多芯片組件的基本特點(diǎn)及應(yīng)用研究

為了適應(yīng)目前電路組裝高密度要求，微電子封裝技術(shù)的發(fā)展日新月異，各種新技術(shù)、新工藝層出不窮。最新出現(xiàn)的CSP（芯片尺寸封裝）使裸芯片尺寸與封裝尺寸基本相近，這樣在相同封裝尺寸時(shí)有更多的I/O數(shù)，使電路組裝密度大幅度提高。但是人們?cè)趹?yīng)用中也發(fā)現(xiàn)，無(wú)論采用何種封裝技術(shù)后的裸芯片，在封裝后裸芯片的性能總是比未封裝的要差一些。于是人們對(duì)傳統(tǒng)的混合集成電路（HIC）進(jìn)行徹底的改變，提出了多芯片組件（Multi Chip Module，即MCM）這種先進(jìn)的封裝模式。

MCM是90年代以來(lái)發(fā)展較快的一種先進(jìn)混合集成電路，它把幾塊IC芯片或CSP組裝在一塊電路板上，構(gòu)成功能電路板，就是多芯片組件，它是電路組件功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的基礎(chǔ)，圖1展示了采用MCM封裝技術(shù)的IBM Power 5處理器，可以清楚地看到它由八塊芯片構(gòu)成。隨著MCM的興起，使封裝的概念發(fā)生了本質(zhì)的變化，在80年代以前，所有的封裝是面向器件的，而MCM可以說(shuō)是面向部件的或者說(shuō)是面向系統(tǒng)或整機(jī)。MCM技術(shù)集先進(jìn)印刷電路板技術(shù)、先進(jìn)混合集成電路技術(shù)、先進(jìn)表面安裝技術(shù)、半導(dǎo)體集成電路技術(shù)于一體，是典型的垂直集成技術(shù)，對(duì)半導(dǎo)體器件來(lái)說(shuō)，它是典型的柔性封裝技術(shù)，是一種電路的集成。MCM的出現(xiàn)使電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型化、模塊化、低功耗、高可靠性提供了更有效的技術(shù)保障，是微電子學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大變革技術(shù)，對(duì)現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、通訊業(yè)等領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生重大影響。

MCM的基本類型

根據(jù)互連和封裝電子學(xué)會(huì)（IPC）標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在所用的MCM分為三類：MCM-C、MCM-D和MCM-L，分類按基材種類劃分。MCM-C（Multi Chip Module-Ceramic）采用陶瓷燒制基材，導(dǎo)體是一層層燒制金屬制成的，層間的通孔互連與導(dǎo)體一塊生成。電阻可以在外層進(jìn)行燒制，最后用激光修整到精確值。所有導(dǎo)體和電阻都印刷到基板上，加工方法頗為復(fù)雜；MCM-D（Multi Chip Module-Deposited Thin Film）采用沉積硅基片，制造過(guò)程類似于集成電路。基片是由硅和寬度在1 m~1mm之間的導(dǎo)體構(gòu)成，通孔則是由各種金屬通過(guò)真空沉積而形成；MCM-L（Multi Chip Module-Laminate）采用層壓有機(jī)基材，制造采用普通印制板的加工方法。應(yīng)用印刷和蝕刻法制成銅導(dǎo)線，鉆出盲孔、埋孔和通孔并鍍銅，內(nèi)層的互連由EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）軟件設(shè)計(jì)來(lái)定。MCM-L由于采用普通的印制電路板的加工方法，具有低成本、工期短、投放市場(chǎng)時(shí)間短的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

MCM的基本特點(diǎn)

MCM是在高密度多層互連基板上，采用微焊接、封裝工藝將構(gòu)成電子電路的各種微型元器件（IC裸芯片及片式元器件）組裝起來(lái)，形成高密度、高性能、高可靠性的微電子產(chǎn)品（包括組件、部件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)）。它是適應(yīng)現(xiàn)代電子系統(tǒng)短、小、輕、薄和高速、高性能、高可靠性、低成本的發(fā)展方向而在多層印制板（PCB）和表面安裝技術(shù)（SMT）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新一代微電子封裝與組裝技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成的有力手段。典型的MCM應(yīng)至少具有以下特點(diǎn)：

MCM是將多塊未封裝的IC芯片高密度安裝在同一塊基板上構(gòu)成的部件，省去了IC的封裝材料和工藝，節(jié)約了原材料，減少了制造工藝，縮小整機(jī)/組件封裝尺寸和重量。

MCM是高密度組裝產(chǎn)品，其互連線長(zhǎng)度極大縮短，與封裝好的SMD相比，減少了外引線寄生效應(yīng)對(duì)電路高頻，高速性能的影響，芯片間的延遲減少了75%。

MCM的多層布線基板導(dǎo)體層數(shù)應(yīng)不小于4層，能把數(shù)字電路，模擬電路，功能器件，光電器件等合理地制作在同一部件內(nèi)，構(gòu)成多功能高性能子系統(tǒng)或系統(tǒng)，使線路之間的串?dāng)_噪聲減少，阻抗易控，電路性能提高。

MCM技術(shù)多選用陶瓷材料作為組裝基板，因此，與SMT用PCB基板相比，熱匹配性能和耐冷熱沖擊力要強(qiáng)的多，因而使產(chǎn)品的可靠性獲得了極大的提高。

MCM集中了先進(jìn)的半導(dǎo)體IC的精細(xì)加工技術(shù)，厚、薄膜混合集成材料與工藝技術(shù)，厚膜、陶瓷與PCB的多層基板技術(shù)以及MCM電路的模擬、仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)、散熱和可靠性設(shè)計(jì)、芯片的高密度互連與封裝等一系列技術(shù)。因此，有人稱其為混合形式的全片集成WSI（Wafer-scale Integration）技術(shù)。

CSP的出現(xiàn)促進(jìn)MCM的發(fā)展

對(duì)MCM的制作成品率影響最大的莫過(guò)于IC芯片。因?yàn)镸CM高成品率要求各類IC芯片都是確實(shí)的芯片KGD（Known Good Die），而裸芯片無(wú)論是芯片制造商還是使用者都難以進(jìn)行全面測(cè)試?yán)匣Y選，因而給組裝MCM帶來(lái)無(wú)法確定芯片性能的不利因素。一旦裝上的芯片不合格，這塊MCM就會(huì)不合格并難以返修。例如，一個(gè)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成帶12個(gè)電路芯片的MCM，假設(shè)其優(yōu)質(zhì)品的概率全部是95%，那么該MCM合格的概率就等于0.95的12次冪，即合格率降為54%，這樣的結(jié)果導(dǎo)致大約兩個(gè)MCM就有一個(gè)需要返修、重做，生產(chǎn)成本增加。正是成本和成品率阻礙著MCM的應(yīng)用和發(fā)展。而成本又與成品率息息相關(guān)，因此，如何提高M(jìn)CM的成品率就成為進(jìn)一步促進(jìn)MCM工業(yè)化的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

CSP（Chip Scale Package，芯片尺寸封裝）的出現(xiàn)很好地解決了這一問(wèn)題。CSP不僅具有封裝IC芯片的一切優(yōu)點(diǎn)，如能拾起測(cè)試、老化等，CSP還具有裸芯片的一切優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗某叽缰挥行酒笮　Ｓ械腃SP，如PI介質(zhì)層CSP，還可以實(shí)現(xiàn)大圓片的“封裝”，大圓片工藝完成后與普通芯片一樣劃片。可以說(shuō)，各類CSP真正解決了單芯片IC的KGD問(wèn)題。解決了組裝MCM的后顧之憂，大大提高M(jìn)CM的成品率，其成本也會(huì)大為降低。

CSP的引腳間距按SMT的要求（如0.5~1.27mm）布置Pb/Sn焊接凸點(diǎn)，因此可以使用常規(guī)的SMT在厚、薄膜HIC多層基板上或PCB多層基板上對(duì)CSP進(jìn)行貼裝并再流焊，使MCM的工業(yè)化成為可能，也使SMT提高到一個(gè)新的水平。

當(dāng)一個(gè)大而復(fù)雜的系統(tǒng)規(guī)定了MCM所占的封裝面積時(shí)，往往一層MCM難以實(shí)現(xiàn)，可以設(shè)計(jì)成立體化的疊裝MCM，既減小了所占面積，又充分利用了空間。由于CSP解決了KGD問(wèn)題，所以疊裝MCM的成品率才有保證。

CSP的出現(xiàn)，解決了芯片小，封裝大的矛盾，它既有封裝器件的一切便利，又有裸芯片尺寸小，性能優(yōu)的特點(diǎn)，這就為MCM的迅速發(fā)展應(yīng)用解決了后顧之憂，因?yàn)榻M裝MCM的所有芯片都經(jīng)過(guò)老化篩選、測(cè)試，使芯片成為真正的KGD。另外，由于CSP的“外引線”凸點(diǎn)均是Pb/Sn焊料，使用SMT進(jìn)行貼裝焊接十分方便，MCM的工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)才能得以實(shí)現(xiàn)。

MCM與HIC的異同

MCM是將多塊未封裝的IC芯片高密度地安裝在同一高密度多層布線基板上構(gòu)成的部件。一般而言，MCM與HIC并無(wú)本質(zhì)差別，它基本上是混合集成技術(shù)的延伸產(chǎn)品，無(wú)論HIC還是MCM，所有基板的面積都是一定的，其結(jié)構(gòu)是組件化產(chǎn)品。然而，MCM并不就是HIC，MCM與HIC存在著一定的區(qū)別，其區(qū)別主要在于：HIC在各種基板上安裝的主要是無(wú)源元件，半導(dǎo)體器件所占的比例非常小，作為HIC用的半導(dǎo)體期間可以是裸芯片也可以是經(jīng)過(guò)封裝后的器件，在通常情況下，制成部件的電路較為簡(jiǎn)單。而MCM在各種高密度多層基板上安裝的主體是半導(dǎo)體器件，確切地是未封裝半導(dǎo)體器件芯片，制成部件的電路一般都較為復(fù)雜，由此可知，MCM技術(shù)是混合集成技術(shù)的延伸，是HIC技術(shù)與WSI技術(shù)的綜合，也是PCB技術(shù)與IC裸芯片封裝技術(shù)的結(jié)合，是混合集成技術(shù)的高級(jí)產(chǎn)品。

MCM的應(yīng)用

MCM的應(yīng)用范圍很廣，包括了從價(jià)格低廉的“低檔”消費(fèi)電子產(chǎn)品用于軍事、航天和醫(yī)療等領(lǐng)域的高性能的“高檔”電子產(chǎn)品。表1列出了全球各種MCM產(chǎn)品制造的情況。

MCM的發(fā)展趨勢(shì)

通常所說(shuō)的多芯片組件都是指二維的（2D-MCM），它的所有元器件都布置在一個(gè)平面上，不過(guò)它的基板內(nèi)互連線的布置是三維。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，芯片的集成度大幅度提高，對(duì)封裝的要求也更加嚴(yán)格，2D-MCM的缺點(diǎn)也逐漸暴露出來(lái)。目前，2D-MCM組裝效率最高可達(dá)85%，已接近二維組裝所能達(dá)到的最大理論極限，這已成為混合集成電路持續(xù)發(fā)展的障礙。為了改變這種狀況，三維的多芯片組件（3D-MCM）就應(yīng)運(yùn)而生了，其最高組裝密度可達(dá)200%。3D-MCM是指元器件除了在x-y平面上展開以外，還在垂直方向（Z方向）上排列，與2D-MCM相比，3D-MCM具有更高的集成度、組裝效率、更小的體積及重量、降低功耗，信號(hào)傳輸速度增加等優(yōu)點(diǎn)。

MCM在組裝密度、信號(hào)傳輸速度、電性能以及可靠性等方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，是目前能最大限度地提高集成度、提高高速單片IC性能，制作高速電子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)小型化、多功能化、高可靠性、高性能的最有效途徑。MCM早在80年代初期就曾以多種形式存在，但由于成本昂貴，大都只用于軍事、航天及大型計(jì)算機(jī)上。隨著技術(shù)的進(jìn)步及成本的降低，近年來(lái)，MCM在計(jì)算機(jī)、通信、雷達(dá)、數(shù)據(jù)處理、汽車行業(yè)、工業(yè)設(shè)備、儀器與醫(yī)療等電子系統(tǒng)產(chǎn)品上得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，成為最有發(fā)展前途的高級(jí)微組裝技術(shù)。例如利用MCM制成的微波和毫米波SOP（System-on-a -package），為集成不同材料系統(tǒng)的部件提供了一項(xiàng)新技術(shù)使得將數(shù)字專用集成電路、射頻集成電路和微機(jī)電器件封裝在一起成為可能。3D-MCM是為適應(yīng)軍事宇航、衛(wèi)星、計(jì)算機(jī)、通信的迫切需要而近年來(lái)在國(guó)外得到迅速發(fā)展的高新技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成的重要技術(shù)途徑。目前3D-MCM已被應(yīng)用到高性能大容量的存儲(chǔ)器組件和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，充分發(fā)揮了三維多芯片組件技術(shù)的優(yōu)越性。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微電子封裝將向微型化、輕型化和薄型化方向發(fā)展。3-D封裝技術(shù)具有降低功耗、減輕重量、縮小體積、減弱噪聲、降低成本等優(yōu)點(diǎn)。它將是未來(lái)微電子封裝的主要發(fā)展方向。電子系統(tǒng)（整機(jī)）向小型化、高性能化、多功能化、高可靠和低成本發(fā)展已成為目前的主要趨勢(shì)，從而對(duì)系統(tǒng)集成的要求也越來(lái)越迫切。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成的技術(shù)途徑主要有兩個(gè)：一是半導(dǎo)體單片集成技術(shù)，二是MCM技術(shù)。前者是通過(guò)晶片規(guī)模的集成技術(shù)（WSI），將高性能數(shù)字集成電路（含存儲(chǔ)器、微處理器、圖像和信號(hào)處理器等）和模擬集成電路（含各種放大器、變換器等）集成為單片集成系統(tǒng)。后者是通過(guò)3D-MCM技術(shù)實(shí)現(xiàn)WSI的功能。

3D-MCM技術(shù)是現(xiàn)代微組裝技術(shù)發(fā)展的重要方向，是新世紀(jì)微電子技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。由于宇航、衛(wèi)星、計(jì)算機(jī)及通信等軍事和民用領(lǐng)域?qū)μ岣呓M裝密度、減輕重量、減小體積、高性能和高可靠性等方面的迫切需求，加之3D-MCM在滿足上述要求方面具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)正得到廣泛的應(yīng)用。

結(jié)束語(yǔ)

由于MCM的先進(jìn)性，促使整機(jī)在小型化、多功能化、高可靠、高性能發(fā)面有了很大進(jìn)展，發(fā)展勢(shì)頭迅猛，目前已經(jīng)成功地用于大型通用計(jì)算機(jī)和超級(jí)巨型機(jī)中，今后將用于工作站、個(gè)人計(jì)算機(jī)、醫(yī)用電子設(shè)備和汽車電子設(shè)備等領(lǐng)域。1992年至1996年MCM以11.1%的年遞增率發(fā)展，今年產(chǎn)值有可能突破110億美元，21世紀(jì)初將進(jìn)入全面實(shí)用化階段，迎來(lái)MCM全面推廣應(yīng)用和電子設(shè)備革命的年代。

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