多芯片組件技術
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關鍵詞：微電子封裝，多芯片組件技術
1 引言
在某種意義上，電子學近幾十年的歷史可以看作是逐漸小型化的歷史，推動電子產(chǎn)品朝小型化過渡的主要動力是元器件和集成電路IC的微型化。隨著微電子技術的發(fā)展，器件的速度和延遲時間等性能對器件之間的互連提出了更高的要求，由于互連信號延遲、串擾噪聲、電感電容耦合以及電磁輻射等影響越來越大，由高密度封裝的IC和其他電路元件構成的功能電路已不能滿足高性能的要求。人們已深刻認識到，無論是分立元件還是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、保護芯片和增強電熱性能的作用，而且還是溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁，即芯片上的接點用導線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過印制板上的導線與其他器件建立連接。因此，封裝對集成電路和整個電路系統(tǒng)都起著重要的作用。芯片的封裝技術已經(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)，技術更先進，芯片面積與封裝面積之比越來越趨近于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年代被譽為“電子組裝技術革命”的表面安裝技術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，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，既吸收了混合IC的先進微組裝工藝，又以價格便宜的PCB代替了常規(guī)混合IC的多層陶瓷基板，許多混合IC市場已被SMT占領。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，芯片工藝要求過高，影響其成品率和成本；印刷電路板尺寸偏大，不符合當今功能強、尺寸小的要求，并且其互連和封裝的效應明顯，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多層介質(zhì)、高密度布線進行互連和封裝，尺寸遠比印刷電路板緊湊，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)實現(xiàn)方式，是微電子學領域的一項重大變革技術，對現(xiàn)代化的計算機、自動化、通訊業(yè)等領域將產(chǎn)生重大影響。
2 基本特點
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，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的基礎上發(fā)展起來的新一代微電子封裝與組裝技術，是實現(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。
典型的MCM應至少具有以下特點[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。
(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，互連線長度極大縮短，封裝延遲時間縮小，易于實現(xiàn)組件高速化。
(3)MCM的多層布線基板導體層數(shù)應不少于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。
(4)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(chǎn)品的可靠性獲得極大提高。
(5)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，因此，有人稱其為混合形式的全片規(guī)模集成WSI技術。
3 基本類型
根據(jù)多層互連基板的結構和工藝技術的不同，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三種基本類型的結構、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構所限，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，結構和制造工藝都與先進IC極為相似。其優(yōu)點是布線層數(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性的材料，近年來，低溫共燒陶瓷法占主導地位。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平面上，不過它的基板內(nèi)互連線的布置已是三維。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，對封裝的要求也越嚴格，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％，接近二維組裝所能達到的最大理論極限，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)應運而生，其最高組裝密度可達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具有以下的優(yōu)越性[5]：
(1)相對于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)芯片之間的互連長度比2D-MCM短得多，因此可進一步減小信號傳輸延遲時間和信號噪聲，降低功耗，信號傳輸(處理)速度增加。
(3)組裝效率已高達200％，進一步增大了組裝效率和互連效率，因此可集成更多的功能，實現(xiàn)多功能的部件以至系統(tǒng)(整機)。
(4)互連帶寬，特別是存儲器帶寬往往是影響計算機和通信系統(tǒng)性能的重要因素。降低延遲時間和增大總線寬度是增大信號寬度的重要方法，3D-MCM正好具有實現(xiàn)此特性的突出優(yōu)點。
(5)由于3D-MCM內(nèi)部單位面積的互連點數(shù)大大增加，具有更高的集成度，使其整機(或系統(tǒng))的外部連接點數(shù)和插板大大減少，因此可靠性得到進一步提高。
3D-MCM雖然具有以上所述的優(yōu)點，但仍然有一些困難需要克服。封裝密度的增加，必然導致單位基板面積上的發(fā)熱量增大，因此散熱是關鍵問題。一般如金剛石或化學汽相淀積(CVO)金剛石薄膜、水冷或強制空冷、導熱粘膠或散熱通孔。另外，作為一項新技術，3D-MCM還需進一步完善，更新設備，開發(fā)新的軟件。
5 應用及發(fā)展趨勢
MCM在組裝密度(封裝效率)、信號傳輸速度、電性能以及可靠性等方面獨具優(yōu)勢，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)，實現(xiàn)整機小型化、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、航天及大型計算機上。隨著技術的進步及成本的降低，近年來，MCM在計算機、通信、雷達、數(shù)據(jù)處理、汽車行業(yè)、工業(yè)設備、儀器與醫(yī)療等電子系統(tǒng)產(chǎn)品上得到越來越廣泛的應用，已成為最有發(fā)展前途的高級微組裝技術。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)的部件提供了一項新技術，使得將數(shù)字專用集成電路、射頻集成電路和微機電器件封裝在一起成為可能[6]。3D-MCM是為適應軍事宇航、衛(wèi)星、計算機、通信的迫切需求而迅速發(fā)展的高新技術，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。電子系統(tǒng)(整機)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，從而對系統(tǒng)集成的要求也越來越迫切。實現(xiàn)系統(tǒng)集成的技術途徑主要有兩個：一是半導體單片集成技術；二是MCM技術。前者是通過晶片規(guī)模的集成技術(WSI)，將高性能數(shù)字集成電路(含存儲器、微處理器、圖像和信號處理器等)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)；后者是通過三維多芯片組件技術實現(xiàn)WSI的功能。
三維多芯片組件技術是現(xiàn)代微組裝技術發(fā)展的重要方向，是新世紀微電子技術領域的一項關鍵技術。近年來在國外得到迅速發(fā)展。因此，我國也應該盡快高度重視該項新技術的研究和開發(fā)。
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