一文詳解多芯片組件MCM技術

多芯片組件MCM（Multi-Chip Module）

1 多芯片組件組成

多芯片組件技術是為適應現(xiàn)代電子系統(tǒng)短，小，輕，薄和高速、高性能、高可靠性、低成本的發(fā)展方向二在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(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。

隨著技術的進展，關于多芯片組件的定義有了更多的理解：

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

其次，MCM 應以更高的速度、性能、可靠性以及更多的功能為目標，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組件的一種基本結構示意圖。

圖 1.1 MCM組件結構

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?？梢苑Q之為模塊或者組件。MCM的封裝外殼有金屬、陶瓷和塑封結構三種。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的不同，可以有不同的分類方式，其分類方法也因認識角度的不同而異。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：①層壓介質MCM(MCM-L: Laminate)；②陶瓷或玻璃瓷MCM(MCM-C: Ceramics)；③硅或介質材料上的淀積布線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結構通常是為適應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構，該基板制造技術主要來自于印制板工業(yè)。常用的有機層壓材料有FR-4、BT樹脂、聚酰亞胺等。導體一般為銅，在制造工藝上和印制板是相似的。有機層壓材料的主要缺點是走線密度低、導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)特性可以進行人為控制，可以滿足在不同應用情況下的要求。在MCM．L結構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是幾種基板技術中制造費用最低的，在一些低端產品中得以廣泛應用。

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(coflred)陶瓷，有兩種類型：HTCC(高溫共燒結陶瓷)和LTCC(低溫共燒結陶瓷)，通常情況下，難熔金屬W、Mo、Mn等在HTCC工藝下制成導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可以達到較高的性能和可靠性。主要用于軍事、航天、超級計算機和醫(yī)用電子領域。與MCM-L相比，MCM-C的成本要高得多。隨著陶瓷共燒技術的不斷進步，成本亦在不斷下降。MCM-C的另一個優(yōu)點是可進行多層布線，在MCM-C方面一直處于領先地位的IBM公司的陶瓷基板的布線可達78層，這是MCM-L和MCM-D所遠遠不能比擬的。目前，MCM-C正逐漸進人商用領域，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、硅或金屬構成)上依次沉積而構成的。如果說MCM-L制造是和印制板工業(yè)并行的，那么MCM-D則更多地接近半導體工業(yè)的工藝技術。半導體工藝提供了更細的導線和更高的線密度。對于同等互聯(lián)密度，MCM-D所需要的布線層數(shù)遠遠小于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有機介質基體薄膜多層布線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。實質上是MCM-C和MCM-D兩種工藝技術的結合，因而兼有兩種工藝的優(yōu)點。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。MCM-C/D是目前應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，從而進一步提高了組裝密度。其另一個優(yōu)點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基板結構

2）MCM-L/D 是MCM-L和MCM-D兩種工藝技術的結合，它采用在標準的低成本多層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，為兼顧MCM的密度、性能與成本、成品率之間的關系提供一種良好的途徑。

3）MCM-Si 直接采用半導體制造技術，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作導體，二氧化硅作為無機介電層，通過真空沉積技術進行幾微米寬的金屬導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，所采用的設備和工藝也是半導體制造行業(yè)所采用的。當MCM-Si用鋁作為導體時，由于鋁的高阻抗，因此這種基板不太適用于高頻的應用。此外，和MCM-D一樣設備費用高，對于小批量MCM制造，最終的模塊費用會很高。

圖2.5 MCM- Si基板結構

MCM封裝基板材料的選擇至關重要，所選擇的材料不僅要有良好的電性能、熱性能、機械和化學性能，且能裝配到系統(tǒng)中實現(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技術和陶瓷封裝技術的延申，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，集成度高，速度快，是發(fā)展高速MCM的重點。而MCM-C/D與MCM-L/D則集中了厚膜技術和薄膜技術的優(yōu)點，性能價格更優(yōu)，而且基板和封裝也可實現(xiàn)一體化。

3多芯片組件工藝

MCM設計紀要適應系統(tǒng)的應用要求，又要滿足性能和進度的要求。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、網絡延遲、最大允許線長，感應、耦合、同步噪聲、開關噪聲、線路轉換和價格等。設計是實現(xiàn)芯片組件功能和可靠性的關鍵因素，設計過程涉及多個學科的知識。如電器功能的檢測與試驗技術，電氣布線的設計技術，熱設計與散熱技術，I/O端子形成技術，可靠性設計技術等各種技術領域如下圖3.1。

圖3.1 MCM技術領域

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

圖3.2 設計工藝流程圖

MCM制造的工藝中，多層布線基板制造技術和半導體集成電路芯片的芯片互聯(lián)是MCM工藝的重要組成部分。多層布線基板的設計、制造和選用至關重要，它影響MCM的性能、相關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、載帶自動焊技術、倒裝焊技術、注塑和封蓋技術等。

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構調整內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實現(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。3D-MCM有埋置型、有源基板型和疊層型三種結構。

第一種是埋置型3D-MCM，特點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行高密度連接，基板多用硅或其他高導熱基板(AlN、Al2O3等)，結構如圖3.5所示。

圖3.5埋置型3D-MCM

另一種是有源基板型，特點是在基板（通常為Si或GaAs）上直接制作多種數(shù)字半導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是應用最為廣泛的一種，其工藝技術不但應用許多成熟的組裝互聯(lián)技術，還發(fā)展了垂直互聯(lián)技術，使疊層型3D封裝的結構呈現(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