多芯片组件的应用前景_上_

多芯片组件的应用前景(上)

王　毅

(西安微电子技术研究所　西安　710054)

摘要　介绍多芯片组件的突出优点和市场潜力,以在航天、计算机、通信、汽车电子系统等领域的应用实例展示MCM的广阔应用前景,进而证明其巨大的市场规模。

关键词　多芯片组件　市场　应用

FutureApplicationofMulti2chip2modules(PartI)Wang　Yi(Xi’anResearchInstituteofMicroelectronics,Xi’an710054)

ABSTRACT　Theexamplesofmulti2chip2modulesusedinthefieldssuchasspace,

computer,communi2

cation,vehicleelectronicsystemshowthatthereisalargepotentialmarket1

KEYWORDS　multi2chip2modules,market,application

1　前言

众所周知,80年代以来,电子封装技术

取得了世人注目的进展,相继出现了两颗新星——SMT(表面安装技术)与MCM(多芯片组件),两者相互促进,将传统电子封装技术推向更高的发展阶段——微电子封装技术(MPT)。目前,MCM的设计、制造、测试、封装等技术迅速推进,其应用领域不断扩大,正从以军事󰃗航天应用为主向各个产业渗透。2　MCM的优点

211　MCM与SMT、THP的比较

SMT比THP(穿孔式封装)要好得多,

件,优势不言而喻。表1列出使用CMOS和

Bi2CMOS电路的典型系统中的各种延迟时间。显然,由于封装技术的制约,系统的速度并没有同步提高。例如,在系统中使用封装的40MHz的VLSI,系统的工作速度只能达到80MHz。不缩短封装引起的延迟,不改善传输特性,系统不可能进一步高速化,MCM是解决这个问题的最佳选择,它的商业市场前途光明。

　　　　表1　典型系统中的各种延迟时间

年　份CMOS　　　内部门缓冲级封　装电路板合　计Bi2CMOS　　

内部门缓冲级封　装电路板合　计

1989200268801206681752204575515

1992140259771145931352024272451

1995125250951145841201843969412

ps

这是人们的共识。但SMT的主要缺点是难以适应更高密度、更高性能电子组件或系统对窄间距引线VLSI的严格要求。SMT适用于SMC和SMD,而MCM用的是未封装的VLSI裸芯片和埋入式片状或膜状无源元　　收稿日期:

1997207221

・10・ElectronComponMater　　　　　　　　Vol116　No15

212　MCM与一般HIC的比较

　　表2是MCM与SMT式及THP式

PCB的比较。MCM的优点突出,其他技术难以替代,具有广阔的市场和技术潜力。

表3是MCM与PCB、LSI的比较。显然,MCM应用领域的拓宽有其必然性。

表2　MCM与SMT、THP式组件的比较(芯片数相同)优　点与SMT式PCB对比与THP式PCB对比尺寸缩小到1󰃗41󰃗10重量减小到1󰃗31󰃗6延迟时间缩短1󰃗22󰃗3结温降低20℃20℃可靠性提高5倍4倍

表3　PCB、MCM、LSI技术的比较

类　别修复性线宽󰃗间距Λm焊点󰃗通孔Λm基　板PCBMCM2CMCM2DLSI现在多数人公认MCM是更高级的混合

集成电路(HIC),但是两者并不完全等同,主要区别是MCM的基板必须是多层布线高密度互连结构,基板上的主体器件是VLSI裸芯片,还可以与光电、微波、敏感、功率及其他元器件安装在一起,组成功能复杂的部件、子系统和系统;而HIC的基板多为单层和交叉布线,基板上的主体是无源元件,半导体IC的数量不多,规模不大,可以是裸芯片,也可以是已封装的器件,HIC的功能单一。可以认为MCM是混合集成技术的延伸和发展,能将HIC推向组件化、系统化,进一步开拓应用市场。3　MCM的市场潜力易易难非常难

75～200󰃗75～125󰃗10～50󰃗0135～21󰃗225～600225～37530～150015～6

125

75～12520～75015～5

陶瓷,FR24等

Cu

陶瓷Cu,Au,W,Mo,Pd2Ag

Si,Al2O3

Si,GaAs,

AlN,蓝宝石SiC,金属Cu,Al,Au,W,Ni2Ti

Al,W,

金属化

多晶硅

SiO2,Si3N4

作为产品,MCM已有20多年的历史,主要应用在军用电子装备和航空󰃗航天电子系统中,还没有作为商品大量进入市场。最近几年来,MCM的材料和工艺技术获得重大突破,设计环境优化,测试困难缓解,开始走出困境,在商品市场初露芙蓉。表4列出各种MCM技术及其应用领域。可以看出,其应用几乎覆盖了所有领域。

MCM2CAl2O3,AlN

MCM2D

介　质最大尺寸mm

环氧,PI

600×575

40

陶瓷,

玻璃陶瓷

300×300

80

聚酰亚胺

BCB,SiO2

<200

11

<200

-

层数

表4　各种MCM技术的比较

类　别基　板介　质焊　接

MCM2LFR24

陶瓷,Si,金刚石,金属聚酰亚胺,BCB,PPQ

FC

纤维󰃗环氧组合物

WB(引线键合)FC(倒装焊)

SMD

共烧陶瓷,聚合物

WB

TAB(载带自动键合)

SMD

图形尺寸󰃗Λm应用领域(工作频率)

(基板:100mm×100mm　　10层布线)　　　

　PCB图形

　　　线宽:100～200　　　间距:100～125　　　布线层:2～10

(<2GHz)

1

　厚膜图形

　　　线　宽:50～125　　　间　距:75～600　　　布线层:2～100

(<4GHz)115～2

　薄膜图形

　　　线　宽:10～75　　　间　距:25～150　　　布线层:2～10

(<12GHz)2～3(陶瓷板)

7～10(硅基板)

低端(1)中端(2)高端(3)

成本比

注:1)高端:军事󰃗航天电子装备、超级计算机领域;2)中端:通信、工作站、医疗电子设备领域;3)低端:汽车、

个人计算机、家电领域。

　　表5是1994～1998年MCM在一些领域的应用实况及预测,显然,军事󰃗航天、通

1997年10月　　　　　　　　　　电子元件与材料・11・

信和计算机是MCM的三大用户,这与传统在电子信息产业、汽车和消费类电子产品中

的应用将会普及。HIC的主要市场基本上是相同的。可以预

测,随着创新设计技术和低成本技术的突破,　　根据美国的商业通信公司的调查,1993　　　　　　　　　　　　表5　1994～1998年MCM的应用实况及预测%

年　份

军事󰃗航天

远距离通信

计算机

汽车󰃗消费业

工业󰃗仪器

其他

1994

19951996199719982611261326132612261121152112201920182016251125112512251425169181010101210141015919918917917916716716717715716年,全世界的MCM产量为120万个,市场规模为6135亿美元;1998年,预计产量可达115亿个,产值16亿美元,年均增长率在20%左右。自产自用和上市销售的比例将从1992年的72∶28变为各占半壁江山。

这是美国国防先进研究计划局(DARPA)资助的开发项目,旨在用MCM技术提高性能、缩小体积、便于使用和维修,合同号为NRaDN660012892C20104。目前已发表3种机型:11692、11693、11752。它们的特点是要在一个MCM中同时处理模拟信号和数字信号,输入端的RF信号为157570nV,数字处理能力为40MHz、5V,MHz、

总之,从技术优势、产品优势到市场优势,都说明MCM的市场潜力是巨大的,应用前景是光明的。4　应用实例

411　GPSMCM接收机41111　GPS接收机概况

GPS(globalpositioningsystem)是由美

因而要采用良好的隔离技术、合适的布局和地线结构。

41113　GPSMCM接收机的制造技术

基板:采用MCM2L,优点是与PCB类似,工艺成熟,易于设计,返工方便,成本较低,生产周期短。基板尺寸为34180mm×36130mm,8层布线,总厚度为0189mm。

国政府出资为其海陆空三军建立的24h覆

盖全球的3维导航系统——全球定位系统。1973年12月启动,1981年全面实施和开发

应用,在海湾战争中扬名,1993年6月24颗卫星全部定座,正式投入使用。它有军󰃗民两用功能,现已渗透到社会和经济的各个领域,其影响与日俱增,不可估量。

它GPS接收机是每个GPS用户必备的。能至少接收来自4个卫星的信号,中心频率为1157542GHz,最小信强为负130dBm或大约70nV(508)。接收机通过天线接收来自卫星的原始信号,将信号送入模󰃗数转换器之前进行降频和放大。数字化后,进行数字信号处理,从中提取必要数据并确定位置坐标。一旦确定,即通过串行出口将位置输出到任一主系统。

41112　GPSMCM接收机

介质:选用聚酰亚胺,厚度为94Λm,通

孔长宽比为6∶1。

元器件:10个VLSI(9个裸芯片,1个SMT型),2个晶体管裸芯片,2个二极管裸芯片,19个电阻裸片,10个电感(0803和1210片式封装),50个电容(1412片式封

装),1个晶体滤波器和1个陶瓷滤波器,1个RF同轴连接器。

封装:采用双面封装,主要引线键合元器件放在一面,SMT型元件放在另一面,共有54个引脚,内引线用铝丝楔焊。接收机的外形尺寸为3513mm×3613mm×919mm。41114　GPS接收机的市场

谁想使用GPS,谁就要有GPS接收机,军用自不必说,民用包括航空、航海、交通

・12・ElectronComponMater　　　　　　　　Vol116　No15

41213　制造技术

(1)电路　采用1ΛmSi双极工艺制造

运输、港口管理、机场着陆、车辆调度、位

置报告、旅游服务、大地测量、航空摄影等等。最近几年,我国也悄然出现GPS应用热,从80年代初开始引进GPS接收机,仅双频GPS测量接收机的引进量已超过600台,成为世界上GPS接收机的应用大户。毫无疑问,GPS接收机的市场潜力非常大。412　320Gb󰃗sMCMATM开关系统41211　概况

宽带集成服务数字网络(B2ISDN)是一种多用途的高速数字通信系统,可用于数据处理、视频、高清淅度TV、电视会议、多媒体通信等,市场需求量很大。这种网络必须高速ATM(异步传输方式)开关系统才能如虎添翼。用标准PCB和已封装VLSI电路,将ATM的速度限制在150Mb󰃗s,大大限制了B2ISDN的应用。日本NTT公司用MCM技术开发了新的ATM开关系统,旨在扩大B2ISDN的用途。41212　结构

它由3部分组成:接口块、路由选定块、

路由选定块由MCMATM组成,采CPU块。

用4级封装技术:VLSI、MCM、子板、电源框架。1个MCM中有4个VLSI电路,1个子板上有4个MCM,形成2×2ATM交叉矩阵,开关能力为80Gb󰃗s。共有64个MCM,由特性阻抗为508的98路柔性印刷电路连接器(FPC)连接。外加高性能热管空气冷却系统。

表6　VLSI芯片的主要特性

结　构开关能力工作速度I󰃗O

1×1交叉点开关

高速ATM开关器件,表6给出其主要特性。

(2)基板　采用氧化铝陶瓷、铜导体,聚酰亚胺介质,共有19层,其中4个信号层,15个电源层。

(3)用TAB技术实现芯片互连,基板上

2

有240个电阻,每个电阻的尺寸为200Λm,精度为508±10%,信号线的条宽为25Λm,厚度为10Λ共有256m,特性阻抗为50±58。

个SiECLVLSI和32个用018ΛmBi2CMOS技术制造的单元缓冲器。接口和控制电路采用双极技术,存储器采用CMOS技术。

(待续)

王　毅　1962年大学本科毕业,曾在国防部十院十三所和十四院二十四所、航天部六九一厂工作,工程师、副译审,中

国电子学会和翻译协会会员,曾任厂科技委委员、《固体工艺》编辑、

《延河集成电路》主编。现任《半导体行业》编委。编著《航天电子元器件手册第六分册》,译著《计算机汇编语言导论》、《彩色电视基础教程》、《彩色电视修理》。在公开期刊和学术会议上发表24篇论文,其中获奖优秀论文6篇。发表百篇以上俄、英、日文资料的译文。曾承担国家重点引进项目的俄文和日文资料翻译,完成两项部级情报研究课题。

(编辑:廖品善)

功　耗7W

超过20Gb󰃗s

900Mb󰃗s

电源电压-415V和-2V内部门数

4000门

与ECL100K匹配芯片尺寸715mm×9156mm