MCM-L的散热通道分析研究毕业设计说明书.doc

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 V 页编号： 毕业设计说明书 课 题： MCM-L的散热通道 分析研究 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发摘 要多芯片组件是继SMT之后20世纪90年代在微电子封装领域兴起并得到迅速发展的一项最引人瞩目的新技术。多芯片组件（MCM）的出现标志着电子组装技术在高密度、高速度、高性能的方向上进入了更高的层次。但是，随着MCM集成度的提高和体积的缩小，其单位体积内的功率消耗不断增大，导致发热量增加和温度急剧上升，从而强化了组件内部由热驱使所形成的机械、化学和电等诸方面的相互作用。如果结构设计或材料选择不合理，MCM工作时热量不能很快地散发出去，会导致MCM内外的温度梯度过大，在MCM内部形成过热区或过热点使元器件性能恶化。因此，MCM的热设计和散热技术的研究具有非常重要的作用。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。目前，对MCM的散热方法多种多样，而风冷散热是比较普片化，因为风冷有着成本低使用方便等优点。本文选用风冷散热器模型作为研究对象，运用ANSYS软件对所选择的MCM进行散热分析。选择不同的材料不同的模型散热器进行散热分析比较。再综合风扇(电机)，选择最优的散热器模型进行对MCM-L进行散热。把芯片最高结温尽可能的降低，从而降低MCM-L的热失效率，挺高它的寿命和挺高可靠性。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。关键词：多芯片组件；热失效；热可靠性；散热器ABSTRACTMCM is following rise in the 1990 of the 20th century in the field of microelectronics packaging and SMT is the rapid development of one of the most fascinating new technology. MCM marked the emergence of electronic assembly technology in high density, high speed, high performance into a higher level in the direction. However, with the improvement of MCM integrated and volume reduction, increasing power consumption in its unit volume, resulting in increased heat and temperature rising sharply, thus strengthening the formation of a component driven by internal heat mechanical, chemical and electrical, and other aspects of interaction. If the structure or design materials selection is unreasonable, MCM heat cannot be disseminated quickly while you work out, can lead to excessive temperature gradient inside and outside the MCM, in the formation of MCM internal overheating or hot spots makes components performance worse. Therefore, the MCMs thermal design and research on heat dissipation technology has a very important role. 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。Currently, the MCM method of heat sink variety of cooling is more general, because cheap air cooling cost easy to use. This selection of air cooling radiator model, application of ANSYS software to the MCM thermal analysis you select. Choose a different material analysis and comparison of different models of heat sink thermal. Integrated fan motor, selecting optimal heat dissipation model for MCM-L for cooling fins. Maximum junction temperature chip to reduce as much as possible to reduce the heat loss rate of MCM-L, its life and very high to very high reliability.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。Keywords：MCM;heat failure; thermal reliability;radiators.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。目 录前 言1謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。1 微电子技术概述3厦礴恳蹒骈時盡继價骚。1.1微电子技术的发展3茕桢广鳓鯡选块网羈泪。1.2 电子封装技术发展趋势5鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。1.2.1片式元件小型化、高性能5籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。1.2.2芯片封装技术追随IC的发展而发展6預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。1.2.3微组装：新一代组装技术6渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。1.2.4 系统封装(SPI:Systeminapaekage)7铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。1.2.5芯片上系统(SOC：System on a Chip)8擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。1.3芯片技术的主要形式9贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。1.4电子封装的热机械可靠性9坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。1.5焊点失效机理10蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。1.6焊点的应力应变分析10買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。2 多芯片模块MCM10綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。2.1 MCM发展的现状10驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。2.2 MCM技术优点11猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。2.3 MCM中衬底片、电介质以及金属导体的选择技术12锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。2.3.1衬底的选择技术12構氽頑黉碩饨荠龈话骛。2.3.2电介质选择技术12輒峄陽檉簖疖網儂號泶。2.3.3金属导体选择技术12尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。2.4 MCM的芯片装连技术13识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。2.4.1芯片热压焊技术13凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。2.4.2 TAB技术13恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。2.4.3 芯片倒装焊技术13鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。3 MCM产热和散热分析14硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。3.1 MCM的可靠性14阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。3.2 MCM失效模式与失效机理15氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。3.3 MCM热分析及散热结构优化设计15釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。3.4 电子封装中的热传输16怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。3.5 MCM的散热分析方法16谚辞調担鈧谄动禪泻類。3.6选择风冷散热为研究对象19嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。4 对风冷式散热器进行建模仿真19熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。4.1 计算模型19鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。4.2 计算结果及讨论22纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。4.3 散热性能改善分析24颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。4.4 对模型的优化25濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。5 总结与展望33銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。5.1主要结论33挤貼綬电麥结鈺贖哓类。5.2展望34赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。致谢36塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。参考文献37裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 39 页 共37页前 言现代电子信息技术的飞速发展， 正极大地推动各类电子整机向多功能、 高性能、 高可靠、 便携化及低成本方向发展， 而满足这些要求的基础与核心乃是 IC， 特别是LSI 和VLSI。国际上早已形成了强大的IC产业， 并已成为衡量一个国家强弱的重要标志之一，同时也极大地改变了当代人们的生活方式和工作方式，越来越多的人们认识到，人类和IC的关系竟是如此密切， 已与IC结下了不解之缘。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。目前以半导体集成电路(IC)为基础的信息电子产业在将以很高的速度往前发展，以适应整个信息化的需求。现在还没有一种新的科技工业可以代替半导体集成电路产业的作用。因此在近期内，发展半导体集成电路科技和工业，将关系到一个国家信息化的立足点，也是关系国家经济命脉。然而，集成电路芯片功能的实现，要靠连接引出和输入信号，即靠封装来组成半导体器件。封装是IC支撑、保护的必要条件，也是其功能实现的组成部分。随着芯片及集成的水平的不断提高，电子封装的作用也变得越来越重要。目前，全球集成电路封装技术已经进入第三次革命性的变革时期，对我国集成电路产业的发展提供了一次难得的发展机遇。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。封装技术(packaging)：就是如何将一个或者多个晶片有效和可靠地封装和组装起来。电子封装的功能如下：骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。(1)提供给晶片电流通路；(2)引入或引出晶片上的信号；(3)导出晶片工作时产生的热量；(4)保护和支撑晶片，防止恶劣环境对它的影响。封装和组装可分为零级封装、一级封装、二级封装和三级封装。通常把零级和一级封装称为电子封装(技术)，而把二级和三级封装称为电子组装(技术)。由于导线和导电带与晶片间键合焊机技术的大量应用，一级和二级封装技术之间的界限已经模糊了。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。(1)零级封装就是晶片级的连接。通常晶片级的连接方法有引线键合(wireBonding)、载带自动键合(TAB,Tape Automated Bonding)和焊球植入(Solder Bumping)。这三种技术其中以焊球植入技术(倒装焊)提供的封装密度最高。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。(2)一级封装就是集成电路(IC)元件的封装。它是电子封装中最活跃、变化最快的领域。一级封装的种类繁多、结构多样。如：DIP、PGA、SOP、SOJ、QFP、BGA等。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。(3)二级和三级封装就是将IC、阻容元件、接插件以及其他的元器件安装在印制电路板上，并组成为整机的技术。二级封装主要有俩大技术：通孔组装技术(THT，Through Hole Technology)和表面安装技术(SMT,Suface Mounting Technology)。下图1是三级电子封装与组装总成示意图。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。图1 三级电子封装与组装现代微电子封装技术属于复杂的系统工程，涉及到材料、电子、热学、力学、化学、可靠性等多种学科。从工艺上讲，电子封装包括薄厚膜技术、基板技术、微细连接技术、封装技术等等四大基础技术，因此派生出各种工艺问题。从材料上讲，电子封装要涉及到各种类型的材料，例如：焊丝框架、焊剂焊料、金属超细粉、玻璃超细粉、陶瓷粉料、表面活性剂、有机粘结剂、有机溶剂、金属浆料、导电填料、感光性树脂、热硬化树脂、聚酞亚胺薄膜，还有导体、电阻、介质及各种功能用的薄厚膜材料等。从设计、评价和模拟技术讲，涉及到膜特性、电气特性、热特性、结构特性及可靠性等方面的分析、评价与检测。电子封装是连接半导体芯片和电子系统的一道桥梁。电子封装技术不仅直接影响着集成电路本身光的、热的、电的和机械性能，影响他的可靠性和成本，而且还在很大程度上决定了电子整机系统的小型化，可靠性和成本。随着微电子技术不断的发展，工艺特征尺寸不断缩小，促使集成电路的多功能化，再加上整机和系统的小型化，高性能，高密度，高可靠度的要求，市场上性能/价格比竞争，集成电路品种多样化、应用的不断扩展，这些都促使现代微电子封装技术的设计、制造技术不断向前发展。反过来，由于现代微电子封装技术的提高，又促使了集成电路和电子器件的发展。而且，随着电子系统的小型化和高性能化，越来越多的新型集成电路采用高I/O引脚封装，封装成本在器件总成本中所占比重越来越高，并有继续发展的趋势，电子封装已经逐步成为实现半导体芯片功能的一个瓶颈。所以，电子封装对系统的影响已变得和集成电路芯片一样重要。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。半导体集成电路从分立器件发展到小、中规模集成(SSI、MSI)，大规模集成(LSI)，超大规模集成(VLSI)，目前已开始向巨大规模集成电路(GLS)I进军。发展遵循Mooer定律。近50年的发展使集成电路的集成度提高了8到9个数量级，特征尺寸缩小了140倍。集成电路的集成度(一块晶片上集成的晶体管和其他元件的数目)每3年增长4倍，而特征尺度每3年缩小一半一一得到了充分地验证。半导体和集成电路技术在经过近50多年的发展后，已经形成了以设计业、芯片制造业及封装业为主的产业结构特点。在这三种产业中，资金投入比往往呈1:100:10的关系，封装业作为一项市场需求量大，投资效益快，发展迅速的高技术产业，具有广阔的发展前景。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。我国对发展微电子技术及电子封装技术也己十分重视。“十五”计划把信息产业作为国民经济的支柱产业之一，并把集成电路产业(包括电子封装产业)放在优先发展的重要地位。在微电子工业发展规划中，我国己把封装技术的发展提到重要议程，并借鉴日本、韩国、台湾等国家和地区的成功经验，通过发展投资小、收益大的电子封装工业来带动国内微电子工业的发展。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。1 微电子技术概述1.1微电子技术的发展电子封装技术伴随着电子元器件的发展而发展的，而现代微电子封装则是追随LSI、VLSI、ULSI和ASIC芯片的发展而发展的。封装是芯片和电子系统之间的一道桥梁，集成电路封装技术的发展既受微电子技术中芯片设计和制造技术的推动，同时，封装技术的发展又有力地支撑和推动了整个微电子技术地发展。在过去为适应集成电路向小型化、高速化、大功率、高密度发展的需要，集成电路封装技术得到了不断的提高和改进。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。1947年第一只晶体管的诞生，引发了一场彻底的革命，也开创了电子封装的历史。1951年发明了场效应晶体管，并出现了区域提纯技术，使得元器件单晶材料的质量大为提高。1956年左右氧化物掩膜技术和光刻技术的出现使得硅平面晶体管的出现成为可能。自从晶体管问世之后，科学家们就一直在研究它的微型化、集成、封装等问题，以适应电子产品与系统大规模化、高可靠性的要求。起初，是尽量把元器件做得很小，然后封包在一个外壳里，但是这种微型组装不符合现代设备的要求，更不用说需要容纳几十万、几百万的晶体管等元器件的复杂电子系统。1958年美国得克萨斯仪器公司用锗和硅做出了世界上第一块集成电路，导致了多引线封装外壳的出现。但是受当时工艺设备的限制，引线宽度为100um左右，集成度较低，仍然以玻璃封装外壳为主TO型封装(TOP,Transistor Outline Packing)，其互联主要是靠手工进行焊接。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。20世纪60年代后期出现的双列直插封装(DIP,Double Inline Packing)的引脚数目范围在464跟之内，而到70年代就成为了中小规模IC电子封装的系列主导产品。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。20世纪70年代是IC飞速发展的时期，一个硅片已经可以集成上万个晶体管或者门电路，称做大规模集成电路(LSI，Large Scale Integration)，它不单纯是元器件集成数量的大大增加(MOS/)，其集成对象也发生了根本变化，他可以是一个具有复杂功能的部件，也可以是一台电子整机。一方面集成度迅速增加，另一方面芯片尺寸不断扩大。因此出现了针栅阵列封装(PGA,Pin Grid Array)。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。但是以DIP和PGA为代表的插入式器件需要分别通过波峰焊接和机械接触实现元器件的机械和电学连接。由于需要较高的对准精度，因而组装效率很低，同时元器件的封装密度也很低。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。20世纪80年代出现了电子组装技术的一场革命表面贴装技术(SMT)。器件通过回流技术进行焊接，由于回流焊接过程中焊锡熔化时的表面张力产生自对准效应，降低了对贴片精度的要求，同时回流焊接代替了波峰焊，也提高了组装良品率。与此相适用的各类表面贴装元器件电子封装如雨后春笋般出现。诸如无引线陶瓷芯片载体(LCCC，Leadless Ceramic Chip Carrier)，塑料短引线芯片载体(PLCC，Plastic Leaded Chip Carrier)和四方扁平引线封装(QFP，Quad Flat Packing)等，并于80年代初达到标准化，形成批量生产。由于改性环氧树脂材料的性能不断提高，使封装密度高，引线间距小，成本低，适于大规模生产并适合用于SMT，从而使塑料扁平引线封装(PQFP)迅速成为80年代电子封装的主导产品，I/O也高达208240个。这个时期，荷兰飞利浦公司还研发出了俩边引线的先外形封装(SOP,Small Outline Package)的系列产品。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。20世纪80年代至90年代，随着集成电路特征尺寸不断减小以及集成度的不断提高，芯片尺寸也不断增大，集成电路发展到了超大规模集成电路(VLSI，Very Large Scale Integration)阶段，可以集成门电路高达数百万以至数千万只芯片，其I/O数也达到数百个，并已超过1000个。这样一来，原来四边引出的QFP及其他类型的电子封装都无法实现，尽管引线间距一再缩小(例如QFP已缩小到.03mm的工艺技术极限)也不能满足VLSI的要求。电子封装引线由周边型发展成面阵型，如针栅阵列封装(PGA)。然而，用PGA封装低I/O数的LSI尚有优势，而当它封装高I/O的VLSI就无能为力了。一是体积大又重;二是制作工艺复杂而成本高;三是不能使用SMT进行表面贴装，难以实现工业化规模生产。综合了QFP和PGA的优点，新一代微电子封装一球栅阵列封装(BGA)应运而生。典型的BGA以有机衬底(BT)代替了传统封装内的引线框架，且通过多层板布线技术实现焊点在器件下面的阵列平面分布，既减轻了引脚间距不断下降在贴装表面所遇到的阻力，同时又实现了封装、组装密度的大大增加，因而很快获得了大面积的推广，且在产业中的应用急剧增长。至此，多年来一直大大滞后芯片发展的微电子封装，由于BGA的开发成功而终于能够适应芯片发展的步伐。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。20世纪90年代美国开发了微型球栅阵列(uBGA)，日本也开发了芯片尺寸封装(CSP,Chip Scale Package)，这俩种封装的实质其实是一样的，其封装面子/芯片面子小于等于1.2，于是CSP解决了芯片小而封装大的根本矛盾，使得微电子封装技术更快地发展。与此同时，倒装芯片(Flip Chip)技术也出现了。BGA、CSP、Flip Chip均为面阵列封装结构，可以沿用SMT生产技术，加上计算机的普及和个人移动产品的普及，使得市场与技术互动向前推进，完成了继SMT之后的又一次新的技术革命。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。进入21世纪，电子封装也进入了超高速发展时期，新的封装形式不断涌现并获得应用，除倒装焊接和芯片尺寸封装以外，又出现了多种发展趋势，封装标准化工作已经严重滞后，甚至连封装领域名词的统一都出现了困难，例如：多芯片封装(Multi Chip Package)；三维迭层封装(Stack Package)；单封装系统SIP(System In a Package)；多芯片模块MCM(Multi Chip Module)；微机电系统MEMS(Micro Electronic Mechanical System)；以及将整个系统 集成与单芯片技术SOC(System On A Chip)等等。随着封装、组装的发展，晶片级(Wafer Level)、芯片级(Chip Level)、组装级(Board Level)、系统级(System Level)的界线已经逐渐模糊。原来一些仅仅用于晶片级的技术已经开始用于封装和组装。呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。以上就是各个不同时期所对应集成电路及其各类不同的电子封装形式，从以上所述中可以看出：一代集成电路芯片必有此相适用的一代电子封装形式。总之，由于集成电路在不断发展，集成电路的封装形式也不断作出相应的调整变化，而封装形式的进步又将反过来促进集成电路技术的向前发展。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。1.2 电子封装技术发展趋势电子产品正朝着便携式、小型化、网络化和多媒体化方向发展，这种市场需求对电路组装技术提出了相应的要求，单位体积信息的提高(高密度)和单位时间处理速度的提高(高速化)成为促进微电子封装技术发展的重要因素。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。就芯片水平来看，二十一世纪的封装技术发展将呈现以下趋势：(1)单芯片向多芯片发展。(2)平面封装(MCMS)向立体封装(三维封装)发展。(3)独立芯片封装向集成封装发展。(4)SOC(system on a chip)和圆片规模集成WSI(wafer scale integration)将是人们致力研究和应用的方向。納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。1.2.1片式元件小型化、高性能随着工业和消费类电子产品市场对电子设备小型化、高性能、高可靠性、安全性和电磁兼容性的需求，对电子电路性能不断地提出新的要求，片式元件进一步向小型化、多层化、大容量化、耐高压、集成化和高性能化方向发展。在铝电解电容和钽电解电容片式化后，现在高Q值、耐高温、低失真的高性能MLCC已投放市场；介质厚度为10um的电容器已商品化，层数高达100层之多；出现了片式多层压敏和热敏电阻，片式多层电感器，片式多层扼流线圈，片式多层变压器和各种片式多层复合元件；目前最新出现的是0603(长0.6mm，宽0.3mm)，体积缩小为原来的0.88%。風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。集成化是片式元件未来的另一个发展趋势，它能减少组装焊点数目和提高组装密度，集成化的元件可使Si效率(芯片面积/基板面积)达到80%以上，并能有效地提高电路性能。由于不在电路板上安装大量的分立元件，从而可极大地解决焊点失效引起的问题。灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。1.2.2芯片封装技术追随IC的发展而发展BGA的兴起和发展尽管解决了QFP面临的困难，但它仍然不能满足电子产品向更加小型、更多功能、更高可靠性对电路组件的要求，也不能满足硅集成技术发展对进一步提高封装效率和进一步接近芯片本征传输速率的要求，所以更新的封装CSP(Chip Size Package)又出现了，它的英文含义是封装尺寸与裸芯片相同或封装尺寸比裸芯片稍大。日本电子工业协会对CSP规定是芯片面积与封装尺寸面积之比大于80%。CSP与BGA结构基本一样，只是锡球直径和球中心距缩小了、更薄了，这样在相同封装尺寸时可有更多的I/O数，使组装密度进一步提高，可以说CSP是缩小了的BGA。 CSP之所以受到极大关注，是由于它提供了比BGA更高的组装密度，而比采用倒装片的板极组装密度低。但是它的组装工艺却不像倒装片那么复杂，没有倒装片的裸芯片处理问题，基本上与SMT的组装工艺相一致，并且可以像SMT那样进行预测和返工。正是由于这些无法比拟的优点，才使CSP得以迅速发展并进入实用化阶段。目前日本有多家公司生产CSP，而且正越来越多地应用于移动电话、数码录像机、笔记本电脑等产品上。从CSP近几年的发展趋势来看，CSP将取代QFP成为高I/O端子IC封装的主流。 为了最终接近IC本征传输速度，满足更高密度、更高功能和高可靠性的电路组装的要求，还必须发展裸芯片(Bare chip)技术。铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。1.2.3微组装：新一代组装技术微组装技术是在高密度多层互连基板上，采用微焊接和封装工艺组装各种微型化片式元器件和半导体集成电路芯片，形成高密度、高速度、高可靠的三维立体机构的高级微电子组件的技术。多芯片组件(MCM)就是当前微组装技术的代表产品。它将多个集成电路芯片和其他片式元器件组装在一块高密度多层互连基板上，然后封装在外壳内，是电路组件功能实现系统级的基础。MCM采用DCA(裸芯片直接安装技术)或CSP，使电路图形线宽达到几微米到几十微米的等级。在MCM的基础上设计与外部电路连接的扁平引线，间距为0.5mm，把几块MCM借助SMT组装在普通的PCB上就实现了系统或系统的功能。当前MCM已发展到叠装的三维电子封装(3D)，即在二维X、Y平面电子封装(2D)MCM基础上，向Z方向，即空间发展的高密度电子封装技术，实现3D，不但使电子产品密度更高，也使其功能更多，传输速度更快，性能更好，可靠性更好，而电子系统相对成本却更低。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。图1-1为三维电子封装图。图1-1 三维封装(Source：Amkor and Intel Stacked SCP BGA)对MCM发展影响最大的莫过于IC芯片。因为MCM高成品率要求各类IC芯片都是良好的芯片(KGD)，而裸芯片无论是生产厂家还是使用者都难以全面测试老化筛选，给组装MCM带来了不确定因素。CSP的出现解决了KGD问题，CSP不但具有裸芯片的优点，还可像普通芯片一样进行测试老化筛选，使MCM的成品率才有保证，大大促进了MCM的发展和推广应用。目前MCM已经成功地用于大型通用计算机和超级巨型机中，今后将用于工作站、个人计算机、医用电子设备和汽车电子设备等领域。趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。1.2.4 系统封装(SPI:Systeminapaekage)如图1-2所示，它是将多个芯片和可能的无源元件集成在同一封装内，形成具有系统功能的模块，因而可以实现较高的性能密度、更高的集成度、更小的成本和更大的灵活性。SPI的出现使封装在观念上发生了革命性的变化，从原来的封装元件概念演变成封装系统。SPI的一种高档模式是将介质、导体、电容器、电阻器、光电子(如波导)等集成在一起，封装效率可提高约80%。夹覡闾辁駁档驀迁锬減。图1-2 系统封装(source:Amkor and chipmos)1.2.5芯片上系统(SOC：System on a Chip)将整个系统的功能完全集成在同一个半导体芯片上。但目前由于知识产权、经费和技术等方面的困难，SOC的发展受到了一定的阻碍。视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。在微电子封装业高速发展的背景下，现在以下几点研究课题尤为引人注目：无铅焊接，导电胶，底层填料，高密度基板。偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。（1）无铅焊料：由于PbSn共晶焊料中含有有害健康和环境的铅元素，因而焊料的无铅化一直是电子工业广泛关注的一个问题。虽然禁铅几经起落，但随着环境保护意识的不断增强及市场竞争的不断加剧，无铅焊接正离我们越来越近。目前的无铅焊料体系一般都比共晶锡铅材料的熔点高。由于现在绝大多数器件为塑料封装器件，焊接温度的提高对器件的抵抗热应力和防潮性能必定提出更高的要求，同时焊接设备也会产生一定影响。緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。（2）导电胶：导电胶焊接由于具有一系列的优点如成本低廉、焊接温度低、不含铅、可以实现很小的引脚间距等，因而近二十年一直颇受关注，并且导电胶焊料在某些领域已获得了很好的运用。虽然由于平面阵列式器件如BGA，CSP的出现在一定程度上缓解了间距不断变小在时间上的应力，但在未来，器件的引脚间距仍肯定继续朝着不断减小的方向发展，因而在未来，导电胶仍将是锡铅焊接材料的一个强有力的竞争者。騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。（3）底层填料：底层填料原来仅仅用于较大芯片的倒装焊接应用，以增加焊点的热疲劳寿命。现在已经被大量应用于CSP器件中，用以增强焊点抵抗机械应力、振动、冲击等的能力。底层填料主要分为流动型和无流动型。无论是流动型还是无流动型的底层填料，一经固化，器件一般无法返修，这一特性从某种程度上限制了底层填料在产业的应用。近年来在可返修底层填料方面已经取得了很好的进展，现己经开发出在化学可返修、热学可返修、热塑型底层填料等样品。预期相应产品在短期内会逐步走向市场。疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。（4）高密度基板技术：随着电子系统不断向高密度、高速度方向发展，现有基板制备技术己经无法满足技术要求，高密度基板技术应运而生。高密度基板的典型要求如下：线宽/线距：75/75微米，焊盘尺寸：150200微米，微通孔尺寸：200微米。传统基板制备技术显然无法达到这样的要求。目前高密度基板技术在数字摄像机、通讯和计算机等领域己获得了相当程度的应用，且应用范围正不断扩大。与此同时为进一步提高系统的密度，将无源器件集成于基板制造过程中的技术也己经步入研究开发阶段，在不久的将来有望在一定的范围内获得应用。镞锊过润启婭澗骆讕瀘。1.3芯片技术的主要形式裸芯片技术有两种主要形式：一种是COB技术，另一种是倒装片技术(Flip chip) 。(1)COB技术：用COB技术封装的裸芯片是芯片主体和I/O端子在晶体上方，在焊接时将此裸芯片用导电/导热胶粘接在PCB上，凝固后，用 Bonder 机将金属丝(Al或Au)在超声、热压的作用下，分别连接在芯片的I/O端子焊区和PCB相对应的焊盘上，测试合格后，再封上树脂胶。榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。与其它封装技术相比，COB技术有以下优点：价格低廉；节约空间；工艺成熟。COB技术也存在不足，即需要另配焊接机及封装机，有时速度跟不上；PCB贴片对环境要求更为严格；无法维修等。 (2)Flip chip 技术邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。Flip chip，又称为倒装片，与COB相比，芯片结构和I/O端(锡球)方向朝下，由于I/O引出端分布于整个芯片表面，故在封装密度和处理速度上Flip chip已达到顶峰，特别是它可以采用类似SMT技术的手段来加工，故是芯片封装技术及高密度安装的最终方向。90年代，该技术已在多种行业的电子产品中加以推广，特别是用于便携式的通信设备中。嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。然而裸芯片技术是当今最先进的微电子封装技术。随着电子产品体积的进一步缩小，裸芯片的应用将会越来越广泛。该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。1.4电子封装的热机械可靠性电子封装的机械失效是指由机械振动、机械应力和热应力等引起的封装体材料的弹性变形和塑性变形、翘曲、脆性断裂和形变断裂、疲劳裂纹萌生和扩展、蠕变和蠕变断裂等导致的失效。其中热应力引起的失效显得尤为重要，是大家研究的重点。电子封装是由不同的材料构成的，它们的热膨胀系数(CTE:Coefficinet of ThermalExPansion)各不相同。电子封装器件在实际的工作过程中，频繁的开和关以及环境的变化会使电子封装的温度频繁的升高和降低，进而，电子封装材料CTE的不匹配会在封装体内产生交变的压应力、张应力和剪切应力，如果电子封装的材料选择和结构设计不合理，交变的应力会导致塑封料和底充胶分层开裂、芯片断裂和焊点蠕变疲劳断裂等，其中最主要的是焊点的失效。劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。1.5焊点失效机理蠕变是指材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度也会慢慢地产生塑性变形的现象。这种变形引起的断裂称为蠕变断裂。一般认为，在较高温度和较低应力水平的条件下，晶界断裂导致的蠕变断裂比较普遍，其模型主要为空位聚集，即在受拉伸的晶界处，由晶界内到晶界外有空位势能梯度存在，使周围的晶界或晶粒内部的空位趋于沿晶界流动和聚集(在三晶交点和晶界夹杂处尤为明显)，空洞慢慢地稳定长大到不稳定扩展成裂纹而断裂。不同的材料出现蠕变的温度不同。一般来说，当温度超过材料熔点的0.3倍以上时，才出现较明显的蠕变。而锡铅焊料在室温下也有蠕变现象。臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。而从器件的频繁开关来看，由于CTE的失配，同时，周期性的温度改变，散热的变化以及环境温度的改变都会引起机械应力，这部分应力由蠕变释放出来，从而引起每次温度改变时的塑性形变。这种累积的破坏性影响将可能最终导致焊点的疲劳断裂。疲劳断裂过程分疲劳裂纹的萌生和扩展期。实验表明，疲劳裂纹起源于应变集中的局部显微区域，即疲劳源区。循环塑性应变的主要方式是局限于某些晶粒内的滑移，这些滑移首先在试样的表面形成，然后逐渐扩展到内部。试样表面形成微裂纹后，其扩展分为两个阶段。第一阶段，在较大应力水平下，萌生的微裂纹数可能增多，并沿有最大切应力的滑移平面上扩展，过程中绝大多数会称为不扩展裂纹，只有个别微裂纹会扩入一个晶粒的范围，并逐渐转入第二阶段，即由拉应力控制，并沿垂直于拉应力的方向扩展并形成主裂纹。疲劳裂纹通常是穿晶扩展的，在多数塑性较好的材料中，第二阶段的显微断口上可以观察到疲劳条纹，而且一般认为条纹间距相当于载荷循环一个周次的裂纹增长量。所以说，蠕变失效和疲劳失效是焊点的两种失效机制。鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。1.6焊点的应力应变分析倒装焊SnPb焊点可靠性分析的基础是焊点的应力和应变分析。对于无底充胶倒装焊系统，焊点的剪切变形处于主导地位，主要是由于芯片和基板的CTE不匹配产生的水平位移差造成的，焊点的可靠性直接与焊点剪切应变相关。其中芯片的大小、焊点的高度和直径等参数对焊点的寿命影响较大，:芯片越小，越薄，焊点越高，焊点的寿命越大。穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。2 多芯片模块MCM2.1 MCM发展的现状随着计算机工业及各种用途的微处理器(CPU)、微控制器(MCU)和微外围电路(MPR)的飞速发展，人们对于小容量、高密度、小型化、高性能、高可靠性的电子器件和部件的需求日趋迫切。实践证明：封装对系统性能的影响已经变得与芯片本身的影响同等重要。MCM(多芯片组件)技术是九十年代封装技术的一次深刻革命。MCM由于有着提高系统性能和缩小系统体积等优点而被广泛地用于计算机、通讯、军事和航夭等领域。据报导，目前世界上一些主要的系统公司已掌握了这种技术，一些计算机大公司把MCM作为内部模块使用已经有十多年历史了。隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。IBM公司的Tieone报告，到目前IBM已经生产了500多万块MCM，其运行失效率为零。IBM生产了世界上最快的MCM，该组件安装在IBMsystem390计算机的内部，包括121块IC电路。这些芯片直接装贴在IBM发明的玻璃陶瓷衬底上。在IBMRISC6000工作站中。把8个总共包含500多万晶体管的芯片封装在一个60义60mm的组件中。在IBMES/3090热传导模块中，在一个120义120mm的区域里封装了大约一百万个晶体管。数字设备公司大批量生产MCM也已经有很长一段时间了，该公司主要从事铜聚酞亚胺薄膜衬底，称为高密度信号载体(HDSC)。它包括模块、多种电源、多种信号连接器，可提供50A以上电源和800条I/0通道，其MCU的时钟速度超过了600MHz。浹繢腻叢着駕骠構砀湊。2.2 MCM技术优点MCM的突出优点是：(1)采用高密度互连技术，互连长度大大缩短，信号的传输延迟时间减少，与单芯片SMT比较，速度高出4倍多，能满足1OOMHz的时钟速度要求。鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。(2)采用多层基板，因而尺寸、焊点数量减少、I/O数量增加，组装效率达到8090%，同一能的部件，重量减轻10倍，军用尤其有利。惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。(3)集LSI、VLSI、电容、电阻等元器件于体，避免了元件和器件级组装，简化了系统的组装层次，大大降低了最终产品的成本。计证明，电子产品的失效大约90%是由封装和电路板互连引起的，组装层次越少，最终产品的可靠性越高。MCM的可靠性优势显而易见。贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。(4)能将数字电路、模拟电路、光电器件、微波器件合理地组合在一个封装体内，形成多功能的部件、子系统或系统，线路之间的串小、阻抗易控，因而性能提高。嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。(5)技术含量高。MCM集中了半导体集电路的微细加工技术、混合集成电路(HIC)的薄厚膜技术、PCB的多层基板技术，是典型的高技术产品。有人认为它是HIC与刷电路板(PCB)的中间产品，也有人认为是混合形式的全片规模集成(WSI)，还有人认为它是最有发展前途的微电子组装技。薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。(6)MCM技术与传统的厚膜混合集成电路和薄膜混合集成电路技术有着密切的联系，但也有一个很大的区别。混合集成在很大程度上是为了提高组装效率，缩小体积，而MCM更重要的是出于性能方面的考虑。例如，对于信号传播时间、受控阻抗的考虑，芯片到芯片互连通路的考虑。齡践砚语蜗铸转絹攤濼。2.3 MCM中衬底片、电介质以及金属导体的选择技术当一个子系统或系统的技术方案确定后，确定构成这一子系统或系统MCM性能、指标、可靠性的关键技术有三个方面：衬底的选择技术、电介质选择技术、金属导体的选择技术。绅薮疮颧訝标販繯轅赛。2.3.1衬底的选择技术可供MCM选择的两种主要衬底是陶瓷和硅，设计中选取哪一种材料作为衬底要从三个方面来考虑，即：机械性能、导热性能、兼容性能。陶瓷和硅的区别在于硅比较脆，陶瓷比较坚硬。硅导热性能好且与IC芯片兼容性好。最好将硅用在高性能、高功耗以及芯片连接要求用倒装焊的情况下。陶瓷或共烧陶瓷集成电路公司(ICE)认为“MCM是一个多芯片功能单元”。数字设备公司将MCM称为MCU(Muti Chip unit)，在这里，我们把它定义为：“MCM是在常用的衬底片和管壳中组装两个以上的IC芯片所形成的互连结构。”并把MCM称为多芯片组件。饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。通常人们以MCM的基板构成和材料来区分MCM的类别。MCM的类型有：(1)MCM-L：高密度PWB基板，L多层金属布线板。(2)MCM-C：共烧陶瓷基板，C共烧陶瓷。(3)MCM-Si：以硅工艺为主的薄膜布线基板，Si硅。(4)MCM-D：采用其它新绝缘材料的薄膜布线基板(DI，BCB)，D半导体淀积工艺。(5)MCM-D/C：在共烧陶瓷上形成薄膜布线基板，D/C共烧陶瓷上淀积薄膜。2.3.2电介质选择技术MCM的性能与电介质材料的类型密切相关。理想的电介质材料，它的介电常数和损耗系数要小，粘着力要强。二氧化硅、聚酞亚胺等有机聚合物目前已被广泛选用。BCB(苯环丁烷)也已被证明是有效的介质。有良好的导热性能，它比聚酞亚胺要好10倍，且有利用在半导体工艺设备上进行大规模生产。聚酸亚胺吸湿性强，化学上属中性，不易龟裂。与上面两种电介质相比，BCB综合了它们的特性，BCB的介电常数为2.7，在已有的介质中最小，吸湿性也很低，为0.3%。烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。2.3.3金属导体选择技术一般说来，在MCM中，导体金属都选铜或铝，选用铝更多一些，众所周知，这种冶金工艺可以在标准的半导体设备上溅射。另外，它和IC上的压焊点兼容性好。当线条太长时，最好选用铜，因为铜比铝引线电阻小，然而，选择铜时必须在聚酞亚胺上做过渡层。在多层基板中最顶层往往有三种金属导体可供选择，即锡、金或金一锡混合物。用哪一种取决于芯片焊接方法。如果采用倒装焊选用锡，如果用TAB技术选用金一锡焊料。需热压焊时选择金。鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。2.4 MCM的芯片装连技术目前比较成熟的MCM的芯片连接技术主要有三种即：芯片热压焊技术，TAB技术，倒装焊技术。2.4.1芯片热压焊技术芯片热压焊技术一直是MCM芯片装连技术的主要技术，它是用热压焊的办法将芯片上的电极与衬底上的导带连接起来，它具有成本低，可靠性高(一般情况下其引线拉力大于5g)，设计灵活，易于检查和返工，且组装密度高。Nohip公司热压焊引线的间距为5.8密耳，有望很快达到4密耳，芯片到衬底片的引线最长为40密耳。PMC声称他的热压焊长度减小到了3密耳，拉力达到10g。撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。2.4.2 TAB技术不少专家认为TAB是芯片一衬底装连技术的发展方向。在这一技术中，用腐蚀出的引线框架作为集成电路芯片与衬底间的连接。一般情况下，触点处有块形焊料，用户使用时还要经过激光回流或者红外回流技术，把从原来带上的切下来的芯片焊在相应的位置上，TAB工艺有以下特点：踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。(1)引线密度大。(2)可对芯片进行预先测试和老化。(3)引线强度高。(4)成本低。(5)更适应LSI/VLSI的大规模组装。2.4.3 芯片倒装焊技术它的基本工艺过程是在芯片电极上制出金属凸点，然后用专门设备将芯片电极面朝下，使芯片上的凸点对准基板上的焊区，通过加热或加压，使二者牢固互连起来。这种装焊技术具有引线短，分布参数小，组装密度高，可靠性高等优点。婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。另外一种最新的芯片装连技术是APS公司发明的称为：BIP(Bonded Intercomnectpius)热压焊引线互连技术。它是在芯片电极上热压金丝球焊、然后在垂直竖起的引线20mil长度处截断以形成引脚，再将芯片对准倒扣到包含有刻蚀的小锡球的衬底上进行回流焊。譽諶掺铒锭试监鄺儕泻。3 MCM产热和散热分析3.1 MCM的可靠性可靠性是指产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。这里规定的条件所指内容很广，可以是产品的各种外部气候环境，也可以是产品承受的一定的热、电工作应力。可靠性研究设计到失效物理、数理统计、数学模型、化学反应、机械应力、环境工程、实验方法、生产管理等方面。俦聹执償閏号燴鈿膽賾。一般电子产品在整个寿命期间的失效率可划分为三个时期，早期失效期，偶然失效期和耗损失效期。电子封装的可靠性是以评价电子封装体系抵抗器件功能退化的能力来评价的