MCM-D技术电热特性综述

摘 要：本文主要说明了淀积型多芯片组件(MCM-D)技术所使用的主要材料的热特性。此技术采用倒装片技术把硅芯片安装到硅基板上。阐述了薄膜电阻和接触电阻的测量与所使用金属的温度范围-28℃～100℃的比较。一套典型的试验结构诸如开尔文接触、横桥电阻(CBR)Van der Pauw结构不仅已用于此技术，而且为了测试通过球倒装片连接的接触电阻，采用一新的开尔文式结构。已获得MCM封装的热模型，并考虑由此类封装增加的所有的热电阻。

关键词：凸点压焊，电试验结构，MCM-D，多芯片组件，热分析

中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1681-1070(2005)07-17-06

1 引言

淀积型多芯片组件(MCM-D)封装技术的主要特性就是使用微电子技术装配的硅基板，在基板上易于完成CMOS器件，例如在基板设计中包含边界扫描元件，以便使最终的MCM自身是可检验的。基板等级不但可包括有源器件，而且也包含电阻、电容和电感，并且允许多达四层互连线以便可制造功率和接地平面。此高水平的集成化通常伴随着功率损耗的增加，在功率应用问题方面（使用功率晶体管）达到最大值，并在该封装范围之内达到极高温度。另一方面，如高能物理测验辐射探测器应用，在一个MCM-D中，把探测器和电路封装于一体，要求工作温度中这些组件性能的研究是极重要的。

此技术采用微电子行业领域各种非标准材料。电阻由TaSi2制成，耐熔金属能够经受高淀积温度。此材料与铝及作为电介质的聚酰亚胺一起用于电容器(使用SiN4低应力低压化学汽相淀积(LPCVD)的部分情况除外)。图1示出了装配中采用的所有材料垂直分布的MCM基板断面图。MCM-D组件的又一主要特性是倒装片技术，把硅芯片通过利用丝网印刷淀积的焊料凸点粘附到基板上。为了对焊盘阵列采取不同的间距，对倒装片进行预处理，需要两个工艺：铝改线技术和适于焊料焊接的可湿金属叠层。

在温度范围为-28％～100％的状况下，与一些叠层状CMOS材料一起，在MCM-D技术范围之内，对那些特殊材料和结构的热性能进行探讨，完成整个装配的热特性以便考虑通过封装技术增加的热电阻问题。采用有限元模型(FEM)获得热模型，然后使用试验数据来证实该模型。

2 热系数测量

为了进行电测试，一套完整的试验基板被设计出来。一套典型的试验结构诸如开尔文接触、横桥电阻(CBR)及Van der Pauw结构，不但已被用于此测试，而且也使用一新的开尔文式结构，为的是测试倒装片连接的接触电阻。特征参数为薄膜电阻、接触电阻和电容。电阻热系数(TCR)通过对氮及添加磷的硅、两个多晶硅层及用于CMOS的金属、TaSi2、互连铝和可湿金属的薄膜电阻测量，而获得对金属和电容之间接触电阻的温度依赖性测试。

2．1 薄膜电阻

在-28％～100％的不同温度状况下，使用Van der Pauw测量薄膜电阻。使用四根线完成测量：强加电流与测量电压降，使用Keithley 220电流源及一个Hewlet-Packard HP34401 A数字万用表。图2至图4示出了所获得的结果。可看出，TCR数值由线性适合性得到，所有的曲线与预料的直线非常符合。表1总结了所得到的数据，示出了在25℃时的薄膜电阻和不同材料的TCR。值得注意的是由TaSi2显示出的负的TCR(近似于-100×10-6K-1)。虽然TaSi2和多晶硅均显示出了相同的薄膜电阻值，但是相比较而言TaSi2具有较好的热特性。鉴于此，把TaSi2作为装配电阻的材料。最后，同预计的一样，不同金属的TCR为所有经过研究材料的最高状况。

2．2 接触电阻

不同金属之间的接触电阻也是在不同温度状况下进行研究的。为了实现小接触电阻值的精确测量，设计专门的开尔文试验结构并用于试验基板之中，测量设置与薄膜电阻的设置一样。为了测试倒装片连接的球电阻，采用特别的开尔文结构。此结构由两部分组成，一半规定在基板中，而另一半规定于试验倒装片中。因此，基板和倒装片之间的接触电阻测量通过图5中可看到的焊料球来完成。所有的结果如图6和图7。可以观察到，当电路电阻仅增加0.3mΩ时，凸点焊接技术是非常方便的封装技术。

推断出TCR与薄膜电阻采用同样的方法。在所有的状况下接触电阻显示了线性特征。M2、互连铝之间的接触电阻和TaSi，显示出了极小的不能与噪声区别的TCR，故假定为零。表2总结了数字显示的结果，表明了在25℃和TcR状况下测量的接触电阻。

2．3 电容

把大电容器3×3mm2用于测量重新定线金属间电容变量，这具有像电介质的聚酰亚胺。实施此研究为的是控制环境的相对湿度(RH％)，在1MHz状况下使用Hewlett-Packard HP 4280 C表，校准开路及短路，补偿电缆电容。相应温度与线性密切相关。在25℃时测量的电容数值为6.1pF mm-2，得出的热电容系数(TCC)与TCR一样，为186×10-3K-1，测量结果如图8所示。

涉及到与温度有关的相关电容，与温度有关的聚酰亚胺相应的电介质常数以及膨胀效率，存在两个机理。这两方面的结合产生了一个小H正的TCC。