SiP技术从封装工艺角度成为另一种延续摩尔定律的技术路线

随着市场需求的增加和技术的发展，微电子封装正逐步向小型化、集成化和低成本化方向发展，封装形式不断从二维封装向3D堆叠封装推进。同时，传统摩尔定律（Moore's Law）的特征尺寸不断逼近集成电路工艺工艺的物理极限。单纯地缩小芯片特征尺寸已经不能满足半导体技术和电子产品发展的需要。 -in-（in，SiP）技术从封装技术的角度芯片粘结的三种方法?集成电路封装的基本工艺流程?，成为延续摩尔定律的又一技术路线，越来越受到关注并得到应用。

从互连技术的角度，SiP可以分为两类：①通过传统的芯片组装技术实现多个芯片或器件的封装，如引线键合、胶带自动键合（TAB）、倒装芯片键合， ETC。; ② 芯片堆叠是通过直接互连实现的，例如通过硅通孔（TSV）技术将一个芯片直接连接到另一个芯片。图 1 显示了国际半导体技术路线图 (ITRS) 中总结的当前 SiP 的主要封装结构。可以看出，系统级封装不再是单一的封装技术，它包括引线键合、倒装芯片键合、TAB、封装堆叠（PoP）、封装嵌入（PiP）、芯片堆叠（CoC）、混合开发以及封装工艺的集成，例如晶圆级封装 (WLP)、硅通孔 (TSV) 和掩埋基板。 SiP集成了多种封装工艺，内部结构复杂，使用的材料多样，可靠性问题更加复杂。

经过多年的努力，人们对SiP的可靠性进行了大量的研究工作，并取得了一定的成果。笔者将介绍SiP产品在热应力、机械应力和电磁干扰下的可靠性研究现状和主要失效机理，分析用于航空航天领域的SiP产品在可靠性方面存在的问题，并提出相关建议。

1 SiP的可靠性研究现状

与单片集成电路相比，SiP内部复杂的封装结构以及各种芯片和元器件的组合结构，使其对热应力、机械应力和电磁干扰更加敏感，容易出现故障。

1.1 热应力

当芯片和元器件高度集成时，产品组装和焊接时温度分布会不均匀；在运行过程中，随着内部芯片和元器件发热的增加，温度会不断升高，尤其是功率器件的存在。温度分布不均匀和异常高温的出现会导致SiP内部封装结构损坏，不同材料之间会因热膨胀系数不一致而出现热失配，出现分层、裂纹等界面失效。

SiP在设计过程中主要通过热仿真分析其热应力分布和可能的热点，并通过相应地改变SiP设计来改进其热设计。中电29的季星桥利用有限元分析方法对SiP中的两个高密度芯片组件，芯片堆叠和倒装键合进行热仿真分析，发现倒装芯片键合芯片的温度高于相同环境下的芯片堆叠。包裹。邓等人。成大教授利用计算流体动力学软件建立了回流焊炉的热分布模型，通过数值模拟建立了SiP的共轭传热模型，进一步研究了回流焊过程中SiP的热行为。通过实验验证了仿真的有效性。张敏树等研究了回流焊后堆叠焊球的形状，发现在回流焊过程中，由于上层器件的翘曲，堆叠的焊球会呈现出不一致的焊接形状，如图2、通过仿真发现，雪人堆焊球的应力集中比桶焊球的应力集中更严重，认为现有标准无法对堆焊球的可靠性进行适当的测试和评估对于内部缺陷对热应力的影响，日本大学等进行了相应的研究。他们通过有限元方法分析了硅通孔（TSV）结构中存在空洞时的热应力大小和分布，发现热应力主要集中在空洞周围，如图3所示。

在高温状态下，如果引入高湿度条件，塑封SiP产品更容易出现腐蚀、爆米花、热湿应力失效等问题。华南理工大学廖晓宇研究了湿热环境下SiP的应力分布，发现湿应力主要集中在芯片与其他材料的界面处。基板与芯片之间，芯片与芯片之间。在同样的湿热环境下，两芯片SiP封装的可靠性受顶层芯片的影响更为显着。课题组还通过有限元软件对温度循环条件下的双芯片SiP封装进行了应力应变分析，发现底部芯片、胶层和塑料封装接触的四个角承受最大的应力和应变。在热负载的作用下，芯片越薄，SiP封装承受的热应力越大；键合层越薄，SiP封装承受的热应力越小。当芯片厚度小于200 μm时，热应力会显着增加，而SiP封装的热应力受塑料封装材料特性的影响很大。

1.2 机械应力

随着SiP在各行各业的应用越来越广泛，芯片或器件的堆叠所带来的机械可靠性挑战也逐渐成为备受关注的问题。 SiP在机械应力方面的可靠性主要与堆叠封装的厚度和尺寸、热失配、焊点可靠性和封装硬度有关。

当SiP产品中堆叠的薄芯片采用打线方式互连时，由于键合工艺会给芯片带来很大的应力，所以在内部互连时要特别注意键合线的跨距尺寸。当堆叠芯片的厚度在75μm左右时，很少进行引线键合以避免芯片破损；当堆叠芯片的厚度增加到150μm以上时，键合线的跨度可以达到2mm。目前，通过TSV、微凸块等先进堆叠工艺的应用，国内堆叠封装实现的堆叠芯片数量已达到128层。

由于硅基芯片的压阻效应，SiP封装引入的机械应力会影响产品的性能。由于硅晶片、基板、模塑料和键合材料之间的热失配，SiP 在使用过程中会承受热机械应力。因此，选择合适的封装材料，使用合理的工艺流程，有利于降低热机械应力。模拟技术的引入可以模拟新设计的SiP产品的热失配应力，有利于降低产品的热机械应力。

SiP 产品具有复杂的互连系统。焊点的可靠性关系到异种材料之间电气和机械连接的可靠性，在很大程度上决定了产品的质量。在循环弯曲和跌落等机械应力的作用下，SiP的主要失效点集中在焊点位置，尤其是在封装体硬度较大时。密封剂的较高刚度将更多的力传递到焊球，加速互连故障。此外，传递到内部的力会导致基板变形和翘曲，从而导致芯片破损、基板键合和分层以及封装与基板之间的焊接。在有限元模拟分析的基础上，Lee 等人。在新加坡，考虑了蠕变、弹性和塑性应变等多种失效机制，并应用 Cofin-疲劳寿命定律成功预测了各种封装焊点的疲劳强度；将CSP跌落测试的可靠性与仿真结果进行对比，详细分析跌落过程中焊球的变形情况。西安电子科技大学韩培宇通过对SiP进行机械结构振动分析和可靠性计算，实现了SiP系统上芯片位置和尺寸的优化。

1.3 电磁干扰

SiP作为一种高度集成的封装技术，具有高速、高密度、高功耗、低电压、大电流的发展趋势。产品的抗电磁干扰能力对新产品的成败起着关键作用。配电网络 (PDN) 设计和电源完整性 (PI) 研究面临的挑战越来越大。

理想的供电系统提供恒定电压，但实际供电系统并不稳定。这是因为供电网络是分布式网络，存在大量的寄生电阻、寄生电感、寄生电容和导纳。图 4 显示了串联逆变器的示意图。晶体管的栅极是输入端，漏极是输出端。晶体管的栅极可以等效为 MOS 电容器（金属氧化物半导体衬底）。当电路切换时，电容器包括两个过程：充电过程达到“1”电平和放电过程达到“0”电平。电路工作的速度是由开关时电容器充放电的速度决定的，而电源和地线上的寄生电阻和寄生电感会减慢电容器的充放电速度。因此，设计一个低阻抗的电源系统可以有效地保证芯片稳定的电压和电流。数字电路的开关电路中的瞬态电流或模拟电路的操作会通过 PDN 产生瞬态开关噪声 (SSN)。瞬态开关噪声（SSN）引起的电压波动会严重影响三极管的工作状态：①当芯片电源引脚间的电压过小时，会阻止三极管的反相； ②当芯片电源管脚之间的电压过大时，芯片的可靠性也会出现； ③电压波动耦合到静态晶体管电路，可能导致信号误触发； ④电压波动会导致驱动器输出波形延迟，严重时还会出现信号时序问题，表现为数字电路中的抖动。

随着芯片堆叠数量的增加和 I/O 互连密度的增加，SiP 产品在设计过程中需要关注电源完整性、信号完整性和电磁干扰 (EMI)。其中，电源完整性涉及配电网设计中电源噪声的降低和电压波动的抑制；信号完整性（SI）主要是由PND导通引起的系统噪声引起的；电磁干扰主要来自电源/地平面之间的共振感应边缘辐射和三维混合芯片堆叠之间的感应耦合。图 5 是一个典型的 3D 系统级封装原理图，清楚地描述了系统级封装中的电源完整性、信号完整性和 EMI 问题。改变 SiP 中的堆叠顺序、缩短敏感芯片的键合线长度、减少键合线等技术改进不仅可以提高信号完整性，还可以降低 EMI。

针对电磁干扰对SiP可靠性的影响，大多是通过产品结构设计、工艺改进等技术手段提高其电磁兼容性。关于外部电磁环境干扰对SiP可靠性影响的文献研究相对较少。

1.4 SiP的失效机制

失效机理是指导致电子产品失效的物理和化学过程。导致电子产品失效的机理主要有疲劳、腐蚀、电迁移、老化和过应力等物理化学作用。失效机制对应的失效模式通常是不一致的，不同的产品在相同的失效机制下会表现出不同的失效模式。 SiP产品引入了各种新材料和新工艺，尤其是越来越复杂多样的接口和互连方式，必然会引入新的失效机制和失效模式。 SiP的基本组成部分包括芯片、组件和互连结构。不同功能的芯片通过键合等方式安装在基板上，通过引线键合、倒装键合、键合、穿硅通孔等方式实现电连接。根据SiP的内部结构组成，图 6 显示了它的主要失效机制。

随着电子产品向高密度集成化、功能多样化、小型化方向发展，传统的故障分析方法已不能完全满足当前技术发展的需要。为满足SiP产品的失效分析，实现对内部互连结构和芯片内部结构的失效点定位，分析技术必须向高空间分辨率、高电热测试灵敏度和高灵敏度方向发展。频率。目前，半导体器件失效分析的测试项目及相关设备主要有以下几种。

①外观检查：光学显微镜、扫描电子显微镜和电子探针。

②电气特性测试：器件功能测试机和半导体参数分析仪。

③无损分析：X射线、扫描声学显微镜（C-SAM）、气密性检测和粒子冲击噪声测试仪（PIND）。

④内部外观检查及故障部位：酸蚀封盖机、机械探针测试台等

为了更好地满足SiP产品的失效定位，3D X射线、同步热发射（LIT）和磁显微等无损缺陷检测和定位技术，以及液晶热点检测、红外成像、微光微技术（EMMI）、激光束电阻异常检测技术（）、聚焦离子束等破坏性缺陷检测与定位技术不断得到开发和应用。

2 个问题

SiP概念于1990年代提出，经过多年发展，已广泛应用于多个领域。但由于SiP本身结构复杂，我国的半导体技术与西方发达国家相比有很大差距。国内航空航天SiP在可靠性领域还存在以下问题。

(1)缺少国内高可靠性SiP产品。现阶段发达国家在系统级封装技术研发方面处于领先地位，包括美国、德国、比利时、日本、韩国、新加坡、中国台湾等国家或地区，如美国凭借其完整的半导体产业结构，在集成电路设计和终端等应用市场推动系统级封装的发展由于SiP产业依赖于整个半导体产业链的合作，与国外和台湾相比，中国大陆的半导体产业起步较晚，整体水平仍有差距，尤其是在核心零部件设计制造领域，在国家政策支持下，长电科技、天水天华、通通等国内封装企业富微电子等高校和科研院所先后开展了SiP研究，在3D封装设计、混合信号芯片测试方法、TSV关键工艺等方面取得了一定进展。

国产SiP产品的整体可靠性与国外产品相比还有差距，尤其是在航空航天等对可靠性要求较高的领域。由于航天产品本身数量较少，无法量产，且大多采用手工作坊的方式生产，导致SiP产品良率无法保证。同时，受限于国产芯片、材料、工艺、设备和封装设计水平，部分航天SiP芯片性能指标低、抗ESD能力差、内部互连不稳定、易干扰、塑料封装材料易受潮固有缺陷造成的故障现象，产品可靠性差。为发展高可靠性的航空航天SiP，应以国内航空航天关键型号关键部件化学工业为龙头，不断推进SiP产品全产业的自主发展。

( 2)SiP产品测试分析能力不足。

用于航空航天的 SiP 产品设计是一项综合了多种技术的复杂技术。设计过程需要考虑如何实现各种工艺、电路和三维互连结构的高密度集成，需要全面优化电气、热和机械（机械）性能芯片粘结的三种方法?集成电路封装的基本工艺流程?，需要全局平衡信号/电源完整性、EMC /EMI 和空间环境影响。国内现有的一些测试单位不具备对复杂的大规模/超大规模集成电路、微波元器件等的完整测试能力，也不具备完整的SiP测试分析能力。这本身与SiP中核心芯片严重依赖进口有关，也与目前国内半导体行业分工精细，缺乏能够掌握SiP设计和测试的复合型人才有关。芯片和组件。另外，国内对SiP的分析文献主要分析单一结构在单一应力下的可靠性，缺乏其在综合应力下的整体可靠性分析评估，与产品的实际应用环境存在较大差异，无法使用。用于航空航天等高可靠性。对性应用中的 SiP 产品进行有效的可靠性评估。

( 3)SiP产品评价标准体系不完善。

目前，航空航天SiP的评价标准主要以2002年《混合集成电路通用规范》为依据。但是，航天SiP是介于独立设备和组件之间的“特殊群体”。它的分析不仅要考虑外部环境的热效应、机械应力、电磁干扰等问题，还要考虑器件本身的热效应。 、材料匹配、电磁干扰等问题，特别是新结构、新工艺带来的评价分析标准缺失。国外已经建立了完整的航空航天零部件标准体系，如欧洲建立的基于欧洲航天局和航空航天零部件协调委员会的零部件标准体系。其目标是使元器件的设计、封装和制造配套可靠。美国国家航空航天局NASA也独立建立了航空航天部件的标准体系。在参考现有国际标准的基础上，结合我国实际特点，我国逐步建立了我国航空航天零部件评价标准体系。但由于SiP产品结构的特殊性，无法按照国内现有的航空航天元器件标准对其可靠性进行有效的评估和评价。因此，开展系统级封装产品评价标准体系的建设，从航天SiP的设计、封装、制造等领域形成一整套完整的可靠性评价体系，显得极为重要和紧迫。产品。

3 结论和建议

介绍了系统级封装产品在热应力、机械应力、电磁干扰等情况下的可靠性研究现状，概述了SiP产品的主要失效机理，分析了系统级封装产品在可靠性领域存在的问题。用于航空航天的 SiP。根据以上分析，对我国航天用SiP的可靠性提出以下建议：

①以国内航天关键机型和关键零部件化工产业为引领，持续推动SiP产品全产业自主发展。

②培养一批既了解SiP产品内部结构又了解芯片测试的复合型人才。

③深入开展SiP环境试验和失效分析研究，开发有效的失效定位技术，建立基于失效机理的SiP可靠性物理模型。

④基于国内航天SiP的内部结构、功能性能、应用环境和失效机理，构建了一套完整的航天SiP可靠性评价标准体系。

作者：傅家佳，李志旭，燕军，北京振兴计量检测院，杨海生，火箭军装备部驻京第六军事代表处