低成本的MCM和MCM封裝技術(shù)

石明達(dá) 吳曉純(南通富士通微電子股份有限公司江蘇南通市)

摘要：本文介紹了多芯片模塊的相關(guān)技術(shù)。消費(fèi)類電子產(chǎn)品低成本的要求推動了MCM技術(shù)的應(yīng)用。對于必須高密度集成以滿足高性能、小型化且低成本的要求的產(chǎn)品,MCM可選用多種封裝技術(shù)。

關(guān)鍵詞：多芯片模塊 基板 封裝 印制電路板

1 MGM概述

MCM是一種由兩個或兩個以上裸芯片或者芯片尺寸封裝(CSP)的IC組裝在一個基板上的模塊，模塊組成一個電子系統(tǒng)或子系統(tǒng)?；蹇梢允荘CB、厚／薄膜陶瓷或帶有互連圖形的硅片。整個MCM可以封裝在基板上，基板也可以封裝在封裝體內(nèi)。MCM封裝可以是一個包含了電子功能便于安裝在電路板上的標(biāo)準(zhǔn)化的封裝，也可以就是一個具備電子功能的模塊。它們都可直接安裝到電子系統(tǒng)中去(PC、儀器、機(jī)械設(shè)備等等)。

2 MGM技術(shù)

關(guān)于MCM技術(shù)的介紹在國內(nèi)見到的文章很多。簡單地講,MCM可分為三種基本類型：MCM-L是采用片狀多層基板的MCM。基板的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

MCM-L技術(shù)本來是高端有高密度封裝要求的PCB技術(shù)，適用于采用鍵合和PC工藝的MCM。MCM-L不適用有長期可靠性要求和使用環(huán)境溫差大的場合。

MCM-C是采用多層陶瓷基板的MCM。陶瓷基板的結(jié)構(gòu)如2圖所示。從模擬電路、數(shù)字電路、混合電路到微波器件，MCM-C適用于所有的應(yīng)用。多層陶瓷基板中低溫共燒陶瓷基板使用最多，其布線的線寬和布線節(jié)距從254微米直到75微米。

MCM-D是采用薄膜技術(shù)的MCM。MCM-D的基板由淀積的多層介質(zhì)、金屬層和基材組成。MCM-D的基材可以是硅、鋁、氧化鋁陶瓷或氮化鋁。典型的線寬25微米，線中心距50微米，層間通道在10到50微米之間，低介電常數(shù)材料二氧化硅、聚酰亞胺或BCB常用作介質(zhì)來分隔金屬層。介質(zhì)層要求薄，金屬互連要求細(xì)小但仍要求適當(dāng)?shù)幕ミB阻抗。圖3是用硅做基材的MCM-D基板的剖面結(jié)構(gòu)。如果選用硅做基板，在基板上可添加薄膜電阻和電容，甚至可以將存儲器和模塊的保護(hù)電路(ESD、EMC)等做到基板上去。

3 MCM的市場推動力

使用MCM來代替在PCB上使用的表面貼裝集成電路的主要原因有如下述。

3．1 縮小尺寸

在使用表面貼裝集成電路的PCB上，芯片面積約占PCB面積的15％，而在使用MCM的PCB上芯片面積達(dá)30-60％甚至更高。

3．2 技術(shù)集成

在MCM中，數(shù)字和模擬功能可以混合在一起而沒有局限性，一個專用集成電路可以和標(biāo)準(zhǔn)處理器／存儲器封裝在一起，Si、GaAs芯片也可以封裝在一起。在一些MCM中被動元件被封裝在一起以消除相互間的干擾，MCM的I／O也可有更靈活的選擇。

3．3 數(shù)據(jù)速度和信號質(zhì)量

高速元器件可更緊密地相互靠近安裝,IC信號傳輸特性更好。與標(biāo)準(zhǔn)PCB相比，系統(tǒng)總電容和電感負(fù)載低且更易于控制，MCM的抗電磁干擾能力也比PCB好。

3．4 可靠性／使用環(huán)境

與大的電子系統(tǒng)相比，小的系統(tǒng)能更好地防止電磁、水、氣體等的危害。

3．5 成本

在COB已被廣泛使用在大批量生產(chǎn)的電子產(chǎn)品中時,MCM在PC、攝像機(jī)等產(chǎn)品中使用還處于徘徊期，在普通產(chǎn)品的PCB上使用MCM的總成本要高于使用單芯片IC。在MCM開始使用的二十多年中，MCM的優(yōu)點(diǎn)雖已得到公認(rèn)，但因其高昂的費(fèi)用使得它僅在高端產(chǎn)品領(lǐng)域少有應(yīng)用。MCM之所以沒取得廣泛的成功，主要是因?yàn)镵GD(Known Good Die)、基板費(fèi)用高和封裝費(fèi)用高、合格率低。在國際上MCM因此被戲稱為MCMS(Must Cost Millions)——必須花
費(fèi)幾百萬。近幾年來，由于市場巨大的推動力和新技術(shù)的開發(fā)，尤其是封裝技術(shù)的發(fā)展，包括低成本FCBGA MCM在內(nèi)的多種MCM封裝技術(shù)已被一些國外公司掌握，MCM集成電路尤其是低成本的消費(fèi)類MCM集成電路已大批量進(jìn)入市場。現(xiàn)在，能否使用標(biāo)準(zhǔn)化的外形來封裝MCM成了能否降低成本的關(guān)鍵之一。

采用MCM可使系統(tǒng)的速度不變而合格率提高，可減少使用高腿數(shù)的封裝、減少線路板的尺寸和層數(shù)，減少制造工序。MCM現(xiàn)在的成本優(yōu)勢將來還將進(jìn)一步降低。

隨著芯片集成密度的提高，芯片的工藝費(fèi)用急劇上升，芯片制造中獲益更加困難。有時為芯片制造獲利不可能頻繁更改掩膜版，為高密度的需要轉(zhuǎn)而可以優(yōu)選一流的芯片組成MCM。同樣，某一種芯片可用在許多不同的芯片組中。

半導(dǎo)體芯片供應(yīng)商可在芯片和關(guān)聯(lián)的互連系統(tǒng)開發(fā)中獲得附加利潤。因此,MCM已成為成功半導(dǎo)體芯片供應(yīng)商強(qiáng)有力的戰(zhàn)略選擇。

因?yàn)镸CM廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，對MCM來說，選擇封裝材料是非常重要的，由于使用環(huán)境的不同特別要注意選擇不同的封裝材料。

幾十年以來,PDIP、SOP、QPP這樣的周邊引線腳封裝形式被普遍地用于單芯片封裝。MCM的設(shè)計現(xiàn)在也常常采用與單芯片封裝相同的封裝形式，因?yàn)檫@樣可減少PCB生產(chǎn)工具設(shè)備以及測試設(shè)備的更新，電子產(chǎn)品的最終使用者不知道封裝中是多芯片還是單芯片。這樣的MCM可使用所有不同的基板(片狀基板、陶瓷基板、薄膜等)，這一類的MCM如果使用頻率有要求，現(xiàn)在已越來越多地使用短引線或無引線封裝。

3．6 PCB板設(shè)計簡化

高互連密度的子系統(tǒng)可以集成到一個MCM中，MCM對外的連線減少，從而減少PCB的層數(shù)。

3．7 提高圓片利用率

當(dāng)芯片面積大于100平方毫米時圓片的利用率將降低。利用率降低將使芯片制造成本大幅提高，同樣的功能如使用小芯片組成的MCM，圓片利用率的提高帶來的節(jié)省遠(yuǎn)大于MCM的整個費(fèi)用。

3．8 降低投資風(fēng)險

因?yàn)镸CM中采用了成熟／標(biāo)準(zhǔn)的芯片，因此可加速上市時間和量產(chǎn)時間（time-to-market and time-to-volume)，投資風(fēng)險降低。

4 MOM的市場

對于可供選擇的MCM技術(shù)可以提供的好處是可降低成本、縮小尺寸、降低重量、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)以及在提高性能時必須增加的接口少。不同MCM的優(yōu)點(diǎn)可應(yīng)用于不同的市場。在多數(shù)MCM技術(shù)成本較高的場合,COB提供了最便宜的解決方案。因此在價格優(yōu)先的場合COB技術(shù)是比較好的選擇，例如對消費(fèi)類電子產(chǎn)品，大多數(shù)手持式計算器就使用COB技術(shù)。但是有時許多場合雖然應(yīng)用MCM的成本高，但由于減少了PCB尺寸，降低了PCB組裝成本，使用MCM的系統(tǒng)成本得到降低。

在宇航和軍事應(yīng)用中,MCM能達(dá)到的減少尺寸和降低重量非常重要，因此MCM在航天飛行器中被普遍使用?，F(xiàn)在，筆記本電腦制造商已開始使用MCM-L技術(shù)。

陶瓷混合電路封裝技術(shù)在使用環(huán)境惡劣的場合被廣泛使用，例如汽車電子。陶瓷封裝被用于需與外部環(huán)境隔絕的場合。

除了筆記本電腦以外，一些高性能電信、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等要求高速度、多接口的設(shè)備也在使用MCM技術(shù)。高檔計算機(jī)為提高運(yùn)行速度多年來已經(jīng)在使用MCM-C。

一些低端系統(tǒng)因?yàn)樾阅苓B續(xù)提高，特別是多重處理器應(yīng)用的增加,MCM將爭奪電子封裝市場相當(dāng)大的份額。從MCM的發(fā)展趨勢來看，短期內(nèi)最多的商業(yè)應(yīng)用還是便攜式電子產(chǎn)品。另一方面，對一些高性能單芯片封裝由于受到引出腳數(shù)量的限制也可能被改為MCM，在這樣的系統(tǒng)中，由于二級封裝時互連減少可靠性得到提高。

盡管解決KGD問題需要費(fèi)用并有困難，然而MCM還是有很大的市場推動力。低端產(chǎn)品的推動力是減少尺寸和降低成本，高端產(chǎn)品的推動力是縮小尺寸和提高性能。

據(jù)估計，在2002年歐洲MCM的市場得到了較大增長，市場約為40億美元，這期間增長動力主要是縮小電子產(chǎn)品尺寸。到2007年歐洲MCM市場預(yù)計將擴(kuò)大到100億美元，增長動力主要是降低成本。

5 低成本MCM

在市場的推動下，隨著設(shè)計、封裝技術(shù)、材料和工藝的進(jìn)步，MCM的低成本化已開始實(shí)現(xiàn)。在國際市場已出現(xiàn)了利用各種標(biāo)準(zhǔn)封裝外形封裝的MCM，如PDIP、QFP、BGA等等。不同種類的MCM也紛紛采用了各種單芯片封裝的工藝技術(shù)，如金絲鍵合、芯片凸點(diǎn)和FC技術(shù)。由于標(biāo)準(zhǔn)封裝外形和標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)工藝的普遍采用,MCM的封裝成本得到了大幅度降低。

南通富士通微電子股份有限公司利用MCM-D技術(shù)封裝消費(fèi)類電子產(chǎn)品用MCM已有五年歷史。圖4舉例說明了南通MCM-D的內(nèi)部和最終外形照片。我們使用的硅基板用8英寸硅片制造，濺射的多層鋁互連層厚度通常在1到3微米之間。因電源和地都和基板連結(jié)，因此有阻抗和降低偶合的要求。介質(zhì)(絕緣層)層由3到7微米厚的BCB聚合物組成。

低介電常數(shù)的BCB可穩(wěn)定使用在THz。BCB的應(yīng)用除了砷化鎵芯片、硅專用集成電路外，最大的應(yīng)用是圓片級的芯片尺寸封裝(WLCSP-Wafer Level Chip Size Package)。除了基板以外，圖4顯示的MCM由一個FLASH MEMORY和一個視頻信號處理器組成。基板和兩種芯片分別來自不同的芯片制造商。

包括金凸點(diǎn)在內(nèi)，內(nèi)部連線達(dá)350線以上。由于選用了世界一流的芯片，所以南I通富士通封裝的MCM具有一流的質(zhì)量?？赏ㄟ^包括-40到125℃1000次溫度循環(huán)在內(nèi)的可靠性考核。封裝和測試合格率達(dá)99％122℃。封裝的外形主要是標(biāo)準(zhǔn)的PDIP,因此封裝成本接近普通單芯片IC。設(shè)備投資與產(chǎn)能都可參考單芯片IC。

為了保證MCM的封裝質(zhì)量，南通富士通在MCM中采用了多種新封裝工藝，例如為解決大芯片、大封裝體的熱承受能力問題而設(shè)計了帶有特殊結(jié)構(gòu)的引線框架。MCM封裝要考慮的問題很多。圖5是克萊斯勒汽車控制用PBGAMCM-L熱循環(huán)剖面圖。選用這樣的封裝材料可以使該BGAMCM-L經(jīng)受熱沖擊的水平與單芯片的PQFP相當(dāng)。

為降低MCM的封裝成本，選用適當(dāng)?shù)姆庋b方法很重要。常用于批量生產(chǎn)的MCM封裝方法及特點(diǎn)如下：

塑封后組裝 低成本容易組裝
整體塑封 適用于大批量生產(chǎn)
COB封裝 裸芯片和表面貼裝元件封裝
金屬封裝 耐惡劣環(huán)境，封裝成本高
陶瓷封裝 高性能封裝
南通富士通低成本MCM采用的就是適用于大批量生產(chǎn)的整體塑封方法。

6 MGM的測試

一般來講,MCM的測試費(fèi)用約占MCM總成本的三分之一(芯片成本和組裝成本也各占三分之一，但低成本的MCM可能例外)。高測試費(fèi)用提醒設(shè)計者在做設(shè)計決定時必須仔細(xì)考慮測試問題。一種新設(shè)計的MCM所要進(jìn)行的測試比一種成熟的MCM測試更為復(fù)雜。

MCM對測試工程師提出了新的獨(dú)特問題，這些問題正是MCM測試遇到的最大挑戰(zhàn)。MCM測試的復(fù)雜性大于單芯片集成電路,MCM測試不可能與以往集成電路采用相同的測試方法和測試設(shè)備。下圖是MCM需要進(jìn)行的測試流程。裸芯片需要用探針臺測試，因此現(xiàn)在可以向封裝廠提供良品單芯片(KGD)或高可靠芯片(例如封裝良晶率99．9以上)來提高在封裝、老化和環(huán)境試驗(yàn)以后的成品率，這對大批量生產(chǎn)MCM尤其重要。

封裝后MCM的測試一般包括對每一個獨(dú)立芯片的測試，測試檢查它在封裝過程包括內(nèi)部芯片互連中是否損壞。因此MCM封裝后的測試是非常復(fù)雜的，對某些封裝形式例如柵陣列封裝更是如此。

MCM的功能測試從數(shù)字矢量到環(huán)境測試，從高頻到大功率可能包含非常不同的測試類型，假如新設(shè)計一個MCM來代替已有的單芯片封裝組件，要進(jìn)行的功能測試是相同的。

7 MGM展望

根據(jù)總部設(shè)在美國ARIZONA的國際HDP組織出版的高密度封裝／MCM(HDP／MCM)通訊2004年第4期預(yù)測：因?yàn)橄M(fèi)類電子產(chǎn)品和計算機(jī)產(chǎn)業(yè)巨大的需求，美國和亞洲將是使用高密度封裝和MCM的主要地區(qū)。我們當(dāng)然有理由相信，隨著封裝技術(shù)的進(jìn)步和市場需求的推動,MCM技術(shù)和應(yīng)用必將在中國集成電路行業(yè)受到更多關(guān)注，中國的集成
電路封裝企業(yè)也將會逐步趕上世界高密度封裝技術(shù)的潮流。

隨著MCM技術(shù)的不斷提高和市場推動力的加強(qiáng),MCM的應(yīng)用會有更美好的前景。雖然MCM封裝存在多個供應(yīng)商供應(yīng)芯片封裝在一起而引出的商業(yè)挑戰(zhàn)，尤其是大容量存儲器和超大規(guī)模芯片存在的測試及老化問題，但在電子產(chǎn)品多樣化的需求和封裝測試技術(shù)不斷進(jìn)步的推動下，MCM封裝會在今天的基礎(chǔ)上克服挑戰(zhàn)，贏得更大的發(fā)展。