高密度互连集成的需求是促使这些先进封装技术发展的主要推动力。随着封装和系统集成变得越来越复杂，如何提高先进封装的可靠性是当前研究的热点之一。系统级封装（SiP）、2.5D、3D堆叠等先进的封装和系统集成方案，主要集中在优化外形尺寸、减少封装面积、提高电性能和热性能等方面。一个封装内部通常由多层结构组成，第一层由单个或多个封装（如混合存储立方体，HMC）通过微凸点直接连接到封装基板上。无源硅转接板也称为“插入器”，通常集成在芯片和封装基板之间，并使用C4凸点或微凸点在各种芯片（或堆叠芯片）之间（如高带宽存储器HBM）提供高密度互连；在完成叠层封装之后使用球栅阵列（BGAs）或栅格阵列（LGAs）连接安装在印刷电路板（PCB）上。一个复杂的封装系统由这样的多个PCBs组成，并采用机械互联的方式与母版或底板连接。一个典型的封装由大量不同的材料组成，这些材料具有不同的材料特性，如热膨胀系数（CTE）、热导率、电导率及弹性模量等，这会在芯片上产生巨大的热-机械应力，并导致芯片与封装相互作用（CPI），从而发生低K值电介质材料开裂、金属结构脱落等现象。另外，封装自身可能也会发生严重翘曲，从而增加了额外的应力，尤其是对于面积较大的封装。先进封装面临的主要可靠性问题如图1所示。图1先进封装面临的主要可靠性问题Fan-out（wafer-levelorpanel-leve）封装，以及最近开发的“硅互连结构（Si-IF）”集成技术消除了封装基板在封装结构层次中的使用，并进一步提高了集成密度和系统性能。与fan-out（FO）封装技术相比，Si-IF集成技术还有另外一个技术优势，就是很大程度上避免了有机材料的使用（在单个封装的层次结构中完全避免了PCB的使用）。而在系统级封装集成中，FO封装仍然需要安装在PCB上。而商用FO工艺存在严重的芯片偏移问题，因此，布线和互连间距受覆盖精度的影响被限制在几个微米。Si-IF集成方案（即金属-金属互连、钝化等）与组装相关的可靠性仍在研究中。3D集成中的可靠性问题（1）微凸点技术堆叠芯片之间的互连主要是通过微凸点实现，微凸点是覆盖很薄焊料层的铜柱。大面积变薄的裸片在键合工艺之前可能遭受预翘曲问题。所以，通常使用局部热压焊（TCB）工艺以倒装芯片的方式安装芯片。压力有助于使芯片与安装基板之间保持平整。但在此过程会遇到各种可靠性问题，例如，过大的压力会导致焊点在连接界面处变形，从而导致焊锡桥接，以及由脆性金属间化合物形成的细薄焊锡互联结构，在热负荷应力下，这些互连易受到疲劳裂纹的影响。（2）与TSV相关的应力虽然“硅通孔技术（TSV）”是3D集成中必须用到的一个关键技术，但该技术仍然会对器件可靠性产生不利的影响。铜（17ppm/K）与硅（2.6ppm/K）之间会发生严重的CTE不匹配，这会导致在热偏移期间硅基体周围产生局部应力。根据这一原因，研究人员建议用铜部分填充TSV后，然后再用适当的物理性质聚合物进行完全填充，如一种环形同轴TSV，其中包含了合适的聚酰亚胺以克服热机械可靠性问题。然而在大多数情况下，bottom-up电镀及镀层均匀性/CMP退火和微结构优化的工业应用已将铜填充的影响降低到了可以忽略的水平。（3）硅片减薄的问题半导体芯片常常被减薄在50至μm的范围内。这样做的主要原因是：a.降低热阻；b.更好地抵抗在装配过程中的翘曲；c.在3D集成中，为TSV工艺提供合理的宽高比（1:10）。然而，没有支撑的减薄硅片在组装后会发生严重的翘曲，与基板之间的互连（微凸点）上会产生较大的残余应力，从而导致器件结构的可靠性问题。此外，减薄后的硅片非常易碎，并且这一问题普遍存在基板和PCB的组装过程中。（4）焊接界面在传统封装中，芯片通过焊球相互连接并与基板或PCB进行连接。在第一种情况下，焊球被称为C4凸点或焊锡柱（取决于尺寸大小），而后一种情况下，焊球被称为BGA。这些焊球的主要功能是提供电气连接。焊球连接的方式主要有三种失效模式：a.脆化和空洞导致疲劳引发的失效，失效原因可能是由芯片工作过程中的热循环，或是在组装过程中受到的各种回流工艺的热应力所致；b.由封装和基板/PCB的翘曲引起的内部应力；c.由电流引起的电迁移，尤其是发生在焊球边缘附近的电流拥挤效应。（5）底部填充“底部填充”的应用是在芯片到基板（使用C4凸点）或封装到板（使用BGA）焊点组装过程中的常见工艺。底部填充通常时在回流或局部焊接TCB过程之后进行。目前主要的挑战是在焊接工艺之后要完全清除芯片下方的助焊剂。在毛细管填充过程中，助焊剂残留物通常会滞留在底部填充材料内部，并在高温下释气及活化并形成空洞，从而导致焊接机械强度会随着填充不足而降低。另外一个可靠性问题就是，随着时间的推移，腐蚀性气体（也包括湿气）会从环境气体中侵入到填充胶内部。（6）钝化保护和湿气浸入湿气浸入，芯片上通常会采用有机钝化材料进行保护，但所有的有机材料均为非密封材料，因此不能完全防止湿气的浸入。如果钝化材料中存在杂质（例如NaCl），这样就会使钝化不能很好地覆盖在芯片表面上，并形成渗透压，从而导致水汽在界面处凝结。随着时间推移，水汽会腐蚀底层金属结构并引发严重的可靠性问题（7）电迁移焊点中的电迁移是一个已知的可靠性问题。凸点边缘的电流密度非常高，导致焊料材料随时间移动，焊点形成空洞。尤其在高温下，热应力还会加剧电迁移，使空洞效应变得更加严重。虽然完全转换为金属间化合物减少了电迁移的失效（因为金属间化合物的结合和扩散较少），但金属间化合物是较脆的，易产生空洞，并增加了包括开裂在内的其他失效模式。扇出型封装中的可靠性问题（1）塑封复合材料CTE失配与固化应力目前，刚性模塑料（MCs）被用作扇出工艺的基础材料。但由于半导体芯片（2-3ppm/K）和MC（30-50ppm/K）之间存在较大的CTE失配，因此在固化过程中以及在模压成型过程中都会产生较高的热机械应力。所以在MCs中通常会加入各种填料颗粒和应力消除剂，以改善材料的性能。填料颗粒与MC的比例增大，材料的杨氏模量增加，而热膨胀系数降低。这些材料的断裂强度随着温度的升高而降低。但是模塑料是非密封材料，随着时间的推移，模塑料会吸收水汽，并最终可能发生腐蚀现象。（2）模具移位由于刚性模塑料在固化过程中会收缩，因此模具移位已成为了一个非常关键的问题。据资料报道，模具位移高达50-80μm，这在扇出过程中会导致严重的对准问题。为解决这一问题，可以使用收缩率较小的固化材料以及采用自适应的光刻工艺来减少未对准的情况发生。（3）柔性扇出过程的弯曲性Fukushima等人，推出了一种名为FlextrateTM的扇出型晶圆级工艺，采用柔性生物相容性基材。在这种情况下，模塑料采用的是医用级有机硅（PDMS）材料。这种柔性平台固化引起的热机械应力方面具有优越性，并且把模具位移控制在几微米这样很小的范围内，但在PDMS弯曲期间，金属布线会发生塑性变形，导致电阻增大和机械可靠性问题。另外，金属布线可能会与PDMS脱层，所以需要引入了特殊的应力缓冲层，从而将金属结构中的应力降到最低。（4）水汽和盐汽浸入FlextrateTM技术主要是针对生物医学应用，即可植入生物医学微系统以及可穿戴设备。但PDMS是一种非密封的环氧基材料，导致水汽和盐汽浸入时不能完全消除，这也是植入式电子设备面临的主要可靠性问题。另外，芯片与PDMS、金属结构与PDMS之间的粘接可靠性至关重要，如果发生分层，水汽及盐汽都会对金属结构（材料通常为铜）造成严重腐蚀。硅互联结构中的可靠性问题Bajwa等人开发了一种系统级集成方案，就是将各种异构材料安装在一个平台上，该方案称为“硅互连结构（SiIF）”，实现了一个封装级别来简化封装层次结构，其中异质组件（芯片，无源元件等）以极紧密的互连间距（2-10μm）和较小的晶粒间距离（50-μm）安装在硅片上。这种集成方案依赖于组件之间的无焊料金属-金属直接互联。（1）金属-金属互连芯片与晶圆（或基板）金属-金属（Cu或Au）直接采用热压连接技术以实现高密度互连和芯片的窄间距互联。该技术在连接界面使用了相似的金属，因此消除了焊料的使用，从而抑制金属间化合物的形成，而金属间化合物是循环热负荷过程中焊接失效的主要原因。Cu-Cu的互联极具挑战性，因为Cu易于氧化并在高温下容易形成各种氧化物（CuO和Cu2O），因此，氧化物清洗过程是必不可少的，不过这种类型的互连结构没有长期可靠性数据，需进一步评估。（2）钝化Si-IF互联技术依赖于极小的节距和较小的模间距离，因此，不能使用常规的底部填充材料。该方案中的铜柱比Si-IF表面高约1-2μm，由于毛细管作用力无法自动填充环氧树脂基材料。在钝化过程中，对于使用聚对二甲苯基的敷形涂层可能会穿透微小的空洞。聚对二甲苯是非常好的防潮层，但不能防止盐汽侵入，可能会发生腐蚀问题。另外，硅烷基粘合促进剂可以将聚对二甲苯充分固化在氧化硅钝化层上，但与铜的粘合性仍然很差。因此，为了评估Si-IF基复合材料涂层的长期稳定性，需要进行热循环和高温贮存试验。结束语随着先进封装技术的出现，对识别潜在的可靠性问题非常重要。CTE失配引起的热机械应力、有害气氛的侵入、钝化层分层、金属（铜）氧化、金属间化合物形成、电迁移等是先进封装可靠性面临的主要问题。这些问题可以采用如热冲击、热循环、高温贮存、潮湿试验、跌落试验等常规可靠性试验进行评估。英文链接：
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