多芯片组件(MCM)技术

一、多芯片组件（MCM）认知
• 基本特点： MCM 组装的是超大规模集成电路和专
用集成电路的裸片，而不是中小规模的集 成电路，技术上MCM追求高速度、高性能、 高可靠和多功能，而不像一般混合IC 技术 以缩小体积重量为主。
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。
四、应用领域
• 军事与航天工业：在早期，军事及航天工业即为多 芯片组件的主要市场之一。就使用环境的考虑，军 用和航空电子对温度的要求远高于汽车及办公室的 电子组件；且导弹及航空器的耐振动条件更为严苛。 由于多芯片组件的构装型式减少了连接点数目、构 装的大小和质量，可以有效的改善组件在振动条件 下的可靠度。军事、航天领域的需求是高端MCM发 展原动力。
MCM - D属多芯片组件中高端产品，适用于组装密度高、 体积小、高速信号传输和处理系统。IBM390/ES9000、 NECSX3等超级计算机、工作站以及德国宇航公司研制的微 波发射/ 接受雷达组件都是MCM - D典型的应用实例。
二、多芯片组件（MCM）分类
• 3D-MCM
通常所说的多芯片组件是指二维MCM，它的 所有元器件布置在一个平面上。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%， 已接近二维组装的理论极限。为了改变这种状况， 三维的多芯生组件(3D - MCM) 应运而生，其最高 组装效率可达200%。3D - MCM是指元器件除在x y平面上展开外，还在垂直方向(z方向) 上排列。
三、芯片组装技术
• 载带自动焊(TAB）
载带自动焊技术是20 世纪70 年代通用电气公司 （GE）研制。TAB首先把芯片粘接到带有铜引线图 形的聚合物载带上，芯片通过凸点键合到金属引线上。 然后将带有铜引线的芯片从载带上切下，芯片朝上或 下焊接到MCM 基板。
TAB的优点在于芯片焊接到MCM基板上之前进 行测试和老化试验。相比于丝焊技术，TAB缩短了工 艺时间，更重要的是提高了MCM电学性能。缺点在于 不同的芯片需要设计和制作相匹配的载带。
一、多芯片组件（MCM）认知
• 基本特点： 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。
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。
多芯片组件（MCM）技术
机电学院 2013.03.21
一、多芯片组件（MCM）认知
• 概念：
多芯片组件,英文缩写 MCM( Multi-Chip Module)—— 是继表面安装技术后，在微电 子领域出现的一项最引人瞩目 的新技术，是将多块半导体裸 芯片组装在一块布线基板上的 一种封装技术。其与混合集成 电路产品并没有本质的区别， 只不过多芯片组件具有更高的 性能、更多的功能和更小的体 积，可以说多芯片组件属于高 级混合集成电路产品。
三、芯片组装技术
• 倒装焊(FC）
倒装焊技术由IBM 公司于上世纪60 年代开发应用。 早先，在I/O 焊区上的Pb/Sn（铅/锡）焊料凸点内嵌 入有Au/Ni（金/镍）的Cu 球，在芯片焊接区和焊料 凸点间镀涂Cr（铬） - Cu - Au 界面层。通过倒置芯片 将Cu 球再流焊到基板相应的焊区。
二、多芯片组件（MCM）分类
• MCM-C
共烧陶瓷多芯片组件则以共烧陶瓷混合电路技术发展为基 础。相比于叠层MCM ，陶瓷MCM 需要附加工艺步骤，包括在 介质层上铺设导体图形的薄膜印刷技术。制备足够的布线层数 以实现需要的互连设计，同时还要保证基板的良好机械性能。 介质层打孔形成通孔，通孔会被导体材料填实起到连接上下层 的电学互连。陶瓷上印制电阻材料可获得所需要的电阻值的电 阻，通过微调技术对其进行阻值修正。
二、多芯片组件（MCM）分类
与2D-MCM相比，3D - MCM 具有以下的优越性：
• 系统体积缩小10倍以上，重量减轻6倍以上； • 芯片间的互连更短，减小信号传输延迟时间和信号
噪声，降低功耗； • 组装效率达200%，有望实现多功能系统封装； • 更高的集成度，减少外部连接点数可靠性提高。
封装效率比较图
MCM 结构示意及技术领域
二、多芯片组件（MCM）分类 多芯片组件的分类，国际上通常采用美
国电子电路互连和封装协会( IPC )提出的M CM 分类方式，将MCM分为三个基本类型， 即MCM-L ( 叠层多芯片组件) 、MCM-C ( 共 烧陶瓷多芯片组件)与MCM-D(淀积多芯片 组件) 。
Hale Waihona Puke Baidu
MCM 分类与比较
• 汽车工业：汽车工业的电子组件使用量日益增加， 其年成长率估计在15 ～25%，多芯片组件之使用对 其尺寸及重量的减少有所帮助，唯成本和可靠度是 最重要的考虑。
四、应用领域
总之，近年来，移动电话、 数码相机、便携计算机、汽车 电子等系统对小型化、多功能、 高可靠方面的要求不断提高， MCM 技术有很好的应用前景。
二、多芯片组件（MCM）分类
• MCM-L 叠层MCM是基于传统印刷电路板的方
法发展而来，将导体铜材料和绝缘介质材 料三明治式夹在一起通过腐蚀、打孔、镀 涂等工艺提供一种可以实现互连的多层布 线结构，作为此类MCM的基板。
在基板制作过程中，该技术已可预先埋固定 阻值的电阻、电容和电感的元件在介质层中。 MCM - L制造工艺较成熟、生产成本较低。但因 芯片的安装方式和基板的结构所限，更高密度化 则不容易实现。MCM - L组成结构也将其限制在 非长期可靠性和极限环境条件下的应用。
印制好的陶瓷层在其他层叠加前要在烘箱中烘干。所有印刷 完毕的陶瓷层叠放在一起，在一个设定温度环境下烧结成一个 完整的多层布线。依烧结温度可分为高温共烧陶瓷(HTCC)和低 温共烧陶瓷(LTCC)。MCM - C自1979年由IBM应用到计算机中后， 发展相当迅速、广泛，应用领域已涉及到模拟电路、数字电路、 混合电路以及微波器件。
• 通讯工业：多芯片组件可用于交换与传输系统、手提 式通讯装置、个人通讯网络上。由于可制成重量轻、 体积小的手机以便于个人携带，个人通讯网络及系统 将运用较先进的构装技术。
• 消费性电子工业：消费性电子产品因成本的压力，在 桌上型产品方面，因尺寸及重量限制较少，故使用多 芯片组件的进度较慢。便携式产品因尺寸及构装密度 之需求，对MCM 需求旺盛。
在过去30年通孔插装 的印刷电路板和高密度封 装的多芯片组件之间的封 装效率相差8 ～10 倍。图 中可看出，10～20 μm 细 线宽情况下能够获得 60%～70% 效率，而对于 3D - MCM技术在50～ 300μm 线宽下就可以获得 100% 的效率。
三、芯片贴装技术
多芯片组件的芯片贴装是实现半导体器件和 元件与MCM 基板的机械连接和电气互连。这种组 装可通过两个独立的操作进行；也可同时完成。 下图为三种占主导地位的贴装方法，丝焊、倒装 焊和载带自动焊。
一、多芯片组件（MCM）认知
• 基本特点： MCM是高密度组装产品，芯片面积占
基板面积至少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。
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。使线路之间的串扰 噪声减少，阻抗易控，电路性能提高。
二、多芯片组件（MCM）分类
• MCM-D
MCM - D是一类在Si、陶瓷或金属基板上采用薄膜工艺 形成高密度互连布线的MCM。MCM - D的基材可以是硅、 铝、氧化铝或氮化铝。典型的线宽25微米，线中心距50微米。 层间通道在10到50微米之间。低介电常数材料二氧化硅、聚 酰亚胺或BCB常用作介质来分隔金属层，介质层要求薄，金 属互连要求细小且保持适当阻抗。
三、芯片组装技术
• 丝焊(WB）
丝焊方法首先用贴片胶或焊料将芯片面向基板贴 装上，然后用金或铝线连接芯片和基板。热声丝焊和 超声丝焊是两种常用的工艺手段。由于丝焊方法简单、 容易操作，所以对于I/O 端口小于200的集成电路它是 MCM芯片贴装的主要技术。
丝焊的局限性在于每一根引线都需要焊接，这使 得工艺按序进行并且每根丝线都需要键合区而降低了 集成度。另外，丝焊固有的寄生电感效应是它应用于 高速电子电路的严重缺陷。
倒装焊技术提供一种大批量贴装MCM 的方法。 这种方法互连缩短，具有最小的感应系数；面阵连接 能改善电性能和满足不断增长的I/O 数要求。缺点在 于，高密度封装和芯片倒装引起的热问题相当严重。 此类MCM 的制作成本高和工艺复杂也是其发展的不 利因素。
四、应用领域
• 计算机工业：在大型计算机系统、工作站、服务器、 个人计算机、笔记型计算机、磁盘驱动器皆为多芯片 组件应用的范围，就其使用量而言，个人计算机将成 为主流。