異質(zhì)異構(gòu)微系統(tǒng)集成可靠性技術(shù)綜述*

周 斌，陳 思，王宏躍，付志偉，施宜軍，楊曉鋒，曲晨冰，時(shí)林林

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州511370）

1 引言

根據(jù)美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA）微系統(tǒng)技術(shù)辦公室的定義，微系統(tǒng)是融合微電子、光電子、微機(jī)電系統(tǒng)、軟件架構(gòu)和算法五大基礎(chǔ)要素，采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和方法，集成傳感、通信、處理、執(zhí)行和微能源五大功能單元的多種功能微裝置。隨著微電子技術(shù)向“深度摩爾”方向，以及集成技術(shù)向“超越摩爾”領(lǐng)域快速發(fā)展，綜合“深度摩爾”和“超越摩爾”優(yōu)勢(shì)的微系統(tǒng)集成技術(shù)得以快速融合，推動(dòng)微系統(tǒng)集成度不斷增加、功能不斷完善、尺寸不斷縮小。國(guó)外微系統(tǒng)技術(shù)起步較早，代表性的有英國(guó)薩里大學(xué)衛(wèi)星中心的“片上衛(wèi)星”（Satellite on a Chip）系統(tǒng)，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)的“集成空間微小系統(tǒng)”和美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)的“芯片衛(wèi)星”。NASA的“芯片衛(wèi)星”集成了射頻、微波、能源、處理器、敏感器和執(zhí)行等部件，目前已研制出的原型樣機(jī)尺寸僅為0.02 m×0.02 m，只有使用更高集成密度、基于三維堆疊的新一代系統(tǒng)集成技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)針對(duì)系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)已在設(shè)計(jì)、工藝、互連和封裝等關(guān)鍵工藝領(lǐng)域開(kāi)展了較多的基礎(chǔ)性研究工作，微納集成及加工技術(shù)快速發(fā)展，已開(kāi)發(fā)出異質(zhì)異構(gòu)集成的信息處理微系統(tǒng)、射頻微系統(tǒng)、MEMS（Micro-Electromechanical System）慣性微系統(tǒng)等產(chǎn)品，眾多新的微納工藝、新的封裝技術(shù)和新材料得以開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，但在CMOS工藝與系統(tǒng)級(jí)封裝工藝兼容性、晶格失配、異質(zhì)集成熱失配等方面的問(wèn)題仍未解決，異質(zhì)異構(gòu)失效機(jī)理和可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)欠缺，導(dǎo)致器件可靠性、穩(wěn)定性與國(guó)外相比仍存在一定差距。面對(duì)高可靠的微系統(tǒng)應(yīng)用需求，如何突破異質(zhì)異構(gòu)集成之間的物理、化學(xué)特性的匹配性和兼容性，兼顧功能性能和高可靠性，是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)[1]。本文提煉了基于異質(zhì)異構(gòu)集成的微系統(tǒng)技術(shù)面臨的主要可靠性問(wèn)題及表征分析方法。

2 微系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

微系統(tǒng)三維集成技術(shù)的概念始于大規(guī)模集成電路(Integrated Circuit,IC)的鍵合和硅通孔技術(shù)(Through Silicon Via,TSV)。1989年研究人員首次提出一個(gè)三維大規(guī)模集成電路的制造方法，將大規(guī)模集成電路的晶圓從背面減薄并鍵合到另一較厚的大規(guī)模集成電路晶圓上。經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，如今微系統(tǒng)三維集成技術(shù)已經(jīng)形成TSV/TGV（Through Glass Via）封裝轉(zhuǎn)接板制造技術(shù)、MEMS和IC異構(gòu)的三維集成、系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）、三維異質(zhì)集成等發(fā)展路徑，并在成像傳感、光集成微系統(tǒng)、慣性傳感微系統(tǒng)、射頻微系統(tǒng)、生物微系統(tǒng)、邏輯微系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新進(jìn)行了大量的研究。圖1為典型的微系統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)圖。微系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展為電子產(chǎn)品的性能帶來(lái)了許多顛覆性的進(jìn)步，如集成度顯著提高、體積明顯減小、功耗顯著降低、功率密度大幅提升等。但是，微系統(tǒng)三維集成技術(shù)在帶來(lái)上述優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，隨之而來(lái)的熱管理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多物理場(chǎng)耦合、電磁兼容、可靠性表征及評(píng)價(jià)等諸多問(wèn)題也面臨新的挑戰(zhàn)。微系統(tǒng)典型可靠性問(wèn)題及面臨的挑戰(zhàn)如圖2所示。

圖1 典型的微系統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)

圖2 微系統(tǒng)典型可靠性問(wèn)題及協(xié)同解決方法

3 微系統(tǒng)中的可靠性問(wèn)題及表征方法

3.1 微系統(tǒng)的熱可靠性問(wèn)題及表征方法

1989—2019 年，電子器件的熱流密度已達(dá)到107W/m2，三維堆疊結(jié)構(gòu)下封裝體的內(nèi)部熱流更加集中，器件存在更嚴(yán)重的熱致失效隱患[2-3]。微系統(tǒng)高溫應(yīng)力下的可靠性及其熱表征問(wèn)題已成為業(yè)界的關(guān)注熱點(diǎn)。微系統(tǒng)集成了大量微凸點(diǎn)和TSV等結(jié)構(gòu)，焊接后微凸點(diǎn)高度合金化，高溫環(huán)境下易形成裂紋。采用銅柱凸點(diǎn)的互連結(jié)構(gòu)還易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在芯片表面或焊點(diǎn)處引發(fā)開(kāi)裂[4]。而TSV互連結(jié)構(gòu)襯底、導(dǎo)電體以及絕緣層結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)差異較大，溫度載荷下TSV-Cu/Si界面易發(fā)生開(kāi)裂[5]，引發(fā)漏電失效。圖3為T(mén)SV在熱沖擊載荷后發(fā)生界面剝離。

圖3 熱沖擊載荷應(yīng)力后TSV發(fā)生界面剝離[6]

基于高導(dǎo)熱界面材料和微流道的微系統(tǒng)，能有效提高封裝散熱性能，降低結(jié)溫，提高芯片的實(shí)際輸出功率[7]，但高溫下界面結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，材料的電-熱性能會(huì)退化，界面層易分離，失去粘接和散熱作用。目前，微流道散熱技術(shù)還未完全實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，高溫應(yīng)力下其鍵合結(jié)構(gòu)的退化，以及流道腐蝕等可靠性問(wèn)題還有待深入研究。

現(xiàn)階段，器件級(jí)主流的熱表征方法主要有建模仿真、熱分布成像、熱阻模型以及熱點(diǎn)失效定位等，具體見(jiàn)表1。采用熱分析方法表征微系統(tǒng)的熱學(xué)性能，可為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有效參考，但微系統(tǒng)的多熱源耦合和三維堆疊的特點(diǎn)加大了熱分析的難度。

表1 常用熱表征方法比較

跨尺度結(jié)構(gòu)導(dǎo)致普通建模方法不適用微系統(tǒng)的熱分布模擬。微系統(tǒng)中的凸點(diǎn)、界面層、堆疊芯片等結(jié)構(gòu)物理尺寸可能相差3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，跨尺度結(jié)構(gòu)的建模和仿真難度較大。其中等效建模是實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)中跨尺度熱仿真的一種有效方法，采用電學(xué)法對(duì)三維堆疊結(jié)構(gòu)的熱性能進(jìn)行測(cè)試表征，測(cè)試數(shù)據(jù)用于建模中封裝結(jié)構(gòu)（如凸點(diǎn)）的等效，保證等效模型的準(zhǔn)確度[8]。

微系統(tǒng)的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)使其內(nèi)部的缺陷或失效難以通過(guò)熱點(diǎn)進(jìn)行定位。傳統(tǒng)的紅外法熱點(diǎn)定位僅能獲取表面溫度分布，不能定位深層次熱點(diǎn)。鎖相紅外熱成像是一種針對(duì)三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)表征的有效方法，它結(jié)合計(jì)算模擬的方式，通過(guò)表面成像定位三維堆疊結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷，有效地解決了三維架構(gòu)的失效熱定位問(wèn)題[9]。

射頻微系統(tǒng)的工作特性決定了其高時(shí)間分辨率的瞬態(tài)熱表征需求。拉曼光譜法和反射率熱成像測(cè)試技術(shù)可應(yīng)用于瞬態(tài)熱檢測(cè)，時(shí)間分辨率可達(dá)微秒級(jí)別，空間分辨率達(dá)到1μm以下[10,12]。但受分析成本和方法成熟度的限制，目前這兩種方法的工程應(yīng)用程度不高，在微系統(tǒng)中的熱分析案例較少，多處在探索階段。此外，針對(duì)堆疊的多熱源結(jié)構(gòu)，還可采用熱阻矩陣和熱阻網(wǎng)絡(luò)模型方法，表征不同熱源之間的耦合影響，預(yù)測(cè)不同功率條件下內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的溫度[11]。

3.2 微系統(tǒng)的力學(xué)可靠性問(wèn)題及表征方法

微納工藝一般包括掩模、沉積、刻蝕、外延生長(zhǎng)、電鍍、氧化和摻雜等關(guān)鍵工藝，加工工藝中將引入大量殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力通常集中在微米/納米尺度的微系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)中，急需殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)對(duì)工藝質(zhì)量進(jìn)行表征。尤其是在多層材料界面的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，工藝溫度引起的嚴(yán)重的熱失配將導(dǎo)致界面各層材料產(chǎn)生較大的切應(yīng)力和拉應(yīng)力，很容易誘發(fā)界面分層或開(kāi)裂失效[13-14]，退火工藝殘余應(yīng)力導(dǎo)致的TSV界面開(kāi)裂見(jiàn)圖4。微納工藝的損傷已成為其服役可靠性的最主要問(wèn)題之一，而應(yīng)力的測(cè)量一直是損傷問(wèn)題的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，高分辨率的應(yīng)力表征技術(shù)對(duì)于三維微系統(tǒng)力學(xué)可靠性研究有重要作用。

圖4 退火工藝殘余應(yīng)力導(dǎo)致的TSV界面開(kāi)裂

測(cè)量應(yīng)力的方法多種多樣，按照其對(duì)被測(cè)樣品的破壞程度主要可分為有損檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)兩大類(lèi)。其中有損檢測(cè)法主要通過(guò)去除待測(cè)區(qū)域的材料，使得該區(qū)域的殘余應(yīng)力得到部分或者完全的釋放，進(jìn)而造成待測(cè)件發(fā)生一定的變形，通過(guò)測(cè)量相關(guān)變量，根據(jù)相應(yīng)的變形理論計(jì)算原理得到其殘余應(yīng)力。有損檢測(cè)法主要包括切片法、納米壓痕法、輪廓法、盲孔法、深孔法、切除法、分裂法、曲率法、剝層法、剪切法等。無(wú)損檢測(cè)法又稱(chēng)為物理法，主要通過(guò)測(cè)量某些物理參數(shù)，研究其與殘余應(yīng)力的聯(lián)系，基于該物理參數(shù)計(jì)算得到相應(yīng)的殘余應(yīng)力。無(wú)損檢測(cè)法主要包括X射線衍射法、中子衍射法、超聲波法、電子散斑干涉法、固有應(yīng)變法、掃描電子顯微鏡法以及磁性法等。微納尺度殘余應(yīng)力測(cè)量方法比較如表2所示。

表2 微納尺度殘余應(yīng)力測(cè)量方法比較

綜上可以看出，X射線衍射[15]、曲率法[22]、納米壓痕法[23]等殘余應(yīng)力表征方法較為精確，可以獲得較為合理的測(cè)試數(shù)據(jù)，但是各有利弊。X射線的穿透深度較小，只能測(cè)量材料表面的殘余應(yīng)力，如果需要測(cè)量材料內(nèi)部微納尺度的殘余應(yīng)力，其能力則顯得有些蒼白。曲率法計(jì)算得到微納工藝各層材料界面沿厚度方向上平均的殘余應(yīng)力，并且測(cè)量對(duì)象是近似于界面結(jié)構(gòu)的薄膜試樣。但此薄膜試樣的測(cè)試結(jié)果是否能夠代表真實(shí)微納工藝的殘余應(yīng)力還有待商榷。納米壓痕試驗(yàn)?zāi)軌颢@得在簡(jiǎn)單剪切作用下界面破壞的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但事實(shí)上微納工藝制備結(jié)構(gòu)的失效位置與殘余應(yīng)力分布密切相關(guān)，壓痕試驗(yàn)?zāi)芊穹从彻に嚭头蹢l件下的實(shí)際開(kāi)裂行為有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.3 微系統(tǒng)的電磁可靠性問(wèn)題及表征方法

在射頻微系統(tǒng)中，隨著時(shí)鐘頻率的上升，多層重布線、高頻TSV陣列耦合寄生效應(yīng)更趨復(fù)雜，高速微互連結(jié)構(gòu)的延遲、噪聲、電磁干擾等信號(hào)完整性問(wèn)題加劇，將影響和降低微系統(tǒng)可靠性。在三維微系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，信號(hào)完整性技術(shù)成為其可靠性研究的重要方面。

微互連信號(hào)完整性的研究手段主要包括解析建模、軟件協(xié)同仿真和微波測(cè)試，建立其S參數(shù)、壓降、輻射圖譜等頻域和時(shí)域表征，微互連信號(hào)完整性分析手段如表3所示。微互連等效電路建模主要基于麥克斯韋方程等電磁理論，針對(duì)多種微互連結(jié)構(gòu)，分析遠(yuǎn)點(diǎn)TSV耦合效應(yīng)、雙TSV耦合模型、TSV與有源層電路串?dāng)_模型等，進(jìn)行電磁建模和電磁特性分析；同時(shí)考慮溫度變化，解析TSV的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性對(duì)高速電路性能的影響，尤其是先進(jìn)材料和工藝結(jié)構(gòu)的硅通孔互連，如碳納米管TSV等，幫助設(shè)計(jì)者有效地避免信號(hào)不完整性問(wèn)題。軟件仿真主要針對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維封裝芯片，由于商業(yè)電磁仿真軟件存在建模困難、仿真時(shí)間長(zhǎng)和所需計(jì)算資源大的實(shí)際困難，可通過(guò)場(chǎng)路協(xié)同仿真等手段，開(kāi)展復(fù)雜微系統(tǒng)產(chǎn)品的電氣特性分析。常規(guī)的射頻芯片測(cè)試手段包括矢量網(wǎng)絡(luò)、近場(chǎng)掃描等，針對(duì)不同工藝的硅通孔互連通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的測(cè)試結(jié)構(gòu)來(lái)獲取傳輸損耗、電磁輻射/電磁干擾的圖譜參數(shù)。由于三維微系統(tǒng)高度集成的特點(diǎn)，其包含模擬、微波、數(shù)字電路的高速多通道，直接測(cè)試對(duì)測(cè)試儀器和測(cè)試結(jié)構(gòu)提出很高的要求，是當(dāng)前三維微系統(tǒng)試驗(yàn)檢驗(yàn)的一大難點(diǎn)。而結(jié)合掃描電子顯微鏡和X射線的診斷，建立材料、微觀互連結(jié)構(gòu)與微系統(tǒng)產(chǎn)品可靠性的映射關(guān)系，是一種可行的方法。

表3 微互連信號(hào)完整性分析手段

3.4 微系統(tǒng)的多場(chǎng)耦合問(wèn)題

盡管三維異質(zhì)異構(gòu)集成微系統(tǒng)具有眾多性能上的優(yōu)勢(shì)，但采用更短垂直互連的方式集成了更多不同類(lèi)型和結(jié)構(gòu)的芯片，其特征尺寸更小、布局更密集、工作頻率更高，使電磁場(chǎng)、熱場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)之間存在明顯耦合效應(yīng)，電磁-熱-結(jié)構(gòu)三場(chǎng)耦合關(guān)系如圖5所示[27-28]。例如對(duì)射頻微系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，射頻工作狀態(tài)首先會(huì)引起內(nèi)部芯片結(jié)溫升高，進(jìn)而引起增益、噪聲系數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍及靈敏度等關(guān)鍵參數(shù)發(fā)生漂移，并逐漸引起內(nèi)部芯片或互連因應(yīng)力過(guò)大而發(fā)生退化，并最終導(dǎo)致疲勞、分層、開(kāi)裂等失效。此外，更薄芯片、更薄基板和更小互連尺寸的封裝結(jié)構(gòu)，除了使多場(chǎng)耦合引起的可靠性問(wèn)題更加嚴(yán)峻，也使原本并不被關(guān)注的封裝材料阿爾法粒子放射引起的軟錯(cuò)誤問(wèn)題逐漸成為關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

圖5 電磁-熱-結(jié)構(gòu)三場(chǎng)耦合關(guān)系

由于多場(chǎng)耦合問(wèn)題的研究十分復(fù)雜和困難，目前微系統(tǒng)分析研究方法是把這些相互關(guān)聯(lián)的問(wèn)題分離，按學(xué)科分類(lèi)進(jìn)行獨(dú)立的研究。這種研究方法對(duì)于各應(yīng)力場(chǎng)下的機(jī)理研究非常有效，但對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言，這種非協(xié)同的設(shè)計(jì)方法難以整體綜合提升微系統(tǒng)的性能。例如在微系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電氣互連及電磁設(shè)計(jì)人員通常不會(huì)充分考慮熱-結(jié)構(gòu)耦合問(wèn)題。

由于微系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜且存在非線性的耦合情況，因此在其設(shè)計(jì)中充分考慮多物理場(chǎng)的耦合作用是必要的。目前主要是通過(guò)多物理場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行多場(chǎng)耦合問(wèn)題的分析研究，主要的仿真軟件包括ANSYS和COMSOL，這兩個(gè)軟件均可進(jìn)行系統(tǒng)的電磁場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)(應(yīng)力場(chǎng))耦合分析。

3.5 微系統(tǒng)可靠性仿真評(píng)價(jià)技術(shù)

隨著微系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，微系統(tǒng)自身的可靠性評(píng)估、壽命預(yù)測(cè)以及可靠性提升問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注，而三維、細(xì)微和復(fù)雜的微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常難以通過(guò)試驗(yàn)方法進(jìn)行物理特性和可靠性表征。可靠性仿真技術(shù)可以搭建起產(chǎn)品數(shù)字設(shè)計(jì)和性能試驗(yàn)的紐帶，采用構(gòu)建數(shù)字樣機(jī)和測(cè)試環(huán)境的方法，通過(guò)高性能計(jì)算機(jī)、有限元分析技術(shù)、失效機(jī)理分析技術(shù)和可靠性建模技術(shù)在虛擬化環(huán)境中對(duì)指定產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行分析與評(píng)估，從而使得設(shè)計(jì)人員可以快速掌握產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)和可靠性指標(biāo)，由此可指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)，提高產(chǎn)品的固有可靠性。可靠性仿真的全流程分析一般分為數(shù)字樣機(jī)建模，基于有限元的應(yīng)力分析，基于失效物理的器件級(jí)可靠性分析和板、微系統(tǒng)、單機(jī)級(jí)可靠性綜合評(píng)估。

當(dāng)前，商業(yè)化程度較高的具有可靠性仿真功能的軟件的主要代表是美國(guó)馬里蘭大學(xué)計(jì)算機(jī)輔助生命周期工程研究中心(Center for Advanced Life Cycle Engineering,CALCE)開(kāi)發(fā)的CalcePWA，以及美國(guó)DfR Solutions公司推出的商業(yè)化軟件Sherlock。就國(guó)內(nèi)而言，工業(yè)和信息化部電子第五研究所開(kāi)發(fā)了基于失效物理的可靠性仿真軟件RSE-POF。RSE-POF是一款基于多機(jī)理競(jìng)爭(zhēng)及融合的失效物理可靠性仿真評(píng)價(jià)軟件平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)工藝-使用全壽命周期應(yīng)力以及精細(xì)互連結(jié)構(gòu)的損傷模型仿真，具備綜合的可靠性預(yù)測(cè)功能；通過(guò)熱、力、電等多種物理場(chǎng)分布的有限元模擬，實(shí)現(xiàn)元器件、封裝級(jí)、印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)、微系統(tǒng)、單機(jī)級(jí)的薄弱環(huán)節(jié)定位、潛在失效原因分析、壽命預(yù)測(cè)等。

圖6為某SiP產(chǎn)品的可靠性仿真評(píng)價(jià)案例。通過(guò)建立數(shù)字樣機(jī)模型、施加溫度載荷，溫度-應(yīng)力仿真分析、基于失效物理的單點(diǎn)單機(jī)理分析和壽命綜合分析，獲得SiP封裝的壽命分布函數(shù)。結(jié)果表明，在SiP中15顆芯片同時(shí)工作、單個(gè)芯片最高功率為2 W的情況下，由于高溫退化，SiP模塊的平均工作壽命為190000 h，約21.7年。

圖6 某SiP產(chǎn)品可靠性仿真分析

3.6 柔性微系統(tǒng)技術(shù)及可靠性問(wèn)題

柔性微系統(tǒng)技術(shù)是將有機(jī)、無(wú)機(jī)材料電子器件制作、集成在柔性、可延展基板上，形成多功能電路的技術(shù)。柔性微系統(tǒng)技術(shù)正顛覆性地改變傳統(tǒng)剛性電路的物理形態(tài)，極大地促進(jìn)了人-機(jī)-物的融合，是融合實(shí)體、數(shù)字和生物世界的革命性技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的剛性微系統(tǒng)，柔性微系統(tǒng)具有質(zhì)量輕、便捷、可大面積加工和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是后摩爾時(shí)代顛覆原有信息載體形態(tài)、全面提升信息感知、存儲(chǔ)和顯示等功能的創(chuàng)新技術(shù)[30-33]。在逐步實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化發(fā)展的趨勢(shì)下，柔性微系統(tǒng)服役的力學(xué)可靠性受到了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。

由于柔性微系統(tǒng)的特殊結(jié)構(gòu)，其主要存在腐蝕、斷裂和分層等方面的可靠性問(wèn)題，柔性微系統(tǒng)的常見(jiàn)失效模式如圖7所示。

圖7 柔性微系統(tǒng)常見(jiàn)失效模式

針對(duì)上述柔性基底上金屬薄膜的疲勞損傷與斷裂的可靠性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電阻變化的方法，監(jiān)測(cè)柔性微系統(tǒng)在長(zhǎng)期服役中受彎曲、拉伸后的電性能變化。研究結(jié)果表明，柔性電子材料在發(fā)生可見(jiàn)裂紋之前，其電性能就已經(jīng)發(fā)生了明顯變化。由于柔性微系統(tǒng)技術(shù)尚新，全世界對(duì)柔性微系統(tǒng)的應(yīng)用還停留在可穿戴、生物檢測(cè)等對(duì)可靠性要求較低的低端產(chǎn)業(yè)。而針對(duì)高端芯片、微系統(tǒng)的研究還停留在前期功能設(shè)計(jì)、集成方面，暫未深入到深層次可靠性評(píng)估、優(yōu)化設(shè)計(jì)層面，許多因“柔性”引入的新的可靠性問(wèn)題還未得到重視，包括：1）柔性材料散熱差引起的微系統(tǒng)熱失效；2）有機(jī)柔性材料與硅、金屬線路之間的界面分層；3）有機(jī)柔性材料氣密性差導(dǎo)致的金屬線路腐蝕等問(wèn)題。

4 結(jié)論

綜上所述，微系統(tǒng)不僅涉及微電子器件、工藝、設(shè)計(jì)和測(cè)試，還與微納尺度下的力學(xué)、熱學(xué)行為、電磁理論、表面物理和化學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題密切相關(guān)，是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)和創(chuàng)新機(jī)遇的研究領(lǐng)域。其面臨的主要質(zhì)量可靠性問(wèn)題可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：1）熱、力學(xué)可靠性問(wèn)題；2）多尺度、多場(chǎng)耦合問(wèn)題；3）微納工藝、結(jié)構(gòu)的性能表征和退化問(wèn)題；4）微系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)問(wèn)題；5）電磁、輻照、極低溫等特殊環(huán)境下的適應(yīng)性問(wèn)題。由于異質(zhì)異構(gòu)集成的質(zhì)量可靠性與微系統(tǒng)產(chǎn)品可靠性密切相關(guān)，因此，針對(duì)異質(zhì)異構(gòu)集成及以上問(wèn)題，探索新的可靠性分析表征手段，構(gòu)建一體化解決方案，從機(jī)理表征、模型構(gòu)建、測(cè)試分析、試驗(yàn)評(píng)價(jià)、協(xié)同設(shè)計(jì)、虛擬試驗(yàn)等方面，建立針對(duì)微系統(tǒng)的可靠性技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)面向多場(chǎng)耦合的芯片-封裝-器件-系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)，對(duì)于下一代高可靠微系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用具有重要意義。