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关于发展我国军用MCM技术的思考

发布时间:2020-09-09 发布时间:
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摘要:本文主要分析、总结了国内外多芯片组件(MCM)技术发展现状与存在问题,以及今后技术发展重点和主要应用方向。
Abstract:This article mainly summarizes the development of MCM (multi-chip model) technology at home and abroad, analyses problems in this technology and the key point in its future development, and describes its common applications.

一、前言

二十一世纪战争的主要特征在于信息化,信息化决定了对军事电子装备小型化、电子化、智能化的需求越来越高、越来越迫切,这必将持续推动微电子技术的不断进步、发展和提高。
多芯片组件(MCM)是一项激动人心的微电子组装与封装技术,人们对其寄予了极大的期望。二十世纪九十年代,美国将其列为六大关键军事技术之一。随后,又将其确定为2010年前重点发展的十大军民两用高新技术之一。欧洲五国(英国、法国、瑞士、奥地利和芬兰)曾制定了一个三年(1992—1994年)规划,组织联合开发研究MCM产品的开发、设计和生产。我国是从“八五”期间开始从事有关MCM技术的军事预先研究,至今已经有十多年的研究历史并取得长足进步。截止2003年,全球相继有一百多家公司从事MCM产品的开发﹑设计和生产。
MCM技术问世以来,二十多年的时间过去了,尽管这一技术已经获得了显著的发展和进步,但似乎并没有成为人们所期望的微电子领域的主流技术。其原因何在呢?MCM技术的未来发展前景如何呢?我国MCM技术又将如何规划和发展呢?本文作简要分析,供读者参考。

二、MCM定义与辨析

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。
根据IPAS的定义,MCM技术是将多个LSI/VLSI/ASIC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。
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等大规模集成电路芯片,I/O引脚数多达100个以上,但在实际应用中,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。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。
以当前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,前者一直没有成功,后者则成为目前最理想的解决方案,2003年市场投放量近2000万只。蓝牙MCM集成了1个RF芯片、1个基带芯片和一些无源元件,引出端采取BGA形式,集成的芯片规模也不大,I/O引脚数也只有34个。
在国内,目前一些为数不太多的MCM应用产品所集成的芯片规模和I/O引脚数也都不是很大。
可以说,广义的MCM定义更符合这一技术的发展现状,尤其符合国内目前的发展状况,同时也有利于拓展和延伸MCM技术的发展空间。                                                                                                                                       三、MCM的优势与市场

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:
由于采用高密度互连技术,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比较,其传输速度提高4-6倍,可以满足100MHz的速度要求。
采用多层布线基板和裸芯片,因此其组装密度较高,产品体积小,重量轻。其组装效率可达30%,重量可减少80-90%。
统计表明,电子产品的失效大约90%是由于封装和电路互连所引起的,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,从而有效地提高了可靠性。
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,从而实现产品的高性能和多功能化。
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、小型化和价格是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,在我国芯片主要来源于国外,军用高频和大功率等芯片的来源一直是是一项非常棘手的问题,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在军事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。{{分页}}

四、MCM的现状与问题

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,目前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。在国内,MCM的应用状况非常薄弱,产品所占有的市场份额更是微乎其微。
自MCM技术问世以来,人们对其寄予很大的期望,普遍认为未来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达到人们所期待的辉煌的境界,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,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,只要一个元器件失效,整个组件就得报废。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。在我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,并对MCM的未来发展形成了威胁。
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,而无法成为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,但其依然是一项充满活力和希望的微电子技术,尤其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。

五、我国MCM的水平与差距

国际上从七十年代末开始研究和开发MCM技术,到2000年则进入全面应用阶段。目前,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%。目前,全球MCM开发和研制厂家有一百多家,主要生产厂家有四十家左右,2000年产值达到200多亿美元。
国外二维MCM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%,三维MCM的组装效率则可达200%以上。目前,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。
我国是从“八五”期间开始从事MCM技术研究的,研究单位从最早的寥寥数家发展壮大到目前的几十家,其中主要的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,其研究内容涉及了MCM的EDA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,我国在MCM设计、材料和工艺等技术领域取得了一系列的科研成果。目前,国内在MCM的研制生产中已开始采用EDA设计技术,厚膜多层基板的实用化工艺水平已达到: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125。



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