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。

MCM-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。

3 MCM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述。

3．1 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。

3．2 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。

3．3 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。

3．4 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。

3．5 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MCMS(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。

3．6 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。

3．7 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。

3．8 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（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,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。

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125℃1000次温度循环在内的可靠性考核。封装和测试合格率达99％122℃。封装的外形主要是标准的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。

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
金属封装 耐恶劣环境，封装成本高
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的主要地区。我们当然有理由相信，随着封装技术的进步和市场需求的推动,MCM技术和应用必将在中国集成电路行业受到更多关注，中国的集成
电路封装企业也将会逐步赶上世界高密度封装技术的潮流。

随着MCM技术的不断提高和市场推动力的加强,MCM的应用会有更美好的前景。虽然MCM封装存在多个供应商供应芯片封装在一起而引出的商业挑战，尤其是大容量存储器和超大规模芯片存在的测试及老化问题，但在电子产品多样化的需求和封装测试技术不断进步的推动下，MCM封装会在今天的基础上克服挑战，赢得更大的发展。