MCM

(天水華天微電子有限公司，甘肅 天水 741000)

摘 要：本文主要說明了淀積型多芯片組件(MCM-D)技術(shù)所使用的主要材料的熱特性。此技術(shù)采用倒裝片技術(shù)把硅芯片安裝到硅基板上。闡述了薄膜電阻和接觸電阻的測量與所使用金屬的溫度范圍-28℃～100℃的比較。一套典型的試驗結(jié)構(gòu)諸如開爾文接觸、橫橋電阻(CBR)Van der Pauw結(jié)構(gòu)不僅已用于此技術(shù)，而且為了測試通過球倒裝片連接的接觸電阻，采用一新的開爾文式結(jié)構(gòu)。已獲得MCM封裝的熱模型，并考慮由此類封裝增加的所有的熱電阻。

關(guān)鍵詞：凸點壓焊，電試驗結(jié)構(gòu)，MCM-D，多芯片組件，熱分析

中圖分類號：TN305.94 文獻標識碼：A 文章編號：1681-1070(2005)07-17-06

1 引言

淀積型多芯片組件(MCM-D)封裝技術(shù)的主要特性就是使用微電子技術(shù)裝配的硅基板，在基板上易于完成CMOS器件，例如在基板設(shè)計中包含邊界掃描元件，以便使最終的MCM自身是可檢驗的?；宓燃壊坏砂ㄓ性雌骷?，而且也包含電阻、電容和電感，并且允許多達四層互連線以便可制造功率和接地平面。此高水平的集成化通常伴隨著功率損耗的增加，在功率應(yīng)用問題方面（使用功率晶體管）達到最大值，并在該封裝范圍之內(nèi)達到極高溫度。另一方面，如高能物理測驗輻射探測器應(yīng)用，在一個MCM-D中，把探測器和電路封裝于一體，要求工作溫度中這些組件性能的研究是極重要的。

此技術(shù)采用微電子行業(yè)領(lǐng)域各種非標準材料。電阻由TaSi2制成，耐熔金屬能夠經(jīng)受高淀積溫度。此材料與鋁及作為電介質(zhì)的聚酰亞胺一起用于電容器(使用SiN4低應(yīng)力低壓化學(xué)汽相淀積(LPCVD)的部分情況除外)。圖1示出了裝配中采用的所有材料垂直分布的MCM基板斷面圖。MCM-D組件的又一主要特性是倒裝片技術(shù)，把硅芯片通過利用絲網(wǎng)印刷淀積的焊料凸點粘附到基板上。為了對焊盤陣列采取不同的間距，對倒裝片進行預(yù)處理，需要兩個工藝：鋁改線技術(shù)和適于焊料焊接的可濕金屬疊層。

在溫度范圍為-28％～100％的狀況下，與一些疊層狀CMOS材料一起，在MCM-D技術(shù)范圍之內(nèi)，對那些特殊材料和結(jié)構(gòu)的熱性能進行探討，完成整個裝配的熱特性以便考慮通過封裝技術(shù)增加的熱電阻問題。采用有限元模型(FEM)獲得熱模型，然后使用試驗數(shù)據(jù)來證實該模型。

2 熱系數(shù)測量

為了進行電測試，一套完整的試驗基板被設(shè)計出來。一套典型的試驗結(jié)構(gòu)諸如開爾文接觸、橫橋電阻(CBR)及Van der Pauw結(jié)構(gòu)，不但已被用于此測試，而且也使用一新的開爾文式結(jié)構(gòu)，為的是測試倒裝片連接的接觸電阻。特征參數(shù)為薄膜電阻、接觸電阻和電容。電阻熱系數(shù)(TCR)通過對氮及添加磷的硅、兩個多晶硅層及用于CMOS的金屬、TaSi2、互連鋁和可濕金屬的薄膜電阻測量，而獲得對金屬和電容之間接觸電阻的溫度依賴性測試。

2．1 薄膜電阻

在-28％～100％的不同溫度狀況下，使用Van der Pauw測量薄膜電阻。使用四根線完成測量：強加電流與測量電壓降，使用Keithley 220電流源及一個Hewlet-Packard HP34401 A數(shù)字萬用表。圖2至圖4示出了所獲得的結(jié)果?？煽闯?，TCR數(shù)值由線性適合性得到，所有的曲線與預(yù)料的直線非常符合。表1總結(jié)了所得到的數(shù)據(jù)，示出了在25℃時的薄膜電阻和不同材料的TCR。值得注意的是由TaSi2顯示出的負的TCR(近似于-100×10-6K-1)。雖然TaSi2和多晶硅均顯示出了相同的薄膜電阻值，但是相比較而言TaSi2具有較好的熱特性。鑒于此，把TaSi2作為裝配電阻的材料。最后，同預(yù)計的一樣，不同金屬的TCR為所有經(jīng)過研究材料的最高狀況。

2．2 接觸電阻

不同金屬之間的接觸電阻也是在不同溫度狀況下進行研究的。為了實現(xiàn)小接觸電阻值的精確測量，設(shè)計專門的開爾文試驗結(jié)構(gòu)并用于試驗基板之中，測量設(shè)置與薄膜電阻的設(shè)置一樣。為了測試倒裝片連接的球電阻，采用特別的開爾文結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)由兩部分組成，一半規(guī)定在基板中，而另一半規(guī)定于試驗倒裝片中。因此，基板和倒裝片之間的接觸電阻測量通過圖5中可看到的焊料球來完成。所有的結(jié)果如圖6和圖7?？梢杂^察到，當電路電阻僅增加0.3mΩ時，凸點焊接技術(shù)是非常方便的封裝技術(shù)。

推斷出TCR與薄膜電阻采用同樣的方法。在所有的狀況下接觸電阻顯示了線性特征。M2、互連鋁之間的接觸電阻和TaSi，顯示出了極小的不能與噪聲區(qū)別的TCR，故假定為零。表2總結(jié)了數(shù)字顯示的結(jié)果，表明了在25℃和TcR狀況下測量的接觸電阻。

2．3 電容

把大電容器3×3mm2用于測量重新定線金屬間電容變量，這具有像電介質(zhì)的聚酰亞胺。實施此研究為的是控制環(huán)境的相對濕度(RH％)，在1MHz狀況下使用Hewlett-Packard HP 4280 C表，校準開路及短路，補償電纜電容。相應(yīng)溫度與線性密切相關(guān)。在25℃時測量的電容數(shù)值為6.1pF mm-2，得出的熱電容系數(shù)(TCC)與TCR一樣，為186×10-3K-1，測量結(jié)果如圖8所示。

涉及到與溫度有關(guān)的相關(guān)電容，與溫度有關(guān)的聚酰亞胺相應(yīng)的電介質(zhì)常數(shù)以及膨脹效率，存在兩個機理。這兩方面的結(jié)合產(chǎn)生了一個小H正的TCC。