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)。MCM一般采用DCA（裸芯片直接安裝技術）或CSP，可使電路圖形線寬達到幾微米到幾十微米的等級。在MCM基礎上設計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上即可實現系統的功能。

它是為適應現代電子系統短、小、輕、薄和高速、高性能、高可靠性、低成本的發展方向而在多層印制板(PCB)和表面安裝技術(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。 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、高可靠性和多功能，而不象一般混合IC技術以縮小體積重量為主。

多芯片組件技術的基本特點

(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，縮小整機／組件封裝尺寸和重量。

(2)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。

(3)MCM的多層布線基板導體層數應不小于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。

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

(5)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(Wafer-scaleIntegration)技術。

多芯片組件技術的基本類型

根據多層互連基板的結構和工藝技術的不同，MCM大體上可分為三類：①層壓介質MCM(MCM-L)；②陶瓷或玻璃瓷MCM(MCM-C)；③硅或介質材料上的淀積布線MCM(MCM-D)。表1給出MCM三種基本類型的結構、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，生產成本較低，但因芯片的安裝方式和基板的結構所限，高密度布線困難，因此電性能較差，主要用于30MHz以下的產品。

MCM-C是采用高密度多層布線陶瓷基板制成的MCM，結構和制造工藝都與先進IC極為相似，其優點是布線層數多，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性材料，近年來，低溫共燒陶瓷法占主導地位。

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平面上，不過它的基板內互連線的布置已是三維。隨著微電子技術的進一步發展，芯片的集成度大幅度提高，對封裝的要求也更加嚴格，2D-MCM的缺點也逐漸暴露出來。目前，2D-MCM組裝效率最高可達85％，已接近二維組裝所能達到的最大理論極限，這已成為混合集成電路持續發展的障礙。為了改變這種狀況，三維的多芯生組件(3D-MCM)就應運而生了，其最高組裝密度可達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具有以下的優越性：

①進一步減小了體積，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，因此可進一步減小信號傳輸延遲時間和信號噪聲，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200％，進一步增大了組裝效率和互連效率，因此可集成更多的功能，實現多功能的部件以至系統(整機)。

④互連帶寬，特別是存儲器帶寬往往是影響計算機和通信系統性能的重要因素。降低延遲時間和增大總線寬度是增大信號寬度的重要方法。3D-MCM正好具有實現此特性的突出優點。

⑤由于3D—MCM內部單位面積的互連點數大大增加，具有更高的集成度，使其整機(或系統)的外部連接點數和插板大大減小，因此可靠性得到進一步提高。

3D-MCM雖然具有以上所述的優點，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，必然導致單位基板面積上的發熱量增大，因此散熱是關鍵問題，一般采用以下方法：采用低熱阻材料，如金剛石或化學氣相淀積(CVD)金剛石薄膜；采用水冷或強制空冷；采用導熱粘膠或散熱通孔將熱量盡快散發出去。另外，作為一項新技術，3D-MCM還需進一步完善，需更新設備，開發新的軟件，還要承擔一定的風險。

多芯片組件的應用及發展趨勢

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具優勢，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，實現整機小型化、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、航天及大型計算機上。隨著技術的進步及成本的降低，近年來，MCM在計算機、通信、雷達、數據處理、汽車行業、工業設備、儀器與醫療等電子系統產品上得到越來越廣泛的應用，已成為最有發展前途的高級微組裝技術。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的部件提供了一項新技術使得將數字專用集成電路、射頻集成電路和微機電器件封裝在一起成為可能。3D-MCM是為適應軍事宇航、衛星、計算機、通信的迫切需求而近年來在國外得到迅速發展的高新技術，是實現系統集成的重要技術途徑。目前3D-MCM已被應用到高性能大容量的存儲器組件和計算機系統，充分發揮了三維多芯片組件技術的優越性。

隨著微電子技術的發展，微電子封裝將向微型化、輕型化和薄型化方向發展。3-D封裝技術具有降低功耗、減輕重量、縮小體積、減弱噪聲、降低成本等優點，它將是未來微電子封裝的主要發展方向。電子系統(整機)向小型化、高性能化、多功能化、高可靠和低成本發展已成為目前的主要趨勢，從而對系統集成的要求也越來越迫切。實現系統集成的技術途徑主要有兩個：一是半導體單片集成技術，二是MCM技術。前者是通過晶片規模的集成技術(WSl)，將高性能數字集成電路(含存儲器、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。后者是通過三維多芯片組件(3D-MCM)技術實現WSI的功能。

三維多芯片組件技術是現代微組裝技術發展的重要方向，是新世紀微電子技術領域的一項關鍵技術。由于宇航、衛星、計算機及通信等軍事和民用領域對提高組裝密度、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特優點，近年來在國外得到迅速發展，因此，我國也應該盡快高度重視該項新技術的研究和開發。