第八章 多芯片组件(MCM)

8.2.2 MCM的设计分析
1.组件的尺寸和布线分析
组件的尺寸决定着关键的网状互连线的长度，这些 长度又影响系统的电性能以及长期可靠地工作。封装 时芯片封装密度决定着组件的功耗密度，功耗密度决 定组件如何经济有效地散热。 因此，影响组件尺寸的因素除了元器件的物理尺寸 外，还包括布线密度、布线能力、焊区节距、布线方 式、功率密度、组件对外连接形式以及元器件的排列 等。
例如，利用 MCM制成的微波和毫米波系统级封装 SOP (System-on-a-package) ，为不同材料系统的部件 集成提供了一项新技术，使得将数字专用集成电路、 射频集成电路和微机电器件封装在一起成为可能。 因此，MCM在组装密度(封装效率)、信号传输速度、 电性能以及可靠性等方面独具优势；能最大限度地提 高集成度和高速单片 IC性能，从而制作成高速的电子 系统，实现整机小型化、多功能化、高可靠、高性能 的最有效途径。
3D-MCM是为适应军事、宇航、卫星、计算机、通 信的迫切需求而迅速发展的高新技术，它具有降低功 耗、减轻重量、缩小体积、减弱噪声、降低成本等优 点。 三维多芯片组件技术是现代微组装技术发展的重要 方向，是新世纪微电子技术领域的一项关键技术；近 年来，在国外得到迅速发展。因此，我国也应该尽快 高度重视该项新技术的研究和开发。
8.1 MCM(Multi Chip Model)多芯片组件概述
8.1.1 MCM的定义 为解决单一芯片集成度低和功能不够完善的问题， 把多个高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密 度多层互联基板上用SMD技术组成多种多样的电子模 块系统，从而出现MCM(Multi Chip Model)多芯片组 件。 从组装(或封装)角度出发，MCM定义：两个或更多 的集成电路裸芯片电连接于共同电路基板上，并利用 它实现芯片间互连的组件。
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8.2 MCM的设计技术
8.2.1 设计概述
MCM设计的目的在于设计者考虑到所采用的技 术对 MCM 整体性能、可靠性和功率以及综合成本 的影响。
从根本上说， MCM 的设计是在给定一套物理限 制参数的系统中进行的过程，目的是为了有效地发 挥MCM技术的作用，使MCM产品具有最优化的性 能价格比。
(3)MCM 是高密度组装产品，芯片面积占基板面积 减少20％以上，互连线长度极大缩短，封装延迟时间 缩小，易于实现组件高速化。 (4)MCM 避免了单块 IC 封装的热阻、引线及焊接等 一系列问题，使产品的可靠性获得极大提高。 (5)MCM 集中了先进的半导体 IC 的微细加工技术， 厚、薄膜混合集成材料与工艺技术，厚膜、陶瓷与 PCB 的多层基板技术以及 MCM 电路的模拟、仿真、 优化设计、散热和可靠性设计、芯片的高密度互连与 封装等一系列新技术。
3、系统成品率和可靠性问题
系统成品率是单个元器件成品率的函数；MCM的系 统成品率与芯片、基板和键合工艺等参数密切相关， 其中芯片的成本占MCM成本的首位。因此，往往要通 过 KGD 方法来保证裸芯片的成品率，否则，复杂的 MCM系统成品率难以保持很高。
4、功率及散热问题
元器件的MCM基板上的组装密度高产生了散热问题， 因而，MCM的热设计自然就成为MCM设计中的关键 内容之一。
MCM-L ：采用层压有机基材，制造采用普通印制板 的加工方法，即采用印刷和蚀刻法制铜导线，钻出盲孔、 埋孔和通孔并镀铜，内层的互连由EDA软件设计来定。 由于采用普通印制电路板的加工方法，MCM-L具有低成 本、工期短、投放市场时间短等绝对优势。 MCM-C：采用陶瓷烧制基材，导体是由一层层烧制金 属制成的，层间通孔互连与导体一块生成，电阻可在外 层进行烧制，最后用激光修整到精确值，所有导体和电 阻都印刷到基板上，加工方法颇为复杂。 MCM-D：采用薄膜导体沉积硅基片，制造过程类似于 集成电路；基片是由硅和宽度在 1um-1mm之间的导体构 成，通孔则由各种金属通过真空沉积而形成。
8.1
MCM(Multi Chip Model)多芯片模块概述 8.1.1 MCM的定义 8.1.2 特点及分类 8.1.3 应用及发展趋势 8.1.4 CSP的出现促进MCM的发展 8.2 MCM的热设计技术 8.2.1 设计概述 8.2.2 MCM的设计分析 8.2.3 热分析的应用软件 8.3 MCM的组装技术、检测与返修 8.3.1 基板与封装外壳的连接技术 8.3.2 检测 8.3.3 MCM的返修技术 8.4 三维多芯片组件及其应用 8.4.1 概述 8.4.2 3D-MCM的发展驱动力 8.4.3 3D-MCM的优点 8.4.4 3D-MCM应用实例
多芯片组件（MCM）的组装方式是直接将裸露的 集成电路芯片安装在多层高密度互连衬底上，层与层 的金属导线是用导通孔连接的。 这种组装方式允许芯片与芯片靠得很近，可以降低 互连和布线中所产生的信号延迟、串扰噪声、电感／ 电容耦合等问题；还可提升系统效能与稳定度。 因此，它不仅需要良好的封装技术，在设计规划、 验证与测试上，也必须要有配套的技术和方法，才能 确保质量及优良率。
5.组件的成本分析
在MCM的多种成本因素中，首要的是IC芯片成 本，这与组装多个IC芯片的成本有关；其次是多层 基板的成本，这与多层基板的成品率相关，此外， 还有外贴元器件的成本和外壳等多种因素。
当一个大而复杂的系统规定了MCM所占的封装 面积时，往往一层 MCM 难以实现，可以设计成立 体化的叠装 MCM ，既减小了所占面积，又充分利 用了空间。由于 CSP 解决了 KGD 问题，所以叠装 MCM的成品率才有保证。 CSP的出现，解决了芯片小，封装大的矛盾，它 既有封装器件的一切便利，又有裸芯片尺寸小，性 能优的特点，这就为 MCM 的迅速发展应用解决了 后顾之忧，因为组装 MCM 的所有芯片都经过老化 筛选、测试，使芯片成为真正的KGD。 另外，由于 CSP 的“外引线”凸点均是 Pb/Sn 焊 料，使用 SMT进行贴装焊接十分方便， MCM 的工 业化规模生产才能得以实现。
3.MCM的物理设计
物理设计是使电路或系统原理图变为直观、可 操作的图形，它是在组件规范的基础上，增加系统 制造中可能用到的几何信息，包括元器件位置参数、
互连尺寸、位置参数以及通孔的尺寸和位置参数。
4.组件的可靠性分析
电子系统的可靠性既取决于硬件，也取决于软件。 由于故障返修的费用上涨很快，几乎与电子系统成本 的下降速度一样，因此对很多系统，包括廉价的消费 类电子产品来说，可靠性将是一个最重要的设计目标。 可靠性是一种系统特性，必须使它成为设计中的重 要部分，因为在产品研制生产之后，其可靠性也就基 本确定了。
CSP（Chip Scale Package，芯片尺寸封装）的出现 很好地解决了这一问题。 CSP不仅具有封装IC芯片的 优点；还具有裸芯片的优点，因为它的尺寸只有芯片 大小；有的 CSP 还可以实现大圆片的“封装”，大圆 片工艺完成后与普通芯片一样划片。 可以说，各类CSP真正解决了单芯片IC已确认的优 质芯片问题，同时也解决了组装 MCM 的后顾之忧， 大大提高MCM的成品率，其成本也会大为降低。 CSP的引脚间距按SMT的要求（如0.5-1.27mm）布 置 Pb/Sn 焊接凸点，因此可使用常规的 SMT 在厚、薄 膜多层基板上或 PCB 多层基板上对 CSP 进行贴装并再 流焊，使 MCM 的工业化成为可能，也使 SMT 提高到 一个新的水平。
7.1.3 应用及发展趋势
目前，实现系统集成的技术途径主要有两个：一是半导 体单片集成技术；二是 MCM 技术。前者是通过晶片规模 的集成技术，将高性能数字集成电路(含存储器、微处理器、 图像和信号处理器等 )和模拟集成电路 ( 含各种放大器、变 换器等)集成为单片集成系统；后者是通过三维多芯片组件 技术实现集成的功能。 MCM早在80年代初期就曾以多种形式存在，但由于成 本昂贵，只用于军事、航天及大型计算机上。 近年来，随着技术的进步及成本的降低， MCM 在计算 机、通信、雷达、数据处理、汽车行业、工业设备、仪器 与医疗等电子系统产品上得到越来越广泛的应用，已成为 最有发展前途的高级微组装技术。
2.组件的电学分析
由于MCM组件具有多功能、高速度的特点，其电 特性与通常单个的芯片相差较大。MCM组件内部的 分布参数效应，即高速脉冲信号在芯片间的传输存在 电磁场。 由于时钟频率的提高，MCM芯片间互连线传播的 时间和脉冲信号的时间参量相当，在这种情况下，互 连线的分布参数效应和波的传播性质明显，各种封装 结构将对信号的传输产生明显影响。
下图为最新的MCM技术，采用适当的圆片薄型化 工艺实现在单个封装体内合封了8个芯片的示意图。
单个封装体内合封了8个芯片的示意图
8.1.2 MCM特点及分类 1. MCM的特点如下：
(1)MCM是将多块未封装的 IC芯片高密度安装在同 一基板上构成的部件，省去了IC的封装材料和工艺， 节约了原材料，减少了制造工艺，缩小了整机／组件 封装尺寸和重量。 (2)MCM的多层布线基板导体层数应不少于4层，能 把模拟电路、数字电路、功率器件、光电器件、微波 器件及各类片式化元器件合理而有效地组装在封装体 内，形成单一半导体集成电路不可能完成的多功能部 件、子系统或系统，从而使线路之间的串扰噪声减少， 阻抗易控，电路性能提高。
8.1.4 CSP的出现促进MCM的发展
对 MCM 的制作成品率影响最大的是 IC 芯片。因为 MCM的高成品率要求各类IC芯片都是确认的优质芯片 KGD（Known Good Die），而裸芯片无论是芯片制造商 还是使用者都难以进行全面测试老化筛选，因而给组 装MCM带来无法确定芯片性能的不利因素。一旦装上 的芯片不合格，这块MCM就会不合格并难以返修，使 得成本和成品率阻碍着MCM的应用和发展。 因此，如何提高 MCM 的成品率就成为进一步促进 MCM工业化的关键问题之一。
MCM的发展趋势
MCM是电子组装技术中SMT的延伸和发展，也是更高 级的混合IC；该MCM技术从兴起到成熟，解决了当前电 子整机发展过程中的几个方面的矛盾： （ 1 ）解决了进一步提高集成度的问题，利用 MCM 技术 大力推动电路集成，是发展高性能军用电子器件的组件 的捷径; （2）解决了分立器件、单片IC等信号延迟的与传输速度 的限制问题; （3）解决了如何通过减少组装层次，减少焊点数量等进 一步提高整机可靠性的问题; （4）解决了小型化、高性能和高可靠性的有机结合问题。
2.MCM的分类
根据互连和封装电子学会（IPC）标准，现在所用 的MCM可分为五大类： 1.MCM-L，有机叠层布线基板制成的MCM； 2.MCM-C，厚膜或陶瓷多层布线基板制成的MCM； 3.MCM-D，薄膜多层布线基板制成的MCM； 4.MCM-D/C，厚、薄膜混合多层基板制成的MCM； 5.MCM-Si，Si基板制成的MCM等类型。
通 常 所 说 的 多 芯 片 组 件 都 是 指 二 维 的 多 芯 片 组 件 (2DMCM) ，它的所有元器件都布置在一个平面上，不过它的基 板内互连线的布置是三维。 随着微电子技术的进一步发展，芯片的集成度大幅度提高， 对封装的要求也更加严格， 2D-MCM的缺点也逐渐暴露出来。 目前， 2D-MCM组装效率最高可达 85% ，已接近二维组装所 能达到的最大理论极限，这已成为混合集成电路持续发展的 障碍。 为了改变这种状况，三维多芯片组件 (3D-MCM) 就应运而 生了，其最高组装密度可达200%。3D-MCM是指元器件除了 在x-y平面上展开以外，还在垂直方向 (Z方向 )上排列，与2DMCM相比，3D-MCM具有更高的集成度、组装效率、更小的 体积及重量、降低功耗，信号传输速度增加等优点。
因此，在考虑MCM的设计时，必须充分把握以下几点：
1、电性能问题 在传统的电子封装中，与互连有关的寄生参数包括采 用WB技术将芯片连接到封装基板上的寄生电阻、寄生 电容、寄生电感以及焊接引脚或表面安装封装的电阻、 电感、电容。 2、成本问题 由MCM主要用于高性能、高速度及高可靠领域时， 其成本是特别重要的因素。