多芯片組件技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

王巖 王 瑜

（哈爾濱電工儀表研究所，黑龍江 哈爾濱150081）

引言

多芯片組件(簡稱MCM)，是繼表面安裝技術(shù)(SMT)之后，9O年代在微電子領(lǐng)域出現(xiàn)的一項(xiàng)最引人矚目的新技術(shù)，MCM的出現(xiàn)標(biāo)志著電子組裝技術(shù)又向更高層次的高密度、高速度、高性能方向邁進(jìn)了一大步。為了適應(yīng)目前電路組裝高密度要求，微電子封裝技術(shù)的發(fā)展日新月異，各種新技術(shù)、新工藝層出不窮。最新出現(xiàn)的CSP(芯片尺寸封裝)使裸芯片尺寸與封裝尺寸基本相近，這樣在相同封裝尺寸時(shí)有更多的數(shù)量，使電路組裝密度大幅度提高。但是人們在應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)，無論采用何種封裝技術(shù)后的裸芯片，在封裝后裸芯片的性能總是比未封裝的要差一些。于是人們對傳統(tǒng)的混合集成電路(HIC)進(jìn)行徹底的改變，找出了多芯片組件(Multi Chip Module，即MCM)這種先進(jìn)的封裝模式。

1 多芯片組件基本特點(diǎn)及其性能

多芯片組件（圖1）是在高密度多層互連基板上，采用微焊接、封裝工藝將構(gòu)成電子電路的各種微型元器件(IC裸芯片及片式元器件)組裝起來，形成高密度、高性能、高可靠性的微電子產(chǎn)品(包括組件、部件、子系統(tǒng)、系統(tǒng))。它是為適應(yīng)現(xiàn)代電子系統(tǒng)短、小、輕、薄和高速、高性能、高可靠、低成本的發(fā)展方向而在PCB和SMT的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代微電子封裝與組裝技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成的有力手段。

1.1 多芯片組件基本特點(diǎn)

多芯片組件已有十幾年的歷史，MCM組裝的是超大規(guī)模集成電路和專用集成電路的裸片，而不是中小規(guī)模的集成電路，技術(shù)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技術(shù)以縮小體積重量為主。典型的MCM應(yīng)至少具有以下特點(diǎn)：

MCM是將多塊未封裝的IC芯片高密度安裝在同一基板上構(gòu)成的部件，省去了IC的封裝材料和工藝，節(jié)約了原材料，減少了制造工藝，縮小了整機(jī)／組件封裝尺寸和重量。

MCM是高密度組裝產(chǎn)品，芯片面積占基板面積至少20以上，互連線長度極大縮短，封裝延遲時(shí)間縮小，易于實(shí)現(xiàn)組件高速化。

MCM的多層布線基板導(dǎo)體層數(shù)應(yīng)不少于4層，能把模擬電路、數(shù)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(nèi)，形成單一半導(dǎo)體集成電路不可能完成的多功能部件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)。使線路之間的串?dāng)_噪聲減少，阻抗易控，電路性能提高。

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(chǎn)品的可靠性獲得極大提高。

MCM集中了先進(jìn)的半導(dǎo)體IC的微細(xì)加工技術(shù)，厚、薄膜混合集成材料與工藝技術(shù)，厚膜、陶瓷與PCB的多層基板技術(shù)以及MCM電路的模擬、仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)、散熱和可靠性設(shè)計(jì)、芯片的高密度互連與封裝等一系列新技術(shù)，因此，有人稱其為混合形式的全片規(guī)模集成WSI技術(shù)。

1.2 MCM的性能效應(yīng)

推動(dòng)MCM（圖2）的發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)主要因素是它的性能效應(yīng)。對于高速芯片(主要包括GaAs，ECL等)的互連，由于它能夠使用低介電常數(shù)介質(zhì)，縮短互連長度，因而能夠在提高組裝密度的同時(shí)，大大減少信號延遲時(shí)間，減少寄生效應(yīng)。由于組裝密度的提高，甚至可以把整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在一個(gè)組件內(nèi)。在信號速度比較低時(shí)，MCM技術(shù)也能夠改善組件的性能。特別是對于使用CMOS芯片的組件，它可以大大降低組件的功耗，因?yàn)镃MOS的功耗與負(fù)載電容的大小成正比，而MCM能夠大大降低負(fù)載電容值。另外，在MCM中采用TAB技術(shù)，可以在組裝前對芯片進(jìn)行性能測試，能夠提高M(jìn)CM的最終成品率。

2 多芯片組件的發(fā)展與應(yīng)用

2.1 MCM的發(fā)展現(xiàn)狀

國際技術(shù)研究公司對有代表性的美國、日本等37家主要從事MCM研究制造的公司進(jìn)行了調(diào)查研究，結(jié)果表明：

以總的水平來看，日本的MCM研究制造技術(shù)大約超前美國和歐洲，目前日本和美國的一些著名公司已具備廣泛的MCM設(shè)計(jì)實(shí)力和小批量生產(chǎn)能力，其它大多數(shù)公司還處在樣品研制階段。較多的或大多數(shù)用戶選擇使用薄膜技術(shù)。優(yōu)良的性能是推動(dòng)MCM發(fā)展的主要因素，限制MCM的主要因素是它的成本和價(jià)格。在調(diào)查的公司中，有43家使用硅基板，基板使用的導(dǎo)體材料有金、銅和鋁，有84家公司使用了銅導(dǎo)體。日本比較偏愛使用光敏聚酰亞胺，因?yàn)樗梢詼p少工藝環(huán)節(jié)，降低生產(chǎn)成本。目前MCM的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括計(jì)算機(jī)、通訊、軍用和汽車電子等。不同的應(yīng)用領(lǐng)域要求不同設(shè)計(jì)、材料、工藝和性能的MCM。上述情況基本反映了MCM的現(xiàn)狀。

2.2 MCM的應(yīng)用

MCM因性能優(yōu)良而具有廣闊的市場，因成本和價(jià)格太高而使它的應(yīng)用范圍受到限制。當(dāng)前MCM的主要應(yīng)用領(lǐng)域是航空、航天、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、計(jì)算機(jī)，通訊、汽車電子等軍事和高技術(shù)領(lǐng)域。1995年，薄膜混合集成電路組件中，50%以上是MCM，其它類型的MCM在其同類產(chǎn)品中所占的比例在90年代也顯著地增加，到2000年，MCM將占全部組件的40%。據(jù)BBC報(bào)道，1990年，MCM的市場總額為2億美元，1995年達(dá)到了8.9億美元，年增長率為40%。在IPC年會(huì)上，Hewlett-Packard電子組裝實(shí)驗(yàn)室主任預(yù)計(jì)，MCM的市場總額將達(dá)180億美元。我國微組裝技術(shù)目前還處在初級階段，其產(chǎn)品僅達(dá)到初級MCM或類MCM階段，且品種少產(chǎn)量有限，即使保證重點(diǎn)工程任務(wù)的需要也很困難，更遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了其它領(lǐng)域的需求。就目前國內(nèi)需求來看，盡管每塊MCM的價(jià)格在千元以上，但年需求量仍在萬塊以上，而實(shí)際供應(yīng)量僅有幾千塊，供需矛盾十分突出。估計(jì)幾年后，國內(nèi)僅軍用、計(jì)算機(jī)、通訊等領(lǐng)域?qū)CM的需求量將超過50萬塊。

3 結(jié)束語

總之，近年來，移動(dòng)電話、數(shù)碼相機(jī)、便攜計(jì)算機(jī)、汽車電子等系統(tǒng)對小型化、多功能、高可靠方面的要求不斷提高，MCM技術(shù)有很好的應(yīng)用前景。采用MCM技術(shù)實(shí)現(xiàn)的SiP具有開發(fā)周期短、開發(fā)成本低的優(yōu)勢，成為一種SOC的替代技術(shù)。MCM技術(shù)發(fā)展迅速，加強(qiáng)MCM技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用很有必要。

[1]龍平.獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)/光互補(bǔ)監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].北京：中科院碩士學(xué)位論文，2004.