论文多芯片组件技术研究.doc

设计报告 论文 报告 论文 题目 多芯片组件技术研究 作者所在系部 电子工程系 作者所在专业 电子工艺与管理 作者所在班级 10252 作 者 姓 名 作 者 学 号 指导教师姓名 完 成 时 间 2012 年 11 月 2 日 北华航天工业学院教务处制 北华航天工业学院论文 I 摘 要 多芯片组件 MCM 是 90 年代以来发展较快的一种先进混合集成电路 它把几块 IC 芯片或 CSP 组装在一块电路板上 构成功能电路板 就是多芯片组件 它是电路组件功 能实现系统级的基础 MCM 技术集先进印刷电路板技术 先进混合集成电路技术 先进 表面安装技术 半导体集成电路技术于一体 是典型的垂直集成技术 对半导体器件来 说 它是典型的柔性封装技术 是一种电路的集成 MCM 的出现使电子系统实现小型化 模块化 低功耗 高可靠性提供了更有效的技术保障 其中可以值得一提的是三维多芯 片组件技术 三维多芯片组件技术是现代微组装技术发展的重要方向 是新世纪微电子 技术领域的一项关键技术 本文概述了微电子封装技术的发展历史和多芯片组件 MCM 技术的发展过程 介绍了 MCM 技术的特点 基本类型及其特性 三维多芯片组件和 MCM 的应用 并分析预测了未 来微电子封装的发展趋势 关键词 信息科学 组装技术 芯片 微电子封装 多芯片组件技术 北华航天工业学院论文 2 目 录 第 1 章 绪论 3 1 1 多芯片组件技术的产生 3 1 2 多芯片组件技术的应用领域 3 第 2 章 多芯片组件技术 4 2 1 多芯片组件的概念 4 2 2 多芯片组件的种类 4 2 3 多芯片组件的基本特点 5 2 4 多芯片组件技术的发展现状 5 第 3 章 MCM 可靠性综合评价与保障 6 3 1 可靠性设计 6 3 2 生产过程的质量控制 6 3 3 可靠性评价 6 第 4 章 三维多芯片组件及其应用 7 4 1 3D MCM 的发展驱动力 7 4 1 1 电子系统 整机 对系统集成的迫切需求 7 4 1 2 二维组装密度 组装效率 的限制 7 4 2 3D MCM 的优点 7 4 3 3D MCM 应用实例 8 结束语 9 参考文献 9 北华航天工业学院论文 3 第 1 章 绪论 1 1 多芯片组件的产生 90 年代 在高密度 单芯片封装的基础上 将高集成度 高性能 高可靠的通用集 成电路芯片和专用集成电路芯片 ASIC 在高密度多层互连基板上用表面安装技术组装成为 多种多样的电子组件 子系统或系统 由此而产生了多芯片组件 MCM 在通常的芯片印 刷电路板 PCB 和 SMT 中 芯片工艺要求过高 影响其成品率和成本 印刷电路板尺寸偏 大 不符合当今功能强 尺寸小的要求 并且其互连和封装的效应明显 影响了系统的 特性 多芯片组件将多块未封装的裸芯片通过多层介质 高密度布线进行互连和封装 尺寸远比印刷电路板紧凑 工艺难度又比芯片小 成本适中 因此 MCM 是现今较有发 展前途的系统实现方式 是微电子学领域的一项重大变革技术 对现代化的计算机 自 动化 通讯业等领域将产生重大影响 1 2 多芯片组件技术的应用领域 多芯片组件的市场 可分为功能导向的应用 如大型计算机 及尺寸导向的应用 如笔记型计算机 其应用的行业有 1 计算机工业 在大型计算机系统 工作站 服务器 个人计算机 笔记型计算机 磁盘驱动器皆为多芯片组件应用的范围 就其使用量而言 个人计算机将成为主流 2 通讯工业 多芯片组件可用于交换与传输系统 手提式通讯装置 个人通讯网络 上 由于可制成重量轻 体积小的手机以便于个人携带 个人通讯网络及系统将运用较 先进的构装技术 3 消费性电子工业 消费性电子产品因成本的压力 在桌上型产品方面 因尺寸及重 量限制较少 故使用多芯片组件的进度较慢 便携式产品因尺寸及构装密度之需求 对M C M 需求旺盛 4 军事与航天工业 在早期 军事及航天工业即为多芯片组件的主要市场之一 就使 用环境的考虑 军用和航空电子对温度的要求远高于汽车及办公室的电子组件 且导弹 及航空器的耐振动条件更为严苛 由于多芯片组件的构装型式减少了连接点数目 构装 的大小和质量 可以有效的改善组件在振动条件下的可靠度 军事 航天领域的需求是 高端MCM 发展原动力 北华航天工业学院论文 4 第 2 章 多芯片组件技术 2 1 多芯片组件的概念 多芯片组件的英文缩写为 这是一种新的电子组装技术 组装方式是直接将 裸露的集成电路芯片 安装在多层高密度互连衬底上 层与层的金属导线是用导通孔 连接的 这种组装方式允许芯片与芯片靠得很近 可以降低互连和布线中所产生的信 号延迟 串扰噪声 电感 电容耦合等问题 可分为三种类型 一种是建立在 印制电路叠层结构技术上实现互连的 其中包括双面叠层高密度板 主要用于 兆 赫以下的低级产品 另一种是利用厚膜在陶瓷或多层陶瓷基片上制作混合电路的一种 技术 主要用于 兆赫 兆赫的高可靠性产品 最后一种是应用薄膜技术将金 属材料蒸发或溅射到薄膜基板上 光刻出信号线并依次作成多层基板 主要应用于 兆赫以上的高性能产品 2 2 多芯片组件的种类 根据 IPAS 的定义 MCM 技术是将多个 LSI VLSI ASIC 裸芯片和其它元器件组装在同 一块多层互连基板上 然后进行封装 从而形成高密度和高可靠性的微电子组件 根据 所用多层布线基板的类型不同 MCM 可分为叠层多芯片组件 MCM L 陶瓷多芯片组件 MCM C 淀积多芯片组件 MCM D 以及混合多芯片组件 MCM C D 等 MCM L 是采用多层印制电路板做成的 MCM 制造工艺较成熟 生产成本较低 但因芯片的 安装方式和基板的结构所限 高密度布线困难 因此电性能较差 主要用于30MHz 以下 的产品 MCM C 是采用高密度多层布线陶瓷基板制成的 MCM 结构和制造工艺都与先进 IC 极为相 似 其优点是布线层数多 布线密度 封装效率和性能均较高 主要用于工作频率 30 50 MHz 的高可靠产品 它的制造过程可分为高温共烧陶瓷法 HTCC 和低温共烧陶瓷法 LTCC 由于低温下可采用 Ag Au Cu 等金属和一些特殊的非传导性材料 近年来 低 温共烧陶瓷法占主导地位 MCM D 是采用薄膜多层布线基板制成的 MCM 其基体材料又分为 MCM D C 陶瓷基体薄膜 多层布线基板的 MCM MCM D M 金属基体薄膜多层布线基板的 MCM MCM D Si 硅基 薄膜多层布线基板的 MCM 等三种 MCM D 的组装密度很高 主要用于500MHMCM D 是采用 薄膜多层布线基板制成的 MCM 其基体材料又分为 MCM D C 陶瓷基体薄膜多层布线基板 的 MCM MCM D M 金属基体薄膜多层布线基板的 MCM MCM D Si 硅基薄膜多层布线 基板的 MCM 等三种 MCM D 的组装密度很高 主要用于500MHz 以上的产品 北华航天工业学院论文 5 2 3 多芯片组件的基本特点 多芯片组件是在高密度多层互连基板上 采用微焊接 封装工艺将构成电子电路的 各种微型元器件 IC 裸芯片及片式元器件 组装起来 形成高密度 高性能 高可靠性的 微电子产品 包括组件 部件 子系统 系统 它是为适应现代电子系统短 小 轻 薄和高速 高性能 高可靠 低成本的发展方向而在 PCB 和 SMT 的基础上发展起来的新 一代微电子封装与组装技术 是实现系统集成的有力手段 多芯片组件已有十几年的历史 MCM 组装的是超大规模集成电路和专用集成电路的裸 片 而不是中小规模的集成电路 技术上 MCM 追求高速度 高性能 高可靠和多功能 而不像一般混合 IC 技术以缩小体积重量为主 典型的 MCM 应至少具有以下特点 1 MCM 是将多块未封装的 IC 芯片高密度安装在同一基板上构成的部件 省去了 IC 的封装材料和工艺 节约了原材料 减少了制造工艺 缩小了整机 组件封装尺寸和重 量 2 MCM 是高密度组装产品 芯片面积占基板面积至少20 以上 互连线长度极大缩 短 封装延迟时间缩小 易于实现组件高速化 3 MCM 的多层布线基板导体层数应不少于4层 能把模拟电路 数字电路 功率器件 光电器件 微波器件及各类片式化元器件合理而有效地组装在封装体内 形成单一半导 体集成电路不可能完成的多功能部件 子系统或系统 使线路之间的串扰噪声减少 阻 抗易控 电路性能提高 4 MCM 避免了单块 IC 封装的热阻 引线及焊接等一系列问题 使产品的可靠性获得 极大提高 2 4 多芯片组件技术的发展现状 国际技术研究公司对有代表性的美国 日本等 37 家主要从事 MCM 研究制造的公司进行 了调查研究 结果表明 以总的水平来看 日本的 MCM 研究制造技术大约超前美国和欧 洲 目前日本和美国的一些著名公司已具备广泛的 MCM 设计实力和小批量生产能力 其 它大多数公司还处在样品研制阶段 较多的或大多数用户选择使用薄膜技术 优良的性 能是推动 MCM 发展的主要因素 限制 MCM 的主要因素是它的成本和价格 在调查的公司 中 有 43 家使用硅基板 基板使用的导体材料有金 铜和铝 有 84 家公司使用了铜导 体 日本比较偏爱使用光敏聚酰亚胺 因为它可以减少工艺环节 降低生产成本 目前 MCM 的应用领域主要包括计算机 通讯 军用和汽车电子等 不同的应用领域要求不同 设计 材料 工艺和性能的 MCM 北华航天工业学院论文 6 第 3 章 MCM可靠性综合评价与保障 3 1 可靠性设计 电子产品的可靠性是设计和生产出来的 而不是靠后天的试验筛选出来的 目前主要的 可靠性设计方法有降额设计 冗余设计 耐环境设计 热设计等 以往可靠性设计主要 集中在设计规范的制定 对其产品可靠性起到了一定的作用 但存在过于笼统 时间和 验证难以保证等问题 同时也缺乏定性指标的约束 传统方法依赖于使用以前的有关失 效的数据 对于MCM中频繁的新设计和低生产量不太适用 现在正在发展一种新的分析方 法 把设计作为元器件所经历的温度和应力水平的函数来进行评价 用计算机模拟产品 的可靠性设计结果 并进而改进可靠性设计水平 3 2 生产过程的质量控制 生产过程的质量控制是产品可靠性保证的基础 要实现稳定的生产和精确控制 包括ISO 9000体系及QS 9000体系认证 6仃控制 SPC Staticstical Process Contro1 统计过 程控制和FMEA Failure Modeand Efects Analysis 失效模式及影响分析等 质量体系 6仃 SPC技术已经被大家所熟知和接受 而FMEA技术是器件和工艺过程的潜在缺陷引起 失效模式发生的风险评估 从而及时发现和降低影响产品可靠性的决定性因素 达到优 化设计和优化工艺的目的 FMEA技术是生产阶段降低失效风险的有效分析方法 3 3 可靠性评价 对单一失效机理的可靠性评价是微电子器件可靠性保证的重要手段 目前 JEDEC EIAJ ASTM等国际标准组织或行业在失效机理的评价测试结构设计 评价试验方 法等方面有一部分的标准和规范 但对于一些失效机理的研究还在探索中 尤其是MCM的 发展出现的一些新的可靠性问题的研究还在继续 因此失效机理的可靠性评价也在不断 的发展中 产品可靠性评价的目的是通过试验确定产品的可靠性水平 其关键是选择MCM 敏感的试验应力 制定合理的试验程序 以求用最短的时间和最小的成本完成评价 并 希望评价方法对同类产品也有价值 MCM的可靠性评价方法种类众多 目前尚没有系统的 标准方法 常用的有温度循环 高加速温度和湿度试验 温度 偏压试验等 北华航天工业学院论文 7 第 4 章 三维多芯片组件及其应用 4 1 3D MCM 的发展驱动力 4 1 1 电子系统 整机 对系统集成的迫切需求 电子系统 整机 向小型化 高性能化 多功能化 高可靠和低成本发展已成为目前的 主要趋势 从而对系统集成的要求也越来越迫切 实现系统集成的技术途径主要有两个 一是半导体单片集成技术 二是采用 MCM 技术 前者是通过晶片规模的集成技术 WSI 将高性能数字集成电路 含存储器 微处理器 图象和信号处理器等 和模拟集成电路 含各种放大器 变换器等 集成为单片集成系统 后者是通过三维多芯片组件 3D MCM 或 MCM V 技术实现 WSI 的功能 实现单片系统集成的关键在于细线和大晶片工艺 技术 单片系统集成的设计和多层布线 微机械加工以及各种工艺的兼容技术 0 25 0 3 m 的大晶片 IC 生产线于 1998 年在 SAMSUNG NEC IBM 三家公司首先诞生 这标 志着单片系统集成时代的来临 美国 Bell 实验室利用电子束加工技术使 IC 线宽降至 0 08 m 台湾也成功地开发出 0 25 m 技术 可使随机存储器的容量提高到 256M 单 片系统集成技术已有较大进展 但是由于工艺难度及成本价格等原因 该技术一直未在 产品生产中得以广泛应用 据分析 可能在相当一段时间内 实现系统集成的主要技术 途径仍将是 3D MCM 技术 这对于半导体集成电路工业还不甚发达的我国尤其如此 4 1 2 二维组装密度 组装效率 的限制 现代微组装技术的发展已到了接近二维组装所能达到的理论上最大的组装密度 目前 2D MCM 的组装效率最高达 85 而采用 3D MCM 可实现更高的组装密度 组装效率 3D MCM 的组装效率则已可达 200 以上 因此 为了进一步提高组装密度 实现更小的体 积和更多的功能 也必须从二微组装向三维微组装发展 4 2 3D MCM 的优点 3D MCM 的优点可归纳为以下几点 1 进一步减小了体积 减轻了重量 3D MCM 相当于 2D MCM 而言 可使系统的体积缩 北华航天工业学院论文 8 小 10 倍以上 重量减轻 6 倍以上 2 减小信号传输延迟时间 由于 VHSI 的发展和应用 使得芯片之间互连线的长度已成 为影响系统 整机 信号传输延迟的关键 3D MCM 中芯片之间的互连长度比 2D MCM 短 得多 因此可进一步减小信号传输延迟时间 3 减小信号噪声 在数字信号系统中 主要有四种噪声来源 反射噪声 串扰噪声 同步触发噪声和电磁干扰 这些噪声与信号在互连线中传输时的上升时间相关 即与互 连线长短相关 3D MCM 可通过进一步缩短互连线的长度来降低信号噪声 4 减小功耗 电子系统中互连线功耗的表达式可写为 p fCV2 其中 f 是信号频率 V 是互连线两端的电压差 C 是互连线的寄生电容 由此看出 互连线的长度越短 寄生 电容越小 功耗就越低 如前所述 3D MCM 相对于 2D MCM 而言可进一步缩短互连线 因此也可降低功耗 5 进一步增大组装效率 2D MCM 的组装效率目前最高可达 85 从理论上来讲 2D MCM 组装效率要达到 100 是不可能的 这是 2D MCM 本身的结构限制所决定的 而 3D MCM 的组装效率目前已高达 200 4 3 3D MCM 应用实例 1 大容量存储器组件 采用多芯片组件技术制作高性能大容量的存储器组件是 MCM 技术的重要应用领域之一 高速成像系统发展的需求 进一步推动了存储器多芯片组件从二维 2D 技术向三维 3D 技术发展 目前的成像系统 其像素已多达 9 10 像素 帧 这就需要采用 100 帧 秒以上的数据存储 若将此数据存储转换为数据存储带宽 则需要达 Gbit s 的存储 容量 这已远超出了目前一般的 Mbit s 的存储容量 而采用三维 MCM 技术实现大容量的 存储器组件则不失为一个良好的解决途径 三维存储器组件多采用两种 3D MCM 结构形式 一是 2D MCM 叠层型 3D MCM 另一是 IC 芯片叠层型 3D MCM 采用该三维多芯片组件技术研制了 1Gbit 的大容量存储器组件 其中包括采用焊料 凸点倒装芯片互连的 64 16Mbit 动态随机存储器 DRAM 芯片 3D MCM 的体积为 13cm3 38mm 43mm 8mm 由于最高温度低于 80 其存储容量密度高达 1 2Gbit in3 通用电气 GE 公司采用埋置芯片的高密度薄膜多层互连工艺 2D HDI 制作 2D 高密度 组件 然后叠装互连 构成几种高大容量 3D MCM 1992 年推出的 SPERF3D 它包含 4 个 2D HDI 基板 每个基板上组装了 20 个 8K 8bit 静态随机存储器 SRAM 芯片 17 个 去耦电容 7 个锁存器和 1 个译码器芯片 1993 年该公司又推出了 3D 大容量宇航存储器 北华航天工业学院论文 9 多芯片组件 HCSM 1 用于航天平台系统 该 3DMCM 包含 4 个 2D HDI 存储器多层基板 每个基板上装有 20 个 1M bit SRAM 12 个逻辑 IC 芯片 5 个电阻和 8 个电容 3DMCM 的 体积为 2 2 2 2 0 30in3 内含 80 个 SRAM IC 芯片和 160 个元件 1993 年该公司还推 出了 DRAM 3D HDI 多芯片组件 内含 20 个 DRAM 采用了三块多层布线基板叠装 这些 3D MCM 都通过了初步的可靠性实验 包括热冲击实验 100 次 从液氮温度到 12