MCM封装与三维封装技术

文章来源：芯学知

原文作者：芯启未来

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。