在可穿戴电子与微型医疗监测设备中，实现“感知-处理-通信”多功能芯片的高密度、低功耗及小型化集成是当前的研究热点。然而，传统基于印刷电路板（PCB）的集成方式体积大、静态功耗高；而现有的多芯片组件及集成扇出封装技术受限于微凸点键合缩放极限或环氧树脂基底的散热瓶颈，难以同时兼顾体积、成本、功能密度与热稳定性。因此，开发兼具高集成密度、强散热能力与超低功耗的新型异构集成技术具有重要学术价值与应用前景。
图1 硅嵌入多功能异构集成（SEMHI）技术与可穿戴PPG检测系统架构
针对上述挑战，北京大学集成电路学院/微米纳米加工技术全国重点实验室/集成电路高精尖创新中心王玮教授团队提出了一种基于自顶向下工程的硅基埋入式多功能异构集成（SEMHI）方法。在热管理与布局优化方面，团队基于模拟退火算法开发了多目标热感知布局优化模型，在体积、线长及瞬态/稳态温度等多重约束下实现最优芯片阵列布局，相比传统紧凑布局成功将芯片峰值工作温度降低了 6.5 °C。在工艺制备方面，团队研发了聚合物-金属-二氧化硅多层掩模与多步深硅刻蚀工艺，实现了深度偏差小于 ±3 μm 的多深度埋入微槽制备；通过铜半加成布线工艺（RDL）与干膜真空压膜技术，消除了高深宽比缝隙的孔洞缺陷，使互连电阻相比传统引线键合降低 43%，静态传输功耗显著下降。
图2 热感知布局优化模拟/实测对比
团队将该技术应用于微型化光电容积脉搏波（PPG）生理检测系统。生理监测实验表明，集成芯片能精准捕捉人体不同运动强度下的实时心率与血氧饱和度（SpO2）动态变化，测量精度与医疗级设备（Omron HPO-100）一致性超过 98%。与传统商业化集成模块相比，SEMHI 技术将系统体积大幅缩小 94.7%，功耗降低 46%，功能单元面积利用率高达 90%（较现有文献提升近一倍）。该工作为下一代超轻薄、无感佩戴的微型化医疗电子设备提供了高灵活、低成本的自主可控集成方案。
图3 制备微系统芯片与主流商业化智能传感器的性能对比
相关成果以“Silicon-Embedded Multifunctional Heterogeneous Integration for Miniaturized Photoplethysmography Detection Devices”为题发表于 Advanced Science。北京大学集成电路学院特聘副研究员陈浪与2024级博士研究生胡世尊为论文共同第一作者；北京大学集成电路学院徐涵特聘副研究员、张驰副研究员、王玮教授为论文共同通讯作者。
该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及中国博士后科学基金的资助支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.75416
