多芯片組件MCM（Multi-Chip Module）

1 多芯片組件組成

多芯片組件技術(shù)是為適應(yīng)現(xiàn)代電子系統(tǒng)短，小，輕，薄和高速、高性能、高可靠性、低成本的發(fā)展方向二在PCB和SMT的基礎(chǔ)上發(fā)展起來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，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、高可靠性、低成本的發(fā)展方向而在多層印制板(PCB)和表面安裝技術(shù)(SMT)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來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。

隨著技術(shù)的進(jìn)展，關(guān)于多芯片組件的定義有了更多的理解：

首先，MCM 的主要構(gòu)成應(yīng)當(dāng)是集成度更高的 VLSI/ULSI/ASIC 裸芯片，而非較低集成度的中小規(guī)模電路；

其次，MCM 應(yīng)以更高的速度、性能、可靠性以及更多的功能為目標(biāo)，而非一般混合集成的降低重量和體積；

最后，典型的 MCM 須滿足上述的關(guān)于芯片面積、基板層數(shù)和引腳數(shù)目的要求。圖1.1是 MCM組件的一種基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖 1.1 MCM組件結(jié)構(gòu)

從圖上也可以看到MCM組件包括了芯片、基板、管殼或者高密度I/O管腳。從MCM的外表看，就是一個帶由較多引出腳的殼體。可以稱之為模塊或者組件。MCM的封裝外殼有金屬、陶瓷和塑封結(jié)構(gòu)三種。MCM的基本組成如下表1.1

表1.1 MCM組件的組成

2 多芯片組件分類

MCM因使用的材料與工藝技術(shù)的不同，可以有不同的分類方式，其分類方法也因認(rèn)識角度的不同而異。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：①層壓介質(zhì)MCM(MCM-L: Laminate)；②陶瓷或玻璃瓷MCM(MCM-C: Ceramics)；③硅或介質(zhì)材料上的淀積布線MCM(MCM-D: Deposition)。

2.1 MCM-L（Multi-Chip Module-Laminate）

圖2.1 MCM-L Module封裝實(shí)物與截面示意圖

MCM-L稱之為L型（即疊層型）多芯片組件。MCM-L結(jié)構(gòu)通常是為適應(yīng)MCM的尺寸要求而將有幾層壓印制線路板按比例縮小的一種結(jié)構(gòu)，該基板制造技術(shù)主要來自于印制板工業(yè)。常用的有機(jī)層壓材料有FR-4、BT樹脂、聚酰亞胺等。導(dǎo)體一般為銅，在制造工藝上和印制板是相似的。有機(jī)層壓材料的主要缺點(diǎn)是走線密度低、導(dǎo)熱性差以及比硅高的熱膨脹系數(shù)。新開發(fā)出的一些新材料包括改性聚酰亞胺、芳族聚酰胺、含氟聚合物等可以緩解這些問題，這些材料的介電常數(shù)和熱膨脹系數(shù)特性可以進(jìn)行人為控制，可以滿足在不同應(yīng)用情況下的要求。在MCM．L結(jié)構(gòu)中更薄介電層的使用，可以控制特性阻抗和得到更高的線密度。MCM-L是幾種基板技術(shù)中制造費(fèi)用最低的，在一些低端產(chǎn)品中得以廣泛應(yīng)用。

2.2 MCM-C（Multi-Chip Module-Ceramic）

MCM-C稱之為C型（厚膜陶瓷型）多芯片組件。這類MCM的基板為共燒結(jié)(coflred)陶瓷，有兩種類型：HTCC(高溫共燒結(jié)陶瓷)和LTCC(低溫共燒結(jié)陶瓷)，通常情況下，難熔金屬W、Mo、Mn等在HTCC工藝下制成導(dǎo)電圖形形成多層陶瓷基板，而貴金屬金、銀、銅等一般在LTCC工藝下制成導(dǎo)電圖形來形成多層陶瓷基板，由于具有和chip最接近的熱膨脹系數(shù)(CTE)，因此采用這種基板的MCM可以達(dá)到較高的性能和可靠性。主要用于軍事、航天、超級計(jì)算機(jī)和醫(yī)用電子領(lǐng)域。與MCM-L相比，MCM-C的成本要高得多。隨著陶瓷共燒技術(shù)的不斷進(jìn)步，成本亦在不斷下降。MCM-C的另一個優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行多層布線，在MCM-C方面一直處于領(lǐng)先地位的IBM公司的陶瓷基板的布線可達(dá)78層，這是MCM-L和MCM-D所遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能比擬的。目前，MCM-C正逐漸進(jìn)人商用領(lǐng)域，其制作成本也越來越低。如下圖圖2.2 MCM-C 封裝模塊。圖2.3為LTCC 陶瓷基板。

圖2.2 MCM-C 封裝模塊

圖2.3 MCM-C LTCC封裝基板

2.3 MCM-D（Multi-Chip Module-Deposited Thin Film）

MCM-D 稱之為D型（沉積薄膜型）多芯片組件，MCM-D由導(dǎo)體(典型的有Cu和A1)和介電層(典型的有聚酰亞胺)在基板襯底(一般由陶瓷、硅或金屬構(gòu)成)上依次沉積而構(gòu)成的。如果說MCM-L制造是和印制板工業(yè)并行的，那么MCM-D則更多地接近半導(dǎo)體工業(yè)的工藝技術(shù)。半導(dǎo)體工藝提供了更細(xì)的導(dǎo)線和更高的線密度。對于同等互聯(lián)密度，MCM-D所需要的布線層數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于MCM-C，甚至可以超過一個數(shù)量級。然而用于制造MCM-D基板的半導(dǎo)體材料及工藝成本較高。這種工藝對芯片制造廠家來說算個了什么大問題，而對專業(yè)封裝廠，卻意味著增第一章緒論加一筆額外的設(shè)備投資和額外一套工藝。盡管如此，MCM-D的性能優(yōu)勢仍然吸引著許多大公司的注意力，如IBM、TI、Motorola等公司。MCM-D具有組裝密度高、布線密度高、封裝效率高和更好的傳輸特性。按照其適用基體的材料不同又分為：MCM- C/D 陶瓷基體薄膜多層布線 MCM；MCM-L/D有機(jī)介質(zhì)基體薄膜多層布線MCM；MCM-Si 硅基體薄膜多層布線MCM。

1）MCM-C/D 稱為混合型多芯片組件。實(shí)質(zhì)上是MCM-C和MCM-D兩種工藝技術(shù)的結(jié)合，因而兼有兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)。它在共燒陶瓷多層基板上，采用薄膜工藝制作高密度的薄膜多層布線，從而形成薄膜與厚膜或陶瓷一體化的混合多層互連基板。這種類型基板兼有共燒陶瓷多層基板與薄膜多層布線的優(yōu)點(diǎn)。MCM-C/D是目前應(yīng)用中最為高級的多芯片組件類型。它可充分發(fā)揮共燒陶瓷多層布線和薄膜多層布線各自的優(yōu)點(diǎn)，從而進(jìn)一步提高了組裝密度。其另一個優(yōu)點(diǎn)是信號線可以嵌入到低介電常數(shù)的沉積層中以減少信號傳輸干擾，而電地層則可以放在高介電常數(shù)的陶瓷層中，隨著高介電常數(shù)陶瓷材料的開發(fā)，可能會使基板具有更多的解耦能力而可以使在與電路板的二級組裝中無須安裝外部濾波電容。

圖2.4 MCM-C/D基板結(jié)構(gòu)

2）MCM-L/D 是MCM-L和MCM-D兩種工藝技術(shù)的結(jié)合，它采用在標(biāo)準(zhǔn)的低成本多層PCB板上制作薄膜多層布線的混合多層布線基板。IBM公司和Motorola公司都研究和開發(fā)了這種技術(shù)，為兼顧MCM的密度、性能與成本、成品率之間的關(guān)系提供一種良好的途徑。

3）MCM-Si 直接采用半導(dǎo)體制造技術(shù)，利用和傳統(tǒng)的芯片制造相似的工藝處理方式，用硅作為基板襯底(substrate base)，AI或Cu作導(dǎo)體，二氧化硅作為無機(jī)介電層，通過真空沉積技術(shù)進(jìn)行幾微米寬的金屬導(dǎo)線和二氧化硅介電層的依次沉積。MCM-Si可以提供最高的信號互聯(lián)密度以及優(yōu)越的和硅片(die)的熱膨脹系數(shù)相匹配的能力，所采用的設(shè)備和工藝也是半導(dǎo)體制造行業(yè)所采用的。當(dāng)MCM-Si用鋁作為導(dǎo)體時，由于鋁的高阻抗，因此這種基板不太適用于高頻的應(yīng)用。此外，和MCM-D一樣設(shè)備費(fèi)用高，對于小批量MCM制造，最終的模塊費(fèi)用會很高。

圖2.5 MCM- Si基板結(jié)構(gòu)

MCM封裝基板材料的選擇至關(guān)重要，所選擇的材料不僅要有良好的電性能、熱性能、機(jī)械和化學(xué)性能，且能裝配到系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)最佳成本效能方式。從以上的介紹可以看出，MCM-L和MCM-C分別是PCB技術(shù)和陶瓷封裝技術(shù)的延申，且兩者均采用厚膜布線，成本低，基板和封裝可一體化。但線寬和間距的細(xì)微差別均使工作速度受限。MCM-D和MCM-Si是采用薄膜布線技術(shù)，集成度高，速度快，是發(fā)展高速M(fèi)CM的重點(diǎn)。而MCM-C/D與MCM-L/D則集中了厚膜技術(shù)和薄膜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，性能價格更優(yōu)，而且基板和封裝也可實(shí)現(xiàn)一體化。

3多芯片組件工藝

MCM設(shè)計(jì)紀(jì)要適應(yīng)系統(tǒng)的應(yīng)用要求，又要滿足性能和進(jìn)度的要求。系統(tǒng)要求由多個參數(shù)決定：I/O端數(shù)量、線密度、線平均長度、網(wǎng)絡(luò)延遲、最大允許線長，感應(yīng)、耦合、同步噪聲、開關(guān)噪聲、線路轉(zhuǎn)換和價格等。設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)芯片組件功能和可靠性的關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)過程涉及多個學(xué)科的知識。如電器功能的檢測與試驗(yàn)技術(shù)，電氣布線的設(shè)計(jì)技術(shù)，熱設(shè)計(jì)與散熱技術(shù)，I/O端子形成技術(shù)，可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)等各種技術(shù)領(lǐng)域如下圖3.1。

圖3.1 MCM技術(shù)領(lǐng)域

MCM設(shè)計(jì)工藝流程如圖3.2 所示。其中涉及規(guī)范包括導(dǎo)線的線寬，通孔尺寸等物理參數(shù)范圍，還有再設(shè)計(jì)階段根據(jù)產(chǎn)品功能與適用環(huán)境選擇合適的基板技術(shù)。每一種MCM技術(shù)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，封裝設(shè)計(jì)工程師和工藝工程師都需要對其芯片有深刻的理解基礎(chǔ)上才能選擇出最優(yōu)的設(shè)計(jì)與工藝。

圖3.2 設(shè)計(jì)工藝流程圖

MCM制造的工藝中，多層布線基板制造技術(shù)和半導(dǎo)體集成電路芯片的芯片互聯(lián)是MCM工藝的重要組成部分。多層布線基板的設(shè)計(jì)、制造和選用至關(guān)重要，它影響MCM的性能、相關(guān)工藝材料的選擇以及最終成本。芯片互聯(lián)其核心工藝有引線鍵合技術(shù)、載帶自動焊技術(shù)、倒裝焊技術(shù)、注塑和封蓋技術(shù)等。

MCM根據(jù)工藝組裝過程的基本工藝流程如下圖3.3，其中可以分為6個大的工藝步驟，每一個工藝步驟再根據(jù)不同芯片以及封裝的結(jié)構(gòu)調(diào)整內(nèi)部所采用的具體工藝。如圖3.4為在一個互聯(lián)基板上采用三種的不同工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片鍵合。

圖3.3 MCM 工藝組裝過程

圖3.4 三種芯片互聯(lián)工藝

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，對封裝的要求也更加嚴(yán)格，2D-MCM的缺點(diǎn)也逐漸暴露出來。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平面上展開外，還在垂直方向(z方向)上排列。3D-MCM有埋置型、有源基板型和疊層型三種結(jié)構(gòu)。

第一種是埋置型3D-MCM，特點(diǎn)是在多層基板的底層埋置IC芯片，再在多層布線頂層組裝IC芯片，其間通過多層布線進(jìn)行高密度連接，基板多用硅或其他高導(dǎo)熱基板(AlN、Al2O3等)，結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。

圖3.5埋置型3D-MCM

另一種是有源基板型，特點(diǎn)是在基板（通常為Si或GaAs）上直接制作多種數(shù)字半導(dǎo)體集成電路有源器件，再在其上制作多層布線，然后在多層布線頂層組裝模擬IC芯片和集成傳感器芯片、光電子功能芯片等見圖3.6。

圖3.6有源基板型3D-MCM

第三種疊層型三維立體封裝是將LSI、VLSI、2D-MCM，甚至WSI或者已封裝的器件，無間隙的層層疊裝互聯(lián)而形成。這類疊層型3D是應(yīng)用最為廣泛的一種，其工藝技術(shù)不但應(yīng)用許多成熟的組裝互聯(lián)技術(shù)，還發(fā)展了垂直互聯(lián)技術(shù)，使疊層型3D封裝的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出五彩繽紛的局面，如圖3.7疊層型三維立體封裝。

圖3.7疊層型3D-MCM

審核編輯：湯梓紅