在人工智能、航空航天、****装备电子系统小型化、模块化、智能化需求驱动下，系统级封装设计及关键工艺技术取得了革命性突破。新型的系统封装方法可把不同功能器件集成在一起，并实现了相互间高速通讯功能。封装工艺与晶圆制造工艺的全面融合，使封装可靠性、封装效率得到极大的提升，封装寄生效应得到有效抑制。文章概述了微系统封装结构及类型，阐述了高可靠晶圆级芯片封装(WLP)、倒装焊封装(BGA)、系统级封装(SIP)、三维叠层封装、TSV通孔结构的实现原理、关键工艺技术及发展趋势。

针对当前微机电系统(MEMS)发展对小型化封装的需求，设计了一种高可靠性、低成本、高深宽比的硅通孔(TSV)结构工艺流程。该工艺流程的核心是双面盲孔电镀，将TSV结构的金属填充分为正、反两次填充，最后获得了深度为155 μｍ、直径为41 μｍ的TSV结构。使用功率器件分析仪对TSV结构的电学性能进行了测试，使用X光检测机和扫描电子显微镜(SEM)分别观察了TSV结构内部的缺陷分布和填充情况。测试结果证明，TSV样品导电性能良好，电阻值约为1.79×10-3 Ω，孔内完全填充，没有空洞。该研究为实现MEMS的小型化封装提供了一种解决方法。

基于TSV技术，提出了一种应用于三维集成电路的积累型NMOS变容二极管。通过与传统积累型NMOS变容二极管对比，证明了基于TSV的积累型NMOS变容二极管具有电容密度大、集成度高的优点。分析了TSV高度、TSV直径、源区和漏区结深、源区和漏区宽度对所提出变容二极管性能的影响。结果表明，通过增加TSV高度或增大TSV直径都可以提高电容密度；通过减小源、漏区的结深可以提升电压灵敏度；通过增大源、漏区的宽度可以提高空穴对沟道中产生的电子抑制能力。在上述比较中加入了解析模型。最后给出了该变容二极管的工艺流程。

针对MEMS系统中硅通孔(TSV)的热可靠性, 利用快速热处理技术(RTP)进行了温度影响的实验分析。通过有限元分析(FEA)方法得到不同温度热处理后TSV结构的变化趋势, 利用RTP对实验样品进行了不同温度的热处理实验, 使用扫描电子显微镜和光学轮廓仪表征了样品发生的变化。结果表明, 热处理后TSV中Cu柱的凸起程度与表面粗糙度均随热处理温度的升高而增加, 多次重复热处理与单次热处理的结果基本相同。该项研究为TSV应用于极端环境下MEMS小型化封装提供了一种解决方案。

由于硅通孔互连(Through Silicon Via,TSV)三维封装内部缺陷深藏于器件及封装内部,采用常规方法很难检测。然而TSV三维封装缺陷在热-电激励的情况下可表现出规则性的外在特征,因此可以通过识别这些外在特征达到对TSV三维封装内部缺陷进行检测的目的。文章利用理论与有限元仿真相结合,对比了正常TSV与典型缺陷TSV的温度分布,发现了可供缺陷识别的显著差异。分析结果表明,在三种典型缺陷中,含缝隙TSV与正常TSV温度分布差异最小; 其次为底部空洞TSV,差异最大的为填充缺失TSV。由此可知,通过检测热-电耦合激励下的TSV封装外部温度特征,可实现TSV三维封装互连结构内部缺陷诊断与定位。

随着信号频率以及芯片集成密度的持续增长, 三维集成系统内部面临严重的耦合噪声问题。针对三维集成技术中广泛使用的硅通孔(TSV)和水平重布线层(RDL)构成的三维互连结构, 提出了一种基于分段传输线(STL)的三维互连结构优化设计方案。通过将三维互连结构传输线按STL模式划分为数个传输线片段生成复数反射波, 并运用基因算法(GA)筛选片段特征信息, 从而优化反射波叠加效果, 实现对传输过程中产生的信号损失进行补偿。仿真结果表明, 该方法可以有效改善三维互连结构中由于耦合噪声造成的信号反射问题, 提升系统传输性能。

基于Comsol Multiphysics平台, 通过使用有限元仿真对三维集成电路的硅通孔(TSV)模型进行了热仿真分析。分别探究了TSV金属层填充材料及TSV的形状、结构、布局和插入密度对三维(3D)集成电路TSV热特性的影响。结果表明: TSV金属层填充材料的热导率越高, 其热特性就越好, 并且采用新型碳纳米材料进行填充比采用传统金属材料更能提高3D集成电路的热可靠性; 矩形形状的TSV比传统圆形形状的TSV更有利于3D集成电路散热; 矩形同轴以及矩形双环TSV相比其他结构TSV, 更能提高TSV的热特性; TSV布局越均匀, 其热特性越好; 随着TSV插入密度的增加, 其热特性越好, 当插入密度达6%时, 增加TSV的数目对TSV热特性的影响将大幅减小。

随着像素单元越来越小、阵列规模越来越大、帧频越来越快,传统的IRFPA面临很大的集成技术发展瓶颈。基于三维集成的红外焦平面阵列(3D-IRFPA)通过堆叠芯片集成了A/D转换器、数字信号处理器、存储器等模块,可突破像元面积、阵列规模、帧频等瓶颈,实现探测器更强大的功能和更高的性能。本文介绍了3D-IRFPA技术的结构原理、优势、面临的挑战,以及最新技术进展。

介绍了一种带有凹槽和硅通孔（through silicon via,TSV）的硅基制备以及晶圆级白光LED的封装方法。针对硅基大功率LED的封装结构建立了热传导模型, 并通过有限元软件模拟分析了这种封装形式的散热效果。模拟结果显示, 硅基封装满足LED芯片p-n结的温度要求。实验结合半导体制造工艺, 在硅基板上完成了凹槽和通孔的制造, 实现了LED芯片的有效封装。热阻测试仪测得硅基的热阻为1.068K/W。实验结果证明, 这种方法有效实现了低热阻、低成本、高密度的LED芯片封装, 是大功率LED封装发展的重要方向。

通过有限元分析研究了单个硅通孔及两片芯片堆叠模型的热应力。采用单个硅通孔模型证实了应力分布受填充材料(铜, 钨)的影响, 提出钨在热应力方面的优越性, 确定了硅通孔尺寸(通孔直径、深宽比等因素)与热应力大小间的对应关系。为寻找拥有最佳热应力的材料组合, 采用两片芯片堆叠的二维模型, 对常用材料的组合进行了仿真分析, 发现以二氧化硅为隔离层, 钨为填充金属, 锡为键合层的模型具有最理想的热应力特性, 此外, 铜、ABF以及锡的组合也表现出良好的热应力特性。