低成本的MCM和MCM封裝技術

石明達 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技術。消費類電子產(chǎn)品低成本的要求推動了MCM技術的應用。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。

關鍵詞：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)。基板可以是PCB、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準化的封裝，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、機械設備等等)。

2 MGM技術

關于MCM技術的介紹在國內(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?；宓慕Y構如圖1所示。

MCM-L技術本來是高端有高密度封裝要求的PCB技術，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。陶瓷基板的結構如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是采用薄膜技術的MCM。MCM-D的基板由淀積的多層介質、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常用作介質來分隔金屬層。介質層要求薄，金屬互連要求細小但仍要求適當?shù)幕ミB阻抗。圖3是用硅做基材的MCM-D基板的剖面結構。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30-60％甚至更高。

3．2 技術集成

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準處理器／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。與標準PCB相比，系統(tǒng)總電容和電感負載低且更易于控制，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)點雖已得到公認，但因其高昂的費用使得它僅在高端產(chǎn)品領域少有應用。MCM之所以沒取得廣泛的成功，主要是因為KGD(Known Good Die)、基板費用高和封裝費用高、合格率低。在國際上MCM因此被戲稱為MCMS(Must Cost Millions)——必須花
費幾百萬。近幾年來，由于市場巨大的推動力和新技術的開發(fā)，尤其是封裝技術的發(fā)展，包括低成本FCBGA MCM在內(nèi)的多種MCM封裝技術已被一些國外公司掌握，MCM集成電路尤其是低成本的消費類MCM集成電路已大批量進入市場?，F(xiàn)在，能否使用標準化的外形來封裝MCM成了能否降低成本的關鍵之一。

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)勢將來還將進一步降低。

隨著芯片集成密度的提高，芯片的工藝費用急劇上升，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。

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

因為MCM廣泛的應用領域，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的設計現(xiàn)在也常常采用與單芯片封裝相同的封裝形式，因為這樣可減少PCB生產(chǎn)工具設備以及測試設備的更新，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)省遠大于MCM的整個費用。

3．8 降低投資風險

因為MCM中采用了成熟／標準的芯片，因此可加速上市時間和量產(chǎn)時間（time-to-market and time-to-volume)，投資風險降低。

4 MOM的市場

對于可供選擇的MCM技術可以提供的好處是可降低成本、縮小尺寸、降低重量、環(huán)境適應能力強以及在提高性能時必須增加的接口少。不同MCM的優(yōu)點可應用于不同的市場。在多數(shù)MCM技術成本較高的場合,COB提供了最便宜的解決方案。因此在價格優(yōu)先的場合COB技術是比較好的選擇，例如對消費類電子產(chǎn)品，大多數(shù)手持式計算器就使用COB技術。但是有時許多場合雖然應用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。

在宇航和軍事應用中,MCM能達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。

陶瓷混合電路封裝技術在使用環(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)絡設備等要求高速度、多接口的設備也在使用MCM技術。高檔計算機為提高運行速度多年來已經(jīng)在使用MCM-C。

一些低端系統(tǒng)因為性能連續(xù)提高，特別是多重處理器應用的增加,MCM將爭奪電子封裝市場相當大的份額。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市場預計將擴大到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，隨著設計、封裝技術、材料和工藝的進步，MCM的低成本化已開始實現(xiàn)。在國際市場已出現(xiàn)了利用各種標準封裝外形封裝的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，如金絲鍵合、芯片凸點和FC技術。由于標準封裝外形和標準生產(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技術封裝消費類電子產(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，因此有阻抗和降低偶合的要求。介質(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的應用除了砷化鎵芯片、硅專用集成電路外，最大的應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?；搴蛢煞N芯片分別來自不同的芯片制造商。

包括金凸點在內(nèi)，內(nèi)部連線達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具有一流的質量。可通過包括-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99％122℃。封裝的外形主要是標準的PDIP,因此封裝成本接近普通單芯片IC。設備投資與產(chǎn)能都可參考單芯片IC。

為了保證MCM的封裝質量，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計了帶有特殊結構的引線框架。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。

為降低MCM的封裝成本，選用適當?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)。高測試費用提醒設計者在做設計決定時必須仔細考慮測試問題。一種新設計的MCM所要進行的測試比一種成熟的MCM測試更為復雜。

MCM對測試工程師提出了新的獨特問題，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備。下圖是MCM需要進行的測試流程。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，假如新設計一個MCM來代替已有的單芯片封裝組件，要進行的功能測試是相同的。

7 MGM展望

根據(jù)總部設在美國ARIZONA的國際HDP組織出版的高密度封裝／MCM(HDP／MCM)通訊2004年第4期預測：因為消費類電子產(chǎn)品和計算機產(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)。我們當然有理由相信，隨著封裝技術的進步和市場需求的推動,MCM技術和應用必將在中國集成電路行業(yè)受到更多關注，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的潮流。

隨著MCM技術的不斷提高和市場推動力的加強,MCM的應用會有更美好的前景。雖然MCM封裝存在多個供應商供應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不斷進步的推動下，MCM封裝會在今天的基礎上克服挑戰(zhàn)，贏得更大的發(fā)展。