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世界上第一部商用手机是科学家马丁·库帕（Martin Lawrence Cooper）在1973年发明的摩托罗拉Dyna TAC 8000X，它像砖头一样笨重，只有简单的通话功能，只能储存30个电话号码。而我们现在使用的智能手机相当于一台掌上电脑，它集通话、上网、导航、娱乐等多种功能于一体，还可以轻松地塞进口袋。手机是如何变得又轻、又小，还拥有众多功能的呢？要弄清其中的原因，首先我们要了解手机的内部构造。
我们可以把一部手机看作一个人，脑作为人体的控制中心，它总是在不断地发送和接收信息，这让我们看到世界、听见声音、与人交流，而芯片就是手机的“大脑”。芯片，也就是集成电路，它是采用微电子工艺在硅片上制成的电路单元阵列，每一个电路单元的核心是晶体管。晶体管就是一个开关，可以控制电流的通断。当栅极不加电压时，电流通道断开，晶体管处于截止状态，意味着逻辑运算结果为“0”；当栅极加电压时，电流通道打开，晶体管处于导通状态，意味着逻辑运算结果为“1”，如图2-11所示。
一部手机里大概集成了上百亿个晶体管，小小的手机里怎么装得下数量如此庞大的晶体管呢？这就要从晶体管的诞生说起了。晶体管的前身是电子管，也称真空管，是通过栅极电压控制真空中的电子束发射来实现开关功能。1904年，英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明（John Ambrose Fleming）发明了世界上第一只电子二极管。1946年，采用电子管作为逻辑运算单元的第一台通用计算机诞生，这台ENIAC计算机由17 500个电子管组成，因电子管既笨又重，这台计算机重达30t，占地170m 2 ，功耗达174kW，每秒却只能进行5 000次运算。直到晶体管和集成电路诞生，才使得今天的手机、电脑“身轻如燕”成为可能。
● 图2-11 晶体管原理示意图
1947年，世界上第一个晶体管诞生，它是基于锗半导体材料，由贝尔实验室的威廉·肖克利（William Shockley）、约翰·巴顿（John Bardeen）和沃特·布拉顿（Walter Brattain）合作发明的，他们也因此获得了1956年的诺贝尔物理学奖。相较于电子管，晶体管具有更小的外形、更多的功能和更长的寿命。晶体管的发明标志着现代半导体产业的诞生和信息时代的开启。自此，晶体管的发展又经历了平面晶体管、鳍式场效应晶体管、环绕栅极晶体管三个阶段，其特征尺寸也从25nm缩小到1nm。1nm大约只有4个硅原子直径相加那么大，上亿个晶体管集成在一起的芯片不过一粒米的大小，可以轻松放进手机、电脑里。
不过，单个晶体管仅具有控制“开关”的能力，直接把它放进手机里，并不能使手机“看到世界”“听到声音”，也不能与人交互。只有把晶体管等有源器件和其他无源器件（如电容、电阻、电感、天线等）通过布线互连形成一个完整的电路，它才能收集信息、处理信息。这个电路就是集成电路，它能够独立实现一种或多种功能。
集成电路的发展是以晶体管的制程工艺为基础的。1958年第一个集成电路诞生。1965年，英特尔创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）预言：一块芯片中可容纳的晶体管数量每隔18~24个月就会增加一倍，性能也将提升一倍。这就意味着，可以在更小的芯片上集成同样数量的晶体管，集成电路的尺寸将不断缩小。
集成电路是手机的“大脑”，晶体管是集成电路的核心组成。晶体管和集成电路不断缩小使得手机尺寸不断减小，这是手机“瘦身”的第一个秘籍。
通过减小晶体管和集成电路的尺寸，可使手机的“大脑”变小。要使整机尺寸减小，仅靠芯片变小是不够的，对应于身体各部分器官的整个系统必须一起变小，这样才能彻底实现手机“瘦身”。手机“瘦身”的第二个秘籍，就是通过先进的集成封装技术使手机其他“器官”变小。
封装技术的发展大致可以分为分立元件插装和嵌入式贴片集成封装两个阶段。在20世纪80年代以前是分立元件插装阶段，所有的电子元件都由长长的管脚插装到电路板，插装密度难以提高，导致电子设备的体积很大。20世纪90年代，出现了表面贴装技术，芯片小而封装大的根本矛盾得以解决。在现阶段，封装技术进入三维堆叠式集成封装时代，并实现了从封装元件到封装系统的跨越。
有源芯片经历了2D封装、2.5D封装、3D封装3个阶段，实现了从平面集成到立体堆叠集成的发展，集成度大幅度提升。从整个电子系统来看，有源器件所占体积并不大，其周围的大量无源器件才是导致设备体积大的主要原因。
目前，针对无源电子元器件集成的主流封装技术是低温共烧陶瓷（LTCC）技术。LTCC是1982年休斯公司开发的新型材料技术，它是将陶瓷粉通过流延工艺制成生瓷带，借助激光打孔、微孔注浆等工艺制出所需的电路图形，并将无源器件通过印刷工艺印制在生瓷带上，然后叠压烧结，形成内埋无源器件的多层陶瓷基板，之后在其表面贴装有源器件，形成有源-无源器件集成的功能模块，从而实现电子设备的小型化、微型化。图2-12中的LTCC蓝牙滤波器，其尺寸比一个硬币小得多。
● 图2-12 有源-无源器件集成示意图和LTCC蓝牙滤波器
从1G时代到5G时代，随着晶体管、集成电路的尺寸缩小以及先进集成封装技术的发展，手机不仅成功“瘦身”，还拥有了超强的功能，是智能家居、远程医疗、无人驾驶等物联网应用的重要接口。在不远的未来，6G将成为构建物理世界与数字世界连接的神经中枢，手机等电子设备也将随之发生新变革，持续迈向高频化、高速化、低能耗与智能化，有望真正实现“因智而联、因联而智、智通万物、慧达千行”的人类可持续发展愿景。
南方科技大学材料科学与工程系博士生。2020年于武汉理工大学材料科学与工程学院获学士学位。主要研究方向为新型高导热绝缘介质材料的开发及其在电子封装中的应用。
南方科技大学材料科学与工程系讲席教授，研究方向为电子信息材料与器件。获国家杰出青年科学基金资助，教育部特聘教授，享受国务院政府特殊津贴专家，中华全国总工会女职工建功立业标兵，2020年当选为国际电气与电子工程师协会会士（IEEE Fellow），2021年当选为深圳市女科技工作者协会第一届会长。