高可靠SiP 产品考核评价要求探讨 周圣泽 毛毛 蔡志刚 （工业和信息化部电子第五研究所） 摘要： 近年来， 系统级封装（SiP） 产品已经成为了复杂大规模系统级芯片解决方案的焦点之一， 高可靠SiP产品也是各类整机及装备系统的重要研究热点。一般而言， 高可靠SiP 产品的成本比半导体集成电路或混合集成电路要高很多， 在当前的国军标体系中， 未有适用的相关通用规范， 一般参考GJB 2438A-2005 《混合集成电路通用规范》中适用的考核要求来制定产品规范， 但在抽样方式、内部元器件评价和各类试验方法标准的适应性方面均存在争议， 需要进一步地探讨和研究确定。主要就高可靠SiP 产品考核评价过程中面临的一些难点和进一步的研究方向进行了探讨。 0 引言 系统级封装（SiP： System in Package） 为一种新型封装技术， 是将一个系统或子系统的全部或大部分电子功能配置在整合型基板内， 而芯片以2D、3D 的方式接合到整合型基板的封装方式。简单来说， SiP 是将多种功能芯片， 包括处理器、存储器等功能芯片和/或相关无源元件集成在一个封装内，从而实现一个基本完整的功能。与在印刷电路板上进行系统集成相比， SiP 具有能最大限度地优化系统性能， 避免重复封装， 缩短开发周期， 降低成本， 将存储器与被动元件结合电阻器和电容器、连接器、天线等全部安装在同一基板上等优点。 由于SiP 具有新结构、新工艺等特性， 当前，高可靠SiP 产品的考核评价存在较多的难点， 主要原因是现有的国军标体系中未有完全适用的通用规范， 而且当前国军标体系中的部分试验方法标准中的试验程序、试验判据等存在不完全适用的情况。此外， 由于SiP 产品的成本较高， 其抽样方式， 以及内部元器件产品的质量与可靠性考核评价完整性也是行业内争议的焦点。 1 SiP 考核评价要求的难点 1.1 成本高， 难以大批量考核 SiP 产品内部集成了大量的元器件产品， 其内部集成的元器件数量从数个到数百个不等。对于高可靠产品而言， 其内部元器件产品的自身成本较高， 从几千元到几十万元不等。例如： 某高可靠应用控制SiP 产品， 其内部集成了多个模块， 成本较高的包括1 个高可靠处理器、1 个高可靠FPGA、5个高可靠存储颗粒和1 个AD/DA 产品， 采用5 层叠层封装工艺， 其成本超过20 万元， 附加产品工艺研发等成本， 在小批量供应下， 测算单只成本超过50 万元。在对产品进行质量考核评价过程中，参考GJB 2438A-2005 《混合集成电路通用规范》[1]的考核要求， 需抽样116 只样品进行相关的考核试验， 且试验后不能进行供货的样品（含破坏性试验和高应力试验） 数量至少为29 只。按此计算的成本往往超过了产品研制单位可以承受的成本。而且该成本需要计入产品的研发成本， 导致后续用户采购的成本大大地增加。 1.2 内部芯片评价及测试覆盖困难 采用系统集成后， 在对SiP 产品考核评价过程中， 其产品参数、性能的评价难以覆盖到内部元器件产品。在鉴定检验或其他检验评估过程中， 只能对最终产品的基本参数特性和典型应用功能模式进行测试。但在产品研制整个过程中， 对该部分的质量控制存在把控不严的情况， SiP 研制生产方对内部元器件的测试评价及测试覆盖要求并没有明确的文件可以参考， 而且在内部元器件参数评价与最终SiP 产品的质量评价关系上未有明确的标准可用于指导执行， 采用最终芯片测试评价的方式对可测性设计、测试方案和测试可操作性提出了更高的要求。 1.3 新型封装结构考核评价方法缺失 1.3.1 叠层封装芯片剪切试验方法及判据 SiP 产品大多采用叠层封装结构， 高可靠SiP产品采用3～7 层的封装结构不等。但在当前的高可靠元器件考核评价标准体系中主要依据GJB 548规定的方法进行考核， 该标准未包含针对此类叠层封装结构的考核评价方法， 导致了此类结构考核评价依据的缺失。主要难点是如何对叠层封装结构各层开展试验及其判据要求的确定。 1.3.2 双腔体恒定加速度要求及判据 双腔体结构也是SiP 产品的一种实现方式， 为了更好地实现产品的点结构特性和小型化， 采用上下两个腔体可以较好地实现该目的。目前的试验要求均是针对单腔体结构产品的， 一般要求在Y1 方向（芯片脱离基板） 进行试验， 但对双腔体结构，如果仅进行一个方向的考核试验， 会导致试验评价不充分的现象。但是， 为了保证考核充分， 采用同一样品进行两个方向（Y 和Y1方向） 的试验， 也有可能发生蹋丝的情况（键合丝塌陷）， 由于恒定加速度试验是一种较高应力的模拟试验， 采用很高的离心加速度试验时很可能会造成键合丝塌陷， 导致试验失效。需要综合考虑样品数量、成本、试验方式和判据等方面的影响， 并制定合适的试验方法。 1.3.3 芯片及内部元器件塑封超声检测方法及判据 针对采用系统集成后再进行灌封结构的产品，其超声检测的方法、要求及判据在当前的标准体系中也存在欠缺。针对微电路器件， 超声检测的方法主要是GJB 548 方法2030， 该方法主要适用于单片塑封集成电路， GJB 4027 方法1103 中规定了针对塑封电路的破坏性试验程序， 新版要求增加了对倒装器件的试验考核程序及要求， 但对系统集成封装结构的产品并不适用。 2 SiP 考核评价程序策略 2.1 加强过程质量控制， 采用小样本进行最终考核 为了降低SiP 产品考核评价所带来的成本问题， 必须减少考核评价的试验样品数量， 国外同类标准或指南， 例如： 美军在20 世纪90 年代初制定的MIL-HDBK-339 标准， NASA 针对此类定制电路产品制定的ASIC 指南， 其体系的思路都是一致的， 即通过合格的承制方选择和过程节点控制对产品研制的风险进行评估， 在设计阶段对产品的质量和可靠性风险进行充分的评估控制， 从而减少对最终产品的检验考核要求， 其将产品概念的完整提出到最终生产交付划分为多个环节， 在每个环节设置关键节点， 对环节内的参与各方在产品质量控制等职责上也提出了明确的要求。充分地体现最终用户在产品设计、生产和考核评价各个环节都需要参与， 并对每一个环节完成后可能带来的风险进行充分的评估。 2.2 加强内部元器件的质量控制 SiP 器件内部会包含多种型号和多个数量的各类元器件产品， 包括裸芯片、单片电路、分立器件和阻容感等无源元件， 内部元器件的电气质量及可靠性水平直接影响最终集成SiP 器件的质量与可靠性水平， 而且具有木桶效应， 最终SiP 产品的质量往往由可靠性水平最低的产品质量决定， 如工作温度， SiP 产品的工作温度一般由其内部具有最低工作温度的元器件决定[2-3]。对内部元器件采用严格的质量水平控制要求， 可以保证SiP 设计风险大大地降低。为了保证SiP 产品的测试完整性， 应对SiP 设计所用的元器件制定详实的测试评价方案。一般而言， 测试评价内容由元器件供应方提供，SiP 设计方应对元器件供应商提供的产品测试数据、测试方案进行充分的评估。内部元器件评估方案可按照GJB 2438 附录中的要求进行， 但对元器件的电气参数及功能特性应进行详细的评估。 2.3 对具体的结构产品制定合适的考核程序和要求 针对各类新工艺、新结构SiP 产品， 需要开展相关的试验、检测方法的研究和试验验证， 并制定相应的考核评价程序， 主要包括： 针对叠层和三维叠层封装结构产品的可靠性考核试验， 如叠层封装芯片剪切试验方法及判据、三维叠层封装结构的DPA 试验方法； 针对双腔体结构的恒定加速度试验方法， 从试验样品的选择， 采用代表工艺结构进行试验或采信同类工艺、相似尺寸的芯片试验数据等方式来进行评价； 针对塑封器件， 其芯片及内部元器件塑封超声检测的检测部位、检测对象和失效判据等通过试验验证来确定[4-6]。 3 结束语 SiP 产品已经成为微电路发展的一大方向， 但高可靠SiP 产品的考核评价要求并没有适用的标准化规定， 可参考的标准包括GJB 2438-2002 《混合集成电路通用规范》、GJB 7400 《合格制造厂用半导体集成电路通用规范》和GJB 548 《微电子前试验方法和程序》等。由于产品具有成本较高、系统集成、新工艺和新结构等特点， 当前标准体系中的试验项目、抽样和试验样本数量、试验程序与判据等方面都存在不足或不适用的情况， 急需针对SiP产品制定适用的考核评价程序， 以及针对特定结构和工艺制定适用的试验方法等标准。可在系统集成测试覆盖性， 内部元器件功性能及参数评价要求，内部元器件质量与可靠性评价要求， 以及新工艺、新结构的试验方法、过程风险分析与风险控制、应用验证方法等方面开展深入的研究， 并制定完整的SiP 产品质量与可靠性考核评价要求标准体系， 以保证高可靠SiP 产品的应用。