石明達吳曉純
(南通富士通微電子股份****江蘇南通市)
摘要：本文介紹了多晶元模組的相關技術。消費類電子產品低成本的要求推動了mcm技術的應用。
對於必須高密度整合以滿足高效能、小型化且低成本的要求的產品,mcm可選用多種封裝技術。關鍵詞：多晶元模組基板封裝印製電路板1 mgm概述
mcm是一種由兩個或兩個以上裸晶元或者晶元尺寸封裝(csp)的ic組裝在乙個基板上的模組，模組組成乙個電子系統或子系統。基板可以是pcb、厚／薄膜陶瓷或帶有互連圖形的矽片。整個mcm可以封裝在基板上，基板也可以封裝在封裝體內。
mcm封裝可以是乙個包含了電子功能便於安裝在電路板上的標準化的封裝，也可以就是乙個具備電子功能的模組。它們都可直接安裝到電子系統中去(pc、儀器、機械裝置等等)。2 mgm技術
關於mcm技術的介紹在國內見到的文章很多。簡單地講,mcm可分為三種基本型別：mcm-l是採用片狀多層基板的mcm。基板的結構如圖1所示。
mcm-l技術本來是高階有高密度封裝要求的pcb技術，適用於採用鍵合和pc工藝的mcm。mcm-l不適用有長期可靠性要求和使用環境溫差大的場合。
mcm-c是採用多層陶瓷基板的mcm。陶瓷基板的結構如2圖所示。從模擬電路、數位電路、混合電路到微波器件，mcm-c適用於所有的應用。
多層陶瓷基板中低溫共燒陶瓷基板使用最多，其佈線的線寬和佈線節距從254微公尺直到75微公尺。
mcm-d是採用薄膜技術的mcm。mcm-d的基板由澱積的多層介質、金屬層和基材組成。mcm-d的基材可以是矽、鋁、氧化鋁陶瓷或氮化鋁。
典型的線寬25微公尺，線中心距50微公尺，層間通道在10到50微公尺之間，低介電常數材料二氧化矽、聚醯亞胺或bcb常用作介質來分隔金屬層。介質層要求薄，金屬互連要求細小但仍要求適當的互連阻抗。圖3是用矽做基材的mcm-d基板的剖面結構。
如果選用矽做基板，在基板上可新增薄膜電阻和電容，甚至可以將儲存器和模組的保護電路(esd、emc)等做到基板上去。
3 mcm的市場推動力
使用mcm來代替在pcb上使用的表面貼裝積體電路的主要原因有如下
述。3．1縮小尺寸
在使用表面貼裝積體電路的pcb上，晶元面積約佔pcb面積的15％，而在使用mcm的pcb上晶元面積達30-60％甚至更高。3．2技術整合
在mcm中，數字和模擬功能可以混合在一起而沒有侷限性，乙個專用積體電路可以和標準處理器／儲存器封裝在一起，si、gaas晶元也可以封裝在一起。在一些mcm中被動元件被封裝在一起以消除相互間的干擾，mcm的i／o也可有更靈活的選擇。3．3資料速度和訊號質量
高速元器件可更緊密地相互靠近安裝,ic訊號傳輸特性更好。與標準pcb相比，系統總電容和電感負載低且更易於控制，mcm的抗電磁干擾能力也比pcb好。
3．4可靠性／使用環境
與大的電子系統相比，小的系統能更好地防止電磁、水、氣體等的危害。3．5成本
在cob已被廣泛使用在大批量生產的電子產品中時,mcm在pc、攝像機等產品中使用還處於徘徊期，在普通產品的pcb上使用mcm的總成本要高於使用單晶元ic。在mcm開始使用的二十多年中，mcm的優點雖已得到公認，但因其高昂的費用使得它僅在高階產品領域少有應用。mcm之所以沒取得廣泛的成功，主要是因為kgd(known good die)、基板費用高和封裝費用高、合格率低。
在國際上mcm因此被戲稱為mcms(must cost millions)——必須花
費幾百萬。近幾年來，由於市場巨大的推動力和新技術的開發，尤其是封裝技術的發展，包括低成本fcbga mcm在內的多種mcm封裝技術已被一些國外公司掌握，mcm積體電路尤其是低成本的消費類mcm積體電路已大批量進入市場。現在，能否使用標準化的外形來封裝mcm成了能否降低成本的關鍵之一。
採用mcm可使系統的速度不變而合格率提高，可減少使用高腿數的封裝、減少線路板的尺寸和層數，減少製造工序。mcm現在的成本優勢將來還將進一步降低。
隨著晶元整合密度的提高，晶元的工藝費用急劇上公升，晶元製造中獲益更加困難。有時為晶元製造獲利不可能頻繁更改掩膜版，為高密度的需要轉而可以優選一流的晶元組成mcm。同樣，某一種晶元可用在許多不同的晶元組中。
半導體晶元**商可在晶元和關聯的互連系統開發中獲得附加利潤。因此,mcm已成為成功半導體晶元**商強有力的戰略選擇。
因為mcm廣泛的應用領域，對mcm來說，選擇封裝材料是非常重要的，由於使用環境的不同特別要注意選擇不同的封裝材料。
幾十年以來,pdip、sop、qpp這樣的周邊引線腳封裝形式被普遍地用於單晶元封裝。mcm的設計現在也常常採用與單晶元封裝相同的封裝形式，因為這樣可減少pcb生產工具裝置以及測試裝置的更新，電子產品的終端使用者不知道封裝中是多晶元還是單晶元。這樣的mcm可使用所有不同的基板(片狀基板、陶瓷基板、薄膜等)，這一類的mcm如果使用頻率有要求，現在已越來越多地使用短引線或無引線封裝。
3．6 pcb板設計簡化
高互連密度的子系統可以整合到乙個mcm中，mcm對外的連線減少，從而減少pcb的層數。
3．7提高圓片利用率
當晶元面積大於100平方公釐時圓片的利用率將降低。利用率降低將使晶元製造成本大幅提高，同樣的功能如使用小晶元組成的mcm，圓片利用率的提高帶來的節省遠大於mcm的整個費用。3．8降低投資風險
因為mcm中採用了成熟／標準的晶元，因此可加速上市時間和量產時間（time-to-market and time-to-volume)，投資風險降低。4 mom的市場
對於可供選擇的mcm技術可以提供的好處是可降低成本、縮小尺寸、降低重量、環境適應能力強以及在提高效能時必須增加的介面少。不同mcm的優點可應用於不同的市場。在多數mcm技術成本較高的場合,cob提供了最便宜的解決方案。
因此在**優先的場合cob技術是比較好的選擇，例如對消費類電子產品，大多數手持式計算器就使用cob技術。但是有時許多場合雖然應用mcm的成本高，但由於減少了pcb尺寸，降低了pcb組裝成本，使用mcm的系統成本得到降低。在宇航和軍事應用中,mcm能達到的減少尺寸和降低重量非常重要，因此mcm在航天飛行器中被普遍使用。
現在，膝上型電腦製造商已開始使用mcm-l技術。
陶瓷混合電路封裝技術在使用環境惡劣的場合被廣泛使用，例如汽車電子。陶瓷封裝被用於需與外部環境隔絕的場合。
除了膝上型電腦以外，一些高效能電信、資料處理、網路裝置等要求高速度、多介面的裝置也在使用mcm技術。高檔計算機為提高執行速度多年來已經在使用mcm-c。
一些低端系統因為效能連續提高，特別是多重處理器應用的增加,mcm
將爭奪電子封裝市場相當大的份額。從mcm的發展趨勢來看，短期內最多的商業應用還是可攜式電子產品。另一方面，對一些高效能單晶元封裝由於受到引出腳數量的限制也可能被改為mcm，在這樣的系統中，由於二級封裝時互連減少可靠性得到提高。
儘管解決kgd問題需要費用並有困難，然而mcm還是有很大的市場推動力。低端產品的推動力是減少尺寸和降低成本，高階產品的推動力是縮小尺寸和提高效能。
據估計，在2023年歐洲mcm的市場得到了較大增長，市場約為40億美元，這期間增長動力主要是縮小電子產品尺寸。到2023年歐洲mcm市場預計將擴大到100億美元，增長動力主要是降低成本。5低成本mcm
在市場的推動下，隨著設計、封裝技術、材料和工藝的進步，mcm的低成本化已開始實現。在國際市場已出現了利用各種標準封裝外形封裝的mcm，如pdip、qfp、bga等等。不同種類的mcm也紛紛採用了各種單晶元封裝的工藝技術，如金絲鍵合、晶元凸點和fc技術。
由於標準封裝外形和標準生產工藝的普遍採用,mcm的封裝成本得到了大幅度降低。
南通富士通微電子股份****利用mcm-d技術封裝消費類電子產品用mcm已有五年歷史。圖4舉例說明了南通mcm-d的內部和最終外形**。我們使用的矽基板用8英吋矽片製造，濺射的多層鋁互連層厚度通常在1到3微公尺之間。
因電源和地都和基板鏈結，因此有阻抗和降低偶合的要求。介質(絕緣層)層由3到7微公尺厚的bcb聚合物組成。低介電常數的bcb可穩定使用在thz。
bcb的應用除了砷化鎵晶元、矽專用積體電路外，最大的應用是圓片級的晶元尺寸封裝(wlcsp-waferlevel chip size package)。除了基板以外，圖4顯示的mcm由乙個flashmemory和乙個**訊號處理器組成。基板和兩種晶元分別來自不同
的晶元製造商。
包括金凸點在內，內部連線達350線以上。由於選用了世界一流的晶元，所以南i通富士通封裝的mcm具有一流的質量。可通過包括-40到125℃1000次溫度迴圈在內的可靠性考核。
封裝和測試合格率達99％122℃。封裝的外形主要是標準的pdip,因此封裝成本接近普通單晶元ic。裝置投資與產能都可參考單晶元ic。
為了保證mcm的封裝質量，南通富士通在mcm中採用了多種新封裝工藝，例如為解決大晶元、大封裝體的熱承受能力問題而設計了帶有特殊結構的引線框架。mcm封裝要考慮的問題很多。圖5是克萊斯勒汽車控制用pbgamcm-l熱迴圈剖面圖。
選用這樣的封裝材料可以使該bgamcm-l經受熱衝擊的水平與單晶元的pqfp相當。
為降低mcm的封裝成本，選用適當的封裝方法很重要。常用於批量生產的mcm封裝方法及特點如下：塑封後組裝低成本容易組裝
整體塑封適用於大批量生產
cob封裝裸晶元和表面貼裝元件封裝金屬封裝耐惡劣環境，封裝成本高陶瓷封裝高效能封裝
南通富士通低成本mcm採用的就是適用於大批量生產的整體塑封方法。6 mgm的測試
一般來講,mcm的測試費用約佔mcm總成本的三分之一(晶元成本和組裝成本也各佔三分之一，但低成本的mcm可能例外)。高測試費用提醒設計者在做設計決定時必須仔細考慮測試問題。一種新設計的mcm所要進行的測試比一種成熟的mcm測試更為複雜。
mcm對測試工程師提出了新的獨特問題，這些問題正是mcm測試遇到的最大挑戰。mcm測試的複雜性大於單晶元積體電路,mcm測試不可能與以往積體電路採用相同的測試方法和測試裝置。下圖是mcm需要進行的測試流程。
裸晶元需要用探針臺測試，因此現在可以向封裝廠提供良品單晶元(kgd)或高可靠晶元(例如封裝良晶率99．9以上)來提高在封裝、老化和環境試驗以後的成品率，這對大批量生產mcm尤其重要。
封裝後mcm的測試一般包括對每乙個獨立晶元的測試，測試檢查它在封裝過程包括內部晶元互連中是否損壞。因此mcm封裝後的測試是非常複雜的，對某些封裝形式例如柵陣列封裝更是如此。
mcm的功能測試從數字向量到環境測試，從高頻到大功率可能包含非常不同的測試型別，假如新設計乙個mcm來代替已有的單晶元封裝元件，要進行的功能測試是相同的。
7 mgm展望
根據總部設在美國arizona的國際hdp組織出版的高密度封裝／mcm(hdp／mcm)通訊2023年第4期**：因為消費類電子產品和計算機產業巨大的需求，美國和亞洲將是使用高密度封裝和mcm的主要地區。我們當然有理由相信，隨著封裝技術的進步和市場需求的推動,mcm技術和應用必將在中國積體電路行業受到更多關注，中國的整合
電路封裝企業也將會逐步趕上世界高密度封裝技術的潮流。
隨著mcm技術的不斷提高和市場推動力的加強,mcm的應用會有更美好的前景。雖然mcm封裝存在多個**商**晶元封裝在一起而引出的商業挑戰，尤其是大容量儲存器和超大規模晶元存在的測試及老化問題，但在電子產品多樣化的需求和封裝測試技術不斷進步的推動下，mcm封裝會在今天的基礎上克服挑戰，贏得更大的發展。
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