第八章 多芯片组件(MCM)

第八章：多芯片组件（MCM）8.1MCM(MultiChipModel)多芯片模块概述

8.1.1MCM的定义

8.1.2

特点及分类

8.1.3

应用及发展趋势

8.1.4CSP的出现促进MCM的发展8.2MCM的热设计技术

8.2.1

设计概述

8.2.2MCM的设计分析

8.2.3

热分析的应用软件8.3MCM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

8.3.3MCM的返修技术8.4

三维多芯片组件及其应用

8.4.1

概述

8.4.23D-MCM的发展驱动力

8.4.33D-MCM的优点

8.4.43D-MCM应用实例8.1MCM(MultiChipModel)多芯片组件概述

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(MultiChipModel)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。8.1.1MCM的定义多芯片组件（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。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8.1.2MCM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。

(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。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。

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。

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。7.1.3应用及发展趋势例如，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。

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。通常所说的多芯片组件都是指二维的多芯片组件(2D-MCM)，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2D-MCM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。

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（KnownGoodDie），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。

8.1.4CSP的出现促进MCM的发展

CSP（ChipScalePackage，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。

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。8.2MCM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。

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。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。8.2.2MCM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。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。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。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。提高MCM的成品率及质量水平，降低其成本的根本途径是提高各类IC芯片的成品率。要提高安装芯片成品率，就要在安装前进行筛选测试，即组装MCM时，使用优质芯片，使其成品率在99.9%以上时，MCM的成品率>或=98%。8.2.3热分析的应用软件应用软件进行热分析主要分四类:第一类是电子热控制应用制作的软件；第二类是使用分立或集中参数元件的网络热分析软件；第三类是以有限元为基础的热分析软件；第四类是MCM的CAD工具中的热分析软件。目前，使用最广泛的热分析软件是通用的网络热分析器，这些软件可处理热阻网络的复杂问题。8.3MCM的组装技术

MCM的组装技术是指通过一定的连接方法，将元件、器件组装到MCM基板上，再将组装有元器件的基板安装在金属或陶瓷封装中，组成一个具有多种功能的MCM组件。

组装技术是制造MCM的几大关键技术之一，它不仅极大地影响MCM组件的体积、重量，而且是决定产品性能和成品率的重要因素。8.3.1芯片与基板的连接技术1.芯片与基板的粘接MCM中芯片与基板粘接的材料和工艺与HIC中的相同，粘接材料分为两大类：有机粘接剂和无机粘接剂。目前，MCM广泛采用的粘结剂有两种类型：导电型和绝缘型，可配制成浆料和膜。2.芯片与基板的电气连接MCM的芯片与基板的电气连接有三种方式，即WB、TAB和FCB.

组装了芯片和其他元件的MCM基板可组装在外壳或密封外壳中。在金属、陶瓷密封外壳中，这种MCM基板安装在封装外壳底部。

MCM基板与封装外壳底部的连接有三种方法：粘接剂连接、焊接和机械固定；比较通用的是前两种，一般是用粘芯片的粘接剂连接。

对于大功率MCM，通常用Pb-Sn焊膏通过再流焊把多层基板焊接在封装外壳底部，实现基板与封装外壳的连接，其中金属焊料既起固定作用，也起散热通道作用。8.3.2基板与封装外壳的连接技术在MCM的制造过程中，要进行多级检验和电性能测试以保证MCM的质量和可靠性。主要有三个方面的测试，即基板测试、元器件测试和成品组件测试。

基板测试是在制造过程中和组装元器件之前进行的；元器件测试在组装到基板上之前进行；组件测试与故障诊断是在组装后并返修完有缺陷的元器件之后，最后封装之前进行。8.3.2检测1.基板测试

MCM基板包含有全部元器件连接的导体布线及互连通孔，测试的目的是验证基板布线及通孔的互连和导通，监控制造过程中的质量。

测试主要针对基板表面焊区上相连的电气网络，原因是这些焊区起着电信号出入基板的连接作用；其中，一些焊区与组装在基板上的芯片相连，另一些焊区与组件外的分立元器件相连。把一个或多个探针与基板上的焊区相接触，就可进行电气网络测试；测试内容还包括阻抗、信号传输延迟、串扰和高压泄漏的测量。2.元器件的测试

MCM使用的芯片质量是生产高成品率MCM的关键因素。所以生产优质芯片的工艺必须符合已制定的工艺流程，否则加工成本很高。芯片应放在自动处理装置进行老化和终测。

测试裸芯片的夹具分为三类：小型固定载体，临时封装或载体，裸芯片插座。TAB就是一种小型固定载体，是裸芯片测试较成熟的方法之一。3.组件的功能检查与故障诊断8.3.3MCM的返修技术

返修是MCM制造过程中必须重视的一个环节。尽管人企望任何MCM组件不需要返修，但当前要彻底取消它是不合理的。随着工艺水平、工艺质量、大规模制造能力和自动化和度的提高，返修可以逐步取消。缝焊+检漏外观目检温度（至少10次，-65~150摄氏度）电测试（可选）老化（125摄氏度，至少160小时）气密性检验最后电测试外观目检MCM帅选试验流程返修的几种常用方法：1.WB器件的返修2.粘接芯片和基板的返修方法3.倒装芯片的返修方法4.TAB连接芯片的返修方法5.导带的返修方法8.4三维多芯片组件及其应用

8.4.1概述

三维多芯片组件（简称3D-MCM）是在二维多芯片组件（即2D-MCM，通常指的MCM均系二维）技术基础上发展起来的高级多芯片组件技术。二者的区别在于：3D-MCM是通过采用三维（x,y,z方向）结构形式对IC芯片进行立体结构的三维集成技术；2D-MCM则是在二维(x,y方向)对IC芯片集成，即采用二维结构形式对IC芯片进行高密度组装，是IC芯片的二维集成技术。

三维多芯片组件技术是现代微组装技术发展的重要方向，是微电子技术领域跨世纪的一项关键技术。由于宇航、卫星、计算机及通信等军事和民用领域对提高组装密度、减轻重量、减小体积、高性能和高可靠性等方面的迫切需求，加之3D-MCM在满足上述要求方面具有的独特优点，因此该项新技术近年来在国外得到迅速发展。

⑴电子系统（整机）对系统集成的迫切需求

电子系统（整机）向小型化、高性能化、多功能化、高可靠和低成本发展已成为目前的主要趋势，从而对系统集成的要求也越来越迫切。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，二是采用MCM技术。前者是通过晶片规模的集成技术（WSI），将高性能数字集成电路（含存储器、微处理器、图象和信号处理器等）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（3D-MCM或MCM-V）技术实现WSI的功能。

据分析，可能在相当一段时间内，实现系统集成的主要技术途径仍将是3D-MCM技术；这对于半导体集成电路工业还不发达的我国尤其如此。

8.4.23D-MCM的发展驱动力

⑵二维组装密度（组装效率）的限制现代微组装技术的发展已到了接近二维组装所能达到的理论上最大的组装密度，目前2D-MCM的组装效率最高达85%，而采用3D-MCM可实现更高的组装密度（组装效率），其组装效率则已可达200%以上。

因此，为了进一步提高组装密度，实现更小的体积和更多的功能，也必须从二微组装向三维微组装发展。

3D-MCM的优点可归纳为“四个减小”和“六个增大”，即：(1)减小信号传输延迟时间。

由于LHSI的发展和应用，使得芯片之间互连线的长度已成为影响系统（整机）信号传输延迟的关键。3D-MCM中芯片之间的互连长度比2D-MCM短得多，因此可进一步减小信号传输延迟时间。(2)减小信号噪声。

在数字信号系统中，主要有四种噪声来源：反射噪声、串扰噪声、同步触发噪声和电磁干扰。这些噪声与信号在互连线中传输时的上升时间相关，即与互连线长短相关，3D-MCM可通过进一步缩短互连线的长度来降低信号噪声。

8.4.33D-MCM的优点

(3)减小体积，减轻重量。3D-MCM相对于2D-MCM而言，可使系统的体积缩小10倍以上，重量减轻6倍以上。(4)减小功耗。

电子系统中互连线功耗的表达式可写为P=fCV2，其中f是信号频率，V是互连线两端的电压差，C是互连线的寄生电容。由此看出，互连线的长度越短，寄生电容越小，功耗就越低。如前所述，3D-MCM相对于2D-MCM而言可进一步缩短互连线，因此也可降低功耗。(5)进一步增大组装效率。2D-MCM的组装效率目前最高可达85%，从理论上来讲，2D-MCM组装效率要达到100%是不可能的，这是2D-MCM本身的结构限制所决定的。而3D-MCM的组装效率目前已高达200%。(6)增大互连效率。所谓互连效率系指组件单位面积的互连点数。3D-MCM与2D-MCM及SMT技术单位连接点数相比较，每单位面积的连接点数比2D-MCM多1～3个数量级以上，比SMT技术多1～4个数量级以上。

(7)