多芯片組件技術的發展及應用

王巖 王 瑜

（哈爾濱電工儀表研究所，黑龍江 哈爾濱150081）

引言

多芯片組件(簡稱MCM)，是繼表面安裝技術(SMT)之后，9O年代在微電子領域出現的一項最引人矚目的新技術，MCM的出現標志著電子組裝技術又向更高層次的高密度、高速度、高性能方向邁進了一大步。為了適應目前電路組裝高密度要求，微電子封裝技術的發展日新月異，各種新技術、新工藝層出不窮。最新出現的CSP(芯片尺寸封裝)使裸芯片尺寸與封裝尺寸基本相近，這樣在相同封裝尺寸時有更多的數量，使電路組裝密度大幅度提高。但是人們在應用中也發現，無論采用何種封裝技術后的裸芯片，在封裝后裸芯片的性能總是比未封裝的要差一些。于是人們對傳統的混合集成電路(HIC)進行徹底的改變，找出了多芯片組件(Multi Chip Module，即MCM)這種先進的封裝模式。

1 多芯片組件基本特點及其性能

多芯片組件（圖1）是在高密度多層互連基板上，采用微焊接、封裝工藝將構成電子電路的各種微型元器件(IC裸芯片及片式元器件)組裝起來，形成高密度、高性能、高可靠性的微電子產品(包括組件、部件、子系統、系統)。它是為適應現代電子系統短、小、輕、薄和高速、高性能、高可靠、低成本的發展方向而在PCB和SMT的基礎上發展起來的新一代微電子封裝與組裝技術，是實現系統集成的有力手段。

1.1 多芯片組件基本特點

多芯片組件已有十幾年的歷史，MCM組裝的是超大規模集成電路和專用集成電路的裸片，而不是中小規模的集成電路，技術上MCM追求高速度、高性能、高可靠和多功能，而不像一般混合IC技術以縮小體積重量為主。典型的MCM應至少具有以下特點：

MCM是將多塊未封裝的IC芯片高密度安裝在同一基板上構成的部件，省去了IC的封裝材料和工藝，節約了原材料，減少了制造工藝，縮小了整機／組件封裝尺寸和重量。

MCM是高密度組裝產品，芯片面積占基板面積至少20以上，互連線長度極大縮短，封裝延遲時間縮小，易于實現組件高速化。

MCM的多層布線基板導體層數應不少于4層，能把模擬電路、數字電路、功率器件、光電器件、微波器件及各類片式化元器件合理而有效地組裝在封裝體內，形成單一半導體集成電路不可能完成的多功能部件、子系統或系統。使線路之間的串擾噪聲減少，阻抗易控，電路性能提高。

MCM避免了單塊IC封裝的熱阻、引線及焊接等一系列問題，使產品的可靠性獲得極大提高。

MCM集中了先進的半導體IC的微細加工技術，厚、薄膜混合集成材料與工藝技術，厚膜、陶瓷與PCB的多層基板技術以及MCM電路的模擬、仿真、優化設計、散熱和可靠性設計、芯片的高密度互連與封裝等一系列新技術，因此，有人稱其為混合形式的全片規模集成WSI技術。

1.2 MCM的性能效應

推動MCM（圖2）的發展和應用的一個主要因素是它的性能效應。對于高速芯片(主要包括GaAs，ECL等)的互連，由于它能夠使用低介電常數介質，縮短互連長度，因而能夠在提高組裝密度的同時，大大減少信號延遲時間，減少寄生效應。由于組裝密度的提高，甚至可以把整個系統設計在一個組件內。在信號速度比較低時，MCM技術也能夠改善組件的性能。特別是對于使用CMOS芯片的組件，它可以大大降低組件的功耗，因為CMOS的功耗與負載電容的大小成正比，而MCM能夠大大降低負載電容值。另外，在MCM中采用TAB技術，可以在組裝前對芯片進行性能測試，能夠提高MCM的最終成品率。

2 多芯片組件的發展與應用

2.1 MCM的發展現狀

國際技術研究公司對有代表性的美國、日本等37家主要從事MCM研究制造的公司進行了調查研究，結果表明：

以總的水平來看，日本的MCM研究制造技術大約超前美國和歐洲，目前日本和美國的一些著名公司已具備廣泛的MCM設計實力和小批量生產能力，其它大多數公司還處在樣品研制階段。較多的或大多數用戶選擇使用薄膜技術。優良的性能是推動MCM發展的主要因素，限制MCM的主要因素是它的成本和價格。在調查的公司中，有43家使用硅基板，基板使用的導體材料有金、銅和鋁，有84家公司使用了銅導體。日本比較偏愛使用光敏聚酰亞胺，因為它可以減少工藝環節，降低生產成本。目前MCM的應用領域主要包括計算機、通訊、軍用和汽車電子等。不同的應用領域要求不同設計、材料、工藝和性能的MCM。上述情況基本反映了MCM的現狀。

2.2 MCM的應用

MCM因性能優良而具有廣闊的市場，因成本和價格太高而使它的應用范圍受到限制。當前MCM的主要應用領域是航空、航天、衛星、導彈、計算機，通訊、汽車電子等軍事和高技術領域。1995年，薄膜混合集成電路組件中，50%以上是MCM，其它類型的MCM在其同類產品中所占的比例在90年代也顯著地增加，到2000年，MCM將占全部組件的40%。據BBC報道，1990年，MCM的市場總額為2億美元，1995年達到了8.9億美元，年增長率為40%。在IPC年會上，Hewlett-Packard電子組裝實驗室主任預計，MCM的市場總額將達180億美元。我國微組裝技術目前還處在初級階段，其產品僅達到初級MCM或類MCM階段，且品種少產量有限，即使保證重點工程任務的需要也很困難，更遠遠滿足不了其它領域的需求。就目前國內需求來看，盡管每塊MCM的價格在千元以上，但年需求量仍在萬塊以上，而實際供應量僅有幾千塊，供需矛盾十分突出。估計幾年后，國內僅軍用、計算機、通訊等領域對MCM的需求量將超過50萬塊。

3 結束語

總之，近年來，移動電話、數碼相機、便攜計算機、汽車電子等系統對小型化、多功能、高可靠方面的要求不斷提高，MCM技術有很好的應用前景。采用MCM技術實現的SiP具有開發周期短、開發成本低的優勢，成為一種SOC的替代技術。MCM技術發展迅速，加強MCM技術的研究和推廣應用很有必要。

[1]龍平.獨立運行風/光互補監測系統研究[D].北京：中科院碩士學位論文，2004.