單作鵬（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽　110032）

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多芯片組件技術(shù)研究

單作鵬
（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

摘 要：多芯片組件MCM（Multi—Chip Module）技術(shù)是將多個裸芯片和其它元器件組裝在同一塊多層互連基板上，然后進(jìn)行封裝，從而形成高密度和高可靠性的微電子組件。MCM是20世紀(jì)80年代初開發(fā)成功的新技術(shù)，它的前身是緊隨著IC發(fā)明后出現(xiàn)的傳統(tǒng)混合封裝技術(shù)。其與單芯片相比較具有封裝效率高、芯片間距小、芯片和電路板之間的互連數(shù)少、高產(chǎn)量的MCM成本低的優(yōu)點(diǎn)。多芯片組件共有三種基本類型：多層有機(jī)層壓板結(jié)構(gòu)（MCM-L）、厚膜或多層共燒陶瓷技術(shù)（MCM-C）、淀積多芯片組件（MCM-D）。其互聯(lián)方式共有三種：引線鍵合、倒裝芯片和載帶自動焊（TAB）。目前MCM技術(shù)在電子系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，但與國外先進(jìn)水平相比仍存在較大差距。

關(guān)鍵詞：基本類型；互連方式；散熱；電測試；發(fā)展趨勢

1 引 言

多芯片組件MCM（Multi—Chip Module）技術(shù)是將多個裸芯片和其它元器件組裝在同一塊多層互連基板上，然后進(jìn)行封裝，從而形成高密度和高可靠性的微電子組件［1］。MCM可用于封裝集成電路（IC）、IC子系統(tǒng)和其他系統(tǒng)單元，是一種十分重要的封裝技術(shù)。美國將MCM作為在微電子領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位的重要技術(shù)加以發(fā)展，并確定其為重點(diǎn)發(fā)展的十大軍民兩用高新技術(shù)之一。日本一直以來是MCM技術(shù)的推崇者，建立了MCM技術(shù)協(xié)會以進(jìn)一步促進(jìn)多芯片組件的發(fā)展與應(yīng)用。多芯片組件具有如下特點(diǎn)［2］：①M(fèi)CM中芯片的間距必須盡量小，以減小信號傳輸延遲；②MCM必須能實(shí)現(xiàn)熱管理，將半導(dǎo)體芯片的結(jié)溫一般限制在100℃以下；③MCM必須為下一級系統(tǒng)組裝提供可靠的I/O互連方式；④MCM必須提供環(huán)境保護(hù)功能。

MCM與單芯片封裝相比有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）封裝效率（芯片面積與封裝面積之比）更高。因?yàn)樵趩涡酒庋b中，封裝結(jié)構(gòu)本身占用了很多面積，兩個單芯片封裝的芯片間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了MCM中裸芯片的間距；

（2）芯片間距減小，基板連接線長度縮短，提高了電性能；

（3）芯片和電路板之間的互連數(shù)減少，提高了可靠性；

（4）高產(chǎn)量MCM有利于降低成本，因?yàn)樗∪チ嗣總€IC的單獨(dú)封裝，并減少了基板面積。

正因?yàn)镸CM具有這種密度高、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，它才能廣泛應(yīng)用在超級計算機(jī)、大型主機(jī)、航空、醫(yī)療、消費(fèi)類電子產(chǎn)品和各種便攜式產(chǎn)品中。

2 MCM的基本類型

根據(jù)多層互連基板的結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)不同，MCM大體上可分為三類［3］。

2.1MCM-L

多層有機(jī)層壓板結(jié)構(gòu)（MCM-L）技術(shù)是從有機(jī)PCB加工工藝發(fā)展而來。它采用銅制作金屬互連層，層間通過玻璃纖維加強(qiáng)的有機(jī)層壓板（最常用）實(shí)現(xiàn)絕緣，通過電鍍過孔或通孔實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

在基板制作過程中，該技術(shù)可預(yù)先埋置固定阻值的電阻、電容和電感的元件在介質(zhì)層中。MCM-L制造工藝較成熟、生產(chǎn)成本較低是其快速發(fā)展的主要原因。但因芯片的安裝方式和基板結(jié)構(gòu)所限，更高密度化則不容易實(shí)現(xiàn)。MCM-L組成結(jié)構(gòu)也將其限制在非長期可靠性和非極限環(huán)境條件下的應(yīng)用。

2.2MCM-C

厚膜或多層共燒陶瓷技術(shù)（MCM-C）是應(yīng)封裝密度和性能提高的需求，從傳統(tǒng)厚膜工藝中發(fā)展而來。其提高密度的基本措施是減小特征尺寸，如連接各基板層的過孔尺寸，用于布線的導(dǎo)電圖形尺寸，各導(dǎo)線圖形、過孔之間的間距等。

在傳統(tǒng)厚膜工藝中，這些單元都是通過絲網(wǎng)印刷法加工出來的，絲網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸直接限制了線寬、間距的尺寸。除了絲網(wǎng)本身外，還有其他幾個限制印制單元分辨率的因素：厚膜漿料的粘度、乳膠與基板的粘合能力，以及刮板速度和壓力等等。

共燒陶瓷多芯片組件則以共燒陶瓷混合電路技術(shù)發(fā)展為基礎(chǔ)，在介質(zhì)層上鋪設(shè)導(dǎo)體圖形的薄膜印刷技術(shù)，制備足夠的布線層數(shù)以實(shí)現(xiàn)需要的互連設(shè)計，同時還要保證基板的良好機(jī)械性能。介質(zhì)層打孔形成通孔，通孔會被導(dǎo)體材料填實(shí)起到連接上下層的電學(xué)互連。陶瓷上印制電阻材料可獲得所需要的電阻值，通過微調(diào)技術(shù)對其進(jìn)行阻值修正。印制好的陶瓷層在其他層疊加前要在烘箱中烘干。所有印刷完畢的陶瓷層疊放在一起，在一個設(shè)定溫度環(huán)境下燒結(jié)成一個完整的多層布線。

在共燒陶瓷工藝中，未燒結(jié)的生瓷片在應(yīng)力過大的情況下會斷裂。在遇到多個間距較近的過孔時，一般是交錯布置，避免布在一條直線上。還應(yīng)該避免形成“陶瓷島”的布局形狀，即基板的某一部分和其余部分之間基本上被過孔隔開。印刷導(dǎo)體和填充過孔時，需要先將陶瓷片放在一個表面開有許多吸氣孔的空心腔體上，對腔體抽真空，產(chǎn)生吸附力固定住陶瓷片。為防止出現(xiàn)固定不牢的問題，設(shè)計時應(yīng)注意將每層陶瓷片的開孔面積控制在總表面積的40%之內(nèi)。

2.3MCM-D

以半導(dǎo)體或陶瓷為基底的多層薄膜結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中淀積金屬導(dǎo)體和節(jié)點(diǎn)材料分別進(jìn)行互連和絕緣（MCM-D），以其明顯的封裝密度和電路速度優(yōu)勢在MCM領(lǐng)域中占據(jù)著主導(dǎo)地位，這得益于它所選取的特殊材料和薄膜工藝自身的高分辨率優(yōu)點(diǎn)，特征尺寸可達(dá)10μm以下。采用光刻工藝加工薄膜圖形，常用介質(zhì)是采用旋涂法淀積的聚合物，有時也采用化學(xué)氣相淀積的二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，常用導(dǎo)體金屬是濺射法淀積的銅、鋁或金。

MCM-D技術(shù)的發(fā)展方向不太可能是進(jìn)一步減小特征尺寸，增大封裝密度，因?yàn)橛行┣闆r下組件表面幾乎已經(jīng)布滿了器件。MCM-D關(guān)注的問題是如何降低過高的成本。增加基板的加工成品率是降低成本的一個辦法。具體措施有：研發(fā)更有效的加工設(shè)備，如聚合物前體分配系統(tǒng)；采用感光聚合物介質(zhì)材料，直接對介質(zhì)光刻，從而簡化工藝，縮短工藝周期，并提高過孔的可靠性。

3 基板和芯片的互連方式

芯片與基板間三種常用的連接方式是引線鍵合、倒裝芯片和載帶自動焊（TAB）［4］，如圖1所示。

3.1引線鍵合（絲焊）

引線鍵合方法首先用貼片膠或焊料將芯片面向基板貼裝上，然后用金或鋁線連接芯片和基板。引線鍵合的工藝靈活、成本低、投資成本低、使用方便，是最重要的一級互聯(lián)方式。引線鍵合工藝的靈活性十分突出，它可以對各種類型的芯片，各種尺寸、樣式的芯片焊盤采用不同的互連金屬材料進(jìn)行鍵合。所需要修改的只是機(jī)器參數(shù)、軟件程序、鍵合頭（毛細(xì)管和劈刀）、引線尺寸和材料，這種修改并不需要花費(fèi)多少成本和時間。由于引線鍵合方法簡單、容易操作，所以對于I/O端口小于200的集成電路是MCM芯片貼裝的主要技術(shù)。引線鍵合工藝正朝著超精細(xì)鍵合趨勢發(fā)展，以滿足封裝工藝的苛刻要求，因此作為半導(dǎo)體生產(chǎn)后道工序中的關(guān)鍵，引線鍵合在未來相當(dāng)長時間內(nèi)仍是封裝內(nèi)部連接的主流方式和低成本解決方案［5］。引線鍵合的局限性在于每一根引線都需要焊接，這使得工藝按序進(jìn)行并且每根絲線都需要鍵合從區(qū)而降低了集成度。另外，引線鍵合固有的寄生電感效應(yīng)是它應(yīng)用于高速電子電路的嚴(yán)重缺陷。

圖1 基板芯片互連方式

3.2倒裝芯片

倒裝焊技術(shù)由IBM公司于上世紀(jì)60年代開發(fā)應(yīng)用。在I/O焊區(qū)上的Pb/Sn焊料凸點(diǎn)內(nèi)嵌入有Au/Ni的Cu球，在芯片焊接區(qū)和焊料凸點(diǎn)間鍍涂Cr-Cu-Au界面層。通過倒置芯片將Cu球再流焊到基板相應(yīng)的焊區(qū)。倒裝焊技術(shù)提供一種大批量貼裝MCM的方法，這種方法互連縮短，具有最小的感應(yīng)系數(shù)；面陣連接能改善電性能和滿足不斷增長的I/O數(shù)要求。倒裝芯片有四個主要優(yōu)點(diǎn)［6］：①它能在互連密度不變的情況下增加單位面積的互連數(shù)；②所有互連都在芯片面積范圍內(nèi)，不需要在芯片范圍之外進(jìn)行外引線鍵合（第二次鍵合）；③鍵合引起的寄生電感和電容非常小，允許器件在很高的頻率下工作；④返修工藝最可靠，較少的電路板或基板報廢率。

缺點(diǎn)在于，高密度封裝和芯片倒裝引起的熱問題相當(dāng)嚴(yán)重。此類MCM的制作成本高和工藝復(fù)雜也是其發(fā)展的不利因素。

3.3載帶自動焊（TAB）

載帶自動焊技術(shù)由20世紀(jì)70年代的通用電氣公司（GE）研制。TAB首先把芯片粘接到帶有銅引線圖形的聚合物載帶上，芯片通過凸點(diǎn)鍵合到金屬引線上。然后將帶有銅引線的芯片從載帶上切下，芯片朝上或下焊接到MCM基板。TAB的優(yōu)點(diǎn)在于芯片焊接到MCM基板上之前進(jìn)行測試和老化試驗(yàn)。相比于絲焊技術(shù)，TAB縮短了工藝時間，更重要的是提高了MCM電學(xué)性能。缺點(diǎn)在于不同的芯片需要設(shè)計和制作相匹配的載帶。

4 MCM散熱

MCM的散熱性能對于系統(tǒng)正常、可靠工作至關(guān)重要?；迨侵匾纳釂卧?，但芯片具體的散熱途徑與基板和芯片的連接方式有關(guān)。如圖2所示。在引線鍵合和標(biāo)準(zhǔn)TAB中，芯片面朝上，芯片背面直接鍵合在基板上。這種情況下，熱量將從芯片背面直接散到基板中。熱導(dǎo)率較高的貼片材料將有助于散熱。在倒裝芯片和倒裝TAB中，芯片不是背面鍵合到基板上的，而是通過焊球或倒裝TAB引線與基板互連。這時芯片向基板和通過基板的熱傳導(dǎo)并不是主要的散熱機(jī)制。倒裝互連時熱量更容易通過芯片的背面，即上表面粘貼的熱沉或散熱片散發(fā)出去。采用倒裝方式互連時，上表面的散熱效率很高，可以允許10～100W/cm2的功率密度，因此幾乎所有的超級計算機(jī)都不同形式地采用了倒裝互連技術(shù)，但隨著封裝密度的增加，散熱將越來越困難。

圖2 基板散熱方式

5 MCM測試

由于MCM中包含多種元器件，只要有一個元器件失效，整個組件可能就失效，所以MCM的測試是保證其可靠工作的一個重要程序。

在組裝前，首先應(yīng)對芯片、電阻、電容等器件進(jìn)行測試，確保其為合格器件，并用針床式、探針卡或飛針式測試儀對基板進(jìn)行電測試，以確認(rèn)基板中所有電路是否按設(shè)計方案正確連接，是否有開路、短路和網(wǎng)路電阻/阻抗異常的情況。然后要對芯片、電阻、電容、基板等器件進(jìn)行目檢，確保其無缺陷，如金屬化加工的不均勻性、通孔對不準(zhǔn)，以及電探針測試無法檢測到的線路裂紋等。組裝后，必須再對MCM進(jìn)行一次電測試，確認(rèn)組件能正常工作，若不能正常工作，需要進(jìn)行故障定位，若屬于可維修或替換的情況，需要進(jìn)行維修和替換，此舉可以極大降低MCM成本。

組裝件通過測試，一切正常后，進(jìn)行密封，并在一定條件（溫度、濕度、偏置電壓）下老化，及時發(fā)現(xiàn)潛在缺陷，保證系統(tǒng)的長期可靠性。

6 結(jié)束語

目前MCM技術(shù)在電子系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，取得了一定成效，但在材料制造、設(shè)計和工藝、測試等方面及MCM實(shí)用化技術(shù)上仍顯不足，與國外先進(jìn)水平相比仍存在較大差距。

MCM技術(shù)為滿足電子產(chǎn)品的小型化、高性能、多功能、低成本的要求，設(shè)計模擬化、功能多樣化、封裝高密度化、成本低廉化、制造工程化始終是MCM技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)。

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Study on Technology of Multi Chip Module

Shan Zuopeng
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

Abstract：The technology of Multi Chip Module（briefly called MCM）is performed to assemble multiple chips and components on the same piece of interconnect substrate，and then package them to form a high density and reliability of microelectronic components.MCM，as a new technology，was successfully developed in 1980s，which closely following the traditional hybrid packaging technology IC.Compared with the single chip，it has the advantages of high efficiency，small chip spacing，low interconnection between the chip and the circuit board，and high output MCM low cost.There are three basic types of MCU，i.e.multilayer organic laminate structure（MCM-L），thick film or multilayer co-fired ceramic technology（MCM-C）and deposited multichip module（MCM-D）.The interconnect types are wire bonding，flip chip and load tape automated bonding（TAB）.At present，MCM technology has been widely used in electronic system，but there is still a big gap compared with foreign advanced technology.

Key words：Basic Types；Interconnection；Radiating；Electrical Testing；Development Trends

DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2016.02.007

中圖分類號：TN45

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-2279（2016）02-0020-04

作者簡介：單作鵬（1982-），男，山東省海陽市人，工程師，主研方向：封裝技術(shù)。

收稿日期：2015-07-20