高密度互連集成的需求是促使這些先進(jìn)封裝技術(shù)發(fā)展的主要推動力。隨著封裝和系統(tǒng)集成變得越來越復(fù)雜，如何提高先進(jìn)封裝的可靠性是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

系統(tǒng)級封裝（SiP）、2.5D、3D堆疊等先進(jìn)的封裝和系統(tǒng)集成方案，主要集中在優(yōu)化外形尺寸、減少封裝面積、提高電性能和熱性能等方面。一個封裝內(nèi)部通常由多層結(jié)構(gòu)組成，第一層由單個或多個封裝（如混合存儲立方體，HMC）通過微凸點(diǎn)直接連接到封裝基板上。無源硅轉(zhuǎn)接板也稱為“插入器”，通常集成在芯片和封裝基板之間，并使用C4凸點(diǎn)或微凸點(diǎn)在各種芯片（或堆疊芯片）之間（如高帶寬存儲器HBM）提供高密度互連；在完成疊層封裝之后使用球柵陣列（BGAs）或柵格陣列（LGAs）連接安裝在印刷電路板（PCB）上。

一個復(fù)雜的封裝系統(tǒng)由這樣的多個PCBs組成，并采用機(jī)械互聯(lián)的方式與母版或底板連接。一個典型的封裝由大量不同的材料組成，這些材料具有不同的材料特性，如熱膨脹系數(shù)（CTE）、熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率及彈性模量等，這會在芯片上產(chǎn)生巨大的熱-機(jī)械應(yīng)力，并導(dǎo)致芯片與封裝相互作用（CPI），從而發(fā)生低K值電介質(zhì)材料開裂、金屬結(jié)構(gòu)脫落等現(xiàn)象。另外，封裝自身可能也會發(fā)生嚴(yán)重翹曲，從而增加了額外的應(yīng)力，尤其是對于面積較大的封裝。先進(jìn)封裝面臨的主要可靠性問題如圖1所示。

Fan-out（wafer-level or panel-leve）封裝，以及最近開發(fā)的“硅互連結(jié)構(gòu)（Si-IF）”集成技術(shù)消除了封裝基板在封裝結(jié)構(gòu)層次中的使用，并進(jìn)一步提高了集成密度和系統(tǒng)性能。與fan-out（FO）封裝技術(shù)相比，Si-IF集成技術(shù)還有另外一個技術(shù)優(yōu)勢，就是很大程度上避免了有機(jī)材料的使用（在單個封裝的層次結(jié)構(gòu)中完全避免了PCB的使用）。

而在系統(tǒng)級封裝集成中，F(xiàn)O封裝仍然需要安裝在PCB上。而商用FO工藝存在嚴(yán)重的芯片偏移問題，因此，布線和互連間距受覆蓋精度的影響被限制在幾個微米。Si-IF集成方案（即金屬-金屬互連、鈍化等）與組裝相關(guān)的可靠性仍在研究中。

3D集成中的可靠性問題

（1）微凸點(diǎn)技術(shù)

堆疊芯片之間的互連主要是通過微凸點(diǎn)實現(xiàn)，微凸點(diǎn)是覆蓋很薄焊料層的銅柱。大面積變薄的裸片在鍵合工藝之前可能遭受預(yù)翹曲問題。所以，通常使用局部熱壓焊（TCB）工藝以倒裝芯片的方式安裝芯片。壓力有助于使芯片與安裝基板之間保持平整。但在此過程會遇到各種可靠性問題，例如，過大的壓力會導(dǎo)致焊點(diǎn)在連接界面處變形，從而導(dǎo)致焊錫橋接，以及由脆性金屬間化合物形成的細(xì)薄焊錫互聯(lián)結(jié)構(gòu)，在熱負(fù)荷應(yīng)力下，這些互連易受到疲勞裂紋的影響。

（2）與TSV相關(guān)的應(yīng)力

雖然“硅通孔技術(shù)（TSV）”是3D集成中必須用到的一個關(guān)鍵技術(shù)，但該技術(shù)仍然會對器件可靠性產(chǎn)生不利的影響。銅（17ppm/K）與硅（2.6ppm/K）之間會發(fā)生嚴(yán)重的CTE不匹配，這會導(dǎo)致在熱偏移期間硅基體周圍產(chǎn)生局部應(yīng)力。根據(jù)這一原因，研究人員建議用銅部分填充TSV后，然后再用適當(dāng)?shù)奈锢硇再|(zhì)聚合物進(jìn)行完全填充，如一種環(huán)形同軸TSV，其中包含了合適的聚酰亞胺以克服熱機(jī)械可靠性問題。然而在大多數(shù)情況下，bottom-up電鍍及鍍層均勻性/CMP退火和微結(jié)構(gòu)優(yōu)化的工業(yè)應(yīng)用已將銅填充的影響降低到了可以忽略的水平。

（3）硅片減薄的問題

半導(dǎo)體芯片常常被減薄在50至100μm的范圍內(nèi)。這樣做的主要原因是：a.降低熱阻；b.更好地抵抗在裝配過程中的翹曲；c.在3D集成中，為TSV工藝提供合理的寬高比（>1:10）。然而，沒有支撐的減薄硅片在組裝后會發(fā)生嚴(yán)重的翹曲，與基板之間的互連（微凸點(diǎn)）上會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致器件結(jié)構(gòu)的可靠性問題。此外，減薄后的硅片非常易碎，并且這一問題普遍存在基板和PCB的組裝過程中。

（4）焊接界面

在傳統(tǒng)封裝中，芯片通過焊球相互連接并與基板或PCB進(jìn)行連接。在第一種情況下，焊球被稱為C4凸點(diǎn)或焊錫柱（取決于尺寸大?。?，而后一種情況下，焊球被稱為BGA。這些焊球的主要功能是提供電氣連接。焊球連接的方式主要有三種失效模式：a.脆化和空洞導(dǎo)致疲勞引發(fā)的失效，失效原因可能是由芯片工作過程中的熱循環(huán)，或是在組裝過程中受到的各種回流工藝的熱應(yīng)力所致；b.由封裝和基板/PCB的翹曲引起的內(nèi)部應(yīng)力；c.由電流引起的電遷移，尤其是發(fā)生在焊球邊緣附近的電流擁擠效應(yīng)。

（5）底部填充

“底部填充”的應(yīng)用是在芯片到基板（使用C4凸點(diǎn)）或封裝到板（使用BGA）焊點(diǎn)組裝過程中的常見工藝。底部填充通常時在回流或局部焊接TCB過程之后進(jìn)行。目前主要的挑戰(zhàn)是在焊接工藝之后要完全清除芯片下方的助焊劑。在毛細(xì)管填充過程中，助焊劑殘留物通常會滯留在底部填充材料內(nèi)部，并在高溫下釋氣及活化并形成空洞，從而導(dǎo)致焊接機(jī)械強(qiáng)度會隨著填充不足而降低。另外一個可靠性問題就是，隨著時間的推移，腐蝕性氣體（也包括濕氣）會從環(huán)境氣體中侵入到填充膠內(nèi)部。

（6）鈍化保護(hù)和濕氣浸入

濕氣浸入，芯片上通常會采用有機(jī)鈍化材料進(jìn)行保護(hù)，但所有的有機(jī)材料均為非密封材料，因此不能完全防止?jié)駳獾慕?。如果鈍化材料中存在雜質(zhì)（例如NaCl），這樣就會使鈍化不能很好地覆蓋在芯片表面上，并形成滲透壓，從而導(dǎo)致水汽在界面處凝結(jié)。隨著時間推移，水汽會腐蝕底層金屬結(jié)構(gòu)并引發(fā)嚴(yán)重的可靠性問題

（7）電遷移

焊點(diǎn)中的電遷移是一個已知的可靠性問題。凸點(diǎn)邊緣的電流密度非常高，導(dǎo)致焊料材料隨時間移動，焊點(diǎn)形成空洞。尤其在高溫下，熱應(yīng)力還會加劇電遷移，使空洞效應(yīng)變得更加嚴(yán)重。雖然完全轉(zhuǎn)換為金屬間化合物減少了電遷移的失效（因為金屬間化合物的結(jié)合和擴(kuò)散較少），但金屬間化合物是較脆的，易產(chǎn)生空洞，并增加了包括開裂在內(nèi)的其他失效模式。

扇出型封裝中的可靠性問題

（1）塑封復(fù)合材料CTE失配與固化應(yīng)力

目前，剛性模塑料（MCs）被用作扇出工藝的基礎(chǔ)材料。但由于半導(dǎo)體芯片（2-3ppm/K）和MC（30-50 ppm / K）之間存在較大的CTE失配，因此在固化過程中以及在模壓成型過程中都會產(chǎn)生較高的熱機(jī)械應(yīng)力。所以在MCs中通常會加入各種填料顆粒和應(yīng)力消除劑，以改善材料的性能。填料顆粒與MC的比例增大，材料的楊氏模量增加，而熱膨脹系數(shù)降低。這些材料的斷裂強(qiáng)度隨著溫度的升高而降低。但是模塑料是非密封材料，隨著時間的推移，模塑料會吸收水汽，并最終可能發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。

（2）模具移位

由于剛性模塑料在固化過程中會收縮，因此模具移位已成為了一個非常關(guān)鍵的問題。據(jù)資料報道，模具位移高達(dá)50-80μm，這在扇出過程中會導(dǎo)致嚴(yán)重的對準(zhǔn)問題。為解決這一問題，可以使用收縮率較小的固化材料以及采用自適應(yīng)的光刻工藝來減少未對準(zhǔn)的情況發(fā)生。

（3）柔性扇出過程的彎曲性

Fukushima等人，推出了一種名為FlextrateTM的扇出型晶圓級工藝，采用柔性生物相容性基材。在這種情況下，模塑料采用的是醫(yī)用級有機(jī)硅（PDMS）材料。這種柔性平臺固化引起的熱機(jī)械應(yīng)力方面具有優(yōu)越性，并且把模具位移控制在幾微米這樣很小的范圍內(nèi)，但在PDMS彎曲期間，金屬布線會發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致電阻增大和機(jī)械可靠性問題。另外，金屬布線可能會與PDMS脫層，所以需要引入了特殊的應(yīng)力緩沖層，從而將金屬結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力降到最低。

（4）水汽和鹽汽浸入

FlextrateTM技術(shù)主要是針對生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，即可植入生物醫(yī)學(xué)微系統(tǒng)以及可穿戴設(shè)備。但PDMS是一種非密封的環(huán)氧基材料，導(dǎo)致水汽和鹽汽浸入時不能完全消除，這也是植入式電子設(shè)備面臨的主要可靠性問題。另外，芯片與PDMS、金屬結(jié)構(gòu)與PDMS之間的粘接可靠性至關(guān)重要，如果發(fā)生分層，水汽及鹽汽都會對金屬結(jié)構(gòu)（材料通常為銅）造成嚴(yán)重腐蝕。

硅互聯(lián)結(jié)構(gòu)中的可靠性問題

Bajwa等人開發(fā)了一種系統(tǒng)級集成方案，就是將各種異構(gòu)材料安裝在一個平臺上，該方案稱為“硅互連結(jié)構(gòu)（SiIF）”，實現(xiàn)了一個封裝級別來簡化封裝層次結(jié)構(gòu)，其中異質(zhì)組件（芯片，無源元件等）以極緊密的互連間距（2-10μm）和較小的晶粒間距離（50-100μm）安裝在硅片上。這種集成方案依賴于組件之間的無焊料金屬-金屬直接互聯(lián)。

（1）金屬-金屬互連

芯片與晶圓（或基板）金屬-金屬（Cu或Au）直接采用熱壓連接技術(shù)以實現(xiàn)高密度互連和芯片的窄間距互聯(lián)。該技術(shù)在連接界面使用了相似的金屬，因此消除了焊料的使用，從而抑制金屬間化合物的形成，而金屬間化合物是循環(huán)熱負(fù)荷過程中焊接失效的主要原因。Cu-Cu的互聯(lián)極具挑戰(zhàn)性，因為Cu易于氧化并在高溫下容易形成各種氧化物（CuO和Cu2O），因此，氧化物清洗過程是必不可少的，不過這種類型的互連結(jié)構(gòu)沒有長期可靠性數(shù)據(jù)，需進(jìn)一步評估。

（2）鈍化

Si-IF互聯(lián)技術(shù)依賴于極小的節(jié)距和較小的模間距離，因此，不能使用常規(guī)的底部填充材料。該方案中的銅柱比Si-IF表面高約1-2μm，由于毛細(xì)管作用力無法自動填充環(huán)氧樹脂基材料。在鈍化過程中，對于使用聚對二甲苯基的敷形涂層可能會穿透微小的空洞。聚對二甲苯是非常好的防潮層，但不能防止鹽汽侵入，可能會發(fā)生腐蝕問題。另外，硅烷基粘合促進(jìn)劑可以將聚對二甲苯充分固化在氧化硅鈍化層上，但與銅的粘合性仍然很差。因此，為了評估Si-IF基復(fù)合材料涂層的長期穩(wěn)定性，需要進(jìn)行熱循環(huán)和高溫貯存試驗。

結(jié)束語

隨著先進(jìn)封裝技術(shù)的出現(xiàn)，對識別潛在的可靠性問題非常重要。CTE失配引起的熱機(jī)械應(yīng)力、有害氣氛的侵入、鈍化層分層、金屬（銅）氧化、金屬間化合物形成、電遷移等是先進(jìn)封裝可靠性面臨的主要問題。這些問題可以采用如熱沖擊、熱循環(huán)、高溫貯存、潮濕試驗、跌落試驗等常規(guī)可靠性試驗進(jìn)行評估。