微組裝技術簡述

張經國1404一.微組裝技術內涵及其與電子組裝技術的關系1.內涵——微組裝技術（micropackgingtechnology）是微電子組裝技術（microelectronicpackgingtechnology)的簡稱，是新一代高級的電子組裝技術。它是通過微焊互連和微封裝工藝技術，將高集成度的IC器件及其他元器件組裝在高密度多層基板上，構成高密度、高可靠、高性能、多功能的立體結構微電子產品的綜合性高技術，是一種高級的混合微電子技術。2.微組裝技術與電子組裝技術的關系微電子組裝技術是電子組裝技術最新發展的產物，是新一代高級（先進）的電子組裝技術，屬第五代電子組裝技術（從80年代至今）。與傳統的電子組裝技術比較，其特點是在“微”字上。“微”字有兩個含義：一是微型化，二是針對微電子領域。二。微組裝技術對整機發展的作用微組裝技術是充分發揮高集成度、高速單片IC性能，實現小型、輕量、多功能、高可靠電子系統系統集成的重要技術途徑。

三。微組裝技術的層次和關鍵技術.1.微組裝技術的層次——整機系統的微組裝層次大致可分為三個層次：1）1級（芯片級）——系指通過陶瓷載體、TAB和倒裝焊結構方式對單芯片進行封裝。2）2級（組件級）——系指在各種多層基板上組裝各種裸芯片、載體IC器件、倒裝焊器件以及其他微型元器件，并加以適當的封裝和散熱器，構成微電子組件（如MCM）。3）3級（印制電路板級）——系指在大面積的多層印制電路板上組裝多芯片組件和其他的微電子組件、單芯片封裝器件，以及其他功能元器件，構成大型電子部件或整機系統。2.關鍵技術——以下為不同微組裝層次的主要關鍵技術：1）芯片級的主要關鍵技術——凸點形成技術和植球技術，KGD技術，TAB技術，細間距絲鍵合技術，細間距引出封裝的工藝技術

2）組件級的主要關鍵技術——多層布線基板設計、工藝、材料及檢測技術，倒裝芯片焊接、檢測和清洗技術，細間距絲鍵合技術，芯片互連可靠性評估和檢測技術，高導熱封裝的設計、工藝、材料和密封技術，其他片式元器件的集成技術。3）印制板級的主要關鍵技術——電路分割設計技術，大面積多層印制電路板的設計、工藝、材料、檢測技術以及結構設計、工藝技術以及組件與母板的互連技術。四。多芯片組件（MCM）的技術內涵、優點及類型1.技術內涵——MCM是multichipmodule英文的縮寫，通常譯為多芯片組件（也有譯為多芯片模塊）。MCM技術屬于混合微電子技術的范疇，是混合微電子技術向高級階段發展的集中體現，是一種典型的高級混合集成電路技術。關于MCM的定義，國際上有多種說法。就本人的觀點而言，定性的來說MCM應具備以下三個條件：（1）具有高密度多層布線基板；（2）內裝兩塊以上的裸芯片IC（一般為大規模集成電路）；（3）組裝在同一個封裝內。也就是說，MCM是一種在高密度多層布線基板上組裝有2塊以上裸芯片IC（一般為LSI）以及其它微型元器件，并封裝在同一外殼內的高密度微電子組件。2.優點——MCM技術有以下主要優點。1）使電路組裝更加高密度化，進一步實現整機的小型化和輕量化。與同樣功能的SMT組裝電路相比，通常MCM的重量可減輕80%~90%，其尺寸減小70~80%。在軍事應用領域，MCM的小型化和輕量化效果更為明顯，采用MCM技術可使導彈體積縮小90%以上，重量可減輕80%以上。衛星微波通信系統中采用MCM技術制作的T/R組件，其體積僅為原來的1/10~1/20。

2)進一步提高性能，實現高速化。與通常SMT組裝電路相比，MCM的信號傳輸速度一般可提高4~6倍。NEC公司在1979~1989年期間研究MCM在大型計算機中的應用，從采用一般的厚膜多層布線到使用高級的多芯片組件—混合多芯片組件，其系統的運算速度提高了37倍，達220億次/秒。采用MCM技術，有效的減小了高速VLSI之間的互連距離、互連電容、電阻和電感，從而使信號傳輸延遲大大減少。3)提高高可可靠靠性性。。統統計計表表明明，，電電子子整整機機的的失失效效大大約約90%是由由封封裝裝和和互互連連引引起起的的。。MCM與SMT組裝裝電電路路相相比比，，其其單單位位面面積積內內的的焊焊點點減減少少了了95%以上上，，單單位位面面積積內內的的I/O數減減少少84%以上上，，單單位位面面積積的的接接口口減減少少75%以上上，，且且大大大大改改善善了了散散熱熱，，降降低低了了結結溫溫，，使使熱熱應應力力和和過過載載應應力力大大大大降降低低，，從從而而提提高高可可靠靠性性可可達達5倍以以上上。4)易于于實實現現多多功功能能。。MCM可將將模模擬擬電電路路、、數數字字電電路路、、光光電電器器件件、、微微波波器器件件、、傳傳感感器器以以及及其其片片式式元元器器件件等等多多種種功功能能的的元元器器件件組組裝裝在在一一起起，，通通過過高高密密度度互互連連構構成成具具有有多多種種功功能能微微電電子子部部件件、、子子系系統統或或系系統統。。HughesReserchlaboratory采用用三三維維多多芯芯片片組組件件技技術術開開發發的的計計算算機機系系統統就就是是MCM實現現系系統統級級組組件件的的典典型型實實例例。。3.類類型型和和特特點點————通常常可可按按MCM所所用用高高密密度度多多層層布布線線基基板板的的結結構構和和工工藝藝，，將將MCM分分為為以以下下幾幾個個類類型型。。1)疊疊層層型型MCM（（MCM-L，，其其中中L為為““疊疊層層””的的英英文文詞詞““Laminate””的的第第一一個個字字母母））也也稱稱為為L型型多多芯芯片片組組件件，，系系采采用用高高密密度度多多層層印印制制電電路路板板構構成成的的多多芯芯片片組組件件，，其其特特點點是是生生產產成成本本低低，，制制造造工工藝藝較較為為成成熟熟，，但但布布線線密密度度不不夠夠高高，，其其組組裝裝效效率率和和性性能能較較低低，，主主要要應應用用于于30MHz和和100個個焊焊點點/英英寸寸2以下下的的產產品品以以及及應應用用環環境境不不太太嚴嚴酷酷的的消消費費類類電電子子產產品品和和個個人人計計算算機機等等民民用用領領域域。。2)厚膜膜陶陶瓷瓷型型MCM（MCM-C，其其中中C是“陶瓷瓷”的英英文文名名Ceramic的第第一一個個字字母母）），，系系采采用用高高密密度度厚厚膜膜多多層層布布線線基基板板或或高高密密度度共共燒燒陶陶瓷瓷多多層層基基板板構構成成的的多多芯芯片片組組件件。。其其主主要要特特點點是是布布線線密密度度較較高高，，制制造造成成本本適適中中，，能能耐耐受受較較惡惡劣劣的的使使用用環環境境，，其其可可靠靠性性較較高高，，特特別別是是采采用用低低溫溫共共燒燒陶陶瓷瓷多多層層基基板板構構成成的的MCM-C，還還易易于于在在多多層層基基板板中中埋埋置置元元器器件件，，進進一一步步縮縮小小體體積積，，構構成成多多功功能能微微電電子子組組件件。。MCM-C主要要應應用用于于30~50MHz的高高可可靠靠中中高高檔檔產產品品。。包包括括汽汽車車電電子子及及中中高高檔檔計計算算機機和和數數字字通通信信領領域域。。3)淀淀積積型型MCM（（MCM-D，，其其中中D是是““淀淀積積””的的英英文文名名Deposition的的第第一一個個字字母母）），，系系采采用用高高密密度度薄薄膜膜多多層層布布線線基基板板構構成成的的多多芯芯片片組組件件。。其其主主要要特特點點是是布布線線密密度度和和組組裝裝效效率率高高，，具具有有良良好好的的傳傳輸輸特特性性、、頻頻率率特特性性和和穩穩定定性性.4)混混合合型型MCM-H（（MCM-C/D和和MCM-L/D，，其其中中英英文文字字母母C、、D、、L的的含含義義與與上上述述相相同同）），，系系采采用用高高密密度度混混合合型型多多層層基基板板構構成成的的多多芯芯片片組組件件。。這這是是一一種種高高級級類類型型的的多多芯芯片片組組件件，，具具有有最最佳佳的的性性能能/價價格格比比、、組組裝裝密密度度高高、、噪噪聲聲和和布布線線延延遲遲均均比比其其它它類類型型MCM小小等等特特點點。。這這是是由由于于混混合合多多層層基基板板結結合合了了不不同同的的多多層層基基板板工工藝藝技技術術，，發發揮揮了了各各自自長長處處的的緣緣故故。。特特別別適適用用于于巨巨型型、、高高速速計計算算機機系系統統、、高高速速數數字字通通信信系系統統、、高高速速信信號號處處理理系系統統以以及及筆筆記記本本型型計計算算機機子子系系統統。。五。。組組件件與與母母板板（（PCB））的的電電連連接接1.要要求求1））電電氣氣要要求求◆信信號號互互連連◆電電源源／／接接地地互互連連2））散散熱熱能能力力3））機機械械能能力力4））I／／O要要求求2.連連接接的的主主要要類類型型1））ZIF插插拔拔針針連連接接（（見見下下圖圖A））2））彈彈簧簧連連接接（（見見下下圖圖B））3））插插桿桿固固緊緊連連接接（（見見下下圖圖C））4））柔柔性性電電路路ZIP互互連連圖A。。ZIF插插拔拔針針連連接接圖B。。彈簧簧連連接接圖C。。插插桿桿固固緊緊連連接接六。。三三維維多多芯芯片片組組件件（（3D-MCM)技技術術定定義義、、優優點點和和類類型型1.定定義義———系指指半半導導體體芯芯片片在在X、、Y、、Z三三個個方方向向都都實實現現了了高高密度度組組裝裝的的多多芯芯片片組組件件技技術術（（也也稱稱MCM-V)。。2.優優點點———可實實現現更更高高組組裝裝密密度度（（組組裝裝密密度度可可達達200%，，而而2D-MCM的的最最高高組組裝裝效效率率為為90%））、、體體積積更更小小、、重量量更更輕輕、、功功能能更更多多、、性性能能更更優優。。甚甚至至可可實實現現一一個組組件件即即是是一一個個整整機機系系統統。。3.類類型型———主要要有有以以下下兩兩種種類類型型：：1））2D-MCM疊疊片片組組裝裝2））芯芯片片疊疊層層組組裝裝（（通通過過絲絲鍵鍵合合或或凸凸點點、、TAB等等））七。。厚厚膜膜混混合合電電路路定定義義及及其其應應用用特特點點1.定定義義———厚膜膜混混合合集集成成電電路路(簡簡稱稱厚厚膜膜混混合合電電路路或厚厚膜膜電電路路),是是通通過過厚厚膜膜漿漿料料(pasteorink)絲網印刷和燒燒結技術,在在陶瓷基板或或其它高導熱基板上形形成厚膜布線線、焊區和厚厚膜電阻,從而制成厚膜膜電路成膜基基板,再采用用表面組裝技術(SMT)和鍵合合技術,組裝裝半導體芯片片和其它片式元件件,構成具有有一定功能的的微電路.2.應用特點點厚膜電路具有有功率密度高高、承載電流流大、電壓高高、高頻特性性好、體積小小、可靠性和和穩定性高、、設計靈活、、易于實現多多功能微電路路等特點,特特別適宜制作作小型高可靠靠的功率電路路(包括DC/DC變換器、DC/AC變換器、AC/DC變換器、交流流電源、驅動動器、功率放放大器、電壓壓調節器等)以及高密度度高可靠的多多功能微電路路,廣泛用于于航天、航空空、船舶、兵兵器、雷達、、電子對抗、、通信、汽車車、計算機等等領域的制導導、遙測、動動力、引信、、控制、慣導導和信號處理理等電子系統統。NASA采用用厚膜混合集集成技術研制制了導彈制導導計算機的運運算組件。其其中采用了2.88in見方的厚膜膜多層布線基基板，組裝了了5個大規模模半導體集成成電路芯片，，12個中規規模半導體集集成電路芯片片（TTL）），6個片式式電容和6個個片式電阻，，629根鍵鍵合互連絲。。采用厚膜集成成技術制作厚厚膜混合集成成DC∕DC變換器是是厚膜混合電電路的一大類類產品。其產產品功率范圍圍達1W~120W，，電流最大20A，輸輸出路數從單單路到三路，，開關頻率300kHz~550kHz,國內120WDC∕DC變換器產產品的功率密密度達78W∕in3，輸出電壓15V，輸輸出電流8A，效率85%，，紋波＜100mV。。電性能能與INTERPOINT同類產品品相同，功率率密度高于INTERPOINT同同類產品(后后者為66.3W∕in3）。還可制作作高壓輸出（（160V~900V））的厚膜混合合集成DC∕DC變換器.采用厚膜混合合電路工藝制制作DC∕DC電源的優優點——1）減小產品品體積和重量量與常規PCB板組裝電源源同比，重量量可減少30%~60%，體積可減小25%~70%，2）提高功率率密度（25%~70%）3）提高微組組裝密度達30~40個個元器件∕平平方厘米4）擴展工作作溫度范圍（（-55℃~125℃））5）提高可靠靠性和頻率。。例如,100W的DC∕DC電源源功率密度和和重量比較：：功率密度（W∕in3)重重量(g)PCB板電路路37160厚膜HIC6278厚膜混合集成成濾波器包括括兩類：電源源濾波器（無無源）和信號號濾波器（有有源）。前者者也稱EMI濾波器，與與DC/DC電源配套使使用，輸入16V~40V，輸出電電流最大15A，插入損損耗40db（500kHz時）；；后者是使有有用頻率信號號通過，抑制制或衰減無用用頻率信號，，按其功能要要求不同有多多種。采用集集成運放+RC組成的厚厚膜混合集成成可編程濾波波器即是信號號濾波器的一一種。厚膜混合集成成交流電源包包括：單相400HZ和16kHZ交流電源，500HZ交流電源，500HZ馬達交流電源源，8kHZ交流電源等等。厚膜混合集成成驅動器包括括各種馬達伺伺服電路，其其中有：直流流電機伺服電電路，步進馬馬達驅動電路路，大功率馬馬達驅動器，，永磁馬達驅驅動電路，脈脈寬調制功放放電路，調寬寬功率放大器器等。八。薄膜混合電路定定義及其應用用特點1.定義——采用物理汽相相淀積（PVD，蒸發、濺射和離子鍍等））或化學汽相相淀積（CVD）工藝以及濕刻（光光刻）或干刻刻（等離子刻刻蝕等）圖形形成技術術，在基板上上形成薄膜元元件和布線，然后組裝裝微型元器件件（多為芯片片和片式元器件）構成成具有一定功功能的微電路路。區分是“薄膜膜”還是“厚厚膜”，主要要按工藝技術術分，而非主主要按其膜厚厚度（雖然厚厚度有區別，，GJB548中提到，薄膜膜厚度通常小小于5微米））2.應用特點點薄膜電路具有有：精度高、穩定定性好、高頻頻特性好、組組裝密度高、、信號傳輸速速度快等特點點，其應用主主要在三個方方面：1）高精度轉轉換電路，如如高位數（12~18位位）數／模、模／數轉換電路，，軸角數字轉轉換電路，f／V和V／／f轉換器等等（利用精度度高，穩定性性好的特點）。。2)高頻和和微波電路（（利用高頻特特性好的特點點），薄膜集總參數數微波混合集集成電路應用用頻率可高達15~30GC，若與與分布參數電電路結合，可可用于60GC。3）信號和數數據處理電路路（利用線條條細、布線密密度高、信號傳輸速度度快的特點））。通信領域應用用的微波電路路中，薄膜混混合電路約占占80%。F-111型型殲擊機的攻攻擊雷達中，，高頻部分采采用了薄膜混混合電路，中中頻采用了厚厚膜電路，使使得整機與原原分立元件電電路相比，體體積減小了75%，重量量減輕了63%，可靠性性提高了3.5倍。F-22戰斗機機的機載雷達達數據處理系系統采用了薄薄膜技術制成成的MCM-D（休斯公公司），使機機載雷達重量量減輕了96%，體積減減小了93%。八十年代代美國微波網網絡公司采用用薄膜混合電電路技術首次次研制成功18位混合集集成D／A轉轉換器，線性性精度達0.008%，，是當時世界界上精度最高高的D／A轉轉換器。九。共燒陶瓷瓷多層基板的的類型及應用用特點1.類型———1）高溫共共燒陶瓷多層層基板（HTCC）2）低溫共燒燒陶瓷多層基基板（LTCC）國際上對其共共燒陶瓷多層層基板類型的的劃分原則是是按其陶瓷多多層基板的共共燒溫度是在在1000℃以上或以下下來分，共燒溫度是在在1000℃以上者稱高溫共燒陶瓷瓷多層基板，，共燒溫度是是在1000℃以下者稱低低溫共燒陶瓷多多層基板。所所謂共燒溫度度系指陶瓷基基板材料和布布線導體漿料料同時完成燒燒結的溫度。。*厚膜混合電電路與LTCC的主要區區別——前者者分層印燒，，后者共燒。。LTCC的主主要優點———1）易實現更更多布線層數數，實現高密密度組裝2）易實現內內埋元件,實實現多功能。。3）高頻特性性和高速傳輸輸特性好4）燒結前可可進行質量檢檢查5）可實現空空腔結構，易易于實現多功功能和微波MCM）6）可與薄膜膜多層布線兼兼容，實現混混合多層。7）可與封裝裝實現一體化化。2.應用特點點LTCC主要用于高頻頻和微波電路路以及信號和和數據處理電電路，而HTCC則更適適用于功率MCM。美國IBM公公司和日本NEC公司采采用共燒陶瓷瓷多層技術，，于1979~1990年研制了四四代超級計算算機，其MCM類型從從MCM-C發展到MCM-C／DIBM公司的的超級計算機機MCM-C／D采用23層布布線LTCC，2