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(gè)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(shí)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(jí)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(gè)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(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(duì)芯片制造廠家來說算個(gè)了什么大問題，而對(duì)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(shì)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(jí)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)線可以嵌入到低介電常數(shù)的沉積層中以減少信號(hào)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(huì)使基板具有更多的解耦能力而可以使在與電路板的二級(jí)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(hào)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(shí)，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(duì)于小批量MCM制造，最終的模塊費(fèi)用會(huì)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(jià)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(gè)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(jià)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(gè)學(xué)科的知識(shí)。如電器功能的檢測(cè)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(duì)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(dòng)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(gè)大的工藝步驟，每一個(gè)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(gè)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(duì)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