芯片及其类型与应用（9）
胡经国
（续前）
4、COC 封装简介
芯片封装，是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，其具有安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能等方面的作用。通过芯片上的锡点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。
COC （Chip On Carrier）意即“载体上的芯片”，简称“载体芯片”。
COC （Chip On Carrier，载体芯片）封装，是20世纪80年代出现的芯片封装形式。
COC封装是一种将芯片直接贴装在一个载体上的封装技术。“载体”，又称为“封装基板”或“封装载板”。它可以是某种陶瓷材料基板或特种塑料基板。它是裸芯片与外界电路之间的桥梁，也是光电IC（集成电路）的重要组成部分。
COC （Chip On Carrier，载体芯片）封装有以下几种：
CLCC（Ceramic Leadless Chip Carrier，陶瓷无引线载体芯片）封装；
PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier，塑料有引线载体芯片）封装；
SOP（Small Outline Package，小尺寸封装）；
PQFP（Plastic Quad Flat Package，塑料四边扁平封装）。
COC 封装，以0.5mm焊区中心距、208根I/O引脚的QFP（四边扁平封装）的CPU（中央处理器）为例，若封装外形尺寸为28×28mm，芯片尺寸为10×10mm，则芯片面积/封装面积=10×10/28×28=1∶7.8。由此可见，QFP（四边扁平封装）比DIP（双列直插式封装）的封装尺寸大大减小。
5、MCM （多芯片模块）封装
⑴、概述
MCM（MultiChip Module）意即“多芯片模块”或“多芯片组件”。
根据IPAS的定义，MCM封装是将多个LSI/VLSI/ASIC（大规模集成电路/超大规模集成电路/专用集成电路）裸芯片和其它元器件组装在同一块多层互连基板上，然后进行封装，从而形成高密度和高可靠性的微电子组件。
根据所用多层布线基板的类型不同，MCM可分为：叠层多芯片组件（MCM-L）、陶瓷多芯片组件（MCM-C）、淀积多芯片组件（MCM-D）以及混合多芯片组件（MCM–C/D）等。
在MCM技术中，IC（集成电路）模片不是安装在单独的塑料或陶瓷封装（外壳）里，而是把高速子系统（如处理器和它的高速缓存）的IC（集成电路）模片直接绑定到基座上；这种基座包含多个层所需的连接。MCM是密封的，并且有自己的用于连接电源和接地的外部引脚，以及所处系统所需要的那些信号线。
作为将多块半导体裸芯片组装在一块布线基板上的一种封装技术，MCM是在“混合集成电路技术”基础上发展起来的一项微电子技术；其与“混合集成电路产品”并没有本质的区别；只不过MCM具有更高的性能、更多的功能和更小的体积，可以说MCM属于“高级混合集成电路产品”。
⑵、种类
①、MCM-L（叠层多芯片组件）
MCM-L是用通常的“玻璃环氧树脂多层印刷基板”的组件。其布线密度不怎么高，成本较低。
②、MCM-C（陶瓷多芯片组件）
MCM-C 是用“厚膜技术”形成多层布线，以陶瓷（氧化铝或玻璃陶瓷）作为基板的组件；与用“多层陶瓷基板”的厚膜混合IC（集成电路）类似；两者无明显差别。其布线密度高于MCM-L。
③、MCM-D（淀积多芯片组件）
MCM-D 是用“薄膜技术”形成多层布线，以陶瓷（氧化铝或氮化铝）或Si、Al 作为基板的组件。其布线密度在这三种组件中是最高的，因而成本也较高。
⑶、技术特点
MCM技术是实现电子整机小型化、多功能化、高性能和高可靠性的十分有效的技术途径。与其它集成技术相比较，MCM技术具有以下技术特点：
①、延时短、传输速度提高
由于采用“高密度互连”技术，因而其互连线较短，信号传输延时明显缩短。与“单芯片表面贴装”技术相较，其传输速度提高4～6倍，可以满足100MHz的速度要求。
②、体积小、重量轻
由于采用多层布线基板和裸芯片，因而其组装密度较高，产品体积小，重量轻。其组装效率可达30%，重量可减少80～90%。
③、可靠性高
统计表明，大约90%的电子产品的失效，都是由于封装和电路互连所引起的。由于MCM集“有源器件”和“无源元件”于一体，避免了“器件级的封装”，减少了“组装层次”，因而有效地提高了其可靠性。
④、高性能和多功能化
由于MCM可以将数字电路、模拟电路、微波电路、功率电路以及光电器件等合理有效地集成在一起，形成半导体技术所无法实现的“多功能部件或系统”，因而可实现产品的高性能和多功能化。
⑤、微电子领域的优势地位
减小产品尺寸和重量，同时提高电性能和可靠性，这是MCM技术的价值之所在，也是MCM技术得以产生和发展的驱动力。在要求高性能、小型化和价格为次要因素的应用领域，尤其在军事、航空航天应用领域，MCM技术具有十分稳固的优势地位。
由于受半导体技术发展水平的限制，在中国芯片主要来源于国外；高频和大功率等芯片的来源一直是一个非常棘手的问题。因此，采用MCM二次集成技术具有十分重要的现实意义。毫无疑问，MCM在微电子领域将具有非常广泛的应用市场和发展前景。
据美国信息网络公司预测，2000年到2005年，世界MCM市场的平均年增长率是13.5%，从2000年的0.533亿件增长到2005年的1.004亿件。其中2001年，全球军事/航天MCM产品为96.7万块，2005年全球军事/航天MCM产品将为41.5万块，增长率为-15.6%。未来MCM在全球军事电子领域的市场将会出现衰退。但是，其原因并不在于其它技术的竞争，而在于全球军备投资的减少。
⑷、现状
根据“美军标MIL-PRF-38534D混合微电路总规范”的定义，MCM是一种混合微电路；其内部装有两个或两个以上超过100000门的微电路。
就MCM的技术先进性而言，MCM可以集成VLSI/ASIC（超大规模集成电路/专用集成电路）等大规模集成电路芯片，I/O引脚数多达100个以上。但是在实际应用中，很多MCM产品并不一定包括VLSI/ASIC等大规模集成电路芯片，I/O引脚数也并不是很高的。早期，MCM的应用焦点主要聚集在以大型计算机为代表的应用领域，强调的是其大规模集成的特点。随着MCM技术的不断进步和应用领域的不断拓展，MCM的高集成度、高组装效率和高灵活性等特点，必将日益突显出来。
当前，以MCM的热门产品“蓝牙模块”为例，“蓝牙模块”是一种“短距离无线通讯产品”，2005年全球市场需求量为5亿只。制作“蓝牙模块”的技术途径有两种：单芯片集成和MCM集成。由于技术难度大、研发周期长和成本高，因而前者一直没有成功；而后者则成为最理想的解决方案；2003年市场投放量将近2000万只。蓝牙MCM集成了1个RF（射频）芯片、1个基带芯片和一些无源元件，引出端采取BGA（球栅阵列）形式，集成的芯片规模也不大，I/O引脚数也只有34个。
⑸、存在问题
①、问题现状
从2000年到2005年，世界MCM市场的平均年增长率预计为13.5%。尽管MCM在性能﹑数量和产值方面一直保持着持续稳定的提升，然而与微电子产品的整体规模相比较，MCM产品所占的比重依然是相当低的。2001年，全球IC的产量约为755亿块，而MCM的产量仅为0.53亿块。在中国国内，MCM的应用状况非常薄弱，其产品所占有的市场份额更是微乎其微。
②、制约因素
自从MCM技术问世以来，人们对其寄予很大的期望。普遍认为，未来MCM技术将成为微电子技术的主流。然而，随着MCM应用领域的不断拓展和深入，其内在和外在的一些负面因素便日益凸显出来，从而限制了MCM的应用规模，也妨碍了MCM达到人们所期待的境界。其制约因素主要有以下几个方面：
●由于没有标准的设计规范和生产工艺，缺乏KGD（已知合格芯片），以及设备、材料和工艺成本比较昂贵，使MCM的成本一直居高不下；此外，由于只要一个元器件失效，整个组件就得报废，因而这也造成了商业应用难以接受的高成本。
●当今半导体技术发展迅速，ASIC（专用集成电路）的密度越来越高，功率越来越大，其提升速度远远超过了早期的预测，因此使得MCM失去了众多的应用市场。
●MCM所组装的LSI、VLSI和ASIC通常为裸芯片，确好裸芯片（KGD）来源问题一直没有从根本上得到解决，这在很大的程度上妨碍着MCM的推广应用。在中国裸芯片主要来源于国外，KGD以及高频和大功率芯片的来源更是一项非常急待解决的问题，直接限制着设计人员方案的选择。
●诸如芯片级封装（CSP）、少量芯片封装（FCP）﹑多芯片封装（MCP）等新型微电子技术的出现，以其极具竞争力的性价比对MCM构成了竞争态势，并且对MCM的未来发展形成了挑战。
种种不利因素制约了MCM技术的发展规模，尤其是大规模商业化应用，使得其注定只能是现有微电子技术的一种补充，而无法形成一种更新换代的局面。尽管MCM技术很难成为微电子领域的主流技术，但是其依然是一项充满活力和希望的微电子技术，尤其是在军事电子领域其依然拥有充分的生存和发展空间。仍然受到世界各国的高度重视。
⑹、研究概况
①、国际研究与应用概况
在国际上，从20世纪70年代末开始研究和开发MCM技术，到2000年进入全面应用阶段。在小型化、高性能和价格非主要考虑因素的应用领域，MCM技术已经获得了十分成功的应用。在移动通讯、汽车电子、笔记本电脑、办公和消费电子等领域，MCM技术也获得了迅速的发展。
2001年，全球MCM产量为5545万块；其中，军事/航天占1.8%，计算机占16.8%，通讯占49.3%，消费类占28.3%，工业占3.8%。全球MCM开发和研制厂家有100多家，主要生产厂家有40家左右；2000年，产值达到200多亿美元。
在国外，“二维MCM系统集成技术”的研究已日趋成熟，正走向全面应用的阶段。随着电子整机系统小型化、高性能化、多功能化、高可靠和低成本的要求越来越高，国外又加强了“三维MCM系统集成技术”的研究，以此实现整机系统更高的组装效率、更高的系统性能、更多的系统功能和I/O引脚、更低的功耗和成本。二维MCM的组装效率最高达80～85%，而三维MCM的组装效率则可达200%以上。在国外，三维MCM技术主要应用于航天、航空、军事和大型计算机等领域；主要产品有存储器、数字信号处理器、图像处理与识别系统、人工神经网络、大型并行计算机处理器以及二级缓存等。
②、中国研究成果
中国是从“八五”期间开始从事MCM技术的研究；研究单位从最早的几家发展壮大到几十家。其中，主要研制单位有：中电科技集团第四十三所、十三所、十四所、中国航天集团第七七一所、中国航天集团第七七二所、兵总二一四所、信息产业部电子五所、电子科技大学、西安电子科技大学以及北京飞宇公司等。
其研究内容已经涉及到MCM的EDA（电子设计自动化）技术、低温共烧多层基板制造技术、高温共烧多层基板制造技术、薄膜多层基板制造技术、混合多层基板制造技术、AlN（氮化铝）多层基板制造技术、倒装焊工艺技术、TAB工艺技术、MCM可靠性设计技术、三维MCM制造技术以及MCM实用化产品研制等。
经过十多年的研究和开发，中国在MCM设计、材料和工艺等技术领域取得了一系列的科研成果。国内在MCM的研制生产中已开始采用EDA（电子设计自动化）设计技术。厚膜多层基板的实用化工艺水平已经达到：布线层数5层，线宽/间距150μm/200μm；薄膜多层基板实用化工艺水平已达到：布线层数4层，线宽/间距10μm/20μm，并且可内埋电阻。低温共烧多层陶瓷基板的实用化工艺水平已达到：布线层数20层，面积达125 。
（未完待续）
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