MCM封装与三维封装技术

MCM封装与三维封装技术

多芯片组件(MCM)封装技术的产生和发展不仅是对传统二维封装技术的有力补充和超越，更是为了满足现代电子系统对低功耗、轻量化和小型化的迫切需求。同时，三维封装技术的提出也标志着电子封装领域正朝着更高集成度、更高性能和更低功耗的方向迈进.

本文对MCM封装技术做一个简单的介绍，分述如下：

• MCM封装的提出

• MCM封装

• 垂直封装互连技术

• 三维(3D)封装技术的优点和局限性

在这种背景下，MCM（多芯片组件）封装技术应运而生并不断发展。传统的二维封装技术主要在MCM的X、Y平面内进行布局，但随着集成度的提升，这种方式的局限性逐渐显现。为了克服这些限制，工程师们开始探索在Z轴方向上叠加裸芯片的三维封装技术。

三维封装技术通过在Z轴上将多个裸芯片堆叠在一起，实现了封装体积的显著减小。这种小型化的优势不仅满足了便携式设备对空间利用的极致追求，也为航空和军事应用中的重量和体积控制提供了有力支持。同时，由于Z平面内的互连长度大大缩短，寄生性的电容和电感也相应降低，从而减少了信号传输过程中的能量损失，使得系统功耗得以降低约30%。这一改进对于延长设备续航时间和提高整体性能具有重要意义。

定义与优点

多芯片组件(MCM)封装使用多层连线基板，通过打线键合、TAB或C4键合等方法将一个以上的IC芯片与基板连接，使其成为具有特定功能的组件。

MCM封装的主要优点包括：

大幅提高电路连线密度：从而增进封装的效率。

实现“轻、薄、短、小”的封装设计：满足便携式电子系统的需求。

提升封装的可靠度：减少信号传输的导线数目，降低封装连线缺陷发生的机会。

MCM封装的分类

MCM封装技术可概括为多层互连基板的制作与芯片连接技术两大部分。按工艺方法及基板使用材料的不同，MCM封装可区分为下列三种：

MCM-C型

“C”代表“Ceramics”（陶瓷）

基板为绝缘层陶瓷材料，导体电路以厚膜印刷技术制成，再以共烧的方法制成基板。

优点：布线密度较高，适用于多种电路应用。

缺点：成本较高，材料准备过程复杂，影响成品率。

MCM-D型

“D”代表“Deposition”（淀积）

以淀积薄膜的方法将导体与绝缘层材料交替叠成多层连线基板。

使用低介电系数的高分子材料为绝缘层，可做成体积小但具有极高电路密度的基板。

优点：能提供最高的连线密度及优良的信号传输特性。

缺点：成本与产品合格率方面仍需改善。

MCM-L型

“L”代表“Laminate”（叠层）

多层互连基板以印制电路板叠合的方法制成。

优点：成本低且电路板制作技术成熟。

缺点：低热传导率与低热稳定性。

三维封装技术是在MCM封装的基础上，将裸芯片沿Z轴叠层在一起，实现更高的集成度和更小的体积。这种技术不仅进一步满足了便携式电子系统和航空、军事应用的需求，还显著降低了系统功耗，提升了整体性能。

以下是几种不同类型的垂直封装互连技术的介绍：

1. 叠层IC间的外围互连

(1) 叠加带载体法

PCB上的叠层：采用TAB（载带自动键合）技术，将芯片通过TAB带连接到PCB板上，实现垂直堆叠。松下公司曾采用此方法设计高密度存储器卡。

TAB方法：另一种形式是直接利用TAB带在芯片间形成垂直互连，富士通公司曾用于DRAM芯片的设计。

(2) 焊接边缘导带法

焊料浸渍叠层法：在边缘上形成垂直导带，并通过静电熔化的焊料槽对叠层IC引线进行同时连接。

焊料填充通孔法：在芯片载体和垫片上填充导电材料以形成通孔，通过通孔实现叠层IC的互连，Micron Technology和休斯电子公司均使用过此方法。

镀通孔之间的焊料连接法：利用TAB引出IC引线，并通过PCB框架上的通孔和焊接键合技术实现垂直互连，Hitachi公司曾用于高密度DRAM的设计。

边缘球栅阵列法：将焊球沿芯片边缘分布，通过再流焊将芯片装在基板的边缘，实现垂直互连。

(3) 立方体表面的薄膜导带法

薄膜T型连接和溅射金属导带法：在立方体表面形成薄膜金属层，并通过剥离式光刻和溅射沉积工艺形成焊盘和总线，实现垂直互连，由Irvine Sensors和IBM公司共同研制。

直接激光描入导线法：使用激光调阻在立方体的侧面形成互连图形，汤姆逊公司用于制作高密度存储器等。

(4) 立方体表面的互连线基板法

TAB阵列法：将TAB阵列焊接在硅基板凸点上，实现垂直互连，TI公司用于超高密度存储器的设计。

倒装芯片法：在MCM叠层前将互连引线引到金属焊盘的侧面，通过倒装焊技术实现垂直互连，Grmman航空公司用于军事监视技术。

PCB法：将PCB焊接在叠层TSOP外壳的两侧，形成垂直互连，三菱公司用于高密度存储器的设计。

(5) 折叠式柔性电路法

在柔性材料上安装并互连裸芯片，然后将柔性电路折叠起来形成3D叠层，GE、Harris和MMS公司均采用了此方法。

(6) 丝焊叠层芯片法

直接丝焊到MCM基板上：使用丝焊技术将叠层芯片焊接到平面MCM基板上，Matra Marconi Space公司和nChip公司分别用于设计高密度固态记录器和高密度存储器模块。

通过IC丝焊到基板上：母芯片充当子芯片的基板，子芯片通过丝焊连接到母芯片基板表面的焊盘上，Volton IC USA公司在某些医疗应用上使用了此技术。

这些垂直封装互连技术各有特点，适用于不同的应用场景和需求，共同推动了三维封装技术的发展和应用。

2.叠层IC间的区域互联

叠层IC间的区域互连是三维封装技术中的关键部分，它允许在垂直方向上堆叠多个芯片，并通过特定的互连方法实现芯片间的信号传输。以下是叠层IC间区域互连的几种主要形式：

倒装芯片焊接叠层芯片法

(1) 不带有垫片

技术描述：使用焊接凸点技术将叠层IC倒装并互连到基板或另一芯片上。这种方法通过凸点直接与基板或另一芯片上的接触点焊接，实现垂直方向的互连。

应用实例：BM用于设计超高密度元器件，富士通用于将GaAs芯片叠加到CMOS芯片上，松下研制的“微凸点键合法”被用于设计热敏头和发光二极管(LED)打印头。

(2) 带有垫片

技术描述：与不带垫片的方法类似，但使用垫片来控制叠层芯片间的距离。垫片可以提供额外的机械支撑和电气隔离，同时确保芯片间的精确对齐。

应用实例：美国科罗拉多大学、加州大学研究并用于VLSI芯片上部固定含有铁电液晶显示的玻璃板上。

微桥弹簧和热迁移通孔法

技术描述：微桥弹簧法：使用微型弹簧以实现叠层IC间的垂直互连。这种方法通过弹簧的弹性连接实现芯片间的信号传输，适用于需要高度灵活性和可靠性的应用场景；热迁移通孔法：虽然未直接提及，但热迁移通孔技术（如TSV，即硅通孔）也是实现叠层IC间垂直互连的一种重要手段，通过直接在硅基板上制作通孔并填充金属实现芯片间的电气连接。

应用实例：休斯公司研制的微桥弹簧法用于3D并行计算机的设计中实时处理数据及图像，也可用于多种军用飞机的电子设备中。

其他区域互连技术

除了上述方法外，还有一些其他技术可以实现叠层IC间的区域互连，如：

塑料垫片上的模糊按钮和基板上的填充通孔法：通过一层精确的塑料垫片实现MCM叠层的互连，模糊按钮通过叠层MCM上的接合力实现互连。

带有电气馈通线的弹性连接器法：通过连接电气馈通线和弹性连接器来实现垂直互连，适用于需要高度灵活性和电气隔离的应用场景。

柔性各向异性导电材料法：利用各向异性导电材料的特性实现叠层MCM间的互连，适用于需要高密度互连和良好散热性能的应用场景。

基板层上下部分球栅阵列法：采用基板上下部分的球栅阵列实现垂直互连，通过给叠层施加压力并利用焊球实现互连，适用于需要高可靠性和高密度封装的应用场景。

叠层IC间的区域互连技术多种多样，每种技术都有其独特的应用场景和优势。随着三维封装技术的不断发展，这些技术将不断得到优化和完善，以满足日益增长的电子产品小型化、高性能化需求。

优点

尺寸和重量减小：3D封装技术通过垂直堆叠芯片，显著减小了器件的整体尺寸和质量。相比传统封装技术，3D封装可以实现高达40~50倍的尺寸和质量减小。与MCM技术相比，也能实现约6倍的体积缩小和19倍的质量减轻。

硅片效率提升：3D封装更有效地利用了硅片的有效区域，提高了硅片效率。硅片效率是指叠层中总的基板面积与焊区面积之比，3D技术的硅片效率超过100%，远高于其他2D封装技术。

延迟降低：在高速系统中，信号延迟是制约性能的关键因素。3D封装通过缩短互连长度，减少了信号传输时间，从而降低了延迟。与MCM技术相比，3D封装能进一步缩短信号延迟，提高系统响应速度。

噪声减少：3D封装技术通过缩短互连长度，降低了互连伴随的寄生电容和电感，从而减少了噪声。这对于高性能系统尤为重要，因为噪声可能导致逻辑错误和系统性能下降。

功耗降低：由于寄生电容与互连长度成正比，3D封装通过降低互连长度，减少了寄生性，从而降低了系统功耗。这对于移动设备和便携式设备尤为重要，因为它们对功耗有严格要求。

速度提升：3D封装不仅降低了功耗，还提高了元器件的转换速度。由于寄生电容和电感的降低，以及噪声的减少，3D封装使得元器件能够以更高的频率运行，提高了系统性能。

互连适用性和可接入性提高：3D封装技术提供了更高的互连密度和可接入性。在3D封装中，元器件之间的互连长度更短，减少了传输延迟。同时，垂直互连可以最大限度地利用有效互连，提高了系统的整体性能。

带宽增加：在计算机和通信系统中，互连带宽是影响性能的关键因素。3D封装技术通过将CPU和存储器等关键部件集成在一起，避免了传统封装中的高成本连接问题，从而提高了存储器的带宽和系统性能。

局限性

尽管3D封装技术具有诸多优点，但也存在一些局限性：

技术复杂性：3D封装技术涉及多个层次的堆叠和复杂的互连结构，对设计和制造过程提出了更高的要求。这增加了技术实现的难度和成本。

热管理(处理)挑战：在3D封装中，由于元器件的紧密堆叠，热量更容易积聚。因此，热管理成为了一个重要的问题。需要采取有效的散热措施来确保系统的稳定运行。

测试与调试难度：3D封装中的多层结构使得测试和调试变得更加困难。传统的测试方法可能不再适用，需要开发新的测试技术和工具。

可靠性问题：堆叠的层次和复杂的互连结构可能增加了系统的故障点。因此，需要采取有效的可靠性措施来确保系统的稳定运行和长期可靠性。

标准化和兼容性：目前，3D封装技术尚未完全标准化，不同厂商之间的产品可能存在兼容性问题。这限制了3D封装技术的广泛应用和普及。

3D封装技术在提高系统性能、降低功耗和尺寸方面具有显著优势，但也面临着技术复杂性、热管理、测试与调试、可靠性以及标准化和兼容性等方面的挑战。随着技术的不断进步和完善，相信这些问题将逐渐得到解决，3D封装技术将在更多领域得到广泛应用。

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