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多芯片模块(MCM)技术详解(下)

  3.芯片与基板粘接
  在多芯片模块中,粘接芯片和基板的材料及组装工艺与混合电路中使用的大致上差不多。和混合电路一样,在90%以上的多芯片模块中使用低成本、易于返修的环氧树脂。焊料或共晶粘接法主要用于大功率电路或者必须达到宇航级要求的电路。
  ⒋微焊接互连技术
  将若干个IC裸芯片装在—个单体中叫做多芯片封装(MCP),这是第五代封装技术的核心,IC裸芯片的焊接(键合)包括芯片与芯片、芯片与基板上的焊盘或引脚的焊接(也叫互连),是MCM技术的第二突出的特点,军用MCM中IC裸芯片的数量愈来愈多,其焊接技术对布线长度、封装效率、产品性能及可靠性均有很大的影响。
  MCM中的焊接点主要起电或热连接和机械固定作用,除承受震动、冲击及环境温度变化造成的负载外,这  些接头一般不是典型的承载接头。但这种接头却是大量的(例如一个大规模IC中就有500-2000个压焊接头),一个接头的失效就会造成整个电子系统的失效,所以说,压焊接头的可靠性对于最终产品的对靠性起着决定性作用。
  传统的微电子焊接技术主要用线焊线(WB:Wire Bonding)、倒装片法(FC:Flip Chip)和载带焊法(TAB: Tape Automatic Bonding)。
  a.线焊法:
  线焊法包括金丝球焊、铜丝球焊和楔焊。铜丝球焊接技术是目前国际上正在进行开发研究的一种用于微电子器件芯片与内引线连接的新技术。与现行的金丝球焊及铝丝锲焊技术相比,不仅可以节省黄金、降低成本、便于焊接过程自动化,而且可以减缓脆性金属化合物的形成,提高键合强度,从而提高元器件的可靠性。
  球焊的极限间距一般不小于150μm。
  b.载带自动焊:
  在聚酰亚胺薄膜上粘接铜箔,在铜箔上制成内外导体图形,然后将其与芯片上凸点连接,再将已连接的器件从聚酰亚胺薄膜上切离,最后将伸出外侧的铜箔条与基板上图案相连接。载带自动焊而有利于批量生产。TAB焊接的焊点密度可达到500个/cm2,比线焊高5-10倍。
  c.倒装片焊接
  在多层基板电路布线上,制作出高精度焊盘,将IC芯片的精密度凸点与焊盘对准,加热钎料再流形成接头,间距可做到20um如下。
  这三种技术各有优缺点。
  除了以上三种传统的焊接工艺外,近来又涌现了一些值得进一步研究推广的新型焊接技术,主要有如下一些:
  ★芯片与芯片面对面焊接
  ★ BIP技术
  ★ 用各向异性导电层
  ★可测试带式焊接(Testable Ribbon Bonding)
  ★涂覆式批量互连
  5.封装
  封装有两种基本的方法,用有机或无机材料进行气密封装或不密封的封装。封装的类型和等级应该由模块的可靠性要求以及对该模块寿命的期望值决定。
  a.气密封装
  在气密封装中,首先将电路装入金届或陶瓷的空腔内,然后用缝焊、激光焊或低温焊接的方法将一个金属的盖子焊接在空腔上。也可以将陶瓷的盖子用低熔点的玻璃密封在陶瓷的空腔上。可使用质谱分析仪检测微量的氦漏泄率,以确定封装的气密件能。
  金属封装从IC和混合电路到多芯片模块,金属和陶瓷封装都被广泛应用至今。用含有玻璃金属成分密封的馈迥,如何伐封装被广泛地用于密封I/0数量较少的混合屯路。如果电路中的IC芯片密度较高,血积较大,则I/0数量就道多(有的超过500个),节距也更精细(4至6il)。在这种情况下,伦统的柯伐金属封装就不能保证模块在这样的I/0密度卜具有良好的可靠性。只有含有引脚的共烧陶瓷才可以满足MCB对气密性、结构完整性和I/0密度的要求。
  介引脚的陶瓷封装具有引脚紧密排列的陶瓷(主要是氧化铝)封装可以用HTCC或LTCC工艺制作。引脚框架可以位于封装的两边或者四周,它们与共烧的镀金属焊盘间用钢焊接。在多芯片模块中,LTCC封装正在受到越来越多的关注,因为它可以容易、快速地完成封装或者将封装和基板结合在一起。此外,LTCC还有许多优点,如它可以与低电阻率的金、银或铜导体共烧,共烧的温度相对较低,插入损耗较低(这对于射频微电路非常重要),CTE可以通过对配方的调节进行控制,从而可以与硅或砷化嫁器件匹配。
  b.非气密性的封装:板上芯片封装(COB)
  采用COB 工艺省去了一级封装体可以降低成本,又可以减少电子模块的重量和体积。超薄的电了计算器以及其它的存储器电路通过将芯片安装在基板的凹坑内,这样就可以进一步降低封装的厚度。
  在多芯片模块中使用COB封装,就一定要格外仔细地选用材料和工艺控制,这样才能提高成品率,避免不必要的返修的。
  工艺制造过程中的测试
  1.互连基板的电测试
  互连基板屯测试,包括对网络开路和短路的测试。传统的印刷线路板和混合电路的开路和短路测试都是通过“飞行探针(flying-probe)”测试器完成的。但这种测试的工作量可能非常大。
  另一种有效的方法是用单个飞行探针屯容测试系统检测网络的开路和短路。这种快速、低成本的方法被广泛使用于各种陶瓷、薄膜或塑料层压的多芯片模块基板上。电了束(e-beam)也可以用于测试互连基极上的开路和短路。但到目前为止,电子束测试仪仅被用于实验中,还没有在大批量生产中使用。
  IBM成功地运用了自动光学检验的方法在层压和焙烧之间对陶瓷线路板进行检验。仪器可以分辨出线条过细和导电层内的绝缘斑点等缺陷。市场上可以购买到同时可用于检验印刷线路板和集成电路的光学检验设备,它也可以用于MCM的检验。
  2.集成电路芯片的测试
  在IC制作的传统流程中,当硅片厂生产线时要经过探针测试。在用探针检测硅片时,通过检测的芯片被标注。划片后要将它们封装,以供老化和最终测试。最终电子测试是使用白动机械手将芯片插入一个连接着模块测试器的插槽。插槽的电特性应与最终组装时封装部分的电特性差不多,因而,这使测试具有了最终功能测试的作用。
  任何制造或确保合格芯片的工艺都必须依照一定的上艺流程,否则生产及测试的成本就会上升。芯片的烧结和最终测试必须在自动机械手中进行。放置裸芯片的装置有三种:小型永久性载体,临时载体,以及裸芯片插槽。TAB就是一种小型永久性载体,将芯片丝焊在陶瓷管脚网格阵列或陶瓷载体上就是一种临时封装,而靠凸点接触的测试膜板则是一种裸芯片插槽。
  典型的裸芯片插槽包括一个制作有凸点的多层柔性线路板。柔性线路板的一面有金属环作为支架,另一面是用光刻工艺制作的校准图案框架。用于测试的芯片要经过精确的划片,其外形尺寸的公差要比一般要求的公差更小。将芯片放在膜板上,轻微地移动芯片,使芯片的两个边与膜板上的图案对准夹具将芯片固定,然后将膜板和框架放入载体插槽,进行常规的老化和测试。
  3.模块诊断与测试
  MCM进行测试的方法与前讨论的通过引脚对IC进行测试方法类似。在这两种情况下都应该进行易测试性设计。我们应该认识到,故障诊断和产品的测试不一样。测试只需要知道一个信息:产品是好或者坏,要进行诊断,就要了解更多的信息,以解决问题。
  诊断:在开始进行大批最生产之前面总是要考虑产品的失效诊断。几乎没有哪家公司能做到确保第一个样品模块就能成功将制作的样品模块在测试仪或试验电路板上测试,找出其不正常的模式或失效的功能。这时,要将工艺错误和设计错误进行区别。
  产品测试:当模块和芯片的设计被验证是正确的,这时就应进行产品的测试。产品测试的目的是确保通过最终测试的模块能正常地上作。
  对于小批量产品的测试,可以使用一般的IC测试设备或电路板测试仪(用于最终测试)。对于大批量产品的测试,则应使用专用的测试设备。
  最终的筛选试验:筛选试验往往对那些通过了最终电子测试,并将被用于高性能的军事用途和生命支持系统的模块进行。试验是非破坏性的,它的目的是激发模块的早期失效,检测模块中粘接、丝焊或密封等工艺中存在的制作缺陷。大多数筛选试验的步骤是根据美国军标883或出此衍生的标准而定的。
  4.模块的返修
  再成熟的工艺,制造出来的产品都免不了出现不合格产品和失效的问题。因而,就存在一个不合格产品和失效产品的返修问题。对于高档的以在规模集成电路(VLSI)为主组成的复杂的、高成本的、高密度的MCM,尤其是较大规模的MCM-D,不能象低档MCM那样随意放弃。即使在组装前就对芯片进行了预先的测试,但在组装、搬运和测试过程中,芯片和封装材料仍有可能受到破坏,发生失效,即使对模块进行多次返修,还是可以被认为是合算的。
  返修高密度MCM比返修混合电路更闲难,也更有风险,因为:
  ·单位面积的MCM比混合电路含有更多有源的、史昂贵的芯片,在MCM中硅芯片占基板面积的比例可达80%或更多,这样可能需要更换的失效芯片的数量就更多。在MCk4的操作和测试过程中,金属线和丝焊也更容易受到损伤。例如,在一个2x4inch2的MCMM中,可能含有超过40个用2000全3000个丝焊互连起来的大面积芯片。
  ·要将MCML中的大规模集成电路芯片取下,需要更为复杂的工艺支持,因为它的表面积很大。取下芯片财所使用的较大的力会有可能损伤邻近先好的芯片和基板。现在一些专用芯片的面积可达inch2,以前整个基板的面积也不过就这么大。
  ·大多数高性能的MCM,如MCM-D,是用聚酰亚胺电介质制作的。聚酰亚胺,电介质制作的。聚酰亚胺等有机心介质与于多层厚膜电路的陶瓷材料相比,更加柔软,容易受到损伤。
  MCMCM最常见的两种失效模式是芯片失效和互连失效。根据模块价值的不同,可以将模块抛弃或进行返修。如果果要返修,首先要在不损坏电路的前提下打开用金属焊缝的管盖。密封管盖的部分也不能被损坏,这样可以以再将将新的管盖密封。开盖后,进行大效诊断,并进行返修,然后用原先的方法重新焊缝新的管盖。如果模块再次失效,可以再次开盖、再次焊缝。当然,如果返修次数过多,就应该将这个换效的模块丢弃。在一些些宇航和可靠性要求很高的场合,模块不充许被开盖返修,但大多情况下允许进行三次开盖返修。

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