5D集成技術(shù),芯片通常通過(guò)MicroBump和中介層相連接,作為中介層的硅基板采用Bump和基板相連,硅基板表面通過(guò)RDL布線,TSV作為硅基板上下表面電氣連接的通道,這種2.5D集成適合芯片規(guī)模比較大,引腳密度高的情況,芯片一般以FlipChip形式安裝在硅基板上。

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有TSV的2.5D集成示意圖

硅中介層無(wú)TSV的2.5D集成的結(jié)構(gòu)一般如下圖所示,有一顆面積較大的裸芯片直接安裝在基板上,該芯片和基板的連接可以采用Bond Wire或者Flip Chip兩種方式,大芯片上方由于面積較大,可以安裝多個(gè)較小的裸芯片,但小芯片無(wú)法直接連接到基板,所以需要[敏感詞]一塊中介層(Interposer),在中介層上方安裝多個(gè)裸芯片,中介層上有RDL布線,可將芯片的信號(hào)引出到中介層的邊沿,然后通過(guò)Bond Wire連接到基板。這類中介層通常不需要TSV,只需要通過(guò)Interposer上表面的布線進(jìn)行電氣互連,Interposer采用Bond Wire和封裝基板連接。

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無(wú)TSV的2.5D集成示意圖

現(xiàn)在,EDA設(shè)計(jì)工具對(duì)2.5D集成有了很好的支持,下圖所示為EDA工具中實(shí)現(xiàn)的2.5D集成設(shè)計(jì)。

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EDA工具中實(shí)現(xiàn)的2.5D集成設(shè)計(jì)

4、3D集成    

3D集成和2.5D集成的主要區(qū)別在于:2.5D集成是在中介層Interposer上進(jìn)行布線和打孔,而3D集成是直接在芯片上打孔(TSV)和布線(RDL),電氣連接上下層芯片。

物理結(jié)構(gòu):所有芯片和無(wú)源器件均位于XY平面上方,芯片堆疊在一起,在XY平面的上方有穿過(guò)芯片的TSV,在XY平面的下方有基板的布線和過(guò)孔。電氣互連:通過(guò)TSV和RDL將芯片直接電氣連接。

3D集成大多數(shù)應(yīng)用在同類芯片堆疊中,多個(gè)相同的芯片垂直堆疊在一起,通過(guò)穿過(guò)芯片堆疊的TSV互連,如下圖所示。同類芯片集成大多應(yīng)用在存儲(chǔ)器集成中,例如DRAM Stack,F(xiàn)LASH Stack等。

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同類芯片的3D集成示意圖

不同類芯片的3D集成中,一般是將兩種不同的芯片垂直堆疊,并通過(guò)TSV電氣連接在一起,并和下方的基板互連,有時(shí)候需要在芯片表面制作RDL來(lái)連接上下層的TSV。

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不同類芯片的3D集成示意圖

此外,現(xiàn)在的3D Nand Flash是在芯片上直接制作多層存儲(chǔ)單元,也是一種3D集成技術(shù)。

現(xiàn)在,EDA設(shè)計(jì)工具對(duì)3D集成有了很好的支持,下圖所示為EDA工具中實(shí)現(xiàn)的3D集成設(shè)計(jì)。

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EDA工具中實(shí)現(xiàn)的3D集成設(shè)計(jì)

5、4D集成    

前面介紹了2D,2D+,2.5D,3D集成,4D集成又是如何定義的呢?

在前面介紹的幾種集成中,所有的芯片(Chip),中介板(interposer)和基板(Substrate),在三維坐標(biāo)系中,其Z軸均是豎直向上,即所有的基板和芯片都是平行安裝的。在4D集成中,這種情況則發(fā)生了改變。

當(dāng)不同基板所處的XY平面并不平行,即不同基板的Z軸方向有所偏移,我們則可定義此類集成方式為4D集成。物理結(jié)構(gòu):多塊基板以非平行方式安裝,每塊基板上都安裝有元器件,元器件安裝方式多樣化。電氣互連:基板之間通過(guò)柔性電路或者焊接連接,基板上芯片電氣連接多樣化。

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基于剛?cè)峄宓?D集成示意圖

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氣密性陶瓷4D集成示意圖

4D集成定義主要是關(guān)于多塊基板的方位和相互連接方式,因此在4D集成每一塊基板中都可能會(huì)包含有2D,2D+,2.5D,3D的集成方式。

通過(guò)4D集成技術(shù)可以解決平行三維堆疊所無(wú)法解決的問(wèn)題,提供更多、更靈活的芯片安裝空間,解決大功率芯片的散熱問(wèn)題,以及航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用中關(guān)注的氣密性問(wèn)題。

現(xiàn)在,EDA設(shè)計(jì)工具對(duì)4D集成也有了很好的支持,如下圖所示為EDA工具中實(shí)現(xiàn)的4D集成設(shè)計(jì)。

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EDA工具中實(shí)現(xiàn)的4D集成設(shè)計(jì)

4D集成技術(shù)提升了集成的靈活性和多樣化,展望未來(lái),在多種集成維度中,4D集成也必定占有一席之地,并將成為繼2D、2D+、2.5D、3D集成技術(shù)之后重要的集成技術(shù)。

從嚴(yán)格物理意義上來(lái)說(shuō),以現(xiàn)有的人類認(rèn)知出發(fā),所有的物體都是三維的, 二向箔并不存在,四維空間更待考證。

為了便于區(qū)分多種不同的集成方式,我們將其分為2D、2D+、2.5D、3D,4D,5種集成維度。

6、集成的維度總結(jié)    

這里,我們用一張圖對(duì)集成的維度做個(gè)總結(jié),如下圖所示,包含5種集成維度的EDA設(shè)計(jì)圖例和每種維度具體包含的集成類型。

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03 總結(jié)


集成一般指人類的活動(dòng),而非自然的過(guò)程,因此,集成也是人類改造世界的重要手段。

在這篇文章中,我們從尺度和維度兩個(gè)方面來(lái)剖析現(xiàn)代電子集成技術(shù),二者都屬于空間的范疇,一個(gè)代表空間的大小,一個(gè)代表空間的方位。

集成的尺度從最小的基本粒子到最復(fù)雜的大系統(tǒng),分為10個(gè)層次進(jìn)行描述;集成的維度定義了5個(gè)維度來(lái)進(jìn)行分類和描述。

從空間軸我們對(duì)集成的描述已經(jīng)足夠充分了。



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