多芯片组件MCM技术PPT课件

多芯片组件（MCM）技术,机电学院2013.03.21,一、多芯片组件（MCM）认知,概念：多芯片组件,英文缩写MCM(Multi-ChipModule)是继表面安装技术后，在微电子领域出现的一项最引人瞩目的新技术，是将多块半导体裸芯片组装在一块布线基板上的一种封装技术。其与混合集成电路产品并没有本质的区别，只不过多芯片组件具有更高的性能、更多的功能和更小的体积，可以说多芯片组件属于高级混合集成电路产品。,一、多芯片组件（MCM）认知,基本特点：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。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。,一、多芯片组件（MCM）认知,基本特点：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。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。,一、多芯片组件（MCM）认知,基本特点：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。MCM集中了先进的半导体IC的微细加工技术，厚、薄膜混合集成材料与工艺技术，厚膜、陶瓷与PCB的多层基板技术以及MCM电路的模拟、仿真、优化设计、散热和可靠性设计、芯片的高密度互连与封装等一系列新技术。,MCM结构示意及技术领域,二、多芯片组件（MCM）分类,多芯片组件的分类，国际上通常采用美国电子电路互连和封装协会(IPC)提出的MCM分类方式，将MCM分为三个基本类型，即MCM-L(叠层多芯片组件)、MCM-C(共烧陶瓷多芯片组件)与MCM-D(淀积多芯片组件)。,MCM分类与比较,二、多芯片组件（MCM）分类,MCM-L叠层MCM是基于传统印刷电路板的方法发展而来，将导体铜材料和绝缘介质材料三明治式夹在一起通过腐蚀、打孔、镀涂等工艺提供一种可以实现互连的多层布线结构，作为此类MCM的基板。在基板制作过程中，该技术已可预先埋固定阻值的电阻、电容和电感的元件在介质层中。MCM-L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，更高密度化则不容易实现。MCM-L组成结构也将其限制在非长期可靠性和极限环境条件下的应用。,二、多芯片组件（MCM）分类,MCM-C共烧陶瓷多芯片组件则以共烧陶瓷混合电路技术发展为基础。相比于叠层MCM，陶瓷MCM需要附加工艺步骤，包括在介质层上铺设导体图形的薄膜印刷技术。制备足够的布线层数以实现需要的互连设计，同时还要保证基板的良好机械性能。介质层打孔形成通孔，通孔会被导体材料填实起到连接上下层的电学互连。陶瓷上印制电阻材料可获得所需要的电阻值的电阻，通过微调技术对其进行阻值修正。印制好的陶瓷层在其他层叠加前要在烘箱中烘干。所有印刷完毕的陶瓷层叠放在一起，在一个设定温度环境下烧结成一个完整的多层布线。依烧结温度可分为高温共烧陶瓷(HTCC)和低温共烧陶瓷(LTCC)。MCM-C自1979年由IBM应用到计算机中后，发展相当迅速、广泛，应用领域已涉及到模拟电路、数字电路、混合电路以及微波器件。,二、多芯片组件（MCM）分类,MCM-DMCM-D是一类在Si、陶瓷或金属基板上采用薄膜工艺形成高密度互连布线的MCM。MCM-D的基材可以是硅、铝、氧化铝或氮化铝。典型的线宽25微米，线中心距50微米。层间通道在10到50微米之间。低介电常数材料二氧化硅、聚酰亚胺或BCB常用作介质来分隔金属层，介质层要求薄，金属互连要求细小且保持适当阻抗。MCM-D属多芯片组件中高端产品，适用于组装密度高、体积小、高速信号传输和处理系统。IBM390/ES9000、NECSX3等超级计算机、工作站以及德国宇航公司研制的微波发射/接受雷达组件都是MCM-D典型的应用实例。,二、多芯片组件（MCM）分类,3D-MCM通常所说的多芯片组件是指二维MCM，它的所有元器件布置在一个平面上。随着微电子技术的进一步发展，芯片的集成度大幅度提高，对封装的要求也更加严格，2D-MCM的缺点也逐渐暴露出来。目前，2D-MCM组装效率最高可达85%，已接近二维组装的理论极限。为了改变这种状况，三维的多芯生组件(3D-MCM)应运而生，其最高组装效率可达200%。3D-MCM是指元器件除在x-y平面上展开外，还在垂直方向(z方向)上排列。,二、多芯片组件（MCM）分类,与2D-MCM相比，3D-MCM具有以下的优越性：系统体积缩小10倍以上，重量减轻6倍以上；芯片间的互连更短，减小信号传输延迟时间和信号噪声，降低功耗；组装效率达200%，有望实现多功能系统封装；更高的集成度，减少外部连接点数可靠性提高。,封装效率比较图,在过去30年通孔插装的印刷电路板和高密度封装的多芯片组件之间的封装效率相差810倍。图中可看出，1020m细线宽情况下能够获得60%70%效率，而对于3D-MCM技术在50300m线宽下就可以获得100%的效率。,三、芯片贴装技术,多芯片组件的芯片贴装是实现半导体器件和元件与MCM基板的机械连接和电气互连。这种组装可通过两个独立的操作进行；也可同时完成。下图为三种占主导地位的贴装方法，丝焊、倒装焊和载带自动焊。,三、芯片组装技术,丝焊(WB）丝焊方法首先用贴片胶或焊料将芯片面向基板贴装上，然后用金或铝线连接芯片和基板。热声丝焊和超声丝焊是两种常用的工艺手段。由于丝焊方法简单、容易操作，所以对于I/O端口小于200的集成电路它是MCM芯片贴装的主要技术。丝焊的局限性在于每一根引线都需要焊接，这使得工艺按序进行并且每根丝线都需要键合区而降低了集成度。另外，丝焊固有的寄生电感效应是它应用于高速电子电路的严重缺陷。,三、芯片组装技术,载带自动焊(TAB）载带自动焊技术是20世纪70年代通用电气公司（GE）研制。TAB首先把芯片粘接到带有铜引线图形的聚合物载带上，芯片通过凸点键合到金属引线上。然后将带有铜引线的芯片从载带上切下，芯片朝上或下焊接到MCM基板。TAB的优点在于芯片焊接到MCM基板上之前进行测试和老化试验。相比于丝焊技术，TAB缩短了工艺时间，更重要的是提高了MCM电学性能。缺点在于不同的芯片需要设计和制作相匹配的载带。,三、芯片组装技术,倒装焊(FC）倒装焊技术由IBM公司于上世纪60年代开发应用。早先，在I/O焊区上的Pb/Sn（铅/锡）焊料凸点内嵌入有Au/Ni（金/镍）的Cu球，在芯片焊接区和焊料凸点间镀涂Cr（铬）-Cu-Au界面层。通过倒置芯片将Cu球再流焊到基板相应的焊区。倒装焊技术提供一种大批量贴装MCM的方法。这种方法互连缩短，具有最小的感应系数；面阵连接能改善电性能和满足不断增长的I/O数要求。缺点在于，高密度封装和芯片倒装引起的热问题相当严重。此类MCM的制作成本高和工艺复杂也是其发展的不利因素。,四、应用领域,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。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。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MCM需求旺盛。,四、应用领域,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