3D-MCM总结

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1、3D-MCM 概念、内涵、基本原型结构模型随着电子产品的不断小型化、集成化，电子元器件也不断在小型化。一般情况下，采用常规工艺加工金属外壳封装的混合集成电路组装密度在2040；环氧涂覆双面混装的混合集成电路组装密度在3050；采用倒装焊工艺、BGA器件和LTCC空腔工艺技术能够提高电路的组装密度，也只能做到70 80 的组装密度。为了再进一步提高组装密度，一种全新的三维多芯片组件(3D-MCM) 封装方式应运而生，其组装密度甚200。MCM是指将多个半导体集成电路元件以裸芯片的状态搭载在不同类型的布线基板上，经过整体封装而构成的具有多芯片的电子组件。而3D-MCM组装是指元器件除了在X-Y平面

2、上展开以外，还在垂直方向(Z方向)将多块平面的MCM用叠层的方式组装在一起，这种组装方式能大大提高产品组装效率。三维多芯片组件(3D-MCM)是在二维多芯片组件(2D-MCM，通常指的MCM 均系二维)技术基础上发展起来的高级多芯片组件技术。二者的区别在于：3D-MCM 是采用三维(x，y，z方向)结构形式对IC芯片进行三维集成的技术，而3D-MCM则是在二维 x、y方向)对IC芯片集成，即采用二维结构形式对IC芯片进行高密度组装，是IC芯片的二维集成技术。三维多芯片组件技术是现代微组装技术发展的重要方向，是微电子技术领域跨世纪的一项关键技术。目前2D-MCM 的组装效率高达85，而3D-MC

3、M 的组装效率则已达200以上。3D-MCM 的优点可归纳为“五个减小”、“六个增大”：1进一步减小了体积，减轻了重量。3D-MCM相对于2D-MCM而言，可使系统的体积缩小l0倍以上，重量减轻6倍以上。2减小信号传输延迟时间。由于VHSI的发展和应用，使得芯片之间互连线的长度已成为影响系统(整机)信号传输延迟的关键。3D-MCM 中芯片之间的互连长度比2D-MCM 短得多，因此可进一步减小信号传输延迟时间。3 减小信号噪声。在数字信号系统中，主要有四种噪声来源：反射噪声、串扰噪声、同步触发噪声和电磁干扰。这些噪声均与互连线中传输时的上升时间相关，即与互连线长短相关，3D-MCM 可通过进一步

4、缩短互连线的长度来降低信号噪声。4减小功耗。电子系统中互连线功耗的表达式可写为P=fCV2 ，其中f是信号频率，V是互连线两端的电压差，C是互连线的寄生电容。由此看出，互连线的长度越短，寄生电容越小，功耗就越低。如前所述，3D-MCM 相对于2D-MCM 而言可进一步缩短互连线，因此也可降低功耗。5进一步增大组装效率。2D-MCM 的组装效率目前最高可达85，从理论上来讲，2D-MCM 组装效率要达到100是不可能的，这是2D-MCM本身的结构限制所决定的。而3D-MCM 的组装效率目前已高达200。6增大互连效率。所谓互连效率系组件单位面积的互连点数。3D-MCM 技术每单位面积的连接点数比

5、2D-MCM 多13个数量级以上，比SMT技术多14个数量级以上。7增大信号带宽。互连带宽，特别是存储器带宽往往是影响计算机和通信系统性能的重要因素。降低延迟时间和增大总线宽度是增大信号宽度的重要方法。3D-MCM 正好具有实现此特性的突出优点。8增加信号传输(处理)速度。如前所述，3D-MCM 可大大减小信号传输(处理)延迟时间，从而也就大大提高了信号传输速度。9增加功能。由于3D-MCM 比2D-MCM 具有更高的组装效率和电互连效率，因此可集成更多的功能，实现多功能的部件以至系统(整机)。1O进一步提高可靠性。由于D-MCM 内部单位面积的互连点数大大增加，具有更高的集成度。使其整机(或

6、系统)的外部连接点数和插板都大大减小，因此可靠性得到进一步提高。3D MCM 组件的结构类型目前主要有三种:一种是埋置型3D MCM ,其特点是在多层基板的底层埋置IC 芯片, 再在多层布线顶层组装IC 芯片, 其间通过多层布线进行高密度连接, 基板多用硅或其他高导热基板(AlN、Al等)；图4为埋置型3D-MCM基本结构示意图。埋置型3D封装结构制作灵活，而且还可以作为IC芯片后布线互连，使埋置IC的压焊点与多层布线互连起来，可极大减少焊接点，从而提高电子部件封装的可靠性。埋置型3D现在存在的主要问题有二，第一是埋置无源元件的精度问题，第二是埋置有源元件的成品率问题。图4 埋置型3D-MCM

7、结构另一种是有源基板型, 特点是在基板(通常为Si或GaAs) 上直接制作多种数字半导体集成电路, 再在其上制作多层布线, 然后在多层布线顶层组装模拟IC芯片和集成传感器芯片、光电子功能芯片等；图5为有源基板型3D-MCM基本结构示意图。有源基板型3D封装可以利用一般半导体的工艺方法，可实现大规模工业化生产，并随着半导体工艺技术的发展而不断提高。这种封装结构，可望达到应力完全匹配，从而使电子产品有更高的可靠性。但其关键是要解决有源Si基板的成品率问题。图5 有源基板型3D-MCM结构第三种是叠层型3D MCM , 特点是将多块组装有IC 芯片(可单、双面组装) 的多层布线基板进行叠装、互连,

8、即将二维MCM结构组装成3D-MCM结构。基板多用高导热基板(如AlN、Si、金刚石等)。图6为叠层型3D-MCM基本结构示意图。叠层型3D不但应用了许多成熟的组装互连技术，还发展应用了垂直互连技术，与埋置型和有源基板型3D封装相比，成本更低，能更好地满足目前迅速发展的手机等消费类电子产品周期短、体积小的要求，是目前得到广泛研究和应用的一种三维封装技术。叠层型3D封装，是将LSI、VLSI、2D-MCM、已封装的器件、甚至圆片级集成(wafer-scale integration)，层层叠装互连而成。叠层型3D概括起来，大致可分为三种:裸芯片的堆叠，封装体的堆叠，MCM的堆叠。图6 叠层型3D

9、-MCM结构三种结构类型中以叠层型3D - MCM 发展最快、应用最广泛。叠层型3D - MCM 有两种封装形式：一种是2D-MCM叠层型3D-MCM，其结构特点是将多块2D-MCM组装在一块3D-MCM结构,基板多用AIN、Si、金刚石或LTCC等;另外一种是IC芯片叠层型3D-MCM.其结构特点是将IC芯片叠片，垂直互连成3D-MCM。四 3-D MCM 的主要种类有：一类是先把芯片叠起来，利用金丝球焊等方式先实现芯片之间的互连，然后再把它们连接到基板上；另一类是把2-DMCM模块叠在一起，每一块2-DMCM 模块完成一项或几项功能，再把它们通过互连方式连接起来，形成一个子系统或系统；另外

10、还有一类是以上方式的综合，即先把芯片叠层起来，焊接到基板上，再把这样的基板通过互连的方式叠在一起，这是更加高级的封装形式。4.1芯片叠层形式的 3-D MCM芯片叠层形式的 3-D MCM 分为两种：一种是芯片采用周边互连形式叠层得到的3-D MCM，这是把芯片的I/O 端口布置在芯片的边缘，然后通过金丝焊等方法从边缘引出，实现叠层芯片的互连。另一种是芯片采用面互连形式叠层得到的3-DMCM，它是在芯片上腐蚀出直径为1-2 m 的孔洞，对孔洞进行金属化后，实现该芯片电路和相邻芯片电路的直接互连，从原理上讲这种互连可以布置在芯片上的任意位置，只要这个位置没有电路存在，因此，它没有固定的焊区。 图

11、7a 周边互连形式 图7b 面互连形式（1）采用芯片的周边进行互连的叠层形式1）叠层芯片的导线叠焊式：这是采用载带自动焊（TAB）实现芯片的垂直互连。该方法是把载带焊在芯片上，再把不同芯片的载带焊在基板的同一位置，如图8（a）、（b）所示。在图（a）中，从芯片引出的导线焊在PCB 基板的焊盘上；在图（b）中，芯片引出的导线分别焊在一根引线上的不同位置，再通过引线焊在基板上，与基板实现导通。第一种方法被英特尔日本公司和日本松下公司所采用。在松下公司，前一种技术被用于制备高密度的存储卡；在富士通公司，后一种技术被用于设计DRAM芯片。 图8a TAB载带 图8b 引线式2）通过基板实现的周边互连：

12、该技术是把芯片焊接在基板或载带上，再把基板或载带通过垂直叠层焊接在一起，形成三维互连。它又分为以下类型：a）叠层芯片侧面锡焊式垂直互连：首先把芯片焊接到陶瓷基板上，组成一个模块。把芯片的焊盘从陶瓷基板的侧面引出，这样焊盘就连到了基板的四个侧面上，图9 是示意图。Dense-Pac 公司采用这种方法设计高密度的存储器。图9 侧面锡焊式垂直互连b）带隔板的通孔金属化的垂直互连：首先，芯片以倒扣形式焊接到基板上，组成一个模块。对基板的四周通孔进行金属化，再找一个略高于芯片的隔板，也对其通孔进行金属化，再焊接到基板上，这样就组成了一个模块。再把这样的模块叠起来，形成垂直互连，金属化通孔用于垂直互连，图

13、10 是它的示意图。Micron 技术公司利用该方法制造DRAM和SRAM芯片。Hughes电子公司发展了一项类似的技术并申请了专利。图10 带隔板的通孔金属化的垂直互连c）电镀填充PCB 板垂直通孔实现互连：在这种工艺中，先采用TAB 载带把芯片上的I/O 端引出，再在载带上焊接一条金属带用来支撑芯片。利用比较厚的PCB 板作支架，中间的过孔采用电镀实现金属化。然后把载带焊到支架的端头，这样就做好了一个模块。最后焊接起来，PCB板中间的过孔就是垂直互连的通路，再与PCB 基板焊接，就成为3-D MCM。如图11所示。日立公司采用这种方法设计和制造高密度的DRAM。图11 PCB板电镀垂直通孔

14、互连3）在3-D MCM 模块表面采用薄膜导带互连：该方法是把芯片用粘接剂等固定，形成一个立方体，把芯片的I/O 端从内部引到立方体表面。再在立方体的表面，采用蒸发或溅射的方法沉积上金属薄膜，光刻出芯片之间的互连导线。具体讲有以下类型：a）芯片侧面金属薄膜的“T 形”互连：该工艺过程是：在芯片的侧面沉积绝缘阻挡层，再采用薄膜布线的方式，把芯片的I/O 端引到芯片的侧面。把芯片粘接起来形成立方体。然后在这一侧面上溅射沉积金属薄膜，光刻得到垂直互连的薄膜布线，这种方式称为“T 形”互连，图12是它的示意图。它由Irvine 公司和IBM 联合开发。图12 金属薄膜的“T形”互连b）表面薄膜的激光刻

15、蚀垂直互连：整个模块由环氧树脂粘在一起，采用激光对模块表面的薄膜进行刻蚀后产生导带。从图上可以看出，它的互连线和焊盘是可以变化的，因此它能够对一个电路子系统甚至系统进行三维封装。图13 是示意图。法国Thomson-CFS DOI 公司用该工艺生产高密度存储器。图13 激光刻蚀的薄膜互连4）在3-D MCM 模块表面焊接基板：a）硅基板上的TAB 载带垂直互连：德州仪器公司采用这种工艺开发和生产超高密度的存储器。TAB载带把I/O 端从芯片上的焊盘引出，然后将4 至16 个这样的芯片粘接在一起，形成芯片块。在硅基板上形成焊盘，再把这样的芯片块通过载带焊接到基板上，从而形成垂直互连。如图14 所

16、示。该工艺由德州仪器公司开发。图14 硅基板上的TAB载带焊b）芯片倒扣焊到叠层芯片侧面：把I/O 端从芯片上的焊盘引出到芯片的侧面，再在侧面形成焊盘。另外用一个芯片以倒扣焊的形式与这些焊盘形成互连。，如图15所示。美国Grumman 空间技术公司把该工艺用于生产军事用途的监视设备。图15 芯片倒扣焊到叠层芯片c）叠层TSOP 采用PCB 实现互连：对芯片进行薄体小外形（TSOP）封装，两侧的引出脚焊在PCB板上，通过PCB板实现芯片之间的垂直互连。然后这样的PCB 板再封装成一个整体，采用双列直插（DIP）的方式组装到基板上，示意图如图16。日本三菱公司采用该工艺制造高密度的存储器。图16

17、叠层TSOP的互连5）可折叠的柔性电路：这是在柔性有机衬底上沉积金属薄膜作为互连线，裸芯片以表面贴装的方式组装在基板上，芯片通过互连总线实现信号传输。整个电路完成后，就裹成如下图图17的样式，从而实现了3-D MCM。图17 柔性电路的折叠互连6）采用金丝垂直互连的叠层芯片：a）芯片通过MCM 基板的垂直互连：如图18 所示，这是把一块芯片叠在另外的芯片上，它们分别焊接在MCM 基板上，上下层芯片之间没有直接的信号传输，它们是通过基板实现的互连。MatraMarconi 空间技术公司和nChip公司采用该工艺生产高密度的固态存储器。图18 引线直接键合到基板b）子母芯片的叠层丝焊：在该工艺中，

18、一个小芯片放在稍大的芯片上，大芯片是小芯片的承载体，它们和基板之间用丝焊实现垂直互连。如图19所示。美国 Viltonic 公司把这项技术用于医疗器件的生产。图19 引线通过IC键合到基板（2）芯片之间面互连的叠层形式1）无隔板的叠层芯片倒扣焊的方式：该工艺严格来讲应该划归到VLSI的生产技术中。它是对芯片减薄后，在芯片上打孔形成垂直互连通孔，通孔上形成焊盘。然后这样的芯片叠在一起，以倒扣焊的形式实现互连。比较目前所有的三维互连技术，该技术具有最大的互连密度和较短的互连线长度，是未来封装的发展方向，具有研究的价值。2）有隔板的叠层芯片倒扣焊的方式：该方法与上述工艺类似，只是另外添加了隔板来控制

19、芯片之间的距离。美国卡罗拉多大学和加州大学圣地亚哥分校开发该技术，用于把含有铁电液晶薄膜的玻璃固定在VLSI芯片上，如图20 所示。图20 叠层芯片倒扣焊互连3）芯片上开有导热孔并采用微弹簧桥的互连：从图21可以看出，该工艺是在通孔微弹簧桥以跳线的方式在相邻芯片（或MCM）上的过孔之间形成互连。这些过孔也同时可以作为散热孔，而微弹簧桥则是芯片之间的散热通道，把热量带到外部。Hughes 公司发展了该技术用于生产3-D 实时和图象处理并行计算机，并且该技术还用于生产F-14、F-15、F/A-18、AV-8B 和B-2 飞机上使用的电子设备。图21 芯片之间的微弹簧桥互连4.2 基板叠层形式的

20、3-D MCM（1） 采用 2-D MCM 的周边进行互连的叠层形式1）叠层MCM的导带互连：从图22 可以看出，做好的2-D MCM 分别进行封装后放在托架上，托架上有互连导带。2-D MCM 以倒扣的形式焊接在托架上，再通过垂直互连的导带与托架实现电导通，从而与2-D MCM 实现互连，这样就得到3-D MCM。松下电子元器件公司采用该方法对28 层的2-DMCM进行叠层，制造高密度的SRAM 和DRAM。图22 叠层基板的导带互连2）叠层MCM 的薄膜高密度互连：在这项技术中，基板内的导带和基板之间的垂直互连都采用了高密度薄膜多层布线的方法。做好的 2-D MCM粘在一起，垂直互连是在叠

21、层基板的侧面采用沉积金属膜后，再光刻和电镀加厚的工艺。得到的3-D MCM如图23 所示，图（a）是薄膜垂直互连的布线方式，图（b）是组件的剖面图。图a 图b图23 叠层MCM 的薄膜高密度互连（2）采用 2-D MCM 之间面互连的叠层形式1）通过隔板上绒毛状通孔实现垂直互连：在该技术中，芯片焊接到基板上，基板通过一个塑料隔板隔开。隔板内有空腔，芯片等元件就嵌在空腔内。相邻2-D MCM 模块之间有层间互连板，用于模块之间的信号传输。隔板和基板上都有通孔，基板的通孔采用浆料填充，而隔板的通孔则用绒毛状的金丝团填充，以便对基板通孔施加持久的弹性压力，保持良好的导通。图24 是示意图，图（a）是

22、模块分解图，（b）是组装完成后的形状Raytheon(E-system)公司开发了这项技术，Norton金刚石薄膜公司也采用它作为金刚石基板的MCM 叠层，Irvine 传感器公司则用于生产低成本紧凑型的DSP（数字信号处理）。图a 图b图24 通过隔板上绒毛状通孔实现垂直互连2）采用弹性体实现垂直导通：采用弹性互连体和过孔柱体实现垂直互连。首先基板上用激光刻出空洞，过孔柱体就埋入该空洞中。整个模块如图25 所示。该技术由柏林技术大学的微电子辅助技术研究中心开发。图25 采用弹性体实现垂直导通（3）各向异性导电材料的垂直互连：各向异性导电材料的特性是在z 方向上导通，在平面方向上则没有导电性。

23、隔离条就采用各向异性导电材料制成，它的作用是实现垂直导通，也为丝焊和冷却管留下一定的空间。如图26 所示。美国AT&T 公司开发和应用了该技术设计运算速度为1GFLOP并行多处理器系统。图26 各向异性导电材料的垂直互连4）焊料球阵列的垂直互连：该技术是在基板的上下表面都用焊料球进行垂直互连。基板的上下表面对应的焊料球压在一起，从而实现垂直互连。如图27 所示。该技术被Motorola 公司申请了专利，但尚未进入实用化。图27 焊料球阵列的垂直互连5）硅基板内金属化通孔的垂直互连：这是在整块的硅基板上刻蚀出通孔，再进行金属化。在硅片通孔的两面形成形状各不相同的焊盘，通过压力实现垂直导通。硅基板内金属化通孔的垂直互连