多芯片組件技術(shù)
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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(zhù)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部世界與外部電路的橋梁，即芯片上的接點(diǎn)用導線(xiàn)連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過(guò)印制板上的導線(xiàn)與其他器件建立連接。因此，封裝對集成電路和整個(gè)電路系統都起著(zhù)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?xún)r(jià)格便宜的PCB代替了常規混合IC的多層陶瓷基板，許多混合IC市場(chǎng)已被SMT占領(lǐng)。隨著(zhù)IC的飛速發(fā)展，I／O數急劇增加，要求封裝的引腳數相應增多， 出現了“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(zhuān)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、子系統或系統，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(xiàn)進(jìn)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是現今較有發(fā)展前途的系統實(shí)現方式，是微電子學(xué)領(lǐng)域的一項重大變革技術(shù)，對現代化的計算機、自動(dòng)化、通訊業(yè)等領(lǐng)域將產(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、系統)。它是為適應現代電子系統短、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(lái)的新一代微電子封裝與組裝技術(shù)，是實(shí)現系統集成的有力手段。
多芯片組件已有十幾年的歷史，MCM組裝的是超大規模集成電路和專(zhuān)用集成電路的裸片，而不是中小規模的集成電路，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應至少具有以下特點(diǎn)：
(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(xiàn)長(cháng)度極大縮短，封裝延遲時(shí)間縮小，易于實(shí)現組件高速化。
(3)MCM的多層布線(xiàn)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(lèi)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、子系統或系統。使線(xiàn)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(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。
(5)MCM集中了先進(jìn)的半導體IC的微細加工技術(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(shù)，因此，有人稱(chēng)其為混合形式的全片規模集成WSI技術(shù)。
3 基本類(lèi)型
根據多層互連基板的結構和工藝技術(shù)的不同，MCM大體上可分為三類(lèi)：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(xiàn)MCM(MCM-D)。
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(xiàn)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(xiàn)陶瓷基板制成的MCM，結構和制造工藝都與先進(jìn)IC極為相似。其優(yōu)點(diǎn)是布線(xiàn)層數多，布線(xiàn)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性的材料，近年來(lái)，低溫共燒陶瓷法占主導地位。MCM-D是采用薄膜多層布線(xiàn)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(xiàn)基板的MCM)、MCM-D／M(金屬基體薄膜多層布線(xiàn)基板的MCM)、MCM-D／Si(硅基薄膜多層布線(xiàn)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)它的基板內互連線(xiàn)的布置已是三維。隨著(zhù)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，對封裝的要求也越嚴格，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(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：
(1)相對于2D-MCM而言，3D-MCM可使系統的體積縮小到1／10，重量減輕到1／6。
(2)芯片之間的互連長(cháng)度比2D-MCM短得多，因此可進(jìn)一步減小信號傳輸延遲時(shí)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(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)現多功能的部件以至系統(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性能的重要因素。降低延遲時(shí)間和增大總線(xiàn)寬度是增大信號寬度的重要方法，3D-MCM正好具有實(shí)現此特性的突出優(yōu)點(diǎn)。
(5)由于3D-MCM內部單位面積的互連點(diǎn)數大大增加，具有更高的集成度，使其整機(或系統)的外部連接點(diǎn)數和插板大大減少，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、水冷或強制空冷、導熱粘膠或散熱通孔。另外，作為一項新技術(shù)，3D-MCM還需進(jìn)一步完善，更新設備，開(kāi)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，實(shí)現整機小型化、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(zhù)技術(shù)的進(jìn)步及成本的降低，近年來(lái)，MCM在計算機、通信、雷達、數據處理、汽車(chē)行業(yè)、工業(yè)設備、儀器與醫療等電子系統產(chǎn)品上得到越來(lái)越廣泛的應用，已成為最有發(fā)展前途的高級微組裝技術(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的部件提供了一項新技術(shù)，使得將數字專(zhuān)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、衛星、計算機、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(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，從而對系統集成的要求也越來(lái)越迫切。實(shí)現系統集成的技術(shù)途徑主要有兩個(gè)：一是半導體單片集成技術(shù)；二是MCM技術(shù)。前者是通過(guò)晶片規模的集成技術(shù)(WSI)，將高性能數字集成電路(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；后者是通過(guò)三維多芯片組件技術(shù)實(shí)現WSI的功能。
三維多芯片組件技術(shù)是現代微組裝技術(shù)發(fā)展的重要方向，是新世紀微電子技術(shù)領(lǐng)域的一項關(guān)鍵技術(shù)。近年來(lái)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(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。
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