三維多芯片組件的定義及其應用

一、前言

---- 三維多芯片組件（簡稱3D-MCM）是在二維多芯片組件（即2D-MCM,通常指的MCM均系二維）技術基礎上發展起來的高級多芯片組件技術。二者的區別在于：3D-MCM是通過采用三維（x, y, z方向）結構形式對IC芯片進行立體結構的三維集成技術,而2D-MCM則是在二維(x, y方向)對IC芯片集成,即采用二維結構形式對IC芯片進行高密度組裝,是IC芯片的二維集成技術。三維多芯片組件技術是現代微組裝技術發展的重要方向,是微電子技術領域跨世紀的一項關鍵技術。由于宇航、衛星、計算機及通信等軍事和民用領域對提高組裝密度、減輕重量、減小體積、高性能和高可靠性等方面的迫切需求,加之3D-MCM在滿足上述要求方面具有的獨特優點,因此該項新技術近年來在國外得到迅速發展。

----二、3D-MCM的發展驅動力

---- ⑴ 電子系統（整機）對系統集成的迫切需求

---- 電子系統（整機）向小型化、高性能化、多功能化、高可靠和低成本發展已成為目前的主要趨勢,從而對系統集成的要求也越來越迫切。實現系統集成的技術途徑主要有兩個：一是半導體單片集成技術,二是采用MCM技術。前者是通過晶片規模的集成技術（WSI）,將高性能數字集成電路（含存儲器、微處理器、圖象和信號處理器等）和模擬集成電路（含各種放大器、變換器等）集成為單片集成系統。后者是通過三維多芯片組件（3D-MCM或MCM-V）技術實現WSI的功能。 實現單片系統集成的關鍵在于細線和大晶片工藝技術、單片系統集成的設計和多層布線、微機械加工以及各種工藝的兼容技術。0.25 ～0.3μm的大晶片IC生產線于1998年在SAMSUNG、NEC、IBM三家公司首先誕生,這標志著單片系統集成時代的來臨。美國Bell實驗室利用電子束加工技術使IC線寬降至0.08μm。***也成功地開發出0.25μm技術,可使隨機存儲器的容量提高到256M。單片系統集成技術已有較大進展,但是由于工藝難度及成本價格等原因,該技術一直未在產品生產中得以廣泛應用。據分析,可能在相當一段時間內,實現系統集成的主要技術途徑仍將是3D-MCM技術。這對于半導體集成電路工業還不甚發達的我國尤其如此。

---- ⑵ 二維組裝密度（組裝效率）的限制

---- 現代微組裝技術的發展已到了接近二維組裝所能達到的理論上最大的組裝密度,目前2D-MCM的組裝效率最高達85%, 而采用3D-MCM可實現更高的組裝密度（組裝效率）。

---- 3D-MCM的組裝效率則已可達200%以上。因此,為了進一步提高組裝密度,實現更小的體積和更多的功能,也必須從二微組裝向三維微組裝發展。

----三、3D-MCM的優點

---- 3D-MCM的優點可歸納為“五個減小”、“五個增大”,即：

----(1) 進一步減小了體積,減輕了重量。3D-MCM相當于2D-MCM而言,可使系統的體積縮小10倍以上,重量減輕6倍以上。

----(2) 減小信號傳輸延遲時間。由于VHSI的發展和應用,使得芯片之間互連線的長度已成為影響系統（整機）信號傳輸延遲的關鍵。3D-MCM中芯片之間的互連長度比2D-MCM短得多,因此可進一步減小信號傳輸延遲時間。

----(3) 減小信號噪聲。在數字信號系統中,主要有四種噪聲來源：反射噪聲、串擾噪聲、同步觸發噪聲和電磁干擾。這些噪聲與信號在互連線中傳輸時的上升時間相關,即與互連線長短相關,3D-MCM可通過進一步縮短互連線的長度來降低信號噪聲。

----(4) 減小功耗。電子系統中互連線功耗的表達式可寫為p=fCV2,其中f是信號頻率,V是互連線兩端的電壓差,C是互連線的寄生電容。由此看出,互連線的長度越短,寄生電容越小,功耗就越低。如前所述,3D-MCM相對于2D-MCM而言可進一步縮短互連線,因此也可降低功耗。

----(5) 進一步增大組裝效率。2D-MCM的組裝效率目前最高可達85%,從理論上來講,2D-MCM組裝效率要達到100%是不可能的,這是2D-MCM本身的結構限制所決定的。而3D-MCM的組裝效率目前已高達200% 。

----(6) 增大互連效率。所謂互連效率系指組件單位面積的互連點數。3D-MCM與2D-MCM及SMT技術單位連接點數相比較,每單位面積的連接點數比2D-MCM多1～3個數量級以上,比SMT技術多1～4個數量級以上。

----(7) 增大信號帶寬。互連帶寬,特別是存儲器帶寬往往是影響計算機和通信系統性能的重要因素。降低延遲時間和增大總線寬度是增大信號寬度的重要方法。3D-MCM正好具有實現此特性的突出優點。

----(8) 增加信號傳輸（處理）速度。如前所述,3D-MCM可大大減小信號傳輸（處理）延遲時間,從而也就大大提高了信號傳輸速度。

----(9) 增加功能。由于3D-MCM比2D-MCM具有更高的組裝效率和電互連效率,因此可集成更多的功能,實現多功能的部件以至系統（整機）。

---- (10) 進一步提高可靠性。由于3D-MCM內部單位面積的互連點數大大增加,具有更高的集成度。使其整機（或系統）的外部連接點數和插板都大大減小,因此可靠性得到進一步提高。

----四、3D-MCM應用實例

-------- 1、大容量存儲器組件

---- 采用多芯片組件技術制作高性能大容量的存儲器組件是MCM技術的重要應用領域之一。高速成像系統發展的需求,進一步推動了存儲器多芯片組件從二維（2D） 技術向三維（3D）技術發展。目前的成像系統,其像素已多達9×10 像素/幀,這就需要采用100幀/秒以上的數據存儲。若將此數據存儲轉換為數據存儲帶寬,則需要達Gbit/s的存儲容量,這已遠超出了目前一般的Mbit/s的存儲容量。而采用三維MCM技術實現大容量的存儲器組件則不失為一個良好的解決途徑。

---- 三維存儲器組件多采用兩種3D-MCM結構形式：一是2D-MCM疊層型3D-MCM,另一是IC芯片疊層型3D-MCM。

---- 圖1示出了一種采用二維MCM硅技術實現的三維存儲器MCM結構。該3D-MCM的單元結構是二維硅基MCM,其結構如圖2所示。它的基本材料是用作接地平面的高導電率硅基板以及銅/聚酰亞胺多層布線材料。其中共有四層布線：電源層,X,Y信號線層以及用于芯片倒裝焊和絲焊互連的頂層焊區。在兩電源層之間還設置了一個集成的去耦電容器,典型值為60nf/cm2。

---- 采用該三維多芯片組件技術研制了1Gbit的大容量存儲器組件,其中包括采用焊料凸點倒裝芯片互連的64×16Mbit動態隨機存儲器（DRAM）芯片。3D-MCM的體積為13cm3(38mm×43mm×8mm),由于最高溫度低于80℃,其存儲容量密度高達1.2Gbit/in3。

---- 通用電氣（GE）公司采用埋置芯片的高密度薄膜多層互連工藝（2D）HDI制作2D高密度組件,然后疊裝互連,構成幾種高大容量3D-MCM。1992年推出的SPERF3D,它包含4個2D HDI基板,每個基板上組裝了20個8K×8bit 靜態隨機存儲器（SRAM）芯片,17個去耦電容,7個鎖存器和1個譯碼器芯片。1993年該公司又推出了3D大容量宇航存儲器多芯片組件（HCSM－1）,用于航天平臺系統。該3DMCM包含4個2D HDI存儲器多層基板,每個基板上裝有20個1M bit SRAM、12個邏輯IC芯片、5個電阻和8個電容。3DMCM的體積為2.2×2.2×0.30in3,內含80個SRAM IC芯片和160個元件。1993年該公司還推出了DRAM 3D HDI多芯片組件,內含20個DRAM,采用了三塊多層布線基板疊裝。這些3D MCM都通過了初步的可靠性實驗,包括熱沖擊實驗（100次,從液氮溫度到125℃）、溫度循環實驗（300次、－65℃～150℃）以及85℃的熱水浸泡22小時,組件均正常。

---- 九十年代中期,美國nchip公司用IC芯片疊層技術和薄膜多層布線還研制了IC芯片疊層型三維存儲器多芯片組件,采用疊層式結構后,即可把基板面積縮小為原來的一半。該組件通過了50次液氮—常溫的熱沖擊實驗和500次－65℃～150℃的液－液熱沖擊實驗,均未出現失效。

---- 同期日本NEC公司采用凸點倒裝焊垂直互連技術研制了IC芯片疊層型16 Mbit DRAM 3D-MCM。其費用遠比單片封裝的16DRAM低。該工藝還可進一步擴展到64Mb和256Mb DRAM的3D- MCM制作。

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---- ２、計算機系統

---- 計算機系統是3D-MCM進一步充分發揮優越性的應用領域。其中最典型的實例是Hughes Research Laboratory開發的3D MCM計算機系統（如圖3所示）。其基板是帶有聚酰亞胺／銅多層布線的AlN基板,工藝與HDI（高密度薄膜多層互連）工藝類似。

----為了進一步改善3D MCM的散熱性、提高可靠性,Honeywell公司采用AlN多層基技術研制了宇宙飛船計算機用三維處理器組件和存儲器多芯片組件。該三維結構的上部組件是兩個雙面組裝的存儲器組件,每面內含8個8K×8SRAM,一個線性驅動器IC以及一個備用的SRAM,構成64K×8存儲器。若選用32K×8 SRAM 芯片進行組裝,則基板每面的存儲量可達256K×8。3D-MCM的下部是一個單面組裝的處理組件,內含5片1750A芯片。 1994年美國Texas Instrument公司采用二維MCM-D技術和倒裝焊垂直互連技術,研制生產了Aladdin并行處理器3D-MCM,再將5個相同單元的3D-MCM并行處理器（最多可達10個）進行疊裝,構成整個微型化的并行處理器,其運算速度為400MIPS和1600MFLOPS,重量僅1.55公斤,體積786cm3（直徑11.4cm,高7.7cm）。它和克雷（Cray）X-MP型機相比,單位體積的MIPS（百萬條指令／秒）和MFLOPS（百萬次浮點運算／秒）分別是X-MP的35,100和10,800倍。為了實現這個技術突破,Texas公司綜合了亞微米BiCMOS常規集成電路設計,高級商用RISC微處理器,高密度的silicon-on-silicon多芯片封裝工藝,彈性互連體和3-D存儲器封裝這些技術成就。

---- 1995年德國西門子公司采用薄膜多層布線和凸點倒裝焊技術也研制出RISC處理器／高速緩沖存儲器系統3D-MCM。使其系統性能比二維MCM-D提高22%,體積減小94%。

----五、結論

----1、 3D-MCM是為適應軍事宇航、衛星、計算機、通信的迫切需求而近年來在國外得到迅速發展的高新技術,是實現系統集成的重要技術途徑;

----2、 3D-MCM是在減輕整機體積、重量、提高組裝密度、提高性能、提高可靠性等方面有許多優點;

----3、“九五”期間,我國在2D-MCM的研究方面取得了較大進展,突破了其中若干主要關鍵技術。“十五”期間,除了加強2D-MCM的實用化技術研究外,還需跟蹤國際微組裝技術發展,進一步開展3D-MCM的研究,以適應系統（整機）對系統集成的需求,尤其對于半導體單片集成電路技術不是很發達的我國,加速3D-MCM的研究和應用,以彌補其不足,具有更重要的現實意義和戰略意義。

通常所說的多芯片組件都是指二維的(2D-MCM)，它的所有元器件都布置在一個平面上，不過它的基板內互連線的布置已是三維。隨著微電子技術的進一步發展，芯片的集成度大幅度提高，對封裝的要求也更加嚴格，2D-MCM的缺點也逐漸暴露出來。目前，2D-MCM組裝效率最高可達85％，已接近二維組裝所能達到的最大理論極限，這已成為混合集成電路持續發展的障礙。為了改變這種狀況，三維的多芯生組件(3D-MCM)就應運而生了，其最高組裝密度可達200％。3D-MCM是指元器件除了在x-y平面上展開以外，還在垂直方向(z方向)上排列，與2D-MCM相比，3D-MCM具有以下的優越性：

①進一步減小了體積，減輕了重量。相對于2D-MCM而言，3D-MCM可使系統的體積縮小10倍以上，重量減輕6倍以上。

②3D-MCM中芯片之間的互連長度比2D-MCM短得多，因此可進一步減小信號傳輸延遲時間和信號噪聲，降低了功耗，信號傳輸(處理)速度增加。

③由于3D-MCM的組裝效率目前己高達200％，進一步增大了組裝效率和互連效率，因此可集成更多的功能，實現多功能的部件以至系統(整機)。

④互連帶寬，特別是存儲器帶寬往往是影響計算機和通信系統性能的重要因素。降低延遲時間和增大總線寬度是增大信號寬度的重要方法。3D-MCM正好具有實現此特性的突出優點。

⑤由于3D—MCM內部單位面積的互連點數大大增加，具有更高的集成度，使其整機(或系統)的外部連接點數和插板大大減小，因此可靠性得到進一步提高。

3D-MCM雖然具有以上所述的優點，但仍然有一些困難需要克服。和2D-MCM相比，3D-MCM的封裝密度增加了，必然導致單位基板面積上的發熱量增大，因此散熱是關鍵問題，一般采用以下方法：采用低熱阻材料，如金剛石或化學氣相淀積(CVD)金剛石薄膜；采用水冷或強制空冷；采用導熱粘膠或散熱通孔將熱量盡快散發出去。另外，作為一項新技術，3D-MCM還需進一步完善，需更新設備，開發新的軟件，還要承擔一定的風險。