關(guān)于發(fā)展我國軍用MCM技術(shù)的思考

 
楊邦朝1  徐如清2 王正義3
1電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院 成都 610054   2中電科技集團(tuán) 北京 100000 
3中電科技集團(tuán)第四十三研究所 230000 
摘要：本文主要分析、總結(jié)了國內(nèi)外多芯片組件（MCM）技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與存在問題，以及今后技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)和主要應(yīng)用方向。
Abstract：This article mainly summarizes the development of MCM (multi-chip model) technology at home and abroad, analyses problems in this technology and the key point in its future development, and describes its common applications.

一、前言

二十一世紀(jì)戰(zhàn)爭的主要特征在于信息化，信息化決定了對(duì)軍事電子裝備小型化、電子化、智能化的需求越來越高、越來越迫切，這必將持續(xù)推動(dòng)微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步、發(fā)展和提高。
多芯片組件（MCM）是一項(xiàng)激動(dòng)人心的微電子組裝與封裝技術(shù)，人們對(duì)其寄予了極大的期望。二十世紀(jì)九十年代，美國將其列為六大關(guān)鍵軍事技術(shù)之一。隨后，又將其確定為2010年前重點(diǎn)發(fā)展的十大軍民兩用高新技術(shù)之一。歐洲五國（英國、法國、瑞士、奧地利和芬蘭）曾制定了一個(gè)三年（1992—1994年）規(guī)劃，組織聯(lián)合開發(fā)研究MCM產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。我國是從“八五”期間開始從事有關(guān)MCM技術(shù)的軍事預(yù)先研究，至今已經(jīng)有十多年的研究歷史并取得長足進(jìn)步。截止2003年，全球相繼有一百多家公司從事MCM產(chǎn)品的開發(fā)﹑設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。
自MCM技術(shù)問世以來，二十多年的時(shí)間過去了，盡管這一技術(shù)已經(jīng)獲得了顯著的發(fā)展和進(jìn)步，但似乎并沒有成為人們所期望的微電子領(lǐng)域的主流技術(shù)。其原因何在呢？MCM技術(shù)的未來發(fā)展前景如何呢？我國MCM技術(shù)又將如何規(guī)劃和發(fā)展呢？本文作簡要分析，供讀者參考。

二、MCM定義與辨析

MCM是在混合集成電路技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)微電子技術(shù)，其與混合集成電路產(chǎn)品并沒有本質(zhì)的區(qū)別，只不過MCM具有更高的性能、更多的功能和更小的體積，可以說MCM屬于高級(jí)混合集成電路產(chǎn)品。
根據(jù)IPAS的定義，MCM技術(shù)是將多個(gè)LSI/VLSI/ASIC裸芯片和其它元器件組裝在同一塊多層互連基板上，然后進(jìn)行封裝，從而形成高密度和高可靠性的微電子組件。根據(jù)所用多層布線基板的類型不同，MCM可分為疊層多芯片組件（MCM -L）、陶瓷多芯片組件（MCM -C）、淀積多芯片組件（MCM -D）以及混合多芯片組件（MCM –C/D）等。
根據(jù)美軍標(biāo)MIL-PRF-38534D混合微電路總規(guī)范的定義，MCM是一種混合微電路，其內(nèi)部裝有兩個(gè)或兩個(gè)以上超過100000門的微電路。
就MCM的技術(shù)先進(jìn)性而言，MCM可以集成VLSI/ASIC等大規(guī)模集成電路芯片，I/O引腳數(shù)多達(dá)100個(gè)以上，但在實(shí)際應(yīng)用中，很多MCM產(chǎn)品并不一定包括VLSI/ASIC等大規(guī)模集成電路芯片，I/O引腳數(shù)也并不是很高。早期，MCM的應(yīng)用焦點(diǎn)主要聚集在以大型計(jì)算機(jī)為代表的應(yīng)用領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)的是其大規(guī)模集成的特點(diǎn)。隨著MCM技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，MCM的高集成度、高組裝效率和高靈活性等特點(diǎn)必將日益突顯出來。
以當(dāng)前MCM的熱門產(chǎn)品藍(lán)牙模塊為例，藍(lán)牙模塊是一種短距離無線通訊產(chǎn)品，2005年全球市場(chǎng)需求量為5億只，制作藍(lán)牙模塊的技術(shù)途徑有兩種：單芯片集成和MCM集成。由于技術(shù)難度大、研發(fā)周期長和成本高，前者一直沒有成功，后者則成為目前最理想的解決方案，2003年市場(chǎng)投放量近2000萬只。藍(lán)牙MCM集成了1個(gè)RF芯片、1個(gè)基帶芯片和一些無源元件，引出端采取BGA形式，集成的芯片規(guī)模也不大，I/O引腳數(shù)也只有34個(gè)。
在國內(nèi)，目前一些為數(shù)不太多的MCM應(yīng)用產(chǎn)品所集成的芯片規(guī)模和I/O引腳數(shù)也都不是很大。
可以說，廣義的MCM定義更符合這一技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，尤其符合國內(nèi)目前的發(fā)展?fàn)顩r，同時(shí)也有利于拓展和延伸MCM技術(shù)的發(fā)展空間。                                                                                                                                       三、MCM的優(yōu)勢(shì)與市場(chǎng)

MCM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電子整機(jī)小型化、多功能化、高性能和高可靠性的十分有效的技術(shù)途徑。與其它集成技術(shù)相比較，MCM技術(shù)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：
由于采用高密度互連技術(shù)，其互連線較短，信號(hào)傳輸延時(shí)明顯縮短。與單芯片表面貼裝技術(shù)相比較，其傳輸速度提高4－6倍，可以滿足100MHz的速度要求。
采用多層布線基板和裸芯片，因此其組裝密度較高，產(chǎn)品體積小，重量輕。其組裝效率可達(dá)30%，重量可減少80－90%。
統(tǒng)計(jì)表明，電子產(chǎn)品的失效大約90%是由于封裝和電路互連所引起的，MCM集有源器件和無源元件于一體，避免了器件級(jí)的封裝，減少了組裝層次，從而有效地提高了可靠性。
MCM可以將數(shù)字電路、模擬電路、微波電路、功率電路以及光電器件等合理有效地集成在一起，形成半導(dǎo)體技術(shù)所無法實(shí)現(xiàn)的多功能部件或系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高性能和多功能化。
減小產(chǎn)品尺寸和重量，同時(shí)提高電性能和可靠性，這是MCM技術(shù)的價(jià)值之所在，也是MCM技術(shù)得以產(chǎn)生和發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。在要求高性能、小型化和價(jià)格是次要因素的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其在軍事、航空航天應(yīng)用領(lǐng)域，MCM技術(shù)具有十分穩(wěn)固的優(yōu)勢(shì)地位。
由于受半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展水平的限制，在我國芯片主要來源于國外，軍用高頻和大功率等芯片的來源一直是是一項(xiàng)非常棘手的問題，因此采用MCM二次集成技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。毫無疑問，MCM在軍事微電子領(lǐng)域?qū)⒕哂蟹浅V泛的應(yīng)用市場(chǎng)和發(fā)展前景。
據(jù)美國信息網(wǎng)絡(luò)公司預(yù)測(cè)，2000年到2005年世界MCM市場(chǎng)的平均年增長率是13.5%，從2000年的0.533億件到2005年的1.004億件。其中2001年全球軍事/航天MCM產(chǎn)品為96.7萬塊，2005年全球軍事/航天MCM產(chǎn)品將為41.5萬塊，增長率為-15.6%。未來MCM在全球軍事電子領(lǐng)域的市場(chǎng)將會(huì)出現(xiàn)衰退，但其原因并不在于其它技術(shù)的競爭，而在于全球軍備投資的減少。{{分頁}}

四、MCM的現(xiàn)狀與問題

從2000年到2005年，世界MCM市場(chǎng)的平均年增長率預(yù)計(jì)為13.5%，盡管MCM在性能﹑數(shù)量和產(chǎn)值方面一直保持著持續(xù)穩(wěn)定的提升，然而與微電子產(chǎn)品的整體規(guī)模相比較，目前MCM產(chǎn)品所占的比重依然是相當(dāng)?shù)偷摹?001年，全球IC的產(chǎn)量約為755億塊，而MCM的產(chǎn)量僅為0.53億塊。在國內(nèi)，MCM的應(yīng)用狀況非常薄弱，產(chǎn)品所占有的市場(chǎng)份額更是微乎其微。
自MCM技術(shù)問世以來，人們對(duì)其寄予很大的期望，普遍認(rèn)為未來將成為微電子技術(shù)的主流。然而隨著MCM應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展和深入，其內(nèi)在和外在的一些負(fù)面因素便日益凸顯出來，從而限制了MCM的應(yīng)用規(guī)模，也妨礙了MCM達(dá)到人們所期待的輝煌的境界，其制約因素主要有以下幾個(gè)方面：     
●由于沒有標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)規(guī)范和生產(chǎn)工藝，缺乏KGD，以及設(shè)備、材料和工藝成本比較昂貴，使 MCM的成本一直居高不下；此外，只要一個(gè)元器件失效，整個(gè)組件就得報(bào)廢。這也造成了商業(yè)應(yīng)用難以接受的高成本。
●當(dāng)今半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展迅速，ASIC的密度越來越高，功率越來越大，其提升速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了早期的預(yù)測(cè)，因此使得MCM失去了眾多的應(yīng)用市場(chǎng)。
●MCM所組裝的LSI、VLSI和ASIC通常為裸芯片，確好裸芯片（KGD）來源問題一直沒有從根本上得到解決，這在很大的程度上妨礙著MCM的推廣應(yīng)用。在我國裸芯片主要來源于國外，KGD以及高頻和大功率芯片的來源更是一項(xiàng)非常急待解決的問題，直接限制著設(shè)計(jì)人員方案的選擇。
●諸如芯片級(jí)封裝（CSP）、少量芯片封裝（FCP）﹑多芯片封裝（MCP）等新型微電子技術(shù)的出現(xiàn)，以其極具競爭力的性價(jià)比對(duì)MCM構(gòu)成了競爭態(tài)勢(shì)，并對(duì)MCM的未來發(fā)展形成了威脅。
種種不利因素制約了MCM技術(shù)的發(fā)展規(guī)模，尤其是大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，使得其注定只能是現(xiàn)有微電子技術(shù)的一種補(bǔ)充，而無法成為一種更新?lián)Q代的局面。盡管MCM技術(shù)很難成為微電子領(lǐng)域的主流技術(shù)，但其依然是一項(xiàng)充滿活力和希望的微電子技術(shù)，尤其在軍事電子領(lǐng)域其依然擁有充分的生存和發(fā)展空間。仍然受到世界各國的高度重視。

五、我國MCM的水平與差距

國際上從七十年代末開始研究和開發(fā)MCM技術(shù)，到2000年則進(jìn)入全面應(yīng)用階段。目前，在小型化、高性能和價(jià)格非主要考慮因素的應(yīng)用領(lǐng)域，MCM技術(shù)已經(jīng)獲得了十分成功的應(yīng)用。在移動(dòng)通訊、汽車電子、筆記本電腦、辦公和消費(fèi)電子等領(lǐng)域，MCM技術(shù)也獲得了迅速的發(fā)展。
2001年，全球MCM產(chǎn)量為5545萬塊，其中軍事/航天占1.8%，計(jì)算機(jī)占16.8%，通訊占49.3%，消費(fèi)類占28.3%，工業(yè)占3.8%。目前，全球MCM開發(fā)和研制廠家有一百多家，主要生產(chǎn)廠家有四十家左右，2000年產(chǎn)值達(dá)到200多億美元。
國外二維MCM技術(shù)的研究已日趨成熟，正走向全面應(yīng)用的階段。隨著電子整機(jī)系統(tǒng)小型化、高性能化、多功能化、高可靠和低成本的要求越來越高，國外又加強(qiáng)了三維MCM系統(tǒng)集成技術(shù)的研究，以此實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)更高的組裝效率、更高的系統(tǒng)性能、更多的系統(tǒng)功能和I/O引腳、更低的功耗和成本。二維MCM的組裝效率最高達(dá)80～85%，三維MCM的組裝效率則可達(dá)200%以上。目前，國外三維MCM技術(shù)主要應(yīng)用于航天、航空、軍事和大型計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域，主要產(chǎn)品有存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器、圖像處理與識(shí)別系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、大型并行計(jì)算機(jī)處理器以及二級(jí)緩存等。
我國是從“八五”期間開始從事MCM技術(shù)研究的，研究單位從最早的寥寥數(shù)家發(fā)展壯大到目前的幾十家，其中主要的研制單位有中電科技集團(tuán)第四十三所、十三所、十四所、中國航天集團(tuán)第七七一所、中國航天集團(tuán)第七七二所、兵總二一四所、信息產(chǎn)業(yè)部電子五所、電子科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)以及北京飛宇公司等，其研究內(nèi)容涉及了MCM的EDA技術(shù)、低溫共燒多層基板制造技術(shù)、高溫共燒多層基板制造技術(shù)、薄膜多層基板制造技術(shù)、混合多層基板制造技術(shù)、AlN多層基板制造技術(shù)、倒裝焊工藝技術(shù)、TAB工藝技術(shù)、MCM可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)、三維MCM制造技術(shù)以及MCM實(shí)用化產(chǎn)品研制等。
經(jīng)過十多年的研究和開發(fā)，我國在MCM設(shè)計(jì)、材料和工藝等技術(shù)領(lǐng)域取得了一系列的科研成果。目前，國內(nèi)在MCM的研制生產(chǎn)中已開始采用EDA設(shè)計(jì)技術(shù)，厚膜多層基板的實(shí)用化工藝水平已達(dá)到：布線層數(shù)5層，線寬/間距150μm/200μm；薄膜多層基板實(shí)用化工藝水平已達(dá)到：布線層數(shù)4層，線寬/間距10μm/20μm，并可內(nèi)埋電阻。低溫共燒多層陶瓷基板的實(shí)用化工藝水平已達(dá)到：布線層數(shù)20層，面積125