多芯片组件(MCM)可靠性

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1、多芯片组件(MCM)可靠性技术探讨王艳芝贾颖(北京航空航天大学可靠性工程研究所北京100191)l善I亳多怒鲺薯§遂祗食之君诮

2、锪慕啭辍逸畿瓢cM可靠性研究的关键技术f司题展开讨论’总结国内外研究现状并提出了趣决问题的思路'l包括McM失效_矮礅茕黼及I)∞浩’多怒嬲靠瀚-’及豪琶同薯l纂铼薛长恭最话、Ic纂牲题’接拯靠踱、釜产程痕蛩、毒与焚l墓食是铩}与该心惑'产靠性评与镰魁荸渗考。i囊l

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5、_§％l：蔫：囊建ill多芯片组件MCM(Multi—ChipModule)是上个世纪90年代在微电子领域兴起并得到迅速发展的一项新技术，它是将多个

6、集成电路裸芯片高密度地贴装互连在多层布线的基板上，然后再整体封装起来构成能完成多功能、高性能的电子部件、整机、子系统乃至系统所需功能的一种新型微电子组件【11。随着MCM被广泛应用于计算机、通信、军事、航空、航天等领域，其可靠性对装备及系统的正常使用起着越来越重要的作用。MCM可靠性研究的特点典型MCM是在多层布线基板上，采用微电子技术与互联工艺将电阻器、电容器和电感等无源元件(印制、淀积或片式化)与Ic裸芯片进行二维甚至三维组合并电气连接，再实施必要的有机树脂灌封与机械或气密封装构成的部件级的复合器件。其基本构成如图1所示。MCM比半导体Ic和HIC具有更大的组装与封装密度、更高

7、的功率密度、更高的应力强度和更为复杂的电路设计；MCM的失效因子与失效模式，通常具有多重性、交叉性和综合性；MCM封装结构、组装工艺存在更显著的多样性与非标准性；MCM与Ic和HIC相比具有低产量、高成本和单件的高复杂程度。上述这些突出特点，影响了采用传统的可靠性方法的效果，也对MCM失效机理的研究带来更多的困难。散热器线基板引脚LsI芯片图1MCM模块结构示意图2．MCM可靠性研究的关键技术2．1MCM失效模式与失效机理研究MCM必然要涉及更多的材料和更复杂的结构，较高的热膨胀系数失配，有些材料较低的玻璃化转变温度，在热循环和功率循环中会使系统产生较大的热应力。此外，在生产、运输

8、、使用过程中MCM还要经受机械应力、振动等力学作用。MCM受到机械应力作用而导致失效是一个复杂的过程。要想提高和控制系统的可靠性必须深入掌握系统的关键材料与元件对应力的响应方式与规律，并以设计和工艺可控参数定量表示这种响应[21。微电子器件与电路的材料，单元对应力的响应主要有应力一强度模式和损伤一持久度模式。MCM最常见的失效模式大多属于后一种。例如，引线和导电带在热循环或振动下的疲劳断裂、焊点在应力下的蠕变断裂、热或功率循环导致材料界面分离等等都属于第二种失效模式。MCM在生产制造过程中、检测过程中、运输和存储过程中都会不断受到各种机械应力的作用。由于这些损伤在达到持久极限之前，

9、器件的功能并无显著变化。所以，用常规的检测方法是无法检测出器件受损程度的。这样，受损器件或电路选用之后就给系统的可靠性造成隐患。如何能检测分析出多芯片组件受应力作用而损伤的程度，保证用于武器及军用装备上的组件都是未受损或是轻度受损的，已成为保证武器装备高可靠性的关键。需要一种能迅速、准确地预测和分析受应力作用损害程度的方法和技术。国外对多芯片系统机械应力与热应力失效的分析和预测主要应用有限元分析方法结合弹性力学、粘弹性力学、断裂力学的理论和方法。如日本的QiangYu等人在三维有限元分析的基础上，考虑蠕变、弹性、塑性应变，应用Cofin—Manson疲劳寿命定律预测出各种微电子焊点

10、的疲劳强度。．近年来，国外在多芯片系统受应力损伤程度的无损检测方面也做了大量研究工作，其中电噪声方法最为引人注目【3】。经30多年的研究，现已从理论和实验上搞清了电子元器件电噪声与可靠性之问的内在联系。电噪声测量已成为微电子器件与电路质量与可靠性检测的有力工具。与其他质量和可靠性检测方法相比，电噪声检测方法具有普适、灵敏、非破坏性、检测速度较快等优点。2．2MCM热分析及散热结构优化设计MCM的组装／封装密度和功率密度都要比单片集成电路高。因此，应特别关注由热引发的失效。由于材料、工艺水平等因素的限制，我国MCM热与应力问题更为突出且有其独特的规律。一方面，要研究建立适合我国多芯片

11、系统特点的热应力测试与分析系统，另一方面有针对性地研究像焊点疲劳、裂纹扩大等与热应力有关的失效机理，在充分研究弄清其物理机制的基础上建立评价模型。各发达国家及公司历来都十分重视电子组件的热设计研究，IBM在70年代曾把用于其大型计算机上的高导热模块作为绝密技术。欧洲共同体9O年代信息技术发展和研究战略计划确立了高效封装技术研究项目(APACHIP)，高效冷却技术为九项关键技术之一。SUN微系统公司研究了液体冷却的3一DMCM。为评价MCM热特性和分析温升对系统可靠性的