本文聚焦高密度系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)，闡述其定義、優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用場(chǎng)景及技術(shù)發(fā)展，分析該技術(shù)在熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、電磁干擾下的可靠性問(wèn)題及失效機(jī)理，探討可靠性提升策略，并展望其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，旨在為該領(lǐng)域的研究與應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：高密度系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)；可靠性；失效機(jī)理；發(fā)展趨勢(shì)

一、引言

在電子信息技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，電子產(chǎn)品不斷朝著小型化、輕量化、高性能、多功能和低成本的方向邁進(jìn)。系統(tǒng)級(jí)封裝（System in Package，SiP）技術(shù)作為一種先進(jìn)的封裝技術(shù)，憑借其能夠滿足電子產(chǎn)品發(fā)展需求的特點(diǎn)，逐漸成為研究熱點(diǎn)。高密度系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)作為SiP技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，更是展現(xiàn)出巨大的潛力和應(yīng)用前景。本文將對(duì)高密度系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)及其可靠性研究進(jìn)展進(jìn)行深入探討。

二、高密度系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)概述

（一）定義與原理

系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)是將多個(gè)裸片（Die）及無(wú)源器件整合在單個(gè)封裝體內(nèi)的集成電路封裝技術(shù)。根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體路線組織（ITRS）的定義，SiP為將多個(gè)具有不同功能的有源電子元件與可選無(wú)源器件，以及諸如MEMS或者光學(xué)器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起，實(shí)現(xiàn)一定功能的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝件，形成一個(gè)系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。從原理上講，SiP技術(shù)在封裝過(guò)程中涉及多種工藝，如無(wú)源器件貼片倒裝（Flip Chip）貼片、焊線鍵合（Wire Bond）、塑封（Molding）等，通過(guò)這些工藝將不同功能的芯片和無(wú)源器件集成在一起。

（二）技術(shù)優(yōu)勢(shì)

高密度系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)。它能夠增加芯片的集成度，將多個(gè)不同功能的芯片和無(wú)源器件集成在一個(gè)封裝內(nèi)，減小了電路板的面積，降低了功耗，有助于延長(zhǎng)移動(dòng)設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間。例如，在手機(jī)中，通過(guò)SiP技術(shù)可以將處理器、存儲(chǔ)器、傳感器等不同功能的元件集成在一起，使手機(jī)更加輕薄便攜。此外，SiP技術(shù)相對(duì)片上系統(tǒng)（SoC）具有靈活度高、集成度高、設(shè)計(jì)周期短、開發(fā)成本低、容易進(jìn)入等特點(diǎn)，能夠快速滿足市場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)品多樣化的需求。

（三）應(yīng)用場(chǎng)景

高密度系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在智能手機(jī)、AR/VR設(shè)備等消費(fèi)電子領(lǐng)域，其對(duì)輕薄化與高性能的需求促使SiP技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，如蘋果M系列芯片采用臺(tái)積電InFO-PoP封裝，實(shí)現(xiàn)CPU與內(nèi)存的垂直集成。在汽車電子領(lǐng)域，從發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元到車載娛樂(lè)系統(tǒng)等各個(gè)部分都可以應(yīng)用SiP技術(shù)，例如在汽車的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）中，將攝像頭傳感器、雷達(dá)傳感器、信號(hào)處理芯片、通信芯片等集成在一個(gè)SiP封裝中，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性，同時(shí)減小系統(tǒng)的體積和重量，有助于汽車的輕量化設(shè)計(jì)。在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，如便攜式血糖儀、血壓計(jì)等小型醫(yī)療設(shè)備，SiP技術(shù)可以將測(cè)量電路、信號(hào)處理芯片、數(shù)據(jù)傳輸芯片等集成在一起，減小設(shè)備的體積，方便患者攜帶和使用。

三、高密度系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)發(fā)展

（一）技術(shù)演進(jìn)

高密度系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)從傳統(tǒng)的二維封裝逐漸向三維堆疊封裝推進(jìn)。傳統(tǒng)的二維封裝技術(shù)，如雙列直插式封裝（DIP）、四方扁平封裝（QFP）等，隨著電子產(chǎn)品對(duì)小型化和高性能的要求不斷提高，逐漸難以滿足需求。而三維堆疊封裝技術(shù)，如通過(guò)硅通孔（TSV）技術(shù)實(shí)現(xiàn)將一個(gè)芯片直接連接到另一個(gè)芯片上，能夠進(jìn)一步縮小封裝尺寸，提高芯片之間的互連密度和信號(hào)傳輸速度。

（二）關(guān)鍵技術(shù)突破

在互連技術(shù)方面，除了傳統(tǒng)的引線鍵合、載帶自動(dòng)焊（TAB）、倒裝焊等，通過(guò)直接互連實(shí)現(xiàn)芯片堆疊的TSV技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。TSV技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)芯片之間的高速互聯(lián)，縮短互連長(zhǎng)度、提升帶寬、降低功耗。同時(shí)，混合鍵合技術(shù)也在不斷發(fā)展，銅-銅直接鍵合間距縮至1μm以下，互連密度大幅提升。在封裝材料方面，低k介質(zhì)與原子層沉積（ALD）工藝結(jié)合，降低了寄生電容；石墨烯-金屬?gòu)?fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)突破500W/m·K，應(yīng)用于芯片層間熱擴(kuò)散；玻璃基板替代有機(jī)基板，實(shí)現(xiàn)了超低翹曲與高頻特性。

（三）產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，高密度系統(tǒng)級(jí)封裝在全球先進(jìn)芯片中的滲透率將不斷提高。臺(tái)積電、三星等代工廠在高密度3D封裝產(chǎn)能方面占據(jù)主導(dǎo)地位，傳統(tǒng)封測(cè)廠則轉(zhuǎn)向特定工藝。同時(shí)，地緣政治因素也對(duì)高密度系統(tǒng)級(jí)封裝產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了影響，美國(guó)CHIPS法案限制先進(jìn)封裝設(shè)備出口，推動(dòng)了中國(guó)本土供應(yīng)鏈的建設(shè)。

四、高密度系統(tǒng)級(jí)封裝可靠性問(wèn)題及失效機(jī)理

（一）熱應(yīng)力問(wèn)題

高密度系統(tǒng)級(jí)封裝內(nèi)部復(fù)雜的封裝結(jié)構(gòu)以及多種芯片、元件的組合構(gòu)造導(dǎo)致其對(duì)熱應(yīng)力更加敏感。在組裝焊接和工作過(guò)程中，溫度分布不均勻以及異常高溫的出現(xiàn)，會(huì)使不同材料之間因熱膨脹系數(shù)不一致產(chǎn)生熱失配，界面出現(xiàn)分層、裂紋等失效現(xiàn)象。例如，在回流焊過(guò)程中，由于上層器件的翹曲，堆疊焊球會(huì)呈現(xiàn)出不一致的焊接成型，且雪人式焊球的應(yīng)力集中現(xiàn)象比水桶狀焊球更加嚴(yán)重。

（二）機(jī)械應(yīng)力問(wèn)題

芯片或器件的堆疊帶來(lái)的機(jī)械方面的可靠性挑戰(zhàn)也逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。SiP在機(jī)械應(yīng)力方面的可靠性主要涉及堆疊封裝的厚度和尺寸、熱失配、焊點(diǎn)可靠性和包封體的硬度等。在循環(huán)彎曲、跌落等機(jī)械應(yīng)力作用下，SiP產(chǎn)品的主要失效點(diǎn)集中在焊點(diǎn)位置，特別是當(dāng)包封體的硬度較大時(shí)，高硬度的包封體會(huì)將更多的力傳遞到焊球上，加速互連失效。

（三）電磁干擾問(wèn)題

高密度系統(tǒng)級(jí)封裝作為高度集成的封裝技術(shù)，存在高速、高密度、高功耗、低電壓和大電流的發(fā)展趨勢(shì)，產(chǎn)品的抗電磁干擾能力對(duì)新產(chǎn)品的成敗起到關(guān)鍵性的作用。其中電源分布網(wǎng)絡(luò)（PDN）設(shè)計(jì)和電源完整性（PI）研究的挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻。實(shí)際的供電系統(tǒng)是一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)，存在大量的寄生電阻、寄生電感、寄生電容以及導(dǎo)納等，這些因素會(huì)降低電容的充放電速度，影響電源供給的穩(wěn)定性。

五、高密度系統(tǒng)級(jí)封裝可靠性提升策略

（一）設(shè)計(jì)優(yōu)化

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)熱仿真分析熱應(yīng)力的分布情況，可能存在的熱點(diǎn)等，據(jù)此通過(guò)更改SiP設(shè)計(jì)改善其熱設(shè)計(jì)。例如，合理選擇封裝材料以及采用合理的工藝流程，有利于減少熱-機(jī)械應(yīng)力。同時(shí)，仿真技術(shù)的引入可對(duì)新設(shè)計(jì)的SiP產(chǎn)品的熱失配應(yīng)力進(jìn)行模擬，有利于減少產(chǎn)品的熱-機(jī)械應(yīng)力。

（二）材料選擇

選擇正確的材料對(duì)于提高封裝的可靠性至關(guān)重要。材料的熱膨脹系數(shù)、彈性模量、熱導(dǎo)率和化學(xué)穩(wěn)定性都直接影響封裝的可靠性。例如，選擇熱膨脹系數(shù)匹配的材料可以減少在溫度循環(huán)測(cè)試中封裝開裂的風(fēng)險(xiǎn)；高導(dǎo)熱性的材料可以幫助提高封裝的熱管理性能，而機(jī)械強(qiáng)度高的材料可以減少機(jī)械應(yīng)力對(duì)封裝的影響。

（三）測(cè)試技術(shù)

采用先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)，如邊界掃描（Boundary Scan）與機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)堆疊芯片的快速缺陷定位。同時(shí)，針對(duì)不同的可靠性問(wèn)題，制定相應(yīng)的可靠性環(huán)境試驗(yàn)，如溫度循環(huán)試驗(yàn)、耐濕熱試驗(yàn)、機(jī)械應(yīng)力測(cè)試和電氣測(cè)試等，對(duì)封裝產(chǎn)品進(jìn)行全面的可靠性評(píng)估。

六、結(jié)論與展望

高密度系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)作為一種先進(jìn)的封裝技術(shù)，在滿足電子產(chǎn)品小型化、高性能等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，其可靠性問(wèn)題也不容忽視，熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和電磁干擾等問(wèn)題都會(huì)影響封裝的性能和壽命。通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化、材料選擇和測(cè)試技術(shù)等方面的努力，可以有效提高高密度系統(tǒng)級(jí)封裝的可靠性。

未來(lái)，高密度系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)將繼續(xù)朝著更高密度、更高性能、更低成本的方向發(fā)展。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，新的封裝材料和互連技術(shù)將不斷涌現(xiàn)，如光子3D封裝、量子芯片集成等新興領(lǐng)域有望取得突破。同時(shí)，跨材料集成和Chiplet生態(tài)的成熟也將為高密度系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。企業(yè)需要在技術(shù)研發(fā)與生態(tài)合作中動(dòng)態(tài)平衡，以搶占下一代制高點(diǎn)，推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈格局的深度重塑。