多芯片组件技术的发展及应用

王岩 王 瑜

（哈尔滨电工仪表研究所，黑龙江 哈尔滨150081）

引言

多芯片组件(简称MCM)，是继表面安装技术(SMT)之后，9O年代在微电子领域出现的一项最引人瞩目的新技术，MCM的出现标志着电子组装技术又向更高层次的高密度、高速度、高性能方向迈进了一大步。为了适应目前电路组装高密度要求，微电子封装技术的发展日新月异，各种新技术、新工艺层出不穷。最新出现的CSP(芯片尺寸封装)使裸芯片尺寸与封装尺寸基本相近，这样在相同封装尺寸时有更多的数量，使电路组装密度大幅度提高。但是人们在应用中也发现，无论采用何种封装技术后的裸芯片，在封装后裸芯片的性能总是比未封装的要差一些。于是人们对传统的混合集成电路(HIC)进行彻底的改变，找出了多芯片组件(Multi Chip Module，即MCM)这种先进的封装模式。

1 多芯片组件基本特点及其性能

多芯片组件（图1）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。

1.1 多芯片组件基本特点

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：

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。

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。

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，因此，有人称其为混合形式的全片规模集成WSI技术。

1.2 MCM的性能效应

推动MCM（图2）的发展和应用的一个主要因素是它的性能效应。对于高速芯片(主要包括GaAs，ECL等)的互连，由于它能够使用低介电常数介质，缩短互连长度，因而能够在提高组装密度的同时，大大减少信号延迟时间，减少寄生效应。由于组装密度的提高，甚至可以把整个系统设计在一个组件内。在信号速度比较低时，MCM技术也能够改善组件的性能。特别是对于使用CMOS芯片的组件，它可以大大降低组件的功耗，因为CMOS的功耗与负载电容的大小成正比，而MCM能够大大降低负载电容值。另外，在MCM中采用TAB技术，可以在组装前对芯片进行性能测试，能够提高MCM的最终成品率。

2 多芯片组件的发展与应用

2.1 MCM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。上述情况基本反映了MCM的现状。

2.2 MCM的应用

MCM因性能优良而具有广阔的市场，因成本和价格太高而使它的应用范围受到限制。当前MCM的主要应用领域是航空、航天、卫星、导弹、计算机，通讯、汽车电子等军事和高技术领域。1995年，薄膜混合集成电路组件中，50%以上是MCM，其它类型的MCM在其同类产品中所占的比例在90年代也显著地增加，到2000年，MCM将占全部组件的40%。据BBC报道，1990年，MCM的市场总额为2亿美元，1995年达到了8.9亿美元，年增长率为40%。在IPC年会上，Hewlett-Packard电子组装实验室主任预计，MCM的市场总额将达180亿美元。我国微组装技术目前还处在初级阶段，其产品仅达到初级MCM或类MCM阶段，且品种少产量有限，即使保证重点工程任务的需要也很困难，更远远满足不了其它领域的需求。就目前国内需求来看，尽管每块MCM的价格在千元以上，但年需求量仍在万块以上，而实际供应量仅有几千块，供需矛盾十分突出。估计几年后，国内仅军用、计算机、通讯等领域对MCM的需求量将超过50万块。

3 结束语

总之，近年来，移动电话、数码相机、便携计算机、汽车电子等系统对小型化、多功能、高可靠方面的要求不断提高，MCM技术有很好的应用前景。采用MCM技术实现的SiP具有开发周期短、开发成本低的优势，成为一种SOC的替代技术。MCM技术发展迅速，加强MCM技术的研究和推广应用很有必要。

[1]龙平.独立运行风/光互补监测系统研究[D].北京：中科院硕士学位论文，2004.