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高密度互連集成的需求是促使這些先進封裝技術發展的主要推動力。隨著封裝和系統集成變得越來越復雜，如何提高先進封裝的可靠性是當前研究的熱點之一。

系統級封裝（SiP）、2.5D、3D堆疊等先進的封裝和系統集成方案，主要集中在優化外形尺寸、減少封裝面積、提高電性能和熱性能等方面。一個封裝內部通常由多層結構組成，第一層由單個或多個封裝（如混合存儲立方體，HMC）通過微凸點直接連接到封裝基板上。無源硅轉接板也稱為“插入器”，通常集成在芯片和封裝基板之間，并使用C4凸點或微凸點在各種芯片（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。

一個復雜的封裝系統由這樣的多個PCBs組成，并采用機械互聯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（CTE）、熱導率、電導率及彈性模量等，這會在芯片上產生巨大的熱-機械應力，并導致芯片與封裝相互作用（CPI），從而發生低K值電介質材料開裂、金屬結構脫落等現象。另外，封裝自身可能也會發生嚴重翹曲，從而增加了額外的應力，尤其是對于面積較大的封裝。先進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，以及最近開發的“硅互連結構（Si-IF）”集成技術消除了封裝基板在封裝結構層次中的使用，并進一步提高了集成密度和系統性能。與fan-out（FO）封裝技術相比，Si-IF集成技術還有另外一個技術優勢，就是很大程度上避免了有機材料的使用（在單個封裝的層次結構中完全避免了PCB的使用）。

而在系統級封裝集成中，FO封裝仍然需要安裝在PCB上。而商用FO工藝存在嚴重的芯片偏移問題，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）與組裝相關的可靠性仍在研究中。

3D集成中的可靠性問題

（1）微凸點技術

堆疊芯片之間的互連主要是通過微凸點實現，微凸點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，過大的壓力會導致焊點在連接界面處變形，從而導致焊錫橋接，以及由脆性金屬間化合物形成的細薄焊錫互聯結構，在熱負荷應力下，這些互連易受到疲勞裂紋的影響。

（2）與TSV相關的應力

雖然“硅通孔技術（TSV）”是3D集成中必須用到的一個關鍵技術，但該技術仍然會對器件可靠性產生不利的影響。銅（17ppm/K）與硅（2.6ppm/K）之間會發生嚴重的CTE不匹配，這會導致在熱偏移期間硅基體周圍產生局部應力。根據這一原因，研究人員建議用銅部分填充TSV后，然后再用適當的物理性質聚合物進行完全填充，如一種環形同軸TSV，其中包含了合適的聚酰亞胺以克服熱機械可靠性問題。然而在大多數情況下，bottom-up電鍍及鍍層均勻性/CMP退火和微結構優化的工業應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

半導體芯片常常被減薄在50至100μm的范圍內。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生嚴重的翹曲，與基板之間的互連（微凸點）上會產生較大的殘余應力，從而導致器件結構的可靠性問題。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

在傳統封裝中，芯片通過焊球相互連接并與基板或PCB進行連接。在第一種情況下，焊球被稱為C4凸點或焊錫柱（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.脆化和空洞導致疲勞引發的失效，失效原因可能是由芯片工作過程中的熱循環，或是在組裝過程中受到的各種回流工藝的熱應力所致；b.由封裝和基板/PCB的翹曲引起的內部應力；c.由電流引起的電遷移，尤其是發生在焊球邊緣附近的電流擁擠效應。

（5）底部填充

“底部填充”的應用是在芯片到基板（使用C4凸點）或封裝到板（使用BGA）焊點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過程之后進行。目前主要的挑戰是在焊接工藝之后要完全清除芯片下方的助焊劑。在毛細管填充過程中，助焊劑殘留物通常會滯留在底部填充材料內部，并在高溫下釋氣及活化并形成空洞，從而導致焊接機械強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）會從環境氣體中侵入到填充膠內部。

（6）鈍化保護和濕氣浸入

濕氣浸入，芯片上通常會采用有機鈍化材料進行保護，但所有的有機材料均為非密封材料，因此不能完全防止濕氣的浸入。如果鈍化材料中存在雜質（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，從而導致水汽在界面處凝結。隨著時間推移，水汽會腐蝕底層金屬結構并引發嚴重的可靠性問題

（7）電遷移

焊點中的電遷移是一個已知的可靠性問題。凸點邊緣的電流密度非常高，導致焊料材料隨時間移動，焊點形成空洞。尤其在高溫下，熱應力還會加劇電遷移，使空洞效應變得更加嚴重。雖然完全轉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合和擴散較少），但金屬間化合物是較脆的，易產生空洞，并增加了包括開裂在內的其他失效模式。

扇出型封裝中的可靠性問題

（1）塑封復合材料CTE失配與固化應力

目前，剛性模塑料（MCs）被用作扇出工藝的基礎材料。但由于半導體芯片（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生較高的熱機械應力。所以在MCs中通常會加入各種填料顆粒和應力消除劑，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，而熱膨脹系數降低。這些材料的斷裂強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，并最終可能發生腐蝕現象。

（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鍵的問題。據資料報道，模具位移高達50-80μm，這在扇出過程中會導致嚴重的對準問題。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的光刻工藝來減少未對準的情況發生。

（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，模塑料采用的是醫用級有機硅（PDMS）材料。這種柔性平臺固化引起的熱機械應力方面具有優越性，并且把模具位移控制在幾微米這樣很小的范圍內，但在PDMS彎曲期間，金屬布線會發生塑性變形，導致電阻增大和機械可靠性問題。另外，金屬布線可能會與PDMS脫層，所以需要引入了特殊的應力緩沖層，從而將金屬結構中的應力降到最低。

（4）水汽和鹽汽浸入

FlextrateTM技術主要是針對生物醫學應用，即可植入生物醫學微系統以及可穿戴設備。但PDMS是一種非密封的環氧基材料，導致水汽和鹽汽浸入時不能完全消除，這也是植入式電子設備面臨的主要可靠性問題。另外，芯片與PDMS、金屬結構與PDMS之間的粘接可靠性至關重要，如果發生分層，水汽及鹽汽都會對金屬結構（材料通常為銅）造成嚴重腐蝕。

硅互聯結構中的可靠性問題

Bajwa等人開發了一種系統級集成方案，就是將各種異構材料安裝在一個平臺上，該方案稱為“硅互連結構（SiIF）”，實現了一個封裝級別來簡化封裝層次結構，其中異質組件（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。

（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以實現高密度互連和芯片的窄間距互聯。該技術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熱負荷過程中焊接失效的主要原因。Cu-Cu的互聯極具挑戰性，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構沒有長期可靠性數據，需進一步評估。

（2）鈍化

Si-IF互聯技術依賴于極小的節距和較小的模間距離，因此，不能使用常規的底部填充材料。該方案中的銅柱比Si-IF表面高約1-2μm，由于毛細管作用力無法自動填充環氧樹脂基材料。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，可能會發生腐蝕問題。另外，硅烷基粘合促進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基復合材料涂層的長期穩定性，需要進行熱循環和高溫貯存試驗。

結束語

隨著先進封裝技術的出現，對識別潛在的可靠性問題非常重要。CTE失配引起的熱機械應力、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、高溫貯存、潮濕試驗、跌落試驗等常規可靠性試驗進行評估。