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集成电路芯片是影响MCM工艺成材率的重要因素

日期:2021-3-20 类别: 阅读:146 (来源:互联网)

自90年代以来,MCM是快速发展的先进混合集成电路,它把几个IC芯片或CSP组装在一块板上,组成多芯片组件功能电路板,这是电路组件功能实现的系统级基础,IBMPower5处理器采用了MCM封装技术,可见它是由8个芯片组成。

自90年代以来,MCM是快速发展的先进混合集成电路,它把几个IC芯片或CSP组装在一块板上,组成多芯片组件功能电路板,这是电路组件功能实现的系统级基础,IBMPower5处理器采用了MCM封装技术,可见它是由8个芯片组成。随着MCM技术的兴起,封装的概念也发生了变化,在80年代以前,BA3121N所有的封装都是以器件为导向的,MCM可以说是以部件或系统为导向的。单片机技术是一种典型的垂直集成技术,它将先进印刷电路板技术、先进混合集成电路技术、先进表面安装技术和半导体集成电路技术有机地结合在一起,对半导体器件来说,它是一种典型的柔性封装技术。微型计算机控制技术的出现,为电子系统的小型化、模块化、低功耗和高可靠性提供了更加有效的技术保障,是微电子学领域一项具有重大变革的技术,对现代计算机、自动化和通信等工业领域具有重要影响。

多晶组件的基本特性及应用研究

MCM的基本类型

MCM-C目前按互连和封装电子协会(IPC)标准分为三类:MCM-C、MCM-D和MCM-L,它们根据基材类型进行分类。采用陶瓷烧制的基体材料MCM-C(MultiChipModule-Ceramic),导体是由一层烧制金属组成,金属层之间的通孔相互连接而成。该电阻可以在外层烧制,最后用激光精确修整。因为处理方法非常复杂,所以所有的导体和电阻都印在基片上;MCM-D(MultiChipModule-DepositedThinFilm)用类似于集成电路的沉积硅基制造。基片由硅和1m~1mm宽的导体组成,孔是由多种金属经真空沉积而成;MCM-L(MCM-L)是一种复合有机基片,它的加工方法是用普通的印刷板制作。铜丝采用印刷腐蚀工艺加工,钻出盲孔、埋孔和通孔,然后镀铜,其内部互连由电子设计自动化软件EDA设计确定。MCM-L由于采用了传统的印刷电路板加工方法,具有成本低,生产周期短,上市时间短等优点。

一厘米基本特征

这种MCM是在高密度多层互连衬底上,采用微焊接、封装工艺,将各种构成电子电路的微型元件(IC裸芯片和片式元件)组装起来,形成高密度、高性能和高可靠性的微电子产品(包括元件、元件、子系统、系统)。以多层印制电路板(PCB)及表面安装(SMT)技术为基础,发展新一代微电子封装技术,以适应现代电子系统短、小、轻、薄、快、高性能、高可靠性、低成本的发展方向,是实现系统集成的有力手段。通常的MCM至少应具有以下特点:

本发明是在同一基片上装上高密度的非封装IC芯片所形成的元件,省去了IC的封装材料和工艺,节省了原材料,减少了加工工序,降低了整机/组件的封装尺寸和重量。

这种MCM是一个高密度组装产品,它可以大大缩短互连线的长度,与SMD封装相比,降低了电路的高频寄生效应和高速性能,并且可以减少75%的芯片间延迟。

MCM多层布线的基板导体层数应不小于4层,能够合理地将数字电路、模拟电路、功能器件、光电器件等与MCM基板连接在一起,构成高性能的多功能子系统或系统,减少线间串扰噪声,提高电路性能,降低阻抗。

本发明主要采用陶瓷材料作为组装基材,与SMT用PCB基材相比,其热匹配性能和抗冷热冲击能力都有很大提高,从而使产品的可靠性大大提高。

微型计算机制造集中在半导体IC的先进和精细加工技术,厚膜复合一体化材料和工艺技术,厚膜多层衬底,陶瓷和PCB复合衬底,以及微型计算机制造电路的模拟、仿真、优化设计、散热和可靠性设计、芯片的高密度互连封装等方面。这就是所谓的混合形式的全片集成WSI(Wafer-scaleIntegration)技术。

CSP的出现推动了MCM的发展

集成电路芯片是影响MCM工艺成材率的重要因素。因为MCM的高产量要求各种IC芯片都是真芯片KGD(KnownGoodDie),而且裸芯片很难经过全面测试来筛选老化现象,所以MCM的组装对MCM造成了负面影响,使得MCM无法确定其性能。该MCM不符合标准,当芯片安装不符合标准时,很难返修。例如,如果一个系统被设计成带有12个电路芯片的MCM,其质量概率为95%,那么该MCM满足质量要求的概率等于12次0.95,也就是说,合格率下降了54%,这样,大约有2个MCM需要再修理、再制造,从而增加了生产成本。单片机的应用和发展受产品成本和产量的限制。鉴于MCM的生产成本与成品率密切相关,如何提高MCM的成品率就成了MCM进一步产业化的关键问题之一。

通过CSP(ChipScalePackage,芯片尺寸封装)的出现,这个问题得以解决。它不仅具有封装芯片的全部优点,如可采集测试、老化等,而且由于其尺寸只有芯片大小,它还具有裸片的全部优点。一些CSP,如PI介质层CSP,也可以实现大圆片的“封装”,大圆片完成划片的过程与普通芯片是一样的。可以用多种CSP芯片来真正解决单片机的KGD问题。为了解决MCM装配中的后顾之忧,MCM的成品率可以得到大幅提高,成本也可以大幅降低。

因为根据SMT的要求,CSP的管脚间距可以设置为Pb/Sn焊凸点(如0.5~1.27mm),所以可以采用传统的SMT在厚、薄膜HIC多层衬底或PCB多层衬底上焊接,从而实现了MCM的工业化,也把SMT提高到一个新的水平。

当确定MCM所占的封装面积时,由于多层MCM难以实现,可将其设计成立体叠装形式,使所占面积更小,空间更充分。由于CSP可以解决KGD问题,因此叠装MCM的成材率得到保证。

而CSP的出现,解决了芯片小、封装大的矛盾,它既具有封装器件的便捷性,又具有裸芯片小、性能好的特点,为快速发展的MCM应用解决了后顾之忧,因为MCM组装所使用的芯片都是经过老化筛选、测试,使之成为真正的KGD。另外,由于CSP的“外引线”凸点均采用Pb/Sn焊料,因此,利用SMT进行装配焊接十分方便,可使MCM工业化生产。

MCM与HIC的异同

这种MCM是在同一高密度多层布线基板上高密度地安装多个非封装IC芯片而形成的元件。一般而言,MCM与HIC并无本质区别,MCM基本上是混合集成技术的延伸,无论是HIC还是MCM,都有一定的基底面积,而且其结构是组合式的。其区别在于:MCM安装在不同的衬底上,而HIC只占很小的比例;MCM作为HIC使用的半导体可以是裸露的芯片,也可以是封装后的器件,而HIC的制作电路通常比较简单。安装在各种高密度多层板上的单片机主体是半导体器件,确切地说是一块未封装的半导体器件芯片,它的制作电路一般比较复杂,可见单片机技术是混合集成技术的延伸,是HIC技术与WSI技术的综合,是PCB技术与IC裸芯片封装技术的结合,是混合集成技术的高级产物。

适用MCM

它的应用范围很广,包括高性能的“高档”电子产品,它们都来自于价格低廉的“低档”消费电子产品,比如军事、航天和医疗。表1显示了世界各地MCM产品的生产情况。

微孔发展趋势

我们所说的多芯片组件,通常指二维(2D-MCM),尽管它的基板内部的连接线是三维的,但是它的所有元件都被布置在一个平面上。随着微电子技术的进一步发展,芯片的集成度大大提高,封装要求也越来越严格,2D-MCM的缺点逐渐暴露出来。目前2D-MCM的装配效率可达85%,已接近2D-MCM理论的最大理论极限,从而阻碍了混合集成电路的持续发展。为了改变这种状况,出现了三维多芯片组件(3D-MCM),其最大装配密度达到200%。单片机中的元器件除在x-y平面上展开外,还可以在垂直方向(Z方向)上进行排列,具有高度整合性、装配效率高、体积重量小、功耗低、信号传输快等优点。

在组装密度、信号传输速度、电气性能和可靠性上,单片机有其独特的优势,是目前最大程度提高集成度和改善高速单片机性能,实现高速电子系统,实现整机小型化、多功能化、高可靠性和高性能的最有效方法。上世纪80年代早期,MCM以多种形式存在,但由于价格昂贵,大部分MCM只用于军事、空间和大型计算机。随着科技的进步和成本的降低,MCM在计算机、通信、雷达、数据处理、汽车工业、工业设备、仪器仪表、医疗保健等领域中得到了越来越广泛的应用,成为目前世界上最有发展前途的先进微装配技术。用MCM制造的微波和毫米波SOP(System-on-a-package)为例,它提供了一种新的技术,这种技术可以用来集成来自各种材料系统的元件,从而能够封装数字专用集成电路、射频集成电路和微型电子器件。微控制器是近年来为满足军事航天、卫星、计算机和通信等领域的需要而发展起来的高新技术,是实现系统集成的重要技术手段。目前3D-MCM已在高性能大容量存储器组件和计算机系统中得到应用,充分发挥了三维多芯片组件技术的优势。

微电子技术的发展,使得微电子封装技术朝着小型化、轻型化、薄型方向发展。3D封装技术具有功耗小、重量轻、体积小、噪音小、成本低等优点。它是微电子封装技术未来发展的主要方向。当前,电子系统(整机)正朝着小型化、高性能、多功能、高可靠性、低成本的方向发展,对系统集成提出了更高的要求。介绍了实现系统集成的技术途径:半导体单片集成技术、MCM集成技术。前者采用晶片级集成技术,将高性能数字集成电路(包括存储器、微处理器、图像和信号处理器等)和模拟集成电路(包括各种放大器、变换器等)整合为一个单一的集成系统。后者则采用3D-MCM技术来实现WSI。

微控制器技术是现代微组装技术发展的重要方向,是新世纪微电子技术领域的核心技术。近几年来,由于3D-MCM在军用和民用方面的独特优势,以及在航天、卫星、计算机和通信等军用和民用领域中对增加装配密度、减轻重量、缩小体积、高性能和高可靠性的迫切需求,3D-MCM得到了广泛应用。

最终结论

伴随着MCM技术的不断进步,促使整机在小型化、多功能、高可靠性、高性能等方面取得了长足的进步,发展势头迅猛,目前已成功地应用于通用大型计算机和超级巨型机,未来还将应用于工作站、个人计算机、医疗电子设备和汽车电子设备等领域。1992年至1996年,MCM年增长率为11.1%,今年产值有望突破110亿美元,进入全面实施21世纪初的阶段,MCM的全面普及应用和电子设备革命时代即将到来。