问题描述
三维封装芯片通过将晶圆在垂直方向上进行堆叠，从而可避免对二维晶圆平面上晶体管高密度的极致追求。三维封装技术是我国突破国外高端电子芯片设计制造技术封锁的可行途径。
可靠性是制约三维封装技术推广应用的突出问题。三维封装芯片中作为信号与能量传输通路的各种微结构在多物理场的应力作用下性能退化和失效机理复杂，且具备显著的尺度效应，如何准确评估三维封装芯片微结构的可靠性并在此基础上开展结构优化设计是制约三维封装技术进一步成熟与推广应用的工程技术难题。问题背景
智能时代已然来临，微纳芯片作为智能装备系统的“眼睛”、“耳朵”和“大脑”，将在各领域发挥着愈发重要的作用。然而，中国在芯片设计和制造领域长期被西方国家“卡脖子”，严重威胁国家安全和国民经济发展。解决该问题需要我们在基础研究和工程领域寻求突破，为半导体设计制造的全面自主可控提供理论和技术支撑。
随着摩尔定律接近其物理极限，一个自然而朴素的解决方案就是从二维平面向三维发展，将二维芯片在垂直方向上堆叠起来并封装在一个器件内，以硅通孔（TSV）作为能量和信号通路，从而不必再继续追求突破二维平面上的晶体管密度，可以降低成本的同时获得更高带宽、更低延迟、更低功耗、更小尺寸且便于异构集成的微纳器件，于是三维集成封装技术应运而生。由于其显著的优点，基于TSV的三维集成封装芯片正在逐渐从实验室走向市场，在内存、CMOS传感器等芯片中开始推广应用。英特尔、AMD、苹果等国际知名厂商相继加入三维封装芯片的竞争，苹果公司已经在新一代芯片设计中采用芯片堆叠、拼接技术，AMD将3D封装技术视为下一代先进封装技术的关键竞争点。在国外对华科技封锁，尤其是半导体技术出口限制的情况下，以三维封装为代表的先进封装技术有望成为中国避开技术封锁、解决“卡脖子”问题的有效途径。然而，三维封装芯片微结构制备工艺复杂且具有显著的尺度效应，在多应力作用下失效机理多样，严重影响三维封装的性能稳定性和可靠性，制约了三维封装的应用和发展。此外，其优化设计也缺少理论依据和方法支撑。在对三维封装芯片微结构进行可靠性评估和优化设计时必须要考虑其以下几个典型特点：（1）微结构在制造、使用过程中需要承受多应力。由于制造工艺复杂，在三维封装工艺流程中晶圆需要承受高温、热循环、湿度、机械载荷等应力，而在使用过程中，芯片需要承受包括热循环、电流/电压、湿度、机械载荷、振动等应力，这就要求开展微结构可靠性研究和优化设计时必须考虑多应力的耦合效应。（2）微结构面临复杂多样的失效模式。首先，在制备过程中，三维封装结构不可避免地会引入很多瑕疵，如刻蚀孔过程中产生的粗糙壁面、电镀铜过程中产生的空穴和裂纹以及高温退火后产生的胀出、颈缩现象等，这些瑕疵在器件服役期间会逐渐扩展，从而改变结构完整性，进而引发失效问题。其次，更小的封装尺寸和更高的连接密度，使得结构相比于传统封装结构在散热管理方面面临更为苛刻的挑战。三维封装微结构由多种不同材料组成，界面复杂，且每一种材料的热膨胀系数均不相同甚至差异巨大，因而在热载荷作用下结构界面处会产生很大的因热失配而导致的应力，引发界面裂纹、分层失效。第三，作为电连接结构，三维封装TSV结构中的铜在服役过程中会产生电迁移失效，并且还会随着时间的推移而逐渐越过介电层迁移到硅中，从而引发电连接失效。此外，铜作为塑性金属材料，在低周热应力作用下，还会产生应变疲劳和蠕变问题。（3）微结构存在显著的尺度效应。当三维封装硅通孔的直径在一百微米以下时，对于典型的填充电镀铜，在退火后其单个晶粒尺寸甚至会接近硅通孔孔径，进而使得填充材料表现出强烈的各向异性，晶体塑性和晶界运动的影响变得不可忽视。此时，晶粒取向、位错运动等微观信息会对填充材料乃至细观尺度结构的应力、应变场产生显著影响，从而可能造成结构损伤，进而影响宏观尺度芯片的性能退化，甚至导致失效。尺度效应在微纳芯片器件中非常明显。当前评估微纳芯片器件可靠性的方法，往往仍是将宏观电子产品或机电产品的可靠性分析与评估方法向微结构器件推广，而忽视了尺度效应可能带来的性能退化规律、失效机理与失效模式的变化。失效机理分析和可靠性评估方法研究向跨尺度发展，是科学准确评估微纳芯片可靠性的必然要求。最新进展（截止问题发布年度）
现有相关研究主要集中于三维封装微结构的热应力有限元仿真（包括应力、变形、疲劳、裂纹拓展分析）、宏观热电测试以及微观材料力学性能表征等。总结当前研究现状，可得到如下结论：第一，当前的失效机理研究多以有限元仿真为主，主要针对微观现象的表征和影响因素进行分析，缺少“由里及表”的分析与阐释；第二，三维封装微结构在多物理场应力载荷作用下的失效问题尚未见到相关研究文献；第三，结构微观材料力学性能如何影响界面和宏观结构力学行为还有待揭示。
重要意义
通过本问题的研究，可为三维封装电子芯片，以及微纳系统的失效机理分析、结构优化、工艺设计、可靠性评估提供更加科学有效的方法和手段，促进三维封装芯片技术的成熟与推广应用。
