技术资讯 I 一文速通 MCM 封装

本文要点

MCM 封装将多个芯片集成在同一基板上，在提高能效与可靠性的同时，还可简化设计并降低成本。

MCM 封装领域的最新进展包括有机基板、重分布层扇出、硅中介层和混合键合。

这些技术能够提升 MCM 设计的信号完整性、性能和功率分配效率。

多芯片组件（Multi-chip module，即 MCM）封装作为电子组装和芯片封装领域的一项关键技术，将多个集成电路（IC）、半导体裸片和分立元件集成在同一基板上，结构紧密且性能卓越，堪比大型集成电路。在本文中，我们将探讨 MCM 封装的最新趋势、关键技术及其在功效、可靠性、简化设计和成本效益方面的优势。
 

MCM 封装类型	描述
有机基板 （最不紧密）	2D 标准封装，成本低，广泛用于 IO 密度较低的场景。不使用脆弱易损的微凸块，良率较高。各裸片直接连接基板，MCM 通过 BGA 连接至更大的电路板。
重分布层扇出	2.5D 封装，密度与硅中介层相似，但成本更低。支持单裸片或多裸片组装，有助于提升性能和 IO 能力，适用于物联网、网络及计算领域。
硅中介层	2.5D 封装，采用硅基中介层，通过微凸块实现裸片间互连。具有质量保障和修复机制，可应对良率方面的挑战。不仅支持高密互连，也可实现裸片堆叠。
混合键合 （最紧凑）	3D 堆叠封装，通过 TSV 将晶圆键合在一起，密度和能效最高。能够最大限度地降低功耗，支持垂直互连。不过，其复杂度和成本较高。

什么是 MCM 封装

 

MCM 是一种将多个集成电路或“芯片”、半导体裸片和/或其他分立元件集成在同一基板上的电子封装技术，通常具有多个导体端子或“引脚”，可作为大型集成电路使用。MCM 封装常被称为“异构集成”或“混合集成电路”。

 

MCM 封装的覆盖范围较广，从在小型印刷电路板（PCB）上使用预封装集成电路来模仿现有芯片封装的 footprint，到在高密互连（HDI）基板上集成大量裸片的完全定制芯片封装。

 

MCM 封装新趋势

 

在 MCM 中用于连接集成电路的互连基板被称为中介层，采用含碳或硅的层压电路板等有机材料，如下方讨论的高带宽记忆器（high-bandwidth memory，即 HBM）。不同材料各有优劣。相较于独立集成电路，采用中介层连接多个集成电路可降低信号传输功耗、增加传输通道数量，并最大限度地减少电阻/电容引起的延迟（RC 延迟）。然而，其芯粒间通信的功耗和延迟仍高于单块集成电路。

 

目前值得关注的四大 MCM 封装技术包括：

 

1

 

有机基板

这种 2D 标准封装成本较低，广泛应用于半导体行业，尤其适用于 IO 密度不高、裸片间互连较少的场景。不使用脆弱易损的微凸块，良率较高。在该结构下，各裸片直接连接基板，MCM 通常通过 BGA 连接至更大的电路板上。

 

2

重分布层（RDL）扇出

作为较新的 2.5D 高级 MCM RDL 扇出封装形式，其密度与硅中介层相当，但成本和复杂度更低。支持单裸片或多裸片组装，有助于提升性能和 IO 能力，适用于物联网、网络和计算领域。

 

3

硅中介层

在这种 2.5D 封装中，硅基中介层连接两个裸片。使用微凸块垂直互连技术实现堆叠裸片的密集连接。由于这类封装的组装十分复杂，加上微凸块脆弱易损，因此存在较多的良率问题。为此，封装供应商提供质量保障措施和测试及修复机制，有效解决了这个问题。

 

4

混合键合

这种 3D 堆叠封装技术实现了最高的密度和能效。提供用于连接的硅过孔（TSV），将两个晶圆键合在一起。混合键合可最大限度地减少驱动通道时的功耗，并可根据需要降低每个 IO 的功耗。不过，与中介层相比，该技术对复杂性和成本提出了更高的要求。混合键合又称为芯片堆叠封装。就某些集成电路而言，特别是存储器，在系统中多次使用时，其引脚排列极为相似或相同。经过精心设计的基板可将这些裸片以垂直方式堆叠，从而显著缩小 MCM 的 footprint（尽管代价是芯片变厚或变高）。
 

值得一提的是，在第四类 MCM 封装中，裸片间互连的复杂度关系到封装内两个或多个裸片之间的通信。因此，需针对每种封装的特点，优化裸片间通信接口。例如，当中介层并不支持通道间高速通信，可以采用高速裸片到裸片接口 IP。

 

单个 MCM 可能采用多种不同的技术

 

MCM 的优势

 

MCM 具有以下优势：

 

1

低功耗

与采用独立电子元件的系统相比，MCM 的功耗更低。因为所有必要器件均集成在同一组件上，互连长度大幅缩短，从而降低功耗需求。

 

2

高可靠性

MCM 封装将多个芯片集成在单个 PCB 电路板上，器件之间的互连较少，组件的故障点也随之减少，从而提升了可靠性。

 

3

结构简化

采用 MCM 的 PCB 电路板能够集成多种功能，有助于构建柔性电子设备，满足各种应用需求。此外，简化的设计也有助于加速产品生产，缩短上市周期。

 

4

低成本

得益于 MCM 的上述优势（低功耗、高可靠性和结构简化），生产成本也随之降低。综上所述，MCM 为电子组装提供了一种极具成本效益的解决方案。

 

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