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1 引言
多芯片模块MCM（multi－chip module）是将多个集成电路裸芯片，高密度地贴装互连在多层布线的基板上（硅、陶瓷或金属基），然后封装起来构成能完成多功能、高性能的一种新型微电子模块。随着MCM被广泛应用于计算机、通信、军事、航空、航天等领域[1]，大多是关重件，其可靠性对装备及系统的正常使用起着越来越重要的作用。
本研究通过分析多芯片模块的结构和失效模式，采用极限应力对比法和加速寿命等试验方法建立其可靠性预计模型，为可靠性指标的确定以及可靠性设计改进提供依据。
2 建立MCM的失效率预计模型
2.1 结构分析
典型的MCM是在多层布线的基础上，采用微电子技术与互连工艺将电阻器、电容器和电感器等无源元件（印制、淀积或片式化工艺制成）与IC裸芯片进行二维甚至三维组合电气连接，再实施有机树脂灌封，然后与机械或气密封装构成复合器件，其基本构成如图1所示。
2.2 主要失效模式
目前国产MCM研究的重点集中在多层布线的研发，如多层陶瓷基板（低温共烧和高温共烧）、多层薄膜布线和多层厚膜布线等，可靠性问题主要集中在各种材料的热匹配性，通孔的导通性及界面间的应力分布合理性等方面[2－4]。芯片和外贴元器件的贴装方式则主要采用混合集成电路的传统工艺手段，新的组装技术（如倒装焊等）处于探索阶段。 国产低温共烧多层陶瓷基板在进行了温度循环、机械冲击和振动等可靠性试验后，发现样品出现分层，断裂、瓷体裂纹、基板弯曲、介质不平、基板起泡、金导裂纹和粘接不足等缺陷（见表1）。
2.3 影响MCM可靠性的主要因素
通过对国内MCM模块的主要生产厂家的试验情况和实际使用中的失效模式与发生频度分析，筛选出对MCM模块失效有显著影响的因素如下：
（1）电路基板工艺；
（2）复杂度（基板面积、基板层数）；
（3）环境应力；
（4）质量等级；
（5）电路基板表面模式元件可靠性水平；
（6）外贴元器件可靠性水平；
（7）封装因素。
2.4 MCM模块失效率预计模型
考虑MCM失效率与设计、质量控制等级，使用环境、产品结构、材料等主要影响因素的关系，认为基板、膜式元器件和外贴元器件三部分中只要其一失效，MCM模块就会失效。因而用串联模型来描述，考虑到电子元器件的失效服从指数分布[5，6]，其串联模型的失效率为各部分失效率之和，MCM多芯片模块的可靠性预计模型如下：
式中，AS为封底面积（cm2）；λC为布线与工艺失效率，主要考虑布线导带对失效率的影响；πCP为层数系数，表征不同布线层数对失效率的影响；λRT为膜电阻失效率；NRT为膜电阻个数；λTDi为第i类外贴元器件的失效率，国产件可依据GJB/Z299B[5]计算，进口件可依据MIL－HDBK－217F Ⅱ[6]计算：NTDi为第i类外贴元器件的个数：πE为环境系数，表征环境应力对元器件失效率的影响程度，可参照GJB/Z 299B中的πE；πQ为质量系数，表征不同质量等级对元器件失效率的影响程度，可参照GJB/Z 299B中的πQ。
3 MCM电路基板的可靠性试验
3.1 样品的设计与制备
为使样品具有一定的代表性，调研了国产MCM典型产品的层数、金属布线的线宽及表面厚膜电阻的阻值分布，分别制作了5层、10层及15层三种试验样品，以便通过对不同层数的样品进行极限应力对比试验，获得模型中的层数系数πCP。
国内的生产条件能实现的金属布线宽度约在200－450μm之间，样品中制作了三种不同线宽的金属布线，宽度分别为250、350及450μm。
厂家调研结果显示厚膜电阻阻值在1kΩ－10kΩ之间的使用量较大，在10Ω及100kΩ数量级上的使用量相对较小。因而，在样品表面分别制作了2个10Ω，17个10kΩ，2个100kΩ的厚膜电阻。样品由国内已具有MCM－C成熟生产线的某研究所制作，采用LTCC多层陶瓷电路基板，样品尺寸为50mm×50mm，采用44脚双列直插标准管座，样品外形如图2所示。
3.2 极限应力对比试验
极限应力试验是采用高低温冲击来考核MCM电路基板对极端高温和极端低温环境的承受能力，当构成产品各部件的材料热匹配较差，或部件内应力较大时，极限应力试验可引发产品由机械结构缺陷劣化产生的失效。通过对比，可以获得不同层数产品耐环境能力的差异。
依据GJB548－96方法1010A中温度循环试验条件F要求，样品在-65～＋175℃的条件下做温度循环，速率为每小时2－3个周期（每2h至少5个循环周期），从热到冷或从冷到热的总转换时间不超过1min。
3.3 双应力加速寿命实验
为缩短试验周期，采用电应力和热应力对样品进行加速寿命试验。试验主要设备有压源、限流电路板、恒温箱（最高温度达到275℃）及HP3457A万用表（精度为1mΩ）。限流电路板由单面PCB板及高功率绕线电阻组成，样品加电原理如图3所示。
试验采用两台电压源，其中V1电压源通过限流电路加到11条导带及2个10Ω的厚膜电阻上，V2电压源则直接加到10kΩ及100kΩ的厚膜电阻上。试验采取的温度点为200和230℃，两组不同的电压（V1/V2）16/60V和12/40V，各温度下试验样品为6块。
4 模型系数的确定
4.1 层数系数πCP的确定
分别对5层、10层及15层样品首次出现分层时的循环次数进行统计，依据统计数值可以推算出模型中三种样品层数的比例系数πCP。统计数据见表2。
样品出现分层时的循环次数与样品层数之间存在类似反比的关系，基板层数越多，在极限应力的冲击下就越容易出现失效。用最小二乘法得到回归方程。
1/n＝3.31×10－5X＋1.51×10－3 （2）
式中X为样品基板层数。
通过对观测数据的残差分布分析，认为式（2）的线性方程的拟合度较好。把5层样品的πCP定位1，得出10层和15层样品的πCP如表3所示。
4.2 膜电阻及布线与工艺失效率
在进行双应力加速寿命试验时，定时测定基板上膜电阻和导带的电阻值R，膜电阻R阻值变化量≥30％，导带阻值变化量≥100％时，判为失效。
采用阿仑尼斯方程[7]及逆幂律[8]描述寿命t与温度T，电压V之间的关系
利用式（3）和式（4），获得激活能平均值Ea＝0.23eV，逆幂律指数平均值ψ＝2，以试验时间最长的（200℃，40V）试验结果为基准，获得正常工作电压V＝12V时的膜电阻失效率预计模型如下：
（单位：10－6/h）。
利用式（3）和式（4）对表5数据进行处理，
可得出：导带在正常工作电压下的失效率预计为：
（单位：10－6/h）
5 结论
MCM模块失效率预计模型电路基板（布线与工艺）、膜电阻和外贴元器件的失效率三部分构成，层数和工作温度是影响失效率的主要因素，通过研制各种规格的样品，开展极限应力对比试验和双应力加速寿命试验，获得布线与工艺失效率λC，层数系数πEP和膜电阻失效率λRT的模型及参数，为MCM模块的可靠性评价提供支持。 |
