刘晓婷
（中国电子科技集团公司第四十七研究所）
摘 要:
3D 封装是一种小尺寸、轻重量、低功耗、低本钱的前辈封装工艺，结合其在实际运用中常日涌现的可靠性问题，从非毁坏性与毁坏性两方面对可用于 3D 封装故障隔离与故障剖析的方法展开先容。通过精确定位来暴露失落效位置，利用开放性高阻故障隔离、短路故障隔离、无损及高分辨率成像技能等方法，来实现非毁坏性故障隔离与剖析；通过毁坏性的制样和物理剖析等方法来探寻失落效缘故原由。所提出的方法可为 POP、芯片堆叠式等构造的 3D 封装工艺的改进和优化供应参考。
1 引 言
随着微电子封装朝着更小、更轻、更薄的方向发展，用户对超大规模集成电路的低功率、轻型及小型封装的生产技能提出了越来越高的哀求，为此，3D 封装技能应运而生。3D 封装便是把 IC 芯片一片片叠合起来，在 Z 方向垂直互连，将平面组装向垂直方向发展为立体组装。这种三维技能许可基本电路元器件（比如电阻、电感、电容、二极管和三极管）在垂直方向堆叠，而不仅仅是平面上的互连，从而可以使单位面积上具有更高的集成度。然而随着封装密度的提高，器件的失落效模式和失落效机理愈加繁芜。3D 封装工艺中的故障隔离和故障剖析方法，对付 3D 封装工艺的改进和优化就显得尤为主要。
2 3D 封装技能
范例的系统级封装（SIP, System In a Package）示意图如图 1 所示。一个 POP （POP, Package on Package）布局的 3D 封装是将以球面网格阵列（BGA,Ball Grid Array） 形式封装的现场可编程门阵列（FPGA, Field Programmable Gate Array）与中心处理单元（CPU, Central Processing Unit）芯片一起安装在公共封装基板上。FPGA 的封装和基板之间的焊点称为中级互连（MLI, Mid-Level Interconnect），CPU到基板和 FPGA 芯片到 FPGA 基板之间的焊点称为一级互连。由于多层焊料互连、硅芯片和封装集成在一个 SIP 封装中，会造成许多故障，例如焊点脱焊或在第一级互连或中级互连中涌现裂纹，乃至 FPGA基板或 SIP 基板上都会涌现基板裂纹。由于较高的集成度，在这种繁芜的封装架构中，对故障位置加以隔离，以及获取失落效特性、进行物理失落效剖析，便成为必不可少的重大寻衅。
3 非毁坏性故障隔离和故障剖析
3.1 开放性和高阻故障隔离
非毁坏性故障隔离技能是一种能在短韶光内找到 3D 封装中的多种失落效情形的技能。对付开放性和高阻故障，时域反射（TDR, Time Domain Reflec tometry）以及光电太赫兹脉冲反射（EOTPR, Electro Optical Terahertz Pulse Reflectometry）都是非常有效和盛行的隔离技能。
TDR 是一种传统的低本钱非毁坏性故障隔离技能，它的事理是在封装互连中注入 35耀40p泽 的上升韶光的步进电脉冲，并通过网络从封装中反射的旗子暗记来剖析沿电路的阻抗变革。将失落效单元的反射波与良好参考单元和裸基板的反射波进行比较，可以将故障的位置隔离在芯片或封装基板中。TDR 的分辨率取决于上升韶光、TDR 系统带宽和封装内的材料属性。时域上 TDR 的分辨率约为 TDR 上升韶光的 1/10耀1/5。
EOTPR 是 TDR 的下一代技能，在分辨率上有进一步提升。不同的是，EOTPR 采取超快激光脉冲产生一个带尖锐峰值的 40GHz 到 4THz 的电脉冲，注入到待检测的封装中。由于 EOTPR 采取脉冲峰值作为输入旗子暗记，封装中的开放式互连在 EOTPR光谱上显示为波峰，缩短式互连在 EOTPR 光谱上显示为波谷。EOTPR 光谱示意图如图 2 所示。
3.2 短路故障隔离
精确定位 3D 短路失落效的关键是获取毛病在X、Y、Z 方向的位置信息。锁相热成像（蕴陨栽）是一种非常有前景的技能，它利用实时图形锁定法来定位短路故障引起的热点。锁相执成像法的检测曲线如图 3 所示。该方法能够辨别出 3D 封装中的热点，是一种检测封装中短路故障的非常有前景的非毁坏性故障隔离技能。
超导量子扫描干涉显微镜（杂杂酝）被广泛运用于传统封装的短路故障无损检测中，它通过检测失落效单元中由输入电流产生的磁场，并利用傅立叶变换反演技能处理磁场，可得到样品的电流密度分布图，图 源 给出了 SSM 运用的一个实例。它能够通过算法剖析磁场来获取失落效的 在方向位置。实际运用中的结果表明，该方法在堆叠式芯片构造的 3D 封装中绘制三维电流路径有很好的表现，运用前景广阔。
3.3 无损和高分辨率成像技能
一旦故障被准确隔离，就须要利用无损和高分辨率成像技能来揭示造成失落效的毛病。二维 X 射线成像技能对 SIP 封装焊料空洞蜕变后多次回流检测是非常有效的一种技能。通过比拟统一焊点的视觉图像，能够得到第一级互连毛病，如图 5 所示。事实证明，通过二维 X 射线与无缺的第一级互连焊点比拟，有缺陷的焊点，如部分脱焊、完备脱焊、非打仗式开路、焊料桥接等，可通过实时二维 X 射线很随意马虎检测出来。
此处也可用到 3DCT 技能，它利用一个基本的X 射线源可从不同角度辐射物体的事情事理，在一个旋转的平台，以相等的角度供应角位移，并在每个角度用探测器网络二维的 X 射线图像。所有的二维图像通过数学叠加处理可得到的样品的三维体积。由于处理后的数据包含被测样本的容量信息，剖析员可以操纵它在三维数据集的任何给定位置来显示虚拟横截面或切片视图。3DCT 技能的运用实例如图 6。非毁坏性故障隔离技能结合高分辨率X 射线成像，能够非常有效地揭示互连毛病以及对失落效展开跟踪。
高亮度的同步辐射 X 射线源具有大面积的准直光束，可以超过常规能源领域，更好地供应高分辨率的 X 射线成像。整体 SIP 封装在X 射线 猿阅CT探测下的成像如图 7 所示。
实际运用的结果表明，全体 16mm伊16mm 的SIP 封装可以在 3耀20 分钟内成像，有着 4耀8滋m 的分辨率。每一层的封装细节，包括硅芯片、底部添补、多个焊点、介电材料、铜通孔以及多个基板的通孔，都可以同时得到。
4 毁坏性故障隔离和故障剖析
毁坏性隔离与剖析包括能量色散 X 射线光谱剖析材料剖析技能（EDX）、X 射线光电子光谱剖析（XPS）、次级离子质谱法（SIMS）、电子背散射衍射法（EBSD）等材料剖析技能，在微电子封装失落效缘故原由剖析中也起着重要浸染。EBSD 是一种用于定义材料的晶体取向的显微构造晶体学技能。EBSD 数据常日是通过 SEM 技能从一个横截面单元上得到的。EBSD 是理解开放式互连电迁移机理的一种关键技能，在实际运用中的成像情形如图 8 所示。上述各方法在实用中均取得较为空想的效果。
5 结 束 语
针对 POP 或芯片堆叠式构造的 3D 封装，所先容的前辈故障隔离和故障剖析方法，可根据不同实际情形灵巧利用，视失落效电特性的不同而选择非毁坏性或毁坏性故障隔离和故障剖析法，进行失落效定位，随后进行进一步深入剖析，便能找到失落效缘故原由。
