多芯片組件(MCM)技術

多芯片組件（MCM）技術,機電學院2013.03.21,一、多芯片組件（MCM）認知,概念：多芯片組件,英文縮寫MCM(Multi-ChipModule)是繼表面安裝技術后，在微電子領域出現(xiàn)的一項最引人矚目的新技術，是將多塊半導體裸芯片組裝在一塊布線基板上的一種封裝技術。其與混合集成電路產品并沒有本質的區(qū)別，只不過多芯片組件具有更高的性能、更多的功能和更小的體積，可以說多芯片組件屬于高級混合集成電路產品。,一、多芯片組件（MCM）認知,基本特點：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，縮小了整機組件封裝尺寸和重量。,一、多芯片組件（MCM）認知,基本特點：MCM是高密度組裝產品，芯片面積占基板面積至少20%以上，互連線長度極大縮短，封裝延遲時間縮小，易于實現(xiàn)組件高速化。MCM的多層布線基板導體層數應不少于4層，能把模擬電路、數字電路、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，形成單一半導體集成電路不可能完成的多功能部件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)。使線路之間的串擾噪聲減少，阻抗易控，電路性能提高。,一、多芯片組件（MCM）認知,基本特點：MCM避免了單塊IC封裝的熱阻、引線及焊接等一系列問題，使產品的可靠性獲得極大提高。MCM集中了先進的半導體IC的微細加工技術，厚、薄膜混合集成材料與工藝技術，厚膜、陶瓷與PCB的多層基板技術以及MCM電路的模擬、仿真、優(yōu)化設計、散熱和可靠性設計、芯片的高密度互連與封裝等一系列新技術。,MCM結構示意及技術領域,二、多芯片組件（MCM）分類,多芯片組件的分類，國際上通常采用美國電子電路互連和封裝協(xié)會(IPC)提出的MCM分類方式，將MCM分為三個基本類型，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分類與比較,二、多芯片組件（MCM）分類,MCM-L疊層MCM是基于傳統(tǒng)印刷電路板的方法發(fā)展而來，將導體銅材料和絕緣介質材料三明治式夾在一起通過腐蝕、打孔、鍍涂等工藝提供一種可以實現(xiàn)互連的多層布線結構，作為此類MCM的基板。在基板制作過程中，該技術已可預先埋固定阻值的電阻、電容和電感的元件在介質層中。MCM-L制造工藝較成熟、生產成本較低。但因芯片的安裝方式和基板的結構所限，更高密度化則不容易實現(xiàn)。MCM-L組成結構也將其限制在非長期可靠性和極限環(huán)境條件下的應用。,二、多芯片組件（MCM）分類,MCM-C共燒陶瓷多芯片組件則以共燒陶瓷混合電路技術發(fā)展為基礎。相比于疊層MCM，陶瓷MCM需要附加工藝步驟，包括在介質層上鋪設導體圖形的薄膜印刷技術。制備足夠的布線層數以實現(xiàn)需要的互連設計，同時還要保證基板的良好機械性能。介質層打孔形成通孔，通孔會被導體材料填實起到連接上下層的電學互連。陶瓷上印制電阻材料可獲得所需要的電阻值的電阻，通過微調技術對其進行阻值修正。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，在一個設定溫度環(huán)境下燒結成一個完整的多層布線。依燒結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應用到計算機中后，發(fā)展相當迅速、廣泛，應用領域已涉及到模擬電路、數字電路、混合電路以及微波器件。,二、多芯片組件（MCM）分類,MCM-DMCM-D是一類在Si、陶瓷或金屬基板上采用薄膜工藝形成高密度互連布線的MCM。MCM-D的基材可以是硅、鋁、氧化鋁或氮化鋁。典型的線寬25微米，線中心距50微米。層間通道在10到50微米之間。低介電常數材料二氧化硅、聚酰亞胺或BCB常用作介質來分隔金屬層，介質層要求薄，金屬互連要求細小且保持適當阻抗。MCM-D屬多芯片組件中高端產品，適用于組裝密度高、體積小、高速信號傳輸和處理系統(tǒng)。IBM390/ES9000、NECSX3等超級計算機、工作站以及德國宇航公司研制的微波發(fā)射/接受雷達組件都是MCM-D典型的應用實例。,二、多芯片組件（MCM）分類,3D-MCM通常所說的多芯片組件是指二維MCM，它的所有元器件布置在一個平面上。隨著微電子技術的進一步發(fā)展，芯片的集成度大幅度提高，對封裝的要求也更加嚴格，2D-MCM的缺點也逐漸暴露出來。目前，2D-MCM組裝效率最高可達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)應運而生，其最高組裝效率可達200%。3D-MCM是指元器件除在x-y平面上展開外，還在垂直方向(z方向)上排列。,二、多芯片組件（MCM）分類,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，減小信號傳輸延遲時間和信號噪聲，降低功耗；組裝效率達200%，有望實現(xiàn)多功能系統(tǒng)封裝；更高的集成度，減少外部連接點數可靠性提高。,封裝效率比較圖,在過去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細線寬情況下能夠獲得60%70%效率，而對于3D-MCM技術在50300m線寬下就可以獲得100%的效率。,三、芯片貼裝技術,多芯片組件的芯片貼裝是實現(xiàn)半導體器件和元件與MCM基板的機械連接和電氣互連。這種組裝可通過兩個獨立的操作進行；也可同時完成。下圖為三種占主導地位的貼裝方法，絲焊、倒裝焊和載帶自動焊。,三、芯片組裝技術,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。由于絲焊方法簡單、容易操作，所以對于I/O端口小于200的集成電路它是MCM芯片貼裝的主要技術。絲焊的局限性在于每一根引線都需要焊接，這使得工藝按序進行并且每根絲線都需要鍵合區(qū)而降低了集成度。另外，絲焊固有的寄生電感效應是它應用于高速電子電路的嚴重缺陷。,三、芯片組裝技術,載帶自動焊(TAB）載帶自動焊技術是20世紀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圖形的聚合物載帶上，芯片通過凸點鍵合到金屬引線上。然后將帶有銅引線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)點在于芯片焊接到MCM基板上之前進行測試和老化試驗。相比于絲焊技術，TAB縮短了工藝時間，更重要的是提高了MCM電學性能。缺點在于不同的芯片需要設計和制作相匹配的載帶。,三、芯片組裝技術,倒裝焊(FC）倒裝焊技術由IBM公司于上世紀60年代開發(fā)應用。早先，在I/O焊區(qū)上的Pb/Sn（鉛/錫）焊料凸點內嵌入有Au/Ni（金/鎳）的Cu球，在芯片焊接區(qū)和焊料凸點間鍍涂Cr（鉻）-Cu-Au界面層。通過倒置芯片將Cu球再流焊到基板相應的焊區(qū)。倒裝焊技術提供一種大批量貼裝MCM的方法。這種方法互連縮短，具有最小的感應系數；面陣連接能改善電性能和滿足不斷增長的I/O數要求。缺點在于，高密度封裝和芯片倒裝引起的熱問題相當嚴重。此類MCM的制作成本高和工藝復雜也是其發(fā)展的不利因素。,四、應用領域,計算機工業(yè)：在大型計算機系統(tǒng)、工作站、服務器、個人計算機、筆記型計算機、磁盤驅動器皆為多芯片組件應用的范圍，就其使用量而言，個人計算機將成為主流。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、個人通訊網絡上。由于可制成重量輕、體積小的手機以便于個人攜帶，個人通訊網絡及系統(tǒng)將運用較先進的構裝技術。消費性電子工業(yè)：消費性電子產品因成本的壓力，在桌上型產品方面，因尺寸及重量限制較少，故使用多芯片組件的進度較慢。便攜式產品因尺寸及構裝密度之需求，對MCM需求旺盛。,四、應用領域,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之一。就使用環(huán)境的考慮，軍用和航空電子對溫度的要求遠高于汽車及辦公室的電子組件；且導彈及航空器的耐振動條件更為嚴苛。由于多芯片組件的構裝型式減少了連接點數目、構裝的大小和質量，可以有效的改善組件在振動條件下的可靠