低成本的MCM和MCM封装技术讲解

1、低成本的MCM和MCM封装技术石明达吴晓纯（南通富士通微电子股份有限公司江苏南通市）摘要：本文介绍了多芯片模块的相关技术。消费类电子产品低成本的要 求推动了 MCM技术的应用。对于必须高密度集成以满足高性能、小型 化且低成本的要求的产品,MCM可选用多种封装技术。关键词：多芯片模块基板封装印制电路板1 MGM概述MCM是一种由两个或两个以上裸芯片或者芯片尺寸封装 （CSP）的IC组 装在一个基板上的模块，模块组成一个电子系统或子系统。基板可以是 PCB、厚/薄膜陶瓷或带有互连图形的硅片。整个 MCM可以封装在基 板上，基板也可以封装在封装体内。MCM封装可以是一个包含了电子功 能便于安装在电路

2、板上的标准化的封装，也可以就是一个具备电子功能 的模块。它们都可直接安装到电子系统中去（PC、仪器、机械设备等等）2 MGM技术关于MCM技术的介绍在国内见到的文章很多。简单地讲,MCM可分为 三种基本类型：MCM-L是采用片状多层基板的MCM。基板的结构如图 1所示。tub 1配用种“9|4MCM-L技术本来是高端有高密度封装要求的 PCB技术，适用于采用键 合和PC工艺的MCM。MCM-L不适用有长期可靠性要求和使用环境温 差大的场合。MCM-C是采用多层陶瓷基板的 MCM。陶瓷基板的结构如2图所示。从 模拟电路、数字电路、混合电路到微波器件，MCM-C适用于所有的应用。 多层陶瓷基板中低

3、温共烧陶瓷基板使用最多，其布线的线宽和布线节距 从254微米直到75微米。MCM-D是采用薄膜技术的MCM。MCM-D的基板由淀积的多层介质、 金属层和基材组成。MCM-D的基材可以是硅、铝、氧化铝陶瓷或氮化 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，金属互连要求细小但仍要求适当的互连阻抗。 图3 是用硅做基材的MCM-D基板的剖面结构。如果选用硅做基板，在基板 上可添加薄膜电阻和电容，甚至可以将存储器和模块的保护电路（ESD、EMC）等做到基板上去。r 1ucm- d 苗叼3 MC

4、M的市场推动力使用MCM来代替在PCB上使用的表面贴装集成电路的主要原因有如下31 缩小尺寸在使用表面贴装集成电路的PCB上，芯片面积约占PCB面积的15%, 而在使用 MCM 的 PCB 上芯片面积达 30-60甚至更高。32 技术集成在 MCM 中，数字和模拟功能可以混合在一起而没有局限性，一个专用 集成电路可以和标准处理器/存储器封装在一起，Si、GaAs芯片也可以封装在一起。在一些 MCM 中被动元件被封装在一起以消除相互间的干 扰， MCM 的 I/O 也可有更灵活的选择。33 数据速度和信号质量高速元器件可更紧密地相互靠近安装 ,IC 信号传输特性更好。 与标准 PCB 相比，系统

5、总电容和电感负载低且更易于控制， MCM 的抗电磁干扰能力 也比 PCB 好。34 可靠性/使用环境与大的电子系统相比，小的系统能更好地防止电磁、水、气体等的危害。35 成本在COB已被广泛使用在大批量生产的电子产品中时,MCM在PC、摄像 机等产品中使用还处于徘徊期，在普通产品的PCB上使用MCM的总成本要高于使用单芯片IC。在MCM开始使用的二十多年中，MCM的优 点虽已得到公认， 但因其高昂的费用使得它仅在高端产品领域少有应用。 MCM 之所以没取得广泛的成功，主要是因为 KGD(Known Good Die) 、 基板费用高和封装费用高、合格率低。在国际上 MCM 因此被戏称为 MCM

6、S(Must Cost Millions) 必须花费几百万。近几年来，由于市场巨大的推动力和新技术的开发，尤其是 封装技术的发展， 包括低成本 FCBGA MCM 在内的多种 MCM 封装技术 已被一些国外公司掌握， MCM 集成电路尤其是低成本的消费类 MCM 集 成电路已大批量进入市场。现在，能否使用标准化的外形来封装 MCM 成了能否降低成本的关键之一。采用 MCM 可使系统的速度不变而合格率提高，可减少使用高腿数的封 装、减少线路板的尺寸和层数， 减少制造工序。 MCM 现在的成本优势将 来还将进一步降低。随着芯片集成密度的提高，芯片的工艺费用急剧上升，芯片制造中获益 更加困难。有时为

7、芯片制造获利不可能频繁更改掩膜版，为高密度的需 要转而可以优选一流的芯片组成 MCM 。同样，某一种芯片可用在许多不 同的芯片组中。半导体芯片供应商可在芯片和关联的互连系统开发中获得附加利润。因此,MCM已成为成功半导体芯片供应商强有力的战略选择。因为 MCM 广泛的应用领域，对 MCM 来说，选择封装材料是非常重要 的，由于使用环境的不同特别要注意选择不同的封装材料。几十年以来，PDIP、SOP、QPP这样的周边引线脚封装形式被普遍地用于 单芯片封装。 MCM 的设计现在也常常采用与单芯片封装相同的封装形 式，因为这样可减少 PCB 生产工具设备以及测试设备的更新，电子产品 的最终使用者不知

8、道封装中是多芯片还是单芯片。这样的 MCM 可使用 所有不同的基板 （片状基板、 陶瓷基板、薄膜等 ），这一类的 MCM 如果使 用频率有要求，现在已越来越多地使用短引线或无引线封装。36 PCB 板设计简化高互连密度的子系统可以集成到一个 MCM中，MCM对外的连线减少， 从而减少 PCB 的层数。37 提高圆片利用率 当芯片面积大于 100 平方毫米时圆片的利用率将降低。利用率降低将使 芯片制造成本大幅提高， 同样的功能如使用小芯片组成的 MCM ，圆片利 用率的提高带来的节省远大于 MCM 的整个费用。38 降低投资风险因为 MCM 中采用了成熟标准的芯片，因此可加速上市时间和量产时间(

9、time-to-market and time-to-volume)，投资风险降低。4 MOM 的市场对于可供选择的 MCM 技术可以提供的好处是可降低成本、缩小尺寸、 降低重量、环境适应能力强以及在提高性能时必须增加的接口少。不同 MCM 的优点可应用于不同的市场。在多数 MCM 技术成本较高的场 合,COB提供了最便宜的解决方案。因此在价格优先的场合 COB技术是 比较好的选择，例如对消费类电子产品， 大多数手持式计算器就使用 COB 技术。但是有时许多场合虽然应用 MCM 的成本高，但由于减少了 PCB 尺寸，降低了 PCB 组装成本，使用 MCM 的系统成本得到降低。在宇航和军事应用中

10、 ,MCM 能达到的减少尺寸和降低重量非常重要，因 此 MCM 在航天飞行器中被普遍使用。现在，笔记本电脑制造商已开始 使用 MCM-L 技术。陶瓷混合电路封装技术在使用环境恶劣的场合被广泛使用，例如汽车电 子。陶瓷封装被用于需与外部环境隔绝的场合。除了笔记本电脑以外，一些高性能电信、数据处理、网络设备等要求高 速度、多接口的设备也在使用 MCM 技术。高档计算机为提高运行速度 多年来已经在使用 MCM-C 。一些低端系统因为性能连续提高，特别是多重处理器应用的增加 ,MCM 将争夺电子封装市场相当大的份额。从 MCM 的发展趋势来看，短期内 最多的商业应用还是便携式电子产品。另一方面，对一些

11、高性能单芯片 封装由于受到引出脚数量的限制也可能被改为 MCM ，在这样的系统中， 由于二级封装时互连减少可靠性得到提高。尽管解决 KGD 问题需要费用并有困难， 然而 MCM 还是有很大的市场推 动力。低端产品的推动力是减少尺寸和降低成本，高端产品的推动力是 缩小尺寸和提高性能。据估计，在 2002年欧洲 MCM 的市场得到了较大增长，市场约为 40 亿 美元，这期间增长动力主要是缩小电子产品尺寸。到 2007 年欧洲 MCM 市场预计将扩大到 100 亿美元，增长动力主要是降低成本。5 低成本 MCM在市场的推动下，随着设计、封装技术、材料和工艺的进步， MCM 的低 成本化已开始实现。在

12、国际市场已出现了利用各种标准封装外形封装的 MCM ，如 PDIP、QFP、BGA 等等。不同种类的 MCM 也纷纷采用了各 种单芯片封装的工艺技术，如金丝键合、芯片凸点和FC技术。由于标准 封装外形和标准生产工艺的普遍采用 ,MCM 的封装成本得到了大幅度降 低。南通富士通微电子股份有限公司利用 MCM-D 技术封装消费类电子产品 用MCM已有五年历史。图4举例说明了南通MCM-D的内部和最终外 形照片。我们使用的硅基板用 8 英寸硅片制造，溅射的多层铝互连层厚 度通常在 1到 3微米之间。因电源和地都和基板连结，因此有阻抗和降 低偶合的要求。介质 (绝缘层)层由 3到7微米厚的 BCB 聚

13、合物组成。低介电常数的 BCB 可稳定使用在 THz。 BCB 的应用除了砷化镓芯片、 硅专用集成电路外， 最大的应用是圆片级的芯片尺寸封装 (WLCSP-Wafer Level Chip Size Package)除了基板以外，图4显示的MCM由一个FLASH MEMORY 和一个视频信号处理器组成。基板和两种芯片分别来自不同的芯片制造商 4 it*1tKUCIU包括金凸点在内，内部连线达350线以上。由于选用了世界一流的芯片， 所以南I通富士通封装的MCM具有一流的质量。可通过包括-40到125E 1000次温度循环在内的可靠性考核。封装和测试合格率达99% 122C。封装的外形主要是标准

14、的PDIP,因此封装成本接近普通单芯片IC。设备 投资与产能都可参考单芯片IC o为了保证MCM的封装质量，南通富士通在 MCM中采用了多种新封装 工艺，例如为解决大芯片、大封装体的热承受能力问题而设计了带有特 殊结构的引线框架。MCM封装要考虑的问题很多。图5是克莱斯勒汽车 控制用PBGAMCM-L热循环剖面图。选用这样的封装材料可以使该 BGAMCM-L经受热冲击的水平与单芯片的 PQFP相当。为降低MCM的封装成本，选用适当的封装方法很重要。常用于批量生 产的MCM封装方法及特点如下： 塑封后组装低成本容易组装 整体塑封适用于大批量生产COB封装裸芯片和表面贴装元件封装金属圭寸装耐恶劣环

15、境，圭寸装成本高陶瓷封装高性能封装南通富士通低成本MCM采用的就是适用于大批量生产的整体塑封方法。6 MGM的测试一般来讲,MCM的测试费用约占MCM总成本的三分之一（芯片成本和组 装成本也各占三分之一，但低成本的 MCM可能例外）。高测试费用提醒 设计者在做设计决定时必须仔细考虑测试问题。一种新设计的 MCM所 要进行的测试比一种成熟的MCM测试更为复杂。MCM对测试工程师提出了新的独特问题，这些问题正是MCM测试遇到 的最大挑战。MCM测试的复杂性大于单芯片集成电路,MCM测试不可能 与以往集成电路采用相同的测试方法和测试设备。下图是 MCM需要进 行的测试流程。裸芯片需要用探针台测试，因

16、此现在可以向封装厂提供 良品单芯片（KGD）或高可靠芯片（例如封装良晶率99. 9以上）来提高在封 装、老化和环境试验以后的成品率，这对大批量生产MCM尤其重要。封装后MCM的测试一般包括对每一个独立芯片的测试，测试检查它在 封装过程包括内部芯片互连中是否损坏。因此 MCM封装后的测试是非 常复杂的，对某些封装形式例如栅阵列封装更是如此。MCM的功能测试从数字矢量到环境测试，从高频到大功率可能包含非常 不同的测试类型，假如新设计一个MCM来代替已有的单芯片封装组件, 要进行的功能测试是相同的。7 MGM 展望 根据总部设在美国 ARIZONA 的国际 HDP 组织出版的高密度封装 MCM(HDP /MCM)通讯2004年第4期预测：因为消费类电子产品和计 算机产业巨大的需求，美国和亚洲将是使用高密度封装和 MCM