多芯片組件(MCM),多芯片組件(MCM)是什么意思

多芯片組件是在高密度多層互連基板上，采用微焊接、封裝工藝將構(gòu)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(chǎn)品(包括組件、部件、子系統(tǒng)、系統(tǒng))。MCM一般采用DCA（裸芯片直接安裝技術(shù)）或CSP，可使電路圖形線寬達(dá)到幾微米到幾十微米的等級。在MCM基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的與外部電路連接的扁平引線間距為0.5mm，把幾塊MCM利用SMT組裝在普通的PCB上即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

它是為適應(yīng)現(xiàn)代電子系統(tǒng)短、小、輕、薄和高速、高性能、高可靠性、低成本的發(fā)展方向而在多層印制板(PCB)和表面安裝技術(shù)(SMT)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代微電子封裝與組裝技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成的有力手段。 MCM組裝的是超大規(guī)模集成電路和專用集成電路的裸片，而不是中小規(guī)模的集成電路，技術(shù)上MCM追求高速度、高性能、高可靠性和多功能，而不象一般混合IC技術(shù)以縮小體積重量為主。

多芯片組件技術(shù)的基本特點(diǎn)

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

(2)MCM是高密度組裝產(chǎn)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(shí)間縮小，易于實(shí)現(xiàn)組件高速化。

(3)MCM的多層布線基板導(dǎo)體層數(shù)應(yīng)不小于4層，能把模擬電路、數(shù)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有效地組裝在封裝體內(nèi)，形成單一半導(dǎo)體集成電路不可能完成的多功能部件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)。使線路之間的串?dāng)_噪聲減少，阻抗易控，電路性能提高。

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

(5)MCM集中了先進(jìn)的半導(dǎo)體IC的微細(xì)加工技術(shù)，厚、薄膜混合集成材料與工藝技術(shù)，厚膜、陶瓷與PCB的多層基板技術(shù)以及MCM電路的模擬、仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)、散熱和可靠性設(shè)計(jì)、芯片的高密度互連與封裝等一系列新技術(shù)，因此，有人稱其為混合形式的全片規(guī)模集成WSI(Wafer-scaleIntegration)技術(shù)。

多芯片組件技術(shù)的基本類型

根據(jù)多層互連基板的結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)的不同，MCM大體上可分為三類：①層壓介質(zhì)MCM(MCM-L)；②陶瓷或玻璃瓷MCM(MCM-C)；③硅或介質(zhì)材料上的淀積布線MCM(MCM-D)。表1給出MCM三種基本類型的結(jié)構(gòu)、材料和性能。

MCM-L是采用多層印制電路板做成的MCM，制造工藝較成熟，生產(chǎn)成本較低，但因芯片的安裝方式和基板的結(jié)構(gòu)所限，高密度布線困難，因此電性能較差，主要用于30MHz以下的產(chǎn)品。

MCM-C是采用高密度多層布線陶瓷基板制成的MCM，結(jié)構(gòu)和制造工藝都與先進(jìn)IC極為相似，其優(yōu)點(diǎn)是布線層數(shù)多，布線密度、封裝效率和性能均較高，主要用于工作頻率(30-50)MHz的高可靠產(chǎn)品。它的制造過程可分為高溫共燒陶瓷法(HTCC)和低溫共燒陶瓷法(LTCC)，由于低溫下可采用Ag、Au、Cu等金屬和一些特殊的非傳導(dǎo)性材料，近年來，低溫共燒陶瓷法占主導(dǎo)地位。

MCM-D是采用薄膜多層布線基板制成的MCM，其基體材料又分為MCM-D／C(陶瓷基體薄膜多層布線基板的MCM)、MCM-D／M(金屬基體薄膜多層布線基板的MCM)、MCM-D／Si(硅基薄膜多層布線基板的MCM)等三種，MCM-D的組裝密度很高，主要用于500MHz以上的產(chǎn)品。

三維多芯片組件

通常所說的多芯片組件都是指二維的(2D-MCM)，它的所有元器件都布置在一個(gè)平面上，不過它的基板內(nèi)互連線的布置已是三維。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，芯片的集成度大幅度提高，對封裝的要求也更加嚴(yán)格，2D-MCM的缺點(diǎn)也逐漸暴露出來。目前，2D-MCM組裝效率最高可達(dá)85％，已接近二維組裝所能達(dá)到的最大理論極限，這已成為混合集成電路持續(xù)發(fā)展的障礙。為了改變這種狀況，三維的多芯生組件(3D-MCM)就應(yīng)運(yùn)而生了，其最高組裝密度可達(dá)200％。3D-MCM是指元器件除了在x-y平面上展開以外，還在垂直方向(z方向)上排列，與2D-MCM相比，3D-MCM具有以下的優(yōu)越性：

①進(jìn)一步減小了體積，減輕了重量。相對于2D-MCM而言，3D-MCM可使系統(tǒng)的體積縮小10倍以上，重量減輕6倍以上。

②3D-MCM中芯片之間的互連長度比2D-MCM短得多，因此可進(jìn)一步減小信號傳輸延遲時(shí)間和信號噪聲，降低了功耗，信號傳輸(處理)速度增加。

③由于3D-MCM的組裝效率目前己高達(dá)200％，進(jìn)一步增大了組裝效率和互連效率，因此可集成更多的功能，實(shí)現(xiàn)多功能的部件以至系統(tǒng)(整機(jī))。

④互連帶寬，特別是存儲(chǔ)器帶寬往往是影響計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)性能的重要因素。降低延遲時(shí)間和增大總線寬度是增大信號寬度的重要方法。3D-MCM正好具有實(shí)現(xiàn)此特性的突出優(yōu)點(diǎn)。

⑤由于3D—MCM內(nèi)部單位面積的互連點(diǎn)數(shù)大大增加，具有更高的集成度，使其整機(jī)(或系統(tǒng))的外部連接點(diǎn)數(shù)和插板大大減小，因此可靠性得到進(jìn)一步提高。

3D-MCM雖然具有以上所述的優(yōu)點(diǎn)，但仍然有一些困難需要克服。和2D-MCM相比，3D-MCM的封裝密度增加了，必然導(dǎo)致單位基板面積上的發(fā)熱量增大，因此散熱是關(guān)鍵問題，一般采用以下方法：采用低熱阻材料，如金剛石或化學(xué)氣相淀積(CVD)金剛石薄膜；采用水冷或強(qiáng)制空冷；采用導(dǎo)熱粘膠或散熱通孔將熱量盡快散發(fā)出去。另外，作為一項(xiàng)新技術(shù)，3D-MCM還需進(jìn)一步完善，需更新設(shè)備，開發(fā)新的軟件，還要承擔(dān)一定的風(fēng)險(xiǎn)。

多芯片組件的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

多芯片組件(MCM)在組裝密度(封裝效率)、信號傳輸速度、電性能以及可靠性等方面獨(dú)具優(yōu)勢，是目前能最大限度地提高集成度、提高高速單片IC性能，制作高速電子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)小型化、多功能化、高可靠性、高性能的最有效途徑。

MCM早在80年代初期就曾以多種形式存在，但由于成本昂貴，大都只用于軍事、航天及大型計(jì)算機(jī)上。隨著技術(shù)的進(jìn)步及成本的降低，近年來，MCM在計(jì)算機(jī)、通信、雷達(dá)、數(shù)據(jù)處理、汽車行業(yè)、工業(yè)設(shè)備、儀器與醫(yī)療等電子系統(tǒng)產(chǎn)品上得到越來越廣泛的應(yīng)用，已成為最有發(fā)展前途的高級微組裝技術(shù)。例如利用MCM制成的微波和毫米波SOP(System-on-a-package)，為集成不同材料系統(tǒng)的部件提供了一項(xiàng)新技術(shù)使得將數(shù)字專用集成電路、射頻集成電路和微機(jī)電器件封裝在一起成為可能。3D-MCM是為適應(yīng)軍事宇航、衛(wèi)星、計(jì)算機(jī)、通信的迫切需求而近年來在國外得到迅速發(fā)展的高新技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成的重要技術(shù)途徑。目前3D-MCM已被應(yīng)用到高性能大容量的存儲(chǔ)器組件和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，充分發(fā)揮了三維多芯片組件技術(shù)的優(yōu)越性。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微電子封裝將向微型化、輕型化和薄型化方向發(fā)展。3-D封裝技術(shù)具有降低功耗、減輕重量、縮小體積、減弱噪聲、降低成本等優(yōu)點(diǎn)，它將是未來微電子封裝的主要發(fā)展方向。電子系統(tǒng)(整機(jī))向小型化、高性能化、多功能化、高可靠和低成本發(fā)展已成為目前的主要趨勢，從而對系統(tǒng)集成的要求也越來越迫切。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成的技術(shù)途徑主要有兩個(gè)：一是半導(dǎo)體單片集成技術(shù)，二是MCM技術(shù)。前者是通過晶片規(guī)模的集成技術(shù)(WSl)，將高性能數(shù)字集成電路(含存儲(chǔ)器、微處理器、圖象和信號處理器等)和模擬集成電路(含各種放大器、變換器等)集成為單片集成系統(tǒng)。后者是通過三維多芯片組件(3D-MCM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)WSI的功能。

三維多芯片組件技術(shù)是現(xiàn)代微組裝技術(shù)發(fā)展的重要方向，是新世紀(jì)微電子技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。由于宇航、衛(wèi)星、計(jì)算機(jī)及通信等軍事和民用領(lǐng)域?qū)μ岣呓M裝密度、減輕重量、減小體積、高中能和高可靠性等方面的迫切需求，加之3D-MCM在滿足上述要求方面具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，近年來在國外得到迅速發(fā)展，因此，我國也應(yīng)該盡快高度重視該項(xiàng)新技術(shù)的研究和開發(fā)。