多芯片組件(MCM)技術(shù)

多芯片組件（MCM）技術(shù),機(jī)電學(xué)院2013.03.21,一、多芯片組件（MCM）認(rèn)知,概念：多芯片組件,英文縮寫(xiě)MCM(Multi-ChipModule)是繼表面安裝技術(shù)后，在微電子領(lǐng)域出現(xiàn)的一項(xiàng)最引人矚目的新技術(shù)，是將多塊半導(dǎo)體裸芯片組裝在一塊布線(xiàn)基板上的一種封裝技術(shù)。其與混合集成電路產(chǎn)品并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，只不過(guò)多芯片組件具有更高的性能、更多的功能和更小的體積，可以說(shuō)多芯片組件屬于高級(jí)混合集成電路產(chǎn)品。,一、多芯片組件（MCM）認(rèn)知,基本特點(diǎn)：MCM組裝的是超大規(guī)模集成電路和專(zhuān)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。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。,一、多芯片組件（MCM）認(rèn)知,基本特點(diǎn)：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(xiàn)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。MCM的多層布線(xiàn)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(lèi)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(xiàn)路之間的串?dāng)_噪聲減少，阻抗易控，電路性能提高。,一、多芯片組件（MCM）認(rèn)知,基本特點(diǎn)：MCM避免了單塊IC封裝的熱阻、引線(xiàn)及焊接等一系列問(wèn)題，使產(chǎn)品的可靠性獲得極大提高。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)。,MCM結(jié)構(gòu)示意及技術(shù)領(lǐng)域,二、多芯片組件（MCM）分類(lèi),多芯片組件的分類(lèi)，國(guó)際上通常采用美國(guó)電子電路互連和封裝協(xié)會(huì)(IPC)提出的MCM分類(lèi)方式，將MCM分為三個(gè)基本類(lèi)型，即MCM-L(疊層多芯片組件)、MCM-C(共燒陶瓷多芯片組件)與MCM-D(淀積多芯片組件)。,MCM分類(lèi)與比較,二、多芯片組件（MCM）分類(lèi),MCM-L疊層MCM是基于傳統(tǒng)印刷電路板的方法發(fā)展而來(lái)，將導(dǎo)體銅材料和絕緣介質(zhì)材料三明治式夾在一起通過(guò)腐蝕、打孔、鍍涂等工藝提供一種可以實(shí)現(xiàn)互連的多層布線(xiàn)結(jié)構(gòu)，作為此類(lèi)MCM的基板。在基板制作過(guò)程中，該技術(shù)已可預(yù)先埋固定阻值的電阻、電容和電感的元件在介質(zhì)層中。MCM-L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，更高密度化則不容易實(shí)現(xiàn)。MCM-L組成結(jié)構(gòu)也將其限制在非長(zhǎng)期可靠性和極限環(huán)境條件下的應(yīng)用。,二、多芯片組件（MCM）分類(lèi),MCM-C共燒陶瓷多芯片組件則以共燒陶瓷混合電路技術(shù)發(fā)展為基礎(chǔ)。相比于疊層MCM，陶瓷MCM需要附加工藝步驟，包括在介質(zhì)層上鋪設(shè)導(dǎo)體圖形的薄膜印刷技術(shù)。制備足夠的布線(xiàn)層數(shù)以實(shí)現(xiàn)需要的互連設(shè)計(jì)，同時(shí)還要保證基板的良好機(jī)械性能。介質(zhì)層打孔形成通孔，通孔會(huì)被導(dǎo)體材料填實(shí)起到連接上下層的電學(xué)互連。陶瓷上印制電阻材料可獲得所需要的電阻值的電阻，通過(guò)微調(diào)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行阻值修正。印制好的陶瓷層在其他層疊加前要在烘箱中烘干。所有印刷完畢的陶瓷層疊放在一起，在一個(gè)設(shè)定溫度環(huán)境下燒結(jié)成一個(gè)完整的多層布線(xiàn)。依燒結(jié)溫度可分為高溫共燒陶瓷(HTCC)和低溫共燒陶瓷(LTCC)。MCM-C自1979年由IBM應(yīng)用到計(jì)算機(jī)中后，發(fā)展相當(dāng)迅速、廣泛，應(yīng)用領(lǐng)域已涉及到模擬電路、數(shù)字電路、混合電路以及微波器件。,二、多芯片組件（MCM）分類(lèi),MCM-DMCM-D是一類(lèi)在Si、陶瓷或金屬基板上采用薄膜工藝形成高密度互連布線(xiàn)的MCM。MCM-D的基材可以是硅、鋁、氧化鋁或氮化鋁。典型的線(xiàn)寬25微米，線(xiàn)中心距50微米。層間通道在10到50微米之間。低介電常數(shù)材料二氧化硅、聚酰亞胺或BCB常用作介質(zhì)來(lái)分隔金屬層，介質(zhì)層要求薄，金屬互連要求細(xì)小且保持適當(dāng)阻抗。MCM-D屬多芯片組件中高端產(chǎn)品，適用于組裝密度高、體積小、高速信號(hào)傳輸和處理系統(tǒng)。IBM390/ES9000、NECSX3等超級(jí)計(jì)算機(jī)、工作站以及德國(guó)宇航公司研制的微波發(fā)射/接受雷達(dá)組件都是MCM-D典型的應(yīng)用實(shí)例。,二、多芯片組件（MCM）分類(lèi),3D-MCM通常所說(shuō)的多芯片組件是指二維MCM，它的所有元器件布置在一個(gè)平面上。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%，已接近二維組裝的理論極限。為了改變這種狀況，三維的多芯生組件(3D-MCM)應(yīng)運(yùn)而生，其最高組裝效率可達(dá)200%。3D-MCM是指元器件除在x-y平面上展開(kāi)外，還在垂直方向(z方向)上排列。,二、多芯片組件（MCM）分類(lèi),與2D-MCM相比，3D-MCM具有以下的優(yōu)越性：系統(tǒng)體積縮小10倍以上，重量減輕6倍以上；芯片間的互連更短，減小信號(hào)傳輸延遲時(shí)間和信號(hào)噪聲，降低功耗；組裝效率達(dá)200%，有望實(shí)現(xiàn)多功能系統(tǒng)封裝；更高的集成度，減少外部連接點(diǎn)數(shù)可靠性提高。,封裝效率比較圖,在過(guò)去30年通孔插裝的印刷電路板和高密度封裝的多芯片組件之間的封裝效率相差810倍。圖中可看出，1020m細(xì)線(xiàn)寬情況下能夠獲得60%70%效率，而對(duì)于3D-MCM技術(shù)在50300m線(xiàn)寬下就可以獲得100%的效率。,三、芯片貼裝技術(shù),多芯片組件的芯片貼裝是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件和元件與MCM基板的機(jī)械連接和電氣互連。這種組裝可通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的操作進(jìn)行；也可同時(shí)完成。下圖為三種占主導(dǎo)地位的貼裝方法，絲焊、倒裝焊和載帶自動(dòng)焊。,三、芯片組裝技術(shù),絲焊(WB）絲焊方法首先用貼片膠或焊料將芯片面向基板貼裝上，然后用金或鋁線(xiàn)連接芯片和基板。熱聲絲焊和超聲絲焊是兩種常用的工藝手段。由于絲焊方法簡(jiǎn)單、容易操作，所以對(duì)于I/O端口小于200的集成電路它是MCM芯片貼裝的主要技術(shù)。絲焊的局限性在于每一根引線(xiàn)都需要焊接，這使得工藝按序進(jìn)行并且每根絲線(xiàn)都需要鍵合區(qū)而降低了集成度。另外，絲焊固有的寄生電感效應(yīng)是它應(yīng)用于高速電子電路的嚴(yán)重缺陷。,三、芯片組裝技術(shù),載帶自動(dòng)焊(TAB）載帶自動(dòng)焊技術(shù)是20世紀(jì)70年代通用電氣公司（GE）研制。TAB首先把芯片粘接到帶有銅引線(xiàn)圖形的聚合物載帶上，芯片通過(guò)凸點(diǎn)鍵合到金屬引線(xiàn)上。然后將帶有銅引線(xiàn)的芯片從載帶上切下，芯片朝上或下焊接到MCM基板。TAB的優(yōu)點(diǎn)在于芯片焊接到MCM基板上之前進(jìn)行測(cè)試和老化試驗(yàn)。相比于絲焊技術(shù)，TAB縮短了工藝時(shí)間，更重要的是提高了MCM電學(xué)性能。缺點(diǎn)在于不同的芯片需要設(shè)計(jì)和制作相匹配的載帶。,三、芯片組裝技術(shù),倒裝焊(FC）倒裝焊技術(shù)由IBM公司于上世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)應(yīng)用。早先，在I/O焊區(qū)上的Pb/Sn（鉛/錫）焊料凸點(diǎn)內(nèi)嵌入有Au/Ni（金/鎳）的Cu球，在芯片焊接區(qū)和焊料凸點(diǎn)間鍍涂Cr（鉻）-Cu-Au界面層。通過(guò)倒置芯片將Cu球再流焊到基板相應(yīng)的焊區(qū)。倒裝焊技術(shù)提供一種大批量貼裝MCM的方法。這種方法互連縮短，具有最小的感應(yīng)系數(shù)；面陣連接能改善電性能和滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的I/O數(shù)要求。缺點(diǎn)在于，高密度封裝和芯片倒裝引起的熱問(wèn)題相當(dāng)嚴(yán)重。此類(lèi)MCM的制作成本高和工藝復(fù)雜也是其發(fā)展的不利因素。,四、應(yīng)用領(lǐng)域,計(jì)算機(jī)工業(yè)：在大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、工作站、服務(wù)器、個(gè)人計(jì)算機(jī)、筆記型計(jì)算機(jī)、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器皆為多芯片組件應(yīng)用的范圍，就其使用量而言，個(gè)人計(jì)算機(jī)將成為主流。通訊工業(yè)：多芯片組件可用于交換與傳輸系統(tǒng)、手提式通訊裝置、個(gè)人通訊網(wǎng)絡(luò)上。由于可制成重量輕、體積小的手機(jī)以便于個(gè)人攜帶，個(gè)人通訊網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)將運(yùn)用較先進(jìn)的構(gòu)裝技術(shù)。消費(fèi)性電子工業(yè)：消費(fèi)性電子產(chǎn)品因成本的壓力，在桌上型產(chǎn)品方面，因尺寸及重量限制較少，故使用多芯片組件的進(jìn)度較慢。便攜式產(chǎn)品因尺寸及構(gòu)裝密度之需求，對(duì)MCM需求旺盛。,四、應(yīng)用領(lǐng)域,軍事與航天工業(yè)：在早期，軍事及航天工業(yè)即為多芯片組件的主要市場(chǎng)之一。就使用環(huán)境的考慮，軍用和航空電子對(duì)溫度的要求遠(yuǎn)高于汽車(chē)及辦公室的電子組件；且導(dǎo)彈及航空器的耐振動(dòng)條件更為嚴(yán)苛。由于多芯片組件的構(gòu)裝型式減少了連接點(diǎn)數(shù)目、構(gòu)裝的大小和質(zhì)量，可以有效的改善組件在振動(dòng)條件下的可靠