多芯片組件技術(shù)

摘要：概述了微電子封裝技術(shù)的發(fā)展歷史和多芯片組件MCM技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，介紹了MCM技術(shù)的特點(diǎn)、基本類型及其特性、三維多芯片組件和MCM的應(yīng)用，并分析預(yù)測(cè)了未來(lái)微電子封裝的發(fā)展趨勢(shì)。

　　關(guān)鍵詞：微電子封裝，多芯片組件技術(shù)

　　1 引言

　　在某種意義上，電子學(xué)近幾十年的歷史可以看作是逐漸小型化的歷史，推動(dòng)電子產(chǎn)品朝小型化過(guò)渡的主要?jiǎng)恿κ窃骷图呻娐稩C的微型化。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，器件的速度和延遲時(shí)間等性能對(duì)器件之間的互連提出了更高的要求，由于互連信號(hào)延遲、串?dāng)_噪聲、電感電容耦合以及電磁輻射等影響越來(lái)越大，由高密度封裝的IC和其他電路元件構(gòu)成的功能電路已不能滿足高性能的要求。人們已深刻認(rèn)識(shí)到，無(wú)論是分立元件還是IC，封裝已成為限制其性能提高的主要因素之一。目前電子封裝的趨勢(shì)正朝著小尺寸、高性能、高可靠性和低成本方面發(fā)展。

　　所謂封裝是指將半導(dǎo)體集成電路芯片可靠地安裝到一定的外殼上，封裝用的外殼不僅起著安放、固定、密封、保護(hù)芯片和增強(qiáng)電熱性能的作用，而且還是溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁，即芯片上的接點(diǎn)用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過(guò)印制板上的導(dǎo)線與其他器件建立連接。因此，封裝對(duì)集成電路和整個(gè)電路系統(tǒng)都起著重要的作用。芯片的封裝技術(shù)已經(jīng)歷了幾代的變遷，從雙列直插式封裝(DIP)、塑料方型扁平式封裝(POFP)、插針網(wǎng)格陣列封裝(PGA)、球柵陣列封裝(BGA)、芯片尺寸封裝(CSP)到多芯片組件(MCM)，技術(shù)更先進(jìn)，芯片面積與封裝面積之比越來(lái)越趨近于1，適用頻率更高，耐溫性能更好，引腳數(shù)增多， 引腳間距減小，可靠性提高，使用更加方便。

　　80年代被譽(yù)為“電子組裝技術(shù)革命”的表面安裝技術(shù)SMT改變了電子產(chǎn)品的組裝方式。SMT已經(jīng)成為一種日益流行的印制電路板元件貼裝技術(shù)，其具有接觸面積大、組裝密度高、體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，既吸收了混合IC的先進(jìn)微組裝工藝，又以價(jià)格便宜的PCB代替了常規(guī)混合IC的多層陶瓷基板，許多混合IC市場(chǎng)已被SMT占領(lǐng)。隨著IC的飛速發(fā)展，I／O數(shù)急劇增加，要求封裝的引腳數(shù)相應(yīng)增多， 出現(xiàn)了“高密度封裝”。90年代，在高密度、單芯片封裝的基礎(chǔ)上，將高集成度、高性能、高可靠的通用集成電路芯片和專用集成電路芯片ASIC在高密度多層互連基板上用表面安裝技術(shù)組裝成為多種多樣的電子組件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)，由此而產(chǎn)生了多芯片組件MCM[1]。在通常的芯片印刷電路板PCB和SMT中，芯片工藝要求過(guò)高，影響其成品率和成本；印刷電路板尺寸偏大，不符合當(dāng)今功能強(qiáng)、尺寸小的要求，并且其互連和封裝的效應(yīng)明顯，影響了系統(tǒng)的特性；多芯片組件將多塊未封裝的裸芯片通過(guò)多層介質(zhì)、高密度布線進(jìn)行互連和封裝，尺寸遠(yuǎn)比印刷電路板緊湊，工藝難度又比芯片小，成本適中。因此，MCM是現(xiàn)今較有發(fā)展前途的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式，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。

　　2 基本特點(diǎn)

　　多芯片組件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))。它是為適應(yīng)現(xiàn)代電子系統(tǒng)短、小、輕、薄和高速、高性能、高可靠、低成本的發(fā)展方向而在PCB和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。

　　多芯片組件已有十幾年的歷史，MCM組裝的是超大規(guī)模集成電路和專用集成電路的裸片，而不是中小規(guī)模的集成電路，技術(shù)上MCM追求高速度、高性能、高可靠和多功能，而不像一般混合IC技術(shù)以縮小體積重量為主。

　　典型的MCM應(yīng)至少具有以下特點(diǎn)[2]：

　　(1)MCM是將多塊未封裝的IC芯片高密度安裝在同一基板上構(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，縮小了整機(jī)／組件封裝尺寸和重量。

　　(2)MCM是高密度組裝產(chǎn)品，芯片面積占基板面積至少20％以上，互連線長(zhǎng)度極大縮短，封裝延遲時(shí)間縮小，易于實(shí)現(xiàn)組件高速化。

　　(3)MCM的多層布線基板導(dǎo)體層數(shù)應(yīng)不少于4層，能把模擬電路、數(shù)字電路、功率器件、光電器件、微波器件及各類片式化元器件合理而有效地組裝在封裝體內(nèi)，形成單一半導(dǎo)體集成電路不可能完成的多功能部件、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。

　　(4)MCM避免了單塊IC封裝的熱阻、引線及焊接等一系列問(wèn)題，使產(chǎn)品的可靠性獲得極大提高。

　　(5)MCM集中了先進(jìn)的半導(dǎo)體IC的微細(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新技術(shù)，因此，有人稱其為混合形式的全片規(guī)模集成WSI技術(shù)。


　　3 基本類型





　　根據(jù)多層互連基板的結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)的不同，MCM大體上可分為三類：層壓介質(zhì)MCM(MCML)，陶瓷或玻璃瓷MCM(MCM-C)，硅或介質(zhì)材料上的淀積布線MCM(MCM-D)。表1給出MCM三種基本類型的結(jié)構(gòu)、材料和性能[3，4]。

　　MCM-L是采用多層印制電路板做成的MCM，制造工藝較成熟，生產(chǎn)成本較低，但因芯片的安裝方式和基板的結(jié)構(gòu)所限，高密度布線困難，因此電性能較差，主要用于30MHz以下的產(chǎn)品。MCMC是采用高密度多層布線陶瓷基板制成的MCM，結(jié)構(gòu)和制造工藝都與先進(jìn)IC極為相似。其優(yōu)點(diǎn)是布線層數(shù)多，布線密度、封裝效率和性能均較高，主要用于工作頻率30～50MHz的高可靠產(chǎn)品。它的制造過(guò)程可分為高溫共燒陶瓷法HTCC和低溫共燒陶瓷法LTCC。由于低溫下可采用Ag、Au、Cu等金屬和一些特殊的非傳導(dǎo)性的材料，近年來(lái)，低溫共燒陶瓷法占主導(dǎo)地位。MCM-D是采用薄膜多層布線基板制成的MCM，其基體材料又分為MCM-D／C(陶瓷基體薄膜多層布線基板的MCM)、MCM-D／M(金屬基體薄膜多層布線基板的MCM)、MCM-D／Si(硅基薄膜多層布線基板的MCM)等三種，MCM-D的組裝密度很高，主要用于500MHz以上的產(chǎn)品。

　　4 三維多芯片組件

　　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)互連線的布置已是三維。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)封裝的要求也越嚴(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％，接近二維組裝所能達(dá)到的最大理論極限，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，三維多芯片組件(3D-MCM)應(yīng)運(yùn)而生，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(kāi)以外，還在垂直方向(z方向)上排列，與2D-MCM相比，3D-MCM具有以下的優(yōu)越性[5]：

　　(1)相對(duì)于2D-MCM而言，3D-MCM可使系統(tǒng)的體積縮小到1／10，重量減輕到1／6。

　　(2)芯片之間的互連長(zhǎng)度比2D-MCM短得多，因此可進(jìn)一步減小信號(hào)傳輸延遲時(shí)間和信號(hào)噪聲，降低功耗，信號(hào)傳輸(處理)速度增加。

　　(3)組裝效率已高達(dá)200％，進(jìn)一步增大了組裝效率和互連效率，因此可集成更多的功能，實(shí)現(xiàn)多功能的部件以至系統(tǒng)(整機(jī))。

　　(4)互連帶寬，特別是存儲(chǔ)器帶寬往往是影響計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)性能的重要因素。降低延遲時(shí)間和增大總線寬度是增大信號(hào)寬度的重要方法，3D-MCM正好具有實(shí)現(xiàn)此特性的突出優(yōu)點(diǎn)。

　　(5)由于3D-MCM內(nèi)部單位面積的互連點(diǎn)數(shù)大大增加，具有更高的集成度，使其整機(jī)(或系統(tǒng))的外部連接點(diǎn)數(shù)和插板大大減少，因此可靠性得到進(jìn)一步提高。

　　3D-MCM雖然具有以上所述的優(yōu)點(diǎn)，但仍然有一些困難需要克服。封裝密度的增加，必然導(dǎo)致單位基板面積上的發(fā)熱量增大，因此散熱是關(guān)鍵問(wèn)題。一般如金剛石或化學(xué)汽相淀積(CVO)金剛石薄膜、水冷或強(qiáng)制空冷、導(dǎo)熱粘膠或散熱通孔。另外，作為一項(xiàng)新技術(shù)，3D-MCM還需進(jìn)一步完善，更新設(shè)備，開(kāi)發(fā)新的軟件。

　　5 應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

　　MCM在組裝密度(封裝效率)、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、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，已成為最有發(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，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[6]。3D-MCM是為適應(yīng)軍事宇航、衛(wèi)星、計(jì)算機(jī)、通信的迫切需求而迅速發(fā)展的高新技術(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)。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)三維多芯片組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)WSI的功能。

　　三維多芯片組件技術(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)。近年來(lái)在國(guó)外得到迅速發(fā)展。因此，我國(guó)也應(yīng)該盡快高度重視該項(xiàng)新技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。