由于硅基晶体管的尺寸已逼近原子尺度，其进一步微缩的潜力正受到底层物理规律的严格制约，这使得摩尔定律所预测的演进步伐显著放缓，甚至难以为继。先进封装技术正逐步成为推动半导体产业持续发展、提升芯片性能及集成度的重要途径。通过将多个异构芯粒进行高密度集成，该技术不仅显著提升了算力水平，同时也带来了前所未有的系统复杂性。

图1 基于HI的SoIC和先进封装的复杂性导致ESD保护设计挑战：（左）用于智能未来SoIC的异构多模层，以及（右）示例CoWoS封装结构

先进封装已从传统的二维平面布线迈向三维立体堆叠，代表技术包括：2.5D/3D封装、扇出型封装（Fan-Out）、系统级封装（SiP）。为顺应电子设备微型化与高性能融合的行业演进趋势，先进封装遭遇了多重挑战：热管理难题、应力与可靠性、信号完整性、测试复杂性、ESD风险升级。其中ESD风险正是所有难题中至关重要且常被低估的一环，其复杂性源于集成本身。

与传统封装相比，先进封装的ESD风险呈指数级增长，根源在于其系统复杂性：

1.电流路径不可预测：ESD电流不再局限于单一芯片内部。放电可能在多个裸片、中介层、基板之间寻找任意路径，可能绕过芯片上精心设计的ESD保护电路，直接冲击脆弱的内联结构。

2.脆弱接口激增：微凸块（μBumps）、TSV、混合键合（Hybrid Bonding）界面等微互连结构，其尺寸仅微米级别，截面积小，自身的电流承受能力（It₂）极低，在ESD大电流面前如同“保险丝”般脆弱。

3.异质集成电位差：集成在一起的各类芯片可能拥有不同的工作电压和接地参考。在纳秒级的ESD事件中，各芯片地电位可能出现瞬时不平衡，形成意外的电位差和放电通路，击穿敏感器件。

4.系统级电容变化：复杂的3D结构改变了整个封装单元的电容特性，极大地影响了充放电设备模型（CDM）ESD事件的发生强度和方式，使其更难预测和防护。

先进封装工艺的ESD主要风险表现为物理失效，常见模式包括：互连熔毁、介质击穿、界面分层。这些失效通常源于人体模型（HBM）、机器模型（MM） 以及，尤其是对先进封装威胁最大的充电设备模型（CDM）——因为在自动化生产 handling 过程中，整个大型、复杂的封装体本身更容易被充电而后快速放电。

图2 在基于衬垫的典型CDM ESD保护方案中，由于内部随机存储电荷，电荷将通过内部芯片运行，最终放电到接地衬垫，导致随机内部CDM ESD故障

鉴于上述问题，构建一套全新的系统性策略已成为必然要求，而推行系统级ESD协同设计（Co-Design）更是其中的重中之重。该方法要求在项目最初期就引入芯片设计师、封装工程师和OSAT厂商共同参与，将整个封装系统视为统一整体进行ESD防护规划，协同制定接地策略与电流泄放路径。

图3 基于插入器的内部分布式CDM ESD保护方法的概念 

图4 使用垂直于TSV的ESD保护器件在衬底或中介层中实现内部分布式CDM ESD保护的示意图

预计未来，随着Chiplet技术生态的日益成熟以及三维堆叠层数的持续增多，静电放电（ESD）管理的复杂性将有增无减，其衍生的技术挑战亦将更加严峻。总之，先进封装中的ESD风险是一个典型的“系统问题”，绝不能再用“芯片问题”的旧思路去解决。唯有通过全产业链的协作、创新的设计理念和极致的流程控制，才能驾驭这股强大的静电之力，确保下一代电子产品的可靠与成功。