高密度互連的歷史

高密度互連（HDI）技術(shù)遠(yuǎn)不止電路設(shè)計(jì)的小型化。它代表著我們行業(yè)的重大突破。作為《快樂(lè)的霍爾頓》的作者人類發(fā)展指數(shù)手冊(cè)HDI打破了傳統(tǒng)的“以同樣的方式，只不過(guò)更小”的傳統(tǒng)方法。HDI的進(jìn)步不僅改善了元件連接的尺寸和幾何結(jié)構(gòu)，還改變了器件本身的電性能，從而降低了功耗，提高了性能。

在現(xiàn)代水平上實(shí)施HDI涉及到在材料、成像、裝配、測(cè)試和設(shè)計(jì)方面做出改變。本文研究了這些變化，并展望了在不久的將來(lái)我們可能看到的情況，因?yàn)镠DI將繼續(xù)改變我們看待復(fù)雜、緊湊的電路以及它們使之成為可能的設(shè)備的方式。

在歷史上，增加功能性和減小封裝尺寸的雙重力量共同推動(dòng)了HDI的發(fā)展。為電子產(chǎn)品添加新的特性和功能需要額外的組件和電路，但是市場(chǎng)需求，無(wú)論是消費(fèi)電子產(chǎn)品還是商業(yè)電子產(chǎn)品，都需要越來(lái)越小的占地面積和更低的功耗（通常以電池壽命來(lái)衡量）。HDI首先解決了如何更有效地安裝組件的問(wèn)題。

隨著設(shè)備之間的距離縮小，工程師們注意到設(shè)備間信號(hào)的上升時(shí)間與整體封裝尺寸之間的關(guān)系。減小跟蹤距離（從一個(gè)設(shè)備到下一個(gè)設(shè)備的空間）縮短了設(shè)備間電壓達(dá)到所需水平所需的時(shí)間，這既因?yàn)榫嚯x較低，也因?yàn)橄鄳?yīng)的電容更小。這有助于提高使用開(kāi)發(fā)中的HDI技術(shù)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的性能。

使HDI成為可能的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步是微孔，一種連接電路板上元件的新方法。傳統(tǒng)的印刷電路板（PCB）技術(shù)，從20世紀(jì)40年代末到80年代，依賴于分立元件之間的光蝕刻痕跡，通常使用完全穿過(guò)PCB的安裝孔（例如使用波峰焊接設(shè)備）。從20世紀(jì)90年代末開(kāi)始，微通孔（一種深徑比明顯低于早期通孔通孔的電路路徑）的性能和可靠性受到了嚴(yán)格的測(cè)試。當(dāng)長(zhǎng)徑比小于1:1時(shí)（與長(zhǎng)徑比在6:1到20:1之間的通孔通孔相比），這些新的、薄的微孔的熱循環(huán)壽命是以前的許多倍。

最初，他們制造出的微氣孔和HDI印刷電路板是基于當(dāng)時(shí)新的表面貼裝器件（SMD）技術(shù)，即將分立元件焊接到PCB的頂層，而不是穿過(guò)多層。然而，隨著功能復(fù)雜性的不斷增長(zhǎng)，有必要開(kāi)發(fā)多層安裝和設(shè)計(jì)技術(shù)。早期的基準(zhǔn)測(cè)試表明，與可控阻抗12層通孔設(shè)計(jì)，8層HDI多層膜將PCB的面積減少了40%，同時(shí)也減少了4層。這降低了成本，同時(shí)也使更小的產(chǎn)品成為可能。

HDI的好處：左邊的綠色PCB是傳統(tǒng)的12層通孔控制阻抗設(shè)計(jì)。黑色PCB顯示基準(zhǔn)8層HDI重新設(shè)計(jì)，在相同功能下節(jié)省40%的表面積和33%的層深。

多層/微孔法涉及PCB制造過(guò)程的所有階段的變化，尤其是元件和設(shè)計(jì)：

?組件：組件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性持續(xù)增加，尺寸不斷縮小，這與摩爾定律一致，摩爾定律指出，設(shè)備密度大約每19個(gè)月翻一番。隨著器件密度的增大，對(duì)PCB器件的功能要求也隨之顯著提高。更小的設(shè)備可以在一塊PCB上安裝更多；此外，這些設(shè)備通常有更多的連接，這必須在PCB上加以考慮。

?設(shè)計(jì)：PCB設(shè)計(jì)，包括剛性和柔性，必須適應(yīng)表面貼裝設(shè)備（SMD）結(jié)構(gòu)的連續(xù)發(fā)展。傳統(tǒng)的多氯聯(lián)苯已經(jīng)無(wú)法滿足這些更現(xiàn)代、更復(fù)雜的設(shè)備的需求。設(shè)備有更多的軌跡和更細(xì)的間距，需要PCB設(shè)計(jì)，以解決縮短的距離，以及需要與多層連接的限制，基于SMD的設(shè)計(jì)。

?制造：正如老派的通孔設(shè)計(jì)必須逐步淘汰以處理SMD元件，其使用波峰焊接設(shè)備的制造工藝也不再適用于現(xiàn)代IC封裝。將SMD元件與PCB結(jié)合的熱黏合劑，取代了傳統(tǒng)的從下方焊接引腳的技術(shù)。

HDI在性能、封裝尺寸和整體重量方面提供了許多優(yōu)勢(shì)。當(dāng)HDI應(yīng)用于手持、可穿戴和移動(dòng)電子產(chǎn)品時(shí)，這些因素的結(jié)合使得HDI尤其具有吸引力。

HDI的主要?jiǎng)訖C(jī)很簡(jiǎn)單：一個(gè)設(shè)備中的晶體管數(shù)量越多，功能就越強(qiáng)大，性能也就越高。除了在給定產(chǎn)品中使用更強(qiáng)大、更緊湊的設(shè)備可以提高性能外，高密度設(shè)計(jì)的實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)本身也可以提高性能。

較短的記錄道（無(wú)論是片上記錄道還是HDI板上的記錄道）減少了電信號(hào)在組件之間傳輸所需的時(shí)間。作為另一種電氣優(yōu)勢(shì)，器件之間的小通孔（特別是當(dāng)與器件內(nèi)部的小軌跡耦合時(shí)）減小了電路中的總電容，從而減少了信號(hào)的上升時(shí)間。此外，高密度設(shè)計(jì)降低了電感，降低了對(duì)相鄰引線和引腳的影響。這就是HDI在PCB上放置更多晶體管的能力，這不僅使該設(shè)備具有更大的功能，而且還帶來(lái)了更高的性能。

微氣孔（紅色顯示）連接HDI PCB層內(nèi)的嵌入電容器和電阻。減少導(dǎo)電材料的距離和質(zhì)量可以提高緊湊、復(fù)雜設(shè)備的電氣性能。

整體電容減少的一個(gè)副作用是降低了HDI器件所需的電壓。反過(guò)來(lái)，電壓的下降不僅意味著需要更小的電池，而且也減少了熱量的產(chǎn)生，這意味著散熱問(wèn)題較少。消除大的散熱器硬盤散熱和可穿戴電子產(chǎn)品的發(fā)展為許多可穿戴電子產(chǎn)品的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

最后，以HDI布局和結(jié)構(gòu)為重點(diǎn)的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的開(kāi)發(fā)，減少了原型開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本，因此可以加快產(chǎn)品引進(jìn)。這種上市時(shí)間（TTM）的縮短意味著更大的盈利潛力，因?yàn)闈撛诳蛻舾斓剞D(zhuǎn)化為實(shí)際客戶。

使現(xiàn)代HDI成為可能的技術(shù)進(jìn)步本質(zhì)上是設(shè)備制造商和PCB設(shè)計(jì)者之間的舞蹈，每一個(gè)都提供了新的技術(shù)，這些新技術(shù)要求，或者有時(shí)允許另一方隨著設(shè)備密度的提高而前進(jìn)。

隨著集成電路變得越來(lái)越強(qiáng)大和更小，將它們安裝到pcb上的技術(shù)必須進(jìn)行調(diào)整，以充分利用新的設(shè)備。早期的密集型集成電路包括球柵陣列（BGA）器件，在這種器件中，器件的整個(gè)下側(cè)都可用于連接，而不是像以前在IC結(jié)構(gòu)中采用標(biāo)準(zhǔn)的雙列直插封裝（DIP）設(shè)計(jì)那樣在每側(cè)都用引腳封裝。BGA支架，其極短的引線，提供了一個(gè)重要的步驟，以減少電感相關(guān)的信號(hào)失真，有助于整體性能的HDI設(shè)計(jì)。BGA器件的主要負(fù)電荷是轉(zhuǎn)換成執(zhí)行將BGA安裝到PCB的機(jī)器的初始成本；作為直插式組件主流的波峰焊接機(jī)無(wú)法滿足BGA器件所要求的表面組裝。

芯片規(guī)模封裝（CSP）將BGA原理提升到了一個(gè)新的層次。CSP組件最初被稱為“芯片尺寸封裝”，其設(shè)計(jì)初衷是器件不會(huì)比芯片本身大，器件底部有BGA型引線。這一名稱的改變反映了封裝的需要，最初的定義是CSP器件的尺寸不超過(guò)器件所用芯片的1.2倍。然而，隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的改進(jìn)（摩爾定律繼續(xù)被證明是準(zhǔn)確的），芯片本身縮小了，但封裝尺寸本身保持不變。CSP的定義改為指安裝球間距不超過(guò)1mm的設(shè)備。

PCB封裝的密度有多高？1996年索尼DCR-PC7微型攝像機(jī)所用的電路板使用0.15毫米間距的痕跡連接組件兩側(cè)的20個(gè)CSP設(shè)備（0.5毫米間距）。

直接芯片連接（DCA）通過(guò)將引線直接沉積在硅上，而不是使用將芯片的焊盤連接到PCB上的痕跡，繼續(xù)朝著更高密度的方向發(fā)展。這種技術(shù)有時(shí)也被稱為“倒裝芯片”，因?yàn)閷?dǎo)電墊安裝在晶圓上作為最后的構(gòu)造階段，然后器件被倒置安裝在PCB上，通常在就位后使用底充工藝覆蓋模具的側(cè)面。

從PCB制造商的角度來(lái)看，via in-pad design與DCA和CSP合作，以確保這些高密度半導(dǎo)體在最終應(yīng)用中都到位后有一個(gè)高效的工作環(huán)境。焊盤內(nèi)通孔設(shè)計(jì)將通孔直接置于設(shè)備的焊盤下方，這是電感、電容和發(fā)熱的減少在最終應(yīng)用中產(chǎn)生差異的地方。電流通孔焊盤設(shè)計(jì)能夠產(chǎn)生間距為0.75mm的跡線，并提供一個(gè)平坦的表面，以實(shí)現(xiàn)良好的設(shè)備連接。

集成電路設(shè)計(jì)和印刷電路板技術(shù)之間的技術(shù)飛躍，導(dǎo)致了當(dāng)今流行的可穿戴和便攜式電子設(shè)備，從微型數(shù)碼攝像機(jī)和筆記本電腦到智能手機(jī)和智能手表。IBM在紐約理工大學(xué)的新一代300毫米晶體管設(shè)計(jì)工廠在紐約理工大學(xué)揭幕。雖然10納米以下的設(shè)計(jì)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了十多年的驗(yàn)證，但使用硅鍺（SiGe）基片的IBM/SUNY芯片是第一次大規(guī)模演示ic生產(chǎn)技術(shù)。

這一發(fā)展的意義：IBM聲稱，由于緊密堆疊，這些7nm芯片的表面積比現(xiàn)在的芯片減少了近50%。這一發(fā)展的兩個(gè)關(guān)鍵是使用極紫外（EUV）光進(jìn)行光刻，以及使用SiGe作為痕跡本身。與目前的光刻標(biāo)準(zhǔn)（波長(zhǎng)為193nm的氟化氬激光器）相比，EUV的波長(zhǎng)只有13.5nm。此外，標(biāo)準(zhǔn)硅已經(jīng)無(wú)法在7nm處攜帶足夠的電流，因?yàn)樵谌绱苏耐ǖ乐袥](méi)有足夠的原子來(lái)傳輸信號(hào)。鍺的加入增加了電子的遷移率，使器件能夠正常工作。

7nm芯片距離進(jìn)入主流制造技術(shù)至少還有兩年的時(shí)間，但用SiGe芯片制造的產(chǎn)品的復(fù)雜性和豐富性將是HDI電路設(shè)計(jì)師的下一個(gè)挑戰(zhàn)。最初的挑戰(zhàn)很可能是設(shè)計(jì)更小的pcb以適應(yīng)器件占地面積的顯著減少，這很可能需要在小軌跡設(shè)計(jì)和制造方面取得新的進(jìn)展。最終，由于設(shè)備尺寸的減小總是伴隨著性能和復(fù)雜度的提高，這些小軌跡設(shè)計(jì)將被迫以相同或更小的占地面積來(lái)應(yīng)對(duì)更大的復(fù)雜性和更高數(shù)量的互連。HDI的歷史表明，這種將IC設(shè)計(jì)的進(jìn)步與PCB設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)的進(jìn)步相匹配的平衡行為有望在未來(lái)取得令人興奮的進(jìn)展。