异质集成技术：实现封装与应用环境的无缝连接

未来的信息通信技术（Information and Communication Technology，ICT）将会是摩尔定律器件和超越摩尔定律器件在一个封装系统（系统级封装或SiP）中互相融合的产物。系统级封装指的是集成在一个电子封装之内的（多）功能系统，而这些功能系统可通过半导体技术或结合半导体技术与其他技术而制造。系统级封装致力于实现单系统封装的最高价值，这一最高价值可通过如下手段实现：极小型化、集成多种功能（如电学功能、光学功能、机械功能和生物功能）、削断产品的上市时间和提高产品的性价比。系统级封装适用于许多不同的技术，如半导体、传感器、执行机构、电源、RF模块、固态照明和各类医疗设备。

为了便于区分，系统级封装可以分为三类：第一类是多芯封装，如多芯片模块（Multichip Module，McM）、一体化产品封装（Product in Package，PiP）和层叠封装（Package on Package，PoP）；第二类指的是通过多种工艺制备的子系统，这些工艺不仅包括IC工艺，还包括其他工艺，如无源集成；最后一类，也是最难实现的一类，指的是含有多种功能（至少包括除电子功能外的其他一种功能）的子系统，这些子系统是通过多种技术和异质集成而制备的。

通过这类系统级封装实现的具体应用器件或装置可从如下三方面获利：其一是器件或装置的小型化，其小型化水平能达到片上系统（一种遵循摩尔定律技术方案）的小型化水平；其二是超越摩尔定律方案功能的提高；其三是系统的每个零件都采用最优化的加工技术制备。系统级封装背后的技术就是异质集成技术。异质集成技术不仅把这些元器件集成在同一个封装中，而且还提供系统级封装与应用环境之间的界面。因此，异质集成技术成为了微/纳米电子装置和人们能够交互的系统之间的纽带。异质集成技术必须保证能够把基于不同技术和材料的各种元件集成在一起。例如，一个超小型的单封装生物传感器就可能含有用于检测的光子元件、用于通信的RF元件（其所利用的材料为磷化铟（InP）或砷化镓（GaAs））、用于数据压缩和通信协议的逻辑元件和用于能源供应的能源提取和存储元件（热电、燃料电池、薄膜电池）。

异质集成面临的主要技术挑战可以从三个集成级别来说明：

（1）晶片级集成

研究课题如下：

1）通过薄层沉积工艺来实现无源元器件的集成；

2）薄元器件集成；

3）耦合电容集成；

4）通过硅通孔/电源过孔在竖直方向上集成芯片；

5）切片和操纵等薄晶片技术；

6）薄层互连及其对元器件性能的影响；

7）安全可靠的封装。

（2）模块集成

研究课题如下：

1）实现装置的嵌入；

2）柔性基板（辊对辊制造）；

3）光学互连集成；

4）光子封装。

（3）互连、装配和封装(www.xing528.com)

为了满足遵循摩尔定律和超越摩尔定律的集成需求，互连、封装和装配已经成为了系统成本和性能的瓶颈，而且装配和封装的作用正扩展到包括系统级集成功能。这些因素共同推动了创新在如下方面以前所未有的步伐涌现：

1）新材料（铜/低介电常数、绿色材料、高介电常数介质）；

2）新技术（晶片细化、3D、异质集成、WLP、MEMS封培育、无源/有源集成）；

3）超高集成密度的异质系统集成；

4）在一个模块/封装上集成不同的功能；

5）集成的片上/片外设计；

6）系统分割及模块化；

7）芯片内部和芯片间的光学通信；

8）集成的能量转换和存储；

9）纳米封装和纳米装配；

10）缩短上市时间和成本。

其他的研究课题如下：

1）微凸点；

2）高温互连；

3）封装和芯片堆叠（Package and Die Stacking）；

4）自动对准/对准支持系统；

5）先进冷却设计的集成；

6）材料。