你所该知道的MCM

MCM是什么?

电子、信息、通信行业专有名词的浩繁，多不胜数。尤其是专用名词缩写使用的泛滥，常常原本懂的却被几个专有名词的缩写弄得不知所以。因此，在讨论多芯片模块(Multi - Chip Modules, MCM)前必须先对这个专有名词的缩写加以说明。

《图一 电子组件演进循环示意图》

谈多芯片模块MCM，必须先说明电子工程的整个努力方向及趋势，就以笔者所归纳提出的「电子组件演进循环」为基础，说明如下：

电子工程师先开发出一个「组件」（如：晶体管），接着就会想办法要把「多个组件」挤进去；当能把多个组件挤进去后，就会想要把「那些组件组成的线路」塞进去。

当能「把这块线路变成一个组件」，电子工程师就会再重复上面这个循环，把更多的组件挤进去、把更多线路集合成一个线路。

由于技术不断地进步，这个循环不停地转动，所以我们看到了从早期一个晶体管集合而成IC，从IC进步到LSI（Large scale IC）再到VLSI（Very Large Scale IC），然后到今天集合数百万颗晶体管的IC。

如果将半导体工业粗略分成前段－硅晶圆、后段－封装测试的话，在上面这个电子组件演进循环中，我们多数人的目光是集中在硅晶圆阶段，也就是由每片芯片一颗晶体管到几百万颗晶体管的演进过程，却忽略了封装技术的演进，而多芯片模块MCM就是封装技术演进的成果。

所谓多芯片模块MCM就是将多个裸芯片，直接黏着并内接于由导体层与介电层构成的各种材料基板上，所构筑而成的多芯片小型模块。简单说，就是把多个芯片（Chip）组成的模块（Module）纳入一个封装内，这里的芯片可能是IC、二极管、晶体管、MOSFET或是其他的主动组件IC，重点是他们全部封在同一个封装内。

此外所谓的系统单封装SiP（System in Package）其实指的就是多芯片模块MCM，因为SiP是要把系统功能放在单一封装，所以这是从产品的外观来看；但是若从这个单一封装产品的内部来看，它是由许多个芯片组成的，所以它就是MCM；因此SiP与MCM说的是同一件事，只是SiP说明的是外观，MCM说明的是内在，这也是专业名词缩写常常带来的问题。

其实这样的产品很早以前就有，我想各位读者应该看过把两个二极管封装在一个3Pins的封装内，也看过把多颗MOSFET封在8 pins或16 pins标准的IC封装内，这些在同一个封装内封上了多颗二极管或晶体管的产品，就是按照以上所述在演化，接下来你就会发现将一块线路封在一个封装内，这也是我们接下来要讨论的重点。

MCM的种类

MCM一词目前使用得有些浮滥，如果要把MCM予以分类，就必须为MCM作一明确定义。

若以「电子组件演进循环」为基础来观察封装类别，你可以发现封装一个组件称为封装（Package），封装多个组件就称为多芯片封装（Multi-Chips Package；MCP），那封装一块线路或模块时就称为多芯片模块封装（Multi-chip module package；MCM）。MCP与MCM间主要的差别在于是否是一个完整的线路，MCP只有主动组件，而MCM则包括了主动组件及被动组件。

《图二 MCM分类说明》

MCM若依照材料及制程的不同，可以分为下列四种：

MCM与SoC的比较

系统单芯片（System on a Chip；SoC）就是利用晶圆生产技术把一块线路纳入一个芯片中，而MCM则是利用封装生产技术把一块线路纳入一个封装中。因此，SoC和MCM恰好就是半导体前段、后段各自演进的一个成果。

我们先看看SoC，把一个「系统」放在芯片上就是SoC的基本定义，也是电子组件演进循环中：把一块线路纳入的演进过程。在这里，系统的定义其实是很广泛的，绘画显示功能或网络联机功能，你可以说它是一个系统、也可以说它是一个次系统（Subsystem），因此你可以发现SoC早已应用并出现许多电子组件，如：显示功能原系由许多组件组成，目前已浓缩成一颗IC，网络功能也是类似的情形，而另一个明显的例子则是家电产品的「微计算机控制」部份。

既然SoC早已出现且早已应用，但为什么这两年才特别突显SoC这个专有名词呢？你可以发现：由于技术能力的限制，以往SoC所涵盖的系统规模较小，多在次系统阶层，因此是在相同材料、同样制程、类似设计条件下开发生产完成的，因此这个演进过程彷佛是顺理成章的，并没引起业界太多关注。

虽然在这个过程中，很平顺地渡过了，不过随着设计规模越来越大，进而催生了知识产权（IP），随着IP的盛行，不管再大的系统也好似已成为各种不同的IP模块的积木游戏场，对设计开发人员而言，要开发一个由上千万个闸（Gate）组成的电路，问题已不大。其次，由于生产技术的大幅向前飞越，线径的快速缩小，使得今天晶圆厂要把一片容纳上千万个闸（Gate）组成的芯片制造出来，也已不是问题。

既然SoC以往运作没问题，那现在的问题是什么呢？

1. 技术问题导致生产良率无法提高：

就以往的发展经验，技术似乎不是问题，但那是在相同材料、同样制程的情况下开发生产。目前SoC的发展已到了必须整合各种不同功能的次系统于一身，所以就面临不同材质（如：双载子；Bipolar）、新材料（如：砷化镓；GaAs和锗化硅；SiGe）、新制程（如：模拟组件的高压制程）。这些都和原先数字组件惯用的CMOS材质与常用的低压制程等大不相同，因此经验累积有限，生产良率无法快速提高，也使得生产成本偏高，在短期内也难以降低。

就算是以原先惯用的CMOS材质与低压制程来制造，也面临许多问题，如：一个SoC设计可能需要从多个供货商处购买使用不同生产制程的IP模块，各个IP模块是在不同技术规格下开发的，例如：如何将0.25μm制程设计的微处理机IP模块内核和用0.18μm制程设计的开关和内存IP模块结合呢？

2. 整合成本太过高昂：

其次是IP模块的供货情况和价位，某些高性能IP单元（如DRAM、RAMDAC等）在全球仅有少数硅晶圆厂才具备生产能力，代工价格当然会较高，也会使得整合成本太过高昂。

而且在次系统时，每个次系统可以针对它特定功能，在设计及生产时做优化的处理，但当把这许多次系统集合起来时，特性的需求就变得五花八门、难以取舍了。就如同一个负责房屋装修的团队，它是由木匠、泥水匠、电匠、水电匠等组成，因此可以各司其职，把该做的做到又快又好，但是如果把这个团队改成一个全能技工时，是不是在事务取舍上就会产生冲突及不足呢？SoC也是如此。

3. 设计开发时间长、生产调适时间多：

除此之外，由于SoC的系统规模大，纳入的IP多且可能来自不同来源，再加上新材质的挑战，使得设计开发时间加长、生产调适时间增多，这就让开发时程无可避免的拖后，甚至延误了市场商机。

4. 市场需求问题：

就晶圆而言，经济产量（或规模产量）是这个产业不断进步的根源，由于市场有强大的需求，所以晶圆厂不断地缩小线径、提高晶圆尺吋，藉以提高每片晶圆的产出，进而降低生产成本，再以低价抢夺更多的市场。

这个过程以往运作地很顺利，运作顺利的原因是根基于电子产品的开发过程。我们如果把电子产品开发过程当成是拼积木，我想很多先进也会有类似的感觉，当我们把小片积木改成大片积木时，虽然拼图的速度变快了，但限制也增加了，你会发现有些功能是多的、用不上的，而也有些积木商因为开发出的积木没法卡上去（满足市场需求），所以失败了（最明显的例子是绘图芯片，每代产品的厂商排名都大不同的），但是积木的制造商却因为积木的高度标准化，使得生产量提高、单位成本降低，再促成市场需求增加。

市场需求其实是满玄妙的，尤其是科技产品，往往都是开创出一个全新的功能，这时许多应用面都不明确，而消费者因为从没用过，没法订定具体详细规格，完全是由开发商担纲自行开发，这就如同一盘赌局，成败得失是非常巨大的。

当我们随着电子组件演化循环向前演进，想要把所有积木全拿掉，直接改成一个产品时，开发商就面临一个非常大的成败考验，因为不再能像过去成功模式－利用产品的高度标准化来降低单位成本，所以必须直接面对市场需求。如果市场需求不高，生产量有限，单位成本也就无法降低，最后这个产品的成本会比积木式还要高出许多，那就注定要一败涂地，开发厂商也会蒙受重大损失。

综上所述，以长期发展趋势而言，「轻、薄、短、小与多功能」是科技产品持续发展的一条道路。目前，科技产品的整合度越来越高，半导体业界前后段制程为了迎合这个趋势，分别朝向系统单芯片（System on a Chip,；SoC）及系统单封装（System in a Package；SiP）两大方向努力。由于以往半导体前段制程－晶圆制造的成就非凡，因此对SoC更是寄予无限的期望，更被视为未来数字信息产品的关键技术。但SoC发展至今，受限于由于技术瓶颈高、生产良率低、从研发到量产的时间长与成本高昂等因素，多数制造厂商仍处于研发阶段，这也是这些年没有太多所谓SoC产品问市的主因。

如果跳脱原先思考的框架，回头看看消费者的需求，既然SoC技术不能解决所有系统整合的问题（如：SoC在整合不同材料、不同制程时困难重重，但这对SiP而言，却是相当简单的，因为它是使用不同的芯片组合而成，还能将表面贴装组件或分立的片式电容电阻放在一起使用），因此业界可以将眼光转向到SiP，至于未来，由于SiP与SoC各自具备不同的优势，希望能藉由SiP与SoC共同提供更高的整合度，满足新一代系统设计的需求。

谈到这里，因为MCM能将现有技术开发出来的芯片组合后，同时具有小面积、高频高速、低成本与生产周期短的优势，可以满足新一代的产品需求，看来MCM就是我们的极佳选择。但问题真的是那么简单吗？

MCM仍需克服的障碍

九十年代的障碍

MCM在九十年代初期各方研究非常积极，但始终没有大规模的商业应用出现，分析其原因如下：

1.技术能力不足、良率偏低：

当时晶圆生产技术和今日相比，相差五至六个世代，当时为满足系统基本要求常需放置多达二十个的芯片，且当时芯片的良率远不如今日，而MCM的良率是各个芯片良率的乘积，而不是良率的总和，由下列之电子表格，你可以发现以那么多芯片构装MCM，良率却如此之低（以每个芯片95%，当一个MCM内包含10个芯片，在不计封装及测试的可能损失时，MCM的良率只有60%；若单一芯片良率只有90%，成品良率只剩35%，如何能生存或维持呢？），且芯片一经粘贴打线后就无法更换，所以只要有一颗不良品，而其余都是良品，但这片MCM也只有抛弃一途，使得整体成本更是居高不下，这和传统以单颗组件封装后再在PCB电路板组成线路方式相比（此时若零件故障还可以更换单颗组件，不须丢弃整块电路板），根本没有竞争力。

2.生产设备昂贵、产量不足：

MCM由于是在一个封装内打上多颗芯片，且这些芯片的摆置方向不尽相同，这和传统的生产方式有相当大的区别，再加上MCM先天特性形成「少量多样式生产」，且每项产品对开发及生产时效的要求很高。

业界目前存在两种生产方式：一是使用非常精密的多转轴数值控制机，此类设备产量少、精密度高，价格昂贵自不在话下，也造成MCM的生产成本居高不下，售价高当然不利市场推广；另一是使用人工生产，使用旧式设备以人工操作对准，如在低工资国家（如：菲律宾）生产，这种方式的生产成本较低，但缺点是需要技术纯熟的操作员，产量无法快速提升，且以人工生产，质量略逊。

这两种方式都使得MCM这类产品无法进入市场主流，只能占有军事、航天或高性能计算机设备等这类不太计较价格，但需求量少且高毛利的利基产品市场。

3.材料供应不足：

MCM的材料供应过去存在着两大问题：

目前的现况

看到以上三项成因后，你就可以明白MCM为什么在商业生产上一直无法顺利开展的原因。但这些问题是不是都解决了呢？

时至今日，由于技术不断地大幅向前推进，原先需要以多达二十个芯片构成一个系统的方案，现在只需要四至五颗芯片就可构成功能更强大的系统，且目前单一芯片良率也大幅提升，部份厂商甚至增强晶圆点测功能，仅使用好的芯片，使得系统良率大幅改善，成本效益获得明显提升。

另外在生产技术方面，利用覆晶的技术从事芯片多层堆栈，目前亦有厂商生产，唯其功能仅限于MCP，尚无法达到MCM。至于基材的研究也有所突破，但仍待普及。

至于Dices Bank可能需要业界以策略结盟方式合作，方能建立一个较完整的组件库，供厂商开发具各项功能的新产品。

因此我们深信MCM未来能带给业界极大的效益，最后以一句短语作为本文的结语：MCM can make IC more powerful !