wsi

计算机小型化技术思考

沈绪榜Ξ

赵晓红ΞΞ

中国科学院院士

研究生

(西安微电子技术研究所,西安710045

)

摘要:本文主要讨论了以芯片制造技术为基础的计算机小型化技术。

关键词:三维集成圆片规模集成多芯片模块微机电系统

1.前言

回顾短暂但很丰富的计算技术发展历史,从真空管到晶

体管,到微电子时代,以及相应的装配技术的进步,都说明刺

激这种发展的一个简单目的就是要不断提高单位体积内的

计算处理能力。小型化一直是计算机发展的方向之一。芯

片本身只是一块帄方厘米左右的薄薄的硅片,但传统的图1

中所示的管壳封装、印制板封装与母板封装的三级封装集成

技术,往往使得芯片在最后产品中所占用的体积还不到百分

之十的空间,这是一个巨大的小型化损失。为了挽救这个损

失,人们从提高印制版的装配密度上作了许多工作,如提高

打孔密度,减少线条宽度,以及芯片封装形式等。从图1中

可以看出,这些改进都是属于芯片封装之后的系统集成技

术。但更有效的方法还是芯片封装之前的以芯片制造技术

为基础的系统集成技术。现在,芯片技术所面临的已不仅是

器件级的问题,还有面向系统级的集成技术问题。

图1传统的三级封装集成技术

集成电路,例如,三维图象处理器芯片。按照制造技术,三维

集成电路芯片还可进一步分成两类:一类是将独立制造的一

般集成电路芯片利用金属线互连在一起的混合型技术。这

种技术的好处是容易制造,成品率高,技术问题少,以及便于

增加功能;缺点是焊点同晶体管比较起来要大得多,互连密

度不高。另一类是直接制造三维的集成电路芯片,这是未来

开发的核心。在这种三维集成电路的制造工艺中,每层有源

器件的制造是跟一般的两维CMOS集成电路园片的制造相

同的,只是在两层有源器件之间要有绝缘层及提供垂直导线

的孔,以便在两个有源器件层之间完成芯片功能上所需的互

2.三维集成技术

现在的VLSI芯片上都只有一个有源器件层,是一种两

维芯片技术。现在已发展到系统芯片的水帄,可以将某些应

用系统用一块这样的芯片实现。这是通过提高芯片集成度

来使计算机小型化的。而三维芯片技术是指在芯片上对含

有两个以上有源器件层的垂直无缝集成的芯片设计与制造

技术。按照每层上的功能是否相同,三维集成电路芯片可分

为两类:一类是每层上具有相同功能的三维集成电路,例如,

三维存储器芯片电路;另一类是每层上具有不同功能的三维

Ξ沈绪榜(SHENXubang,1933～),中国科学院院士,湖南临澧县人,1957年毕业于北京大学数学力学系计算机专业。现任西安微电子技术研究所研究员,

华中理工大学教授。一直从事计算机设计及其芯片实现的研究工作。1965年到1977年12年间先后完成了国产SSI电路、MSI电路以及LSI电路的三种

嵌入式计算机设计及应用,为促进我国微电子技术及嵌入式计算机的发展,作出了突出贡献,获国家级科技进步特等奖及三等奖各一次。80年代,从事

DSP计算机及其芯片的实现研究,获国家级科技进步三等奖一次。1986年获“国家级有突出贡献专家”称号。90年代承担32位RISC微处理器,DSP微处

理器,以及嵌入式MPP计算机等研究任务,已获国家级科技进步三等奖一次。主要著作有“超大规模集成系统设计”等五部。已培养博士生10人,1998

连。

三维集成电路芯片应用的最典型的例子就是将传感器

功能与信息处理功能集成在一个芯片上的图象传感器芯片,

这种集成电路常叫做计算传感器。因为图象传感器所完成

的功能就是用光电二极管将光信息改变成模拟电信息,再用

模数转换器将模拟量转换成数字量,如果需要计算则还要有

算术逻辑部件、存储器与控制电路等。这些功能正好利用三

维芯片集成技术中的不同层来实现图象计算的数据并行性,

以及数据匹配中的高速识别。基于这些认识,日本的几家公

司开展了制造三维灵巧图象传感器的工作,目前已成功地制

造出了一些三维集成电路芯片。例如,三菱电器公司研制了

一种三维图象处理器芯片,采用四层有源器件,是一种适合

于距离传感器应用的智能图象传感器芯片。此芯片在顶层

有64×64个象素,在第二层有1×64个传感器驱动电路,在第

三层有8×8个模数转换器,以及在底层有8×8个减法电路。

这种三维集成电路芯片首次实现了距离传感的实时应

用,这是采用两维集成电路的一级电荷耦合器件(

CCD,

ChargeCoupledDevice

)阵列所不能完成的。松下电器工业

有限公司为移动对象的传感器也开发了一种三维集成电路

芯片,采用四个有源器件层。顶层有64×64的帧存储器,以

及在底层有一个带控制电路的64×64的帧存储器与减法器

阵列。而夏普公司则为字符识别研制了一种三维集成电路

芯片,也采用四个有源器件层。图2中的芯片是由5500只

二极管与220000只晶体管组成,芯片面积为14.3mm×14.

3mm,它同时传感12个字符,能识别64种字符,包括大写与

小写字母、阿拉伯数字以及其它几种符号。芯片第一层由光

电二极管组成,以传导方式操作。第二层将图象进行数字化

并完成一个多数判别。底下两层用于样本匹配,由队列及屏

蔽寄存器,以及一个联想ROM存储器组成。此三维集成电

路芯片识别的每个字符由10×14位矩阵组成,而每位是由

3个象素构成的,故每个字符占有420个象素,同时识别12

个字符的芯片共有5040个象素。三维集成电路芯片的主要

好处是:密度高,速度快,以及

材料省,还有可靠性高,功耗低,价格便宜,轻巧,以及大量生

产等。

3.园片规模集成技术

园片规模集成(

WSI,WaferScaleIntegration

)是一种用

整个园片实现大数字系统的技术,这种技术将构成系统的许

多电路制造在不切割的园片上,并在园片上将这些电路联接

起来构成所需的系统,而整个园片或多个园片作为一个整体

封装起来。图3是美国休斯公司在其航空航天图象理解应

用的嵌入式MPP三维计算机中所采用的一个实际的WSI

系统集成技术的示意图。从制作技术上讲,园片的模块制作

技术,与VLSI芯片的制作技术是相同的,但模块的设计技

术以及模块间的互连与冗余技术,特别是园片之间的互连技

术,则完全是新的。

图3园片规模的集成技术

在VLSI技术中,一个园片上要制造许多等同的电路,

然后对这些电路进行测试,将园片切割成小的芯片,最后将

功能正确的芯片用管壳封装起来。而在WSI技术中,一个

园片上要制造几种不同功能的电路,为了保证系统的成品

率,同种电路都需要好几个。然后将工作电路联接起来以构

成所需的系统。

园片之间互连有三个基本技术。首先是穿通孔技术,它

使硅园片的相对的两面之间通过园片上的信号线通讯成为

可能。其次是互连技术,它使相互堆放起来的相邻园片之间

的电气通讯是实际可行的。第三是园片的堆放或组装技术,

它使堆放在一起的园片上的电路能彼此精确地对准。利用

这三项关键性的技术,将构成WSI处理器的园片堆组装在

在非金属化区域进行光通讯;二是在园片上打孔,然后在孔

中填上导电材料;三是热迁移(

thermos-migration

)方法。这

三种方法均有其优点与缺点,休斯公司已实际成功采用了第

三种方法。

互连技术是开发WSI的另一项主要技术。休斯公司采

用了图4中所示的微桥方法,桥孔的高度是足够补偿因园片

上电路带来的不帄坦性的。当园片堆中园片之间的缝隙出

现变化时,交叉的“微桥对”能可靠的匹配。微桥是在园片的

两面通过真空蒸发而成批制作的,而且是与硅技术工艺兼容

的。在园片的背面上微桥的指向相对于园片的电路面旋转

了。因此,这些微桥是直角相交的,形成一个十字。微桥的

重要优点是它可以长到与计算单元一样,即使这样,在园片

上也仅占小量的面积。这种相对长的微桥跨度减少了可靠

组装园片堆所要求的精确程度,而且保证了更安全的互连。

园片组装成一个堆而堆已成功测试之后,就将园片堆加热到

焊料的熔点,并使每个配对的微桥焊在一起,形成一个固定

的非常可靠的连接。

作为二次集成的最有希望的新技术要首推MCM

(

Multi

ChipModules

)装配技术。MCM技术,或者更确切地说,不

可编程的MCM技术主要有三种。这三种基本技术是:

MCM-L

(

Laminates

)

,它最便宜,能提供少或中等数量的I/

O端;MCM-C

(

Ceramic

)

,它比较便宜,能提供中等或多的

I/O端;MCM-D

(

depositedthinfilm

)

,它能提供最高的布线

密度。

MCM-L是指采用PCB材料与制造技术的MCM技

术,它实质上是一种采用COB

(

Chip-On-Board

)技术安装

芯片的先进PCB。它利用铜作导线,聚合物(

polymeric

)介质

经常是用玻璃布(glasscloth)加固的。MCM-C是指在陶瓷

基板上构造的MCM技术,它用厚膜(筛网印刷)制作导线,

介质是高温或低温的。MCM-D是通过金属与介质的薄膜

沉积而形成互连的,使用无机介质的聚合物。它能改善布线

密度,也能改善性能,比陶瓷方法的传播延迟时间减少30-

40%。

MCM优点的利用对设计者都是一种挑战,首先是小型

化优点,MCM新工艺带来的更小更密的设计意味着要有新

的布线方法与导孔结构;其次是更低的热耗优点,意味着芯

片布局、导热孔、电源面以及导热槽等的新设计;第三是更快

的电气性能优点,也意味着芯片布局、布线方法以及信号完

整性等的创新。只有这样,才能把握住MCM设计的复杂

性。换句话说,MCM的全定制设计是一项复杂的工程设

计。为了旁路设计困难,可编程的MCM即PMCM得到了

发展,以减少工程延迟与开销。PMCM园片有芯片位置与

几个可编程互连层,象门阵列园片一样是大量制造的。于是

使用时只需要有芯片的布局与程序设计熔丝的取舍(类似

FPGA

)

,以完成布线。

最有发展前途的MCM系统集成技术是硅园片作基板

的技术,图5是这种MCM技术的一个实际例子,它虽然不

是无缝的集成技术,但与WSI技术很类似,只不过它还是通

过倒装法(

FlipChip

)把好芯片装到大园片上的。芯片与大

图4圆片之间互连的微桥方法

组装技术就是当园片堆起来时的物理装配。组装或装

配工艺需要同时满足的几个严格要求是:一是园片彼此之间

对齐的误差要远小于微桥的长度;二是园片之间的距离控制

要在优于互连尺寸范围的容差内;三是限制组装的机械稳定

性与刚直性要适合于防止互连的分开或损害;四是机械结构

的热传导要足够把园片堆电路所产生的热传到散热的外表

面;五是环境保护;六是数据I/O与功耗。园片到园片的对

齐是以简单的两步处理实现的。首先是电路阵列通过一个

参考标志而横向与旋转对齐的。这是在一个装有两个精确

定位针的设备上完成的。其次将带有事先作好的精确孔的、

薄的金属泊垂片(约20厚,这些孔是与设备的针匹配的)

,加

到园片上。薄的金属垂片是用环氧树脂粘接到园片上的,于

是单个园片上的电路阵列及其微桥互连阵列就精确地安排

园片基板的互连是用C4

(

ControlledCollapChipConnec2

tion

)技术完成的。该技术可以减少整体尺寸30～50%,改

善电性能10～30%,并具有高的性能和可靠性。

MEMS技术在军事上的隐蔽性与攻击性,使发达国家

正在下大力量从事军用的研究与开发。美国正在研究一种

体积像昆虫的MEMS武器,用来破坏人体或电子系统。送

人登月的美国国家航天局的一个分支机构艾姆斯研究中心,

正想设计出一种能够飞到其它星球上从事生产性工作的微

型飞船,一次可以发射几百万个。由于MEMS芯片中的电

路集成度不会很高,可以在廉价的生产线上进行生产,我国

也是能开展这项工作的。

技术

正像电子元件有强电和弱电之分一样,机电系统也有大

功率与小功率之分。强电电子元件,比如可控硅元件,是用

以控制功率的;弱电电子元件,比如集成电路上的晶体管,是

用以控制信号的;通常的机电系统用机械力实现各种用途,

而微机电系统的功率极小,也是主要用于控制和处理各种信

息的。微机电系统(

MEMS,MicroelectromechanicalSystem

)

就是把传感器、电动机和各种处理器等无缝的集成在一个硅

芯片上而构成一个系统的。科学家们已开始在硅片上制造

出微机电系统,它的效果已展现出今天芯片制造能力的崭新

的微型化奇迹。微机电系统最终将像目前的芯片一样普遍。

由于多数MEMS芯片的电路比存储器或微处理器都要简

单,它们可以在一般的芯片生产线上用较低的成本制造出

来。这可以说是MEMS带来的技术革命的一种特点。一般

说来,新技术产品走向市场时总是较贵的;但MEMS产品一

开始就能用低价格大量生产,性能好,功能新,具有巨大潜力

打破旧的经济秩序。几种基本的微机电系统已经在美国、日

本和德国使用。例如,上百万辆汽车安装的一种细如发丝的

传感———致动器,当它“感觉”到撞击时,就会立即打开保险

气袋,防止撞伤。

6.思考

计算机的小型化主要是靠芯片技术及其组装技术的进

步实现的。众所周知,芯片技术是按照Moore的预言发展

的,随着芯片集成度的不断提高,不仅使计算机的设计内容

越来越多地从PCB转到mask的设计上来;而且随着应用的

小型化要求的不断上升,使计算机的组装技术也从PCB技

术逐渐转移到制造芯片的集成技术上来。计算机的小型化

一是靠提高芯片的集成度,二是靠上述在已有芯片制造技术

基础上的系统集成技术。所以,为了加速我国计算机产业的

发展,如何创造一种环境,使我国的计算机的硬件与软件设

计者能很好地与芯片制造者更紧密地结合起来,进行系统集

成设计的创新,也许是一件非常关键的事情。美国的Wintel

取得举世闻名的成功;我想中国企业之间的联盟在日益激烈

的国际市场竞争中,也是能取得类似的成功的。

ThoughtsonTechnologyofComputerMiniaturization

MemberoftheCAS

Graduatestudent

SHENXubang

ZHAOXiaohong

(XianMicroelectronicTechnologyInstitute,Xian710054)

Abstract:Inthispaper,badonchipmanufacturetechnology,thecomputerminiaturizationtechnologyis

mainlydiscusd.

Keywords:threedimentionintegration,waferscaleintegration,multichipmodules,MEMS

(

Microelectron2

imechanicalSystem

)

(责任编辑:曙光)