第八章：多芯片組件（MCM）8.1MCM(MultiChipModel)多芯片模塊概述

8.1.1MCM的定義

8.1.2

特點及分類

8.1.3

應用及發展趨勢

8.1.4CSP的出現促進MCM的發展8.2MCM的熱設計技術

8.2.1

設計概述

8.2.2MCM的設計分析

8.2.3

熱分析的應用軟件8.3MCM的組裝技術、檢測與返修

8.3.1

基板與封裝外殼的連接技術

8.3.2

檢測

8.3.3MCM的返修技術8.4

三維多芯片組件及其應用

8.4.1

概述

8.4.23D-MCM的發展驅動力

8.4.33D-MCM的優點

8.4.43D-MCM應用實例8.1MCM(MultiChipModel)多芯片組件概述

為解決單一芯片集成度低和功能不夠完善的問題，把多個高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多層互聯基板上用SMD技術組成多種多樣的電子模塊系統，從而出現MCM(MultiChipModel)多芯片組件。

從組裝(或封裝)角度出發，MCM定義：兩個或更多的集成電路裸芯片電連接于共同電路基板上，并利用它實現芯片間互連的組件。8.1.1MCM的定義多芯片組件（MCM）的組裝方式是直接將裸露的集成電路芯片安裝在多層高密度互連襯底上，層與層的金屬導線是用導通孔連接的。

這種組裝方式允許芯片與芯片靠得很近，可以降低互連和布線中所產生的信號延遲、串擾噪聲、電感／電容耦合等問題；還可提升系統效能與穩定度。

因此，它不僅需要良好的封裝技術，在設計規劃、驗證與測試上，也必須要有配套的技術和方法，才能確保質量及優良率。下圖為最新的MCM技術，采用適當的圓片薄型化工藝實現在單個封裝體內合封了8個芯片的示意圖。單個封裝體內合封了8個芯片的示意圖8.1.2MCM特點及分類1.MCM的特點如下：(1)MCM是將多塊未封裝的IC芯片高密度安裝在同一基板上構成的部件，省去了IC的封裝材料和工藝，節約了原材料，減少了制造工藝，縮小了整機／組件封裝尺寸和重量。(2)MCM的多層布線基板導體層數應不少于4層，能把模擬電路、數字電路、功率器件、光電器件、微波器件及各類片式化元器件合理而有效地組裝在封裝體內，形成單一半導體集成電路不可能完成的多功能部件、子系統或系統，從而使線路之間的串擾噪聲減少，阻抗易控，電路性能提高。

(3)MCM是高密度組裝產品，芯片面積占基板面積減少20％以上，互連線長度極大縮短，封裝延遲時間縮小，易于實現組件高速化。(4)MCM避免了單塊IC封裝的熱阻、引線及焊接等一系列問題，使產品的可靠性獲得極大提高。

(5)MCM集中了先進的半導體IC的微細加工技術，厚、薄膜混合集成材料與工藝技術，厚膜、陶瓷與PCB的多層基板技術以及MCM電路的模擬、仿真、優化設計、散熱和可靠性設計、芯片的高密度互連與封裝等一系列新技術。2.MCM的分類根據互連和封裝電子學會（IPC）標準，現在所用的MCM可分為五大類：1.MCM-L，有機疊層布線基板制成的MCM；2.MCM-C，厚膜或陶瓷多層布線基板制成的MCM；3.MCM-D，薄膜多層布線基板制成的MCM；4.MCM-D/C，厚、薄膜混合多層基板制成的MCM；5.MCM-Si，Si基板制成的MCM等類型。

MCM-L：采用層壓有機基材，制造采用普通印制板的加工方法，即采用印刷和蝕刻法制銅導線，鉆出盲孔、埋孔和通孔并鍍銅，內層的互連由EDA軟件設計來定。由于采用普通印制電路板的加工方法，MCM-L具有低成本、工期短、投放市場時間短等絕對優勢。

MCM-C：采用陶瓷燒制基材，導體是由一層層燒制金屬制成的，層間通孔互連與導體一塊生成，電阻可在外層進行燒制，最后用激光修整到精確值，所有導體和電阻都印刷到基板上，加工方法頗為復雜。

MCM-D：采用薄膜導體沉積硅基片，制造過程類似于集成電路；基片是由硅和寬度在1um-1mm之間的導體構成，通孔則由各種金屬通過真空沉積而形成。

目前，實現系統集成的技術途徑主要有兩個：一是半導體單片集成技術；二是MCM技術。前者是通過晶片規模的集成技術，將高性能數字集成電路(含存儲器、微處理器、圖像和信號處理器等)和模擬集成電路(含各種放大器、變換器等)集成為單片集成系統；后者是通過三維多芯片組件技術實現集成的功能。MCM早在80年代初期就曾以多種形式存在，但由于成本昂貴，只用于軍事、航天及大型計算機上。

近年來，隨著技術的進步及成本的降低，MCM在計算機、通信、雷達、數據處理、汽車行業、工業設備、儀器與醫療等電子系統產品上得到越來越廣泛的應用，已成為最有發展前途的高級微組裝技術。7.1.3應用及發展趨勢例如，利用MCM制成的微波和毫米波系統級封裝SOP(System-on-a-package)，為不同材料系統的部件集成提供了一項新技術，使得將數字專用集成電路、射頻集成電路和微機電器件封裝在一起成為可能。因此，MCM在組裝密度(封裝效率)、信號傳輸速度、電性能以及可靠性等方面獨具優勢；能最大限度地提高集成度和高速單片IC性能，從而制作成高速的電子系統，實現整機小型化、多功能化、高可靠、高性能的最有效途徑。

3D-MCM是為適應軍事、宇航、衛星、計算機、通信的迫切需求而迅速發展的高新技術，它具有降低功耗、減輕重量、縮小體積、減弱噪聲、降低成本等優點。

三維多芯片組件技術是現代微組裝技術發展的重要方向，是新世紀微電子技術領域的一項關鍵技術；近年來，在國外得到迅速發展。因此，我國也應該盡快高度重視該項新技術的研究和開發。

MCM的發展趨勢

MCM是電子組裝技術中SMT的延伸和發展，也是更高級的混合IC；該MCM技術從興起到成熟，解決了當前電子整機發展過程中的幾個方面的矛盾：（1）解決了進一步提高集成度的問題，利用MCM技術大力推動電路集成，是發展高性能軍用電子器件的組件的捷徑;（2）解決了分立器件、單片IC等信號延遲的與傳輸速度的限制問題;（3）解決了如何通過減少組裝層次，減少焊點數量等進一步提高整機可靠性的問題;（4）解決了小型化、高性能和高可靠性的有機結合問題。通常所說的多芯片組件都是指二維的多芯片組件(2D-MCM)，它的所有元器件都布置在一個平面上，不過它的基板內互連線的布置是三維。

隨著微電子技術的進一步發展，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%，已接近二維組裝所能達到的最大理論極限，這已成為混合集成電路持續發展的障礙。為了改變這種狀況，三維多芯片組件(3D-MCM)就應運而生了，其最高組裝密度可達200%。3D-MCM是指元器件除了在x-y平面上展開以外，還在垂直方向(Z方向)上排列，與2D-MCM相比，3D-MCM具有更高的集成度、組裝效率、更小的體積及重量、降低功耗，信號傳輸速度增加等優點。

對MCM的制作成品率影響最大的是IC芯片。因為MCM的高成品率要求各類IC芯片都是確認的優質芯片KGD（KnownGoodDie），而裸芯片無論是芯片制造商還是使用者都難以進行全面測試老化篩選，因而給組裝MCM帶來無法確定芯片性能的不利因素。一旦裝上的芯片不合格，這塊MCM就會不合格并難以返修，使得成本和成品率阻礙著MCM的應用和發展。因此，如何提高MCM的成品率就成為進一步促進MCM工業化的關鍵問題之一。

8.1.4CSP的出現促進MCM的發展

CSP（ChipScalePackage，芯片尺寸封裝）的出現很好地解決了這一問題。CSP不僅具有封裝IC芯片的優點；還具有裸芯片的優點，因為它的尺寸只有芯片大小；有的CSP還可以實現大圓片的“封裝”，大圓片工藝完成后與普通芯片一樣劃片。

可以說，各類CSP真正解決了單芯片IC已確認的優質芯片問題，同時也解決了組裝MCM的后顧之憂，大大提高MCM的成品率，其成本也會大為降低。

CSP的引腳間距按SMT的要求（如0.5-1.27mm）布置Pb/Sn焊接凸點，因此可使用常規的SMT在厚、薄膜多層基板上或PCB多層基板上對CSP進行貼裝并再流焊，使MCM的工業化成為可能，也使SMT提高到一個新的水平。

當一個大而復雜的系統規定了MCM所占的封裝面積時，往往一層MCM難以實現，可以設計成立體化的疊裝MCM，既減小了所占面積，又充分利用了空間。由于CSP解決了KGD問題，所以疊裝MCM的成品率才有保證。

CSP的出現，解決了芯片小，封裝大的矛盾，它既有封裝器件的一切便利，又有裸芯片尺寸小，性能優的特點，這就為MCM的迅速發展應用解決了后顧之憂，因為組裝MCM的所有芯片都經過老化篩選、測試，使芯片成為真正的KGD。

另外，由于CSP的“外引線”凸點均是Pb/Sn焊料，使用SMT進行貼裝焊接十分方便，MCM的工業化規模生產才能得以實現。8.2MCM的設計技術8.2.1設計概述

MCM設計的目的在于設計者考慮到所采用的技術對MCM整體性能、可靠性和功率以及綜合成本的影響。從根本上說，MCM的設計是在給定一套物理限制參數的系統中進行的過程，目的是為了有效地發揮MCM技術的作用，使MCM產品具有最優化的性能價格比。

因此，在考慮MCM的設計時，必須充分把握以下幾點：1、電性能問題在傳統的電子封裝中，與互連有關的寄生參數包括采用WB技術將芯片連接到封裝基板上的寄生電阻、寄生電容、寄生電感以及焊接引腳或表面安裝封裝的電阻、電感、電容。2、成本問題由MCM主要用于高性能、高速度及高可靠領域時，其成本是特別重要的因素。3、系統成品率和可靠性問題

系統成品率是單個元器件成品率的函數；MCM的系統成品率與芯片、基板和鍵合工藝等參數密切相關，其中芯片的成本占MCM成本的首位。因此，往往要通過KGD方法來保證裸芯片的成品率，否則，復雜的MCM系統成品率難以保持很高。4、功率及散熱問題元器件的MCM基板上的組裝密度高產生了散熱問題，因而，MCM的熱設計自然就成為MCM設計中的關鍵內容之一。8.2.2MCM的設計分析1.組件的尺寸和布線分析

組件的尺寸決定著關鍵的網狀互連線的長度，這些長度又影響系統的電性能以及長期可靠地工作。封裝時芯片封裝密度決定著組件的功耗密度，功耗密度決定組件如何經濟有效地散熱。

因此，影響組件尺寸的因素除了元器件的物理尺寸外，還包括布線密度、布線能力、焊區節距、布線方式、功率密度、組件對外連接形式以及元器件的排列等。2.組件的電學分析

由于MCM組件具有多功能、高速度的特點，其電特性與通常單個的芯片相差較大。MCM組件內部的分布參數效應，即高速脈沖信號在芯片間的傳輸存在電磁場。

由于時鐘頻率的提高，MCM芯片間互連線傳播的時間和脈沖信號的時間參量相當，在這種情況下，互連線的分布參數效應和波的傳播性質明顯，各種封裝結構將對信號的傳輸產生明顯影響。3.MCM的物理設計

物理設計是使電路或系統原理圖變為直觀、可操作的圖形，它是在組件規范的基礎上，增加系統制造中可能用到的幾何信息，包括元器件位置參數、互連尺寸、位置參數以及通孔的尺寸和位置參數。4.組件的可靠性分析

電子系統的可靠性既取決于硬件，也取決于軟件。由于故障返修的費用上漲很快，幾乎與電子系統成本的下降速度一樣，因此對很多系統，包括廉價的消費類電子產品來說，可靠性將是一個最重要的設計目標。

可靠性是一種系統特性，必須使它成為設計中的重要部分，因為在產品研制生產之后，其可靠性也就基本確定了。5.組件的成本分析

在MCM的多種成本因素中，首要的是IC芯片成本，這與組裝多個IC芯片的成本有關；其次是多層基板的成本，這與多層基板的成品率相關，此外，還有外貼元器件的成本和外殼等多種因素。提高MCM的成品率及質量水平，降低其成本的根本途徑是提高各類IC芯片的成品率。要提高安裝芯片成品率，就要在安裝前進行篩選測試，即組裝MCM時，使用優質芯片，使其成品率在99.9%以上時，MCM的成品率>或=98%。8.2.3熱分析的應用軟件應用軟件進行熱分析主要分四類:第一類是電子熱控制應用制作的軟件；第二類是使用分立或集中參數元件的網絡熱分析軟件；第三類是以有限元為基礎的熱分析軟件；第四類是MCM的CAD工具中的熱分析軟件。目前，使用最廣泛的熱分析軟件是通用的網絡熱分析器，這些軟件可處理熱阻網絡的復雜問題。8.3MCM的組裝技術

MCM的組裝技術是指通過一定的連接方法，將元件、器件組裝到MCM基板上，再將組裝有元器件的基板安裝在金屬或陶瓷封裝中，組成一個具有多種功能的MCM組件。

組裝技術是制造MCM的幾大關鍵技術之一，它不僅極大地影響MCM組件的體積、重量，而且是決定產品性能和成品率的重要因素。8.3.1芯片與基板的連接技術1.芯片與基板的粘接MCM中芯片與基板粘接的材料和工藝與HIC中的相同，粘接材料分為兩大類：有機粘接劑和無機粘接劑。目前，MCM廣泛采用的粘結劑有兩種類型：導電型和絕緣型，可配制成漿料和膜。2.芯片與基板的電氣連接MCM的芯片與基板的電氣連接有三種方式，即WB、TAB和FCB.

組裝了芯片和其他元件的MCM基板可組裝在外殼或密封外殼中。在金屬、陶瓷密封外殼中，這種MCM基板安裝在封裝外殼底部。

MCM基板與封裝外殼底部的連接有三種方法：粘接劑連接、焊接和機械固定；比較通用的是前兩種，一般是用粘芯片的粘接劑連接。

對于大功率MCM，通常用Pb-Sn焊膏通過再流焊把多層基板焊接在封裝外殼底部，實現基板與封裝外殼的連接，其中金屬焊料既起固定作用，也起散熱通道作用。8.3.2基板與封裝外殼的連接技術在MCM的制造過程中，要進行多級檢驗和電性能測試以保證MCM的質量和可靠性。主要有三個方面的測試，即基板測試、元器件測試和成品組件測試。

基板測試是在制造過程中和組裝元器件之前進行的；元器件測試在組裝到基板上之前進行；組件測試與故障診斷是在組裝后并返修完有缺陷的元器件之后，最后封裝之前進行。8.3.2檢測1.基板測試

MCM基板包含有全部元器件連接的導體布線及互連通孔，測試的目的是驗證基板布線及通孔的互連和導通，監控制造過程中的質量。

測試主要針對基板表面焊區上相連的電氣網絡，原因是這些焊區起著電信號出入基板的連接作用；其中，一些焊區與組裝在基板上的芯片相連，另一些焊區與組件外的分立元器件相連。把一個或多個探針與基板上的焊區相接觸，就可進行電氣網絡測試；測試內容還包括阻抗、信號傳輸延遲、串擾和高壓泄漏的測量。2.元器件的測試

MCM使用的芯片質量是生產高成品率MCM的關鍵因素。所以生產優質芯片的工藝必須符合已制定的工藝流程，否則加工成本很高。芯片應放在自動處理裝置進行老化和終測。

測試裸芯片的夾具分為三類：小型固定載體，臨時封裝或載體，裸芯片插座。TAB就是一種小型固定載體，是裸芯片測試較成熟的方法之一。3.組件的功能檢查與故障診斷8.3.3MCM的返修技術

返修是MCM制造過程中必須重視的一個環節。盡管人企望任何MCM組件不需要返修，但當前要徹底取消它是不合理的。隨著工藝水平、工藝質量、大規模制造能力和自動化和度的提高，返修可以逐步取消。縫焊+檢漏外觀目檢溫度（至少10次，-65~150攝氏度）電測試（可選）老化（125攝氏度，至少160小時）氣密性檢驗最后電測試外觀目檢MCM帥選試驗流程返修的幾種常用方法：1.WB器件的返修2.粘接芯片和基板的返修方法3.倒裝芯片的返修方法4.TAB連接芯片的返修方法5.導帶的返修方法8.4三維多芯片組件及其應用

8.4.1概述

三維多芯片組件（簡稱3D-MCM）是在二維多芯片組件（即2D-MCM，通常指的MCM均系二維）技術基礎上發展起來的高級多芯片組件技術。二者的區別在于：3D-MCM是通過采用三維（x,y,z方向）結構形式對IC芯片進行立體結構的三維集成技術；2D-MCM則是在二維(x,y方向)對IC芯片集成，即采用二維結構形式對IC芯片進行高密度組裝，是IC芯片的二維集成技術。

三維多芯片組件技術是現代微組裝技術發展的重要方向，是微電子技術領域跨世紀的一項關鍵技術。由于宇航、衛星、計算機及通信等軍事和民用領域對提高組裝密度、減輕重量、減小體積、高性能和高可靠性等方面的迫切需求，加之3D-MCM在滿足上述要求方面具有的獨特優點，因此該項新技術近年來在國外得到迅速發展。

⑴電子系統（整機）對系統集成的迫切需求

電子系統（整機）向小型化、高性能化、多功能化、高可靠和低成本發展已成為目前的主要趨勢，從而對系統集成的要求也越來越迫切。實現系統集成的技術途徑主要有兩個：一是半導體單片集成技術，二是采用MCM技術。前者是通過晶片規模的集成技術（WSI），將高性能數字集成電路（含存儲器、微處理器、圖象和信號處理器等）和模擬集成電路（含各種放大器、變換器等）集成為單片集成系統；后者是通過三維多芯片組件（3D-MCM或MCM-V）技術實現WSI的功能。

據分析，可能在相當一段時間內，實現系統集成的主要技術途徑仍將是3D-MCM技術；這對于半導體集成電路工業還不發達的我國尤其如此。

8.4.23D-MCM的發展驅動力

⑵二維組裝密度（組裝效率）的限制現代微組裝技術的發展已到了接近二維組裝所能達到的理論上最大的組裝密度，目前2D-MCM的組裝效率最高達85%，而采用3D-MCM可實現更高的組裝密度（組裝效率），其組裝效率則已可達200%以上。

因此，為了進一步提高組裝密度，實現更小的體積和更多的功能，也必須從二微組裝向三維微組裝發展。

3D-MCM的優點可歸納為“四個減小”和“六個增大”，即：(1)減小信號傳輸延遲時間。

由于LHSI的發展和應用，使得芯片之間互連線的長度已成為影響系統（整機）信號傳輸延遲的關鍵。3D-MCM中芯片之間的互連長度比2D-MCM短得多，因此可進一步減小信號傳輸延遲時間。(2)減小信號噪聲。

在數字信號系統中，主要有四種噪聲來源：反射噪聲、串擾噪聲、同步觸發噪聲和電磁干擾。這些噪聲與信號在互連線中傳輸時的上升時間相關，即與互連線長短相關，3D-MCM可通過進一步縮短互連線的長度來降低信號噪聲。

8.4.33D-MCM的優點

(3)減小體積，減輕重量。3D-MCM相對于2D-MCM而言，可使系統的體積縮小10倍以上，重量減輕6倍以上。(4)減小功耗。

電子系統中互連線功耗的表達式可寫為P=fCV2，其中f是信號頻率，V是互連線兩端的電壓差，C是互連線的寄生電容。由此看出，互連線的長度越短，寄生電容越小，功耗就越低。如前所述，3D-MCM相對于2D-MCM而言可進一步縮短互連線，因此也可降低功耗。(5)進一步增大組裝效率。2D-MCM的組裝效率目前最高可達85%，從理論上來講，2D-MCM組裝效率要達到100%是不可能的，這是2D-MCM本身的結構限制所決定的。而3D-MCM的組裝效率目前已高達200%。(6)增大互連效率。所謂互連效率系指組件單位面積的互連點數。3D-MCM與2D-MCM及SMT技術單位連接點數相比較，每單位面積的連接點數比2D-MCM多1～3個數量級以上，比SMT技術多1～4個數量級以上。

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