你所該知道的MCM</span>
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《圖一 電子元件演進循環示意圖》談多晶片模組MCM，必須先說明電子工程的整個努力方向及趨勢，就以筆者所歸納提出的「電子元件演進循環」為基礎，說明如下：電子工程師先開發出一個「元件」（如：電晶體），接著就會想辦法要把「多個元件」擠進去；當能把多個元件擠進去後，就會想要把「那些元件組成的線路」塞進去。當能「把這塊線路變成一個元件」，電子工程師就會再重覆上面這個循環，把更多的元件擠進去、把更多線路集合成一個線路。由於技術不斷地進步，這個循環不停地轉動，所以我們看到了從早期一個電晶體集合而成IC，從IC進步到LSI（Large scale IC）再到VLSI（Very Large Scale IC），然後到今天集合數百萬顆電晶體的IC。如果將半導體工業粗略分成前段－矽晶圓、後段－封裝測試的話，在上面這個電子元件演進循環中，我們多數人的目光是集中在矽晶圓階段，也就是由每片晶片一顆電晶體到幾百萬顆電晶體的演進過程，卻忽略了封裝技術的演進，而多晶片模組MCM就是封裝技術演進的成果。所謂多晶片模組MCM就是將多個裸晶片，直接黏著並內接於由導體層與介電層構成的各種材料基板上，所構築而成的多晶片小型模組。簡單說，就是把多個晶片（Chip）組成的模組（Module）納入一個封裝內，這裡的晶片可能是IC、二極體、電晶體、MOSFET或是其他的主動元件IC，重點是他們全部封在同一個封裝內。此外所謂的系統單封裝SiP（System in Package）其實指的就是多晶片模組MCM，因為SiP是要把系統功能放在單一封裝，所以這是從產品的外觀來看；但是若從這個單一封裝產品的內部來看，它是由許多個晶片組成的，所以它就是MCM；因此SiP與MCM說的是同一件事，只是SiP說明的是外觀，MCM說明的是內在，這也是專業名詞縮寫常常帶來的問題。其實這樣的產品很早以前就有，我想各位讀者應該看過把兩個二極體封裝在一個3Pins的封裝內，也看過把多顆MOSFET封在8 pins或16 pins標準的IC封裝內，這些在同一個封裝內封上了多顆二極體或電晶體的產品，就是按照以上所述在演化，接下來你就會發現將一塊線路封在一個封裝內，這也是我們接下來要討論的重點。MCM的種類MCM一詞目前使用得有些浮濫，如果要把MCM予以分類，就必須為MCM作一明確定義。若以「電子元件演進循環」為基礎來觀察封裝類別，你可以發現封裝一個元件稱為封裝（Package），封裝多個元件就稱為多晶片封裝（Multi-Chips Package；MCP），那封裝一塊線路或模組時就稱為多晶片模組封裝（Multi-chip module package；MCM）。MCP與MCM間主要的差別在於是否是一個完整的線路，MCP只有主動元件，而MCM則包括了主動元件及被動元件。
《圖二 MCM分類說明》MCM若依照材料及製程的不同，可以分為下列四種：(1)MCM-D（Deposited）：沈積式MCM，它是以氣相沈積等方式在基板材上形成線路導線及接點等，由於可以製成極細的線寬，所以佈線密度高。(2)MCM-L（Laminated）、MCM-L/D：薄片式MCM，在低溫共燒陶瓷薄片或金屬薄片上，以沈積方式或以蝕刻方式形成線路導線及接點，再將IC、電晶體等主動元件及電阻、電容等被動元件予以粘結。為了提高嵌埋密度，可和MCM-D 相結合（即MCM-L/D），藉由沈積的方式達到更高的密度。(3)MCM-C（Ceramic）、MCM-C/D：陶瓷式MCM，它是以多層陶瓷生胚為基材，經由不同層間構成線路導線及接點，再將IC、電晶體等主動元件及電阻、電容等被動元件予以粘結。為了提高嵌埋密度，可和MCM-D 相結合（即MCM-C/D），藉由沈積的方式達到更高的密度。(4)MCM-PCB：電路板式MCM，由於陶瓷材料燒結不易，產量有限，且以陶瓷材料作為基板材，許多功能與PCB多層電路板非常類似，因此也有業者以PCB多層電路板做為MCM的基板材，不過PCB多層電路板的吸潮性一直是它在惡劣條件下（如汽車中）使用的障礙，再加上PCB多層電路板耐熱性較差，雖然新型的材料和製程，及高密度互連（HDI）的佈線技術，再加上板材成本低廉、加工方便，具有規模經濟，已可滿足環境標準要求，但一時間仍難大量突破以陶瓷基板為主的傳統應用領域。MCM與SoC的比較系統單晶片（System on a Chip；SoC）就是利用晶圓生產技術把一塊線路納入一個晶片中，而MCM則是利用封裝生產技術把一塊線路納入一個封裝中。因此，SoC和MCM恰好就是半導體前段、後段各自演進的一個成果。我們先看看SoC，把一個「系統」放在晶片上就是SoC的基本定義，也是電子元件演進循環中：把一塊線路納入的演進過程。在這裏，系統的定義其實是很廣泛的，繪畫顯示功能或網路連線功能，你可以說它是一個系統、也可以說它是一個次系統（Subsystem），因此你可以發現SoC早已應用並出現許多電子元件，如：顯示功能原係由許多元件組成，目前已濃縮成一顆IC，網路功能也是類似的情形，而另一個明顯的例子則是家電產品的「微電腦控制」部份。既然SoC早已出現且早已應用，但為什麼這兩年才特別突顯SoC這個專有名詞呢？你可以發現：由於技術能力的限制，以往SoC所涵蓋的系統規模較小，多在次系統階層，因此是在相同材料、同樣製程、類似設計條件下開發生產完成的，因此這個演進過程彷彿是順理成章的，並沒引起業界太多關注。雖然在這個過程中，很平順地渡過了，不過隨著設計規模越來越大，進而催生了知識產權（IP），隨著IP的盛行，不管再大的系統也好似已成為各種不同的IP模組的積木遊戲場，對設計開發人員而言，要開發一個由上千萬個閘（Gate）組成的電路，問題已不大。其次，由於生產技術的大幅向前飛越，線徑的快速縮小，使得今天晶圓廠要把一片容納上千萬個閘（Gate）組成的晶片製造出來，也已不是問題。既然SoC以往運作沒問題，那現在的問題是什麼呢？1. 技術問題導致生產良率無法提高：就以往的發展經驗，技術似乎不是問題，但那是在相同材料、同樣製程的情況下開發生產。目前SoC的發展已到了必須整合各種不同功能的次系統於一身，所以就面臨不同材質（如：雙載子；Bipolar）、新材料（如：砷化鎵；GaAs和鍺化矽；SiGe）、新製程（如：類比元件的高壓製程）。這些都和原先數位元件慣用的CMOS材質與常用的低壓製程等大不相同，因此經驗累積有限，生產良率無法快速提高，也使得生產成本偏高，在短期內也難以降低。就算是以原先慣用的CMOS材質與低壓製程來製造，也面臨許多問題，如：一個SoC設計可能需要從多個供應商處購買使用不同生產製程的IP模組，各個IP模組是在不同技術規格下開發的，例如：如何將0.25μm製程設計的微處理機IP模組內核和用0.18μm製程設計的開關和記憶體IP模組結合呢？2. 整合成本太過高昂：其次是IP模組的供貨情況和價位，某些高性能IP單元（如DRAM、RAMDAC等）在全球僅有少數矽晶圓廠才具備生產能力，代工價格當然會較高，也會使得整合成本太過高昂。而且在次系統時，每個次系統可以針對它特定功能，在設計及生產時做最佳化的處理，但當把這許多次系統集合起來時，特性的需求就變得五花八門、難以取捨了。就如同一個負責房屋裝修的團隊，它是由木匠、泥水匠、電匠、水電匠等組成，因此可以各司其職，把該做的做到又快又好，但是如果把這個團隊改成一個全能技工時，是不是在事務取捨上就會產生衝突及不足呢？SoC也是如此。3. 設計開發時間長、生產調適時間多：除此之外，由於SoC的系統規模大，納入的IP多且可能來自不同來源，再加上新材質的挑戰，使得設計開發時間加長、生產調適時間增多，這就讓開發時程無可避免的拖後，甚至延誤了市場商機。4. 市場需求問題：就晶圓而言，經濟產量（或規模產量）是這個產業不斷進步的根源，由於市場有強大的需求，所以晶圓廠不斷地縮小線徑、提高晶圓尺吋，藉以提高每片晶圓的產出，進而降低生產成本，再以低價搶奪更多的市場。這個過程以往運作地很順利，運作順利的原因是根基於電子產品的開發過程。我們如果把電子產品開發過程當成是拼積木，我想很多先進也會有類似的感覺，當我們把小片積木改成大片積木時，雖然拼圖的速度變快了，但限制也增加了，你會發現有些功能是多的、用不上的，而也有些積木商因為開發出的積木沒法卡上去（滿足市場需求），所以失敗了（最明顯的例子是繪圖晶片，每代產品的廠商排名都大不同的），但是積木的製造商卻因為積木的高度標準化，使得生產量提高、單位成本降低，再促成市場需求增加。市場需求其實是滿玄妙的，尤其是科技產品，往往都是開創出一個全新的功能，這時許多應用面都不明確，而消費者因為從沒用過，沒法訂定具體詳細規格，完全是由開發商擔綱自行開發，這就如同一盤賭局，成敗得失是非常巨大的。當我們隨著電子元件演化循環向前演進，想要把所有積木全拿掉，直接改成一個產品時，開發商就面臨一個非常大的成敗考驗，因為不再能像過去成功模式－利用產品的高度標準化來降低單位成本，所以必須直接面對市場需求。如果市場需求不高，生產量有限，單位成本也就無法降低，最後這個產品的成本會比積木式還要高出許多，那就注定要一敗塗地，開發廠商也會蒙受重大損失。綜上所述，以長期發展趨勢而言，「輕、薄、短、小與多功能」是科技產品持續發展的一條道路。目前，科技產品的整合度越來越高，半導體業界前後段製程為了迎合這個趨勢，分別朝向系統單晶片（System on a Chip,；SoC）及系統單封裝（System in a Package；SiP）兩大方向努力。由於以往半導體前段製程－晶圓製造的成就非凡，因此對SoC更是寄予無限的期望，更被視為未來數位資訊產品的關鍵技術。但SoC發展至今，受限於由於技術瓶頸高、生產良率低、從研發到量產的時間長與成本高昂等因素，多數製造廠商仍處於研發階段，這也是這些年沒有太多所謂SoC產品問市的主因。如果跳脫原先思考的框架，回頭看看消費者的需求，既然SoC技術不能解決所有系統整合的問題（如：SoC在整合不同材料、不同製程時困難重重，但這對SiP而言，卻是相當簡單的，因為它是使用不同的晶片組合而成，還能將表面貼裝元件或分立的片式電容電阻放在一起使用），因此業界可以將眼光轉向到SiP，至於未來，由於SiP與SoC各自具備不同的優勢，希望能藉由SiP與SoC共同提供更高的整合度，滿足新一代系統設計的需求。談到這裡，因為MCM能將現有技術開發出來的晶片組合後，同時具有小面積、高頻高速、低成本與生產週期短的優勢，可以滿足新一代的產品需求，看來MCM就是我們的極佳選擇。但問題真的是那麼簡單嗎？MCM仍需克服的障礙九十年代的障礙MCM在九十年代初期各方研究非常積極，但始終沒有大規模的商業應用出現，分析其原因如下：1.技術能力不足、良率偏低：當時晶圓生產技術和今日相比，相差五至六個世代，當時為滿足系統基本要求常需放置多達二十個的晶片，且當時晶片的良率遠不如今日，而MCM的良率是各個晶片良率的乘積，而不是良率的總和，由下列之試算表，你可以發現以那麼多晶片構裝MCM，良率卻如此之低（以每個晶片95%，當一個MCM內包含10個晶片，在不計封裝及測試的可能損失時，MCM的良率只有60%；若單一晶片良率只有90%，成品良率只剩35%，如何能生存或維持呢？），且晶片一經粘貼打線後就無法更換，所以只要有一顆不良品，而其餘都是良品，但這片MCM也只有拋棄一途，使得整體成本更是居高不下，這和傳統以單顆元件封裝後再在PCB電路板組成線路方式相比（此時若零件故障還可以更換單顆元件，不須丟棄整塊電路板），根本沒有競爭力。表一 MCM的良率是各個晶片良率的乘積單一晶片 MCM內晶片數量良率 2 3 4 5 7 10 12 15 2099% 98% 97% 96% 95% 93% 90% 89% 86% 82%98% 96% 94% 92% 90% 87% 82% 78% 74% 67%97% 94% 91% 89% 86% 81% 74% 69% 63% 54%96% 92% 88% 85% 82% 75% 66% 61% 54% 44%95% 90% 86% 81% 77% 70% 60% 54% 46% 36%92% 85% 78% 72% 66% 56% 43% 37% 29% 19%90% 81% 73% 66% 59% 48% 35% 28% 21% 12%2.生產設備昂貴、產量不足：MCM由於是在一個封裝內打上多顆晶片，且這些晶片的擺置方向不盡相同，這和傳統的生產方式有相當大的區別，再加上MCM先天特性形成「少量多樣式生產」，且每項產品對開發及生產時效的要求很高。業界目前存在兩種生產方式：一是使用非常精密的多轉軸數值控制機，此類設備產量少、精密度高，價格昂貴自不在話下，也造成MCM的生產成本居高不下，售價高當然不利市場推廣；另一是使用人工生產，使用舊式設備以人工操作對準，如在低工資國家（如：菲律賓）生產，這種方式的生產成本較低，但缺點是需要技術純熟的操作員，產量無法快速提昇，且以人工生產，品質略遜。這兩種方式都使得MCM這類產品無法進入市場主流，只能佔有軍事、航太或高性能電腦設備等這類不太計較價格，但需求量少且高毛利的利基產品市場。3.材料供應不足：MCM的材料供應過去存在著兩大問題：(1)晶片部份：在MCM的生產方式下，對晶片的要求就是晶片規格及種類要夠多，這樣才能配合客戶需求，組出適當的產品，但是因為是少量生產，每批產量有限，所以對每種晶片的需求量也低。一般設計公司的晶片品種不全，IDM大廠的晶片品種雖較全，但無意外賣，因此光是要找到這些種類繁雜的晶片就已十分不易；若再加上每種晶片的採購量低，就更難引起供應商的興趣；可是若向供應商訂購較高數量，各種晶片合計的庫存金額太高且晶片保存保管也是一大問題。因此，如何籌集足夠種類、適當數量的晶片，建立一個包羅萬項且供應無虞的晶片庫（Dices Bank），是MCM在晶片材料的首要問題。(2)基材部份：MCM仍是以陶瓷基板為主要的基板材，PCB多層電路板雖已有長足進步，但一時間仍難大量突破以陶瓷基板為主的傳統應用領域。而陶瓷基板的市場前途未明，投入的廠商少，因此產量有限。尤其，陶瓷材料在燒結時，因材料遇熱收縮所可能造成規格的變化、及各層變異量不一，更是目前必須面對的首要問題。目前的現況看到以上三項成因後，你就可以明白MCM為什麼在商業生產上一直無法順利開展的原因。但這些問題是不是都解決了呢？時至今日，由於技術不斷地大幅向前推進，原先需要以多達二十個晶片構成一個系統的方案，現在只需要四至五顆晶片就可構成功能更強大的系統，且目前單一晶片良率也大幅提昇，部份廠商甚至增強晶圓點測功能，僅使用好的晶片，使得系統良率大幅改善，成本效益獲得明顯提昇。另外在生產技術方面，利用覆晶的技術從事晶片多層堆疊，目前亦有廠商生產，唯其功能僅限於MCP，尚無法達到MCM。至於基材的研究也有所突破，但仍待普及。至於Dices Bank可能需要業界以策略結盟方式合作，方能建立一個較完整的元件庫，供廠商開發具各項功能的新產品。因此我們深信MCM未來能帶給業界極大的效益，最後以一句短語作為本文的結語：MCM can make IC more powerful !