芯粒技术增加芯片检测与测试环节

核心要点

1. 保障多芯片集成封装的可靠性，需采用多种检测方法识别亚表面缺陷。

2. 键合与互连结构是问题高发区，需要增加更多检测节点。

3. 实现产品高可靠性，需整合目前分散在各数据仓的碎片化数据。

向多芯片集成封装的转型，正推动芯片检测与测试方式的变革，唯有如此才能实现良率的快速提升，或对良率异常做出更及时的响应。

长期以来，封装工程团队依靠光学检测和电学测试来发现封装制造中的问题，但对于基于芯粒的设计而言，仅靠这两种方法已远远不够。需要检测和验证的子组件数量增加了两倍以上，且随着焊球、凸点、微凸点的引脚间距和尺寸不断缩小，对计量与检测技术的要求也愈发严苛。

为缩短器件内部的信号传输距离，晶圆和硅中介层需要进行减薄处理，这也增加了亚表面裂纹和侧壁裂纹的产生风险。这些细微缺陷往往能躲过常规检测和电学测试，但在实际应用中，却可能导致整个多芯片集成封装器件失效。

所幸目前已有方法能最大程度规避这类问题，包括优化可测试性设计（DFT）方法，以及在封装工艺的尽可能早的阶段开展多模态检测与计量。

图1：先进包装产品包含多个组件，受益于计量、检验和测试。来源：Bryon Moyer/半导体工程

现有技术的适用与局限

芯粒技术的应用，要求在现有检测手段基础上增加更多筛选环节，且每个环节的筛选都要具备更高的灵敏度和精度。自动光学检测（AOI）仍是发现封装和制造环节良率损失原因的主流技术，却无法识别几乎难以察觉的侧壁裂纹、亚表面裂纹，也容易遗漏对准偏差、空洞以及枕形键合等问题。

诺信测试与检测事业部晶圆传感与计量修复系统高级产品线经理维迪亚・维贾伊表示：“自动光学检测仍有其应用价值，但在检测隐藏互连结构、亚表面空洞和键合完整性问题上存在根本性短板，而这些恰恰是先进封装中愈发常见的失效模式。声学和 X 射线检测技术则可用于评估芯片间输入输出接口的连接性，以及引线、凸点和互连结构的质量。”

计量技术的应用范围也需要进一步拓展。昂通创新高级产品营销总监宝莫妮塔称：“除了开展更高灵敏度的缺陷检测，各类计量能力也变得愈发重要，测量内容包括通孔和重布线层的关键尺寸，以及凸点高度、薄膜厚度、重布线层厚度和通孔深度等。”

同时，还需要做出其他方面的调整。在制造环节中，封装电学测试（自动测试设备测试与系统级测试）是发现失效问题、反馈封装工艺健康状况的最后一道关口，而这一环节需要片上监测器作为补充，以此检测输入输出电路和互连性能的细微波动与异常值。

ProteanTecs 公司业务发展高级总监尼尔・塞弗表示：“在实际应用中，最有效的可制造性设计策略是融合多种方法：成像与计量技术能发现明显缺陷，并为工艺提供早期反馈；嵌入式热传感和应力传感设备能补充场景信息，助力定位问题根源；对互连和逻辑通路的高分辨率电学监控，则能验证封装工艺波动是否真的导致了性能裕量下降，形成闭环。这些方法相结合，能为封装产线优化提供可落地的反馈建议，而非给出难以单独解读的孤立指标。”

制造流程的每个节点都需要识别出工艺漂移、缺陷异常和性能异常问题。在多芯片集成封装中，由于各组件的特征参数和缺陷形成机制存在差异，这项工作的难度进一步加大，但工程团队对问题实现早期检测的需求始终未变。

组件、凸点与键合结构的检测

精准的计量和检测测量，对于晶圆、芯片、中介层和基板的生产至关重要，这些测量数据能为先进封装工艺及时预警工艺漂移，或识别出有缺陷的组件。

自动光学检测仍是检测目标缺陷、测量重布线层和凸点关键参数的基础手段，且该技术也在持续发展，以满足先进封装制造对精度和分辨率的需求，这其中就包括实现更高的测量灵敏度，增加更多检测节点。

宝莫妮塔表示：“自动光学检测非常适合检测各类典型缺陷，包括重布线层和凸点的开路、短路、线宽异常、凸点缺失或变形以及表面污染等问题。为了更早发现问题，制造商不再等到金属化工序完成后才进行检测，如今的主流做法是在整个封装堆叠工艺中增设检测节点，例如在光刻胶 / 介质层压合、图形化和通孔形成后均开展检测。针对亚表面缺陷、低对比度材料和复杂形貌的检测，传统自动光学检测技术也融合了多种新型检测手段。”

业内人士也一致认可光学测量技术的持续应用价值。

维迪亚・维贾伊称：“融合二维和三维成像的自动光学检测技术，能高效检测重布线层缺陷、焊盘尺寸偏差，以及凸点直径、高度、共面性等质量问题，还可识别组件缺失或对准偏差、表面污染、划痕和裂纹。借助多反射抑制技术，我们能对高反射率凸点表面小至 15 微米的缺陷进行可靠检测，相关技术路线图已规划至检测 10 微米以下的凸点缺陷。自动光学检测融合了多种光学技术、多角度成像和人工智能缺陷分类技术，仍是量产环节中实现 100% 在线检测的最快解决方案，能应对凸点和精细特征不断微型化的趋势。”

从工艺控制角度来看，需要对焊料的金相成分进行检测。布鲁克公司微 X 射线荧光 / X 射线荧光产品营销经理亚历山大・托卡尔表示：“微 X 射线荧光技术是检测焊料凸点成分（锡银合金中的银含量占比）和金属层厚度（包括铜、钛、镍、金）的理想手段，这也是该技术被用于上述参数在线监控的原因。值得注意的是，相关在线监控始于 2006 年，且随着凸点直径不断缩小，其重要性也日益提升。”

先进封装工艺还会产生多种机械应力，进而增加裂纹缺陷的产生概率。

昂通创新高级应用工程师彭内森表示：“在晶圆背磨和芯片切割工艺中，裂纹是最主要的缺陷类型，这类裂纹由芯片切割时的刀片或背磨时的磨床产生的机械应力引发，可能出现在切割道或芯片背面，根据位置和特征可分为背裂、内部裂纹和微裂纹。裂纹一旦产生，可能会延伸至芯片的有源区，影响单个芯片的良率，严重时还会导致整个晶圆碎裂。这一点对于 2.5D 先进封装尤为关键，因为切割后的芯片会通过键合工艺与其他器件连接，而芯片拾取和键合过程中产生的额外作用力，可能会进一步破坏器件的整体完整性。”

光学技术可用于检测裂纹，但红外和 X 射线技术的检测灵敏度更高，且过筛率更低。

布鲁克公司化合物半导体业务产品经理约翰・沃尔表示：“X 射线形貌技术可在键合前筛选出合格芯片，确保芯片不存在可能导致后续失效的关键晶体缺陷。此外，该技术还可用于检测硅中介层的缺陷，硅中介层在封装过程中极易碎裂，相关检测通常在晶圆或面板制造的早期环节开展。目前这些应用仍处于研发和工艺开发的初期阶段，未来有望在大规模量产中得到普及。”

采用更长波长的红外检测技术也能实现裂纹检测。宝莫妮塔表示：“除了 X 射线技术，红外技术也能穿透多层结构检测嵌入式缺陷，例如可用于检测芯粒封装后的裂纹。”

芯片切割后，光学技术难以检测 5 至 10 微米的裂纹，而红外检测技术的灵敏度更高，搭配最新的检测组件，现已能实现该类裂纹的 100% 在线检测。

图2：制造焊点和铜柱的工艺流程。来源：Bryon Moyer/半导体工程

键合后的缺陷检测

对于基于芯粒的产品而言，键合后的缺陷检测自然至关重要，而及时发现工艺异常还能为企业节省数十万美元的成本。工程团队可通过光学技术检测明显的对准偏差，而声学技术因能穿透多层结构，在封装工艺控制中的应用价值正不断提升。

维迪亚・维贾伊表示：“扫描声学显微镜技术能高效检测分层、空洞和裂纹问题。计量技术的应用已不再局限于合格 / 不合格的二元判定，更成为监控工艺环节、防止缺陷漏检的关键工艺控制信号。”

X 射线技术的优势同样是穿透多层结构，因此非常适合评估热压键合后的键合质量。X 射线检测设备可应用于各类晶圆级封装工艺，且可通过训练实现对冷焊、枕形缺陷、对准偏差和特征缺失等问题的检测。

X 射线技术的另一项应用是检测键合后的裂纹。减薄后的芯片和晶圆属于易受机械应力的组件，热压键合过程中施加的数十至数千牛顿的作用力，极易导致其产生裂纹。约翰・沃尔表示：“X 射线形貌技术可用于晶圆对晶圆和芯片对晶圆键合工艺，检测由键合操作引发的裂纹和缺陷。X 射线成像能清晰显示出外部无法观测的内部裂纹扩展情况，这些裂纹可能会在后续的封装环节中导致晶圆碎裂和器件失效。”

测试与分析技术

封装后的电学测试能为工艺优化提供数据支撑，通过在测试环节开展数据分析识别异常值，或整合封装与测试全流程的数据，工程师能精准定位问题的具体成因。

但电学测试需将电路失效与封装失效区分开来，因此具体的失效原因往往难以识别。最古老的印刷电路板测试标准 IEEE 1149.1 支持点对点测试，且仅需为边界扫描电路供电，同时该方案与输入输出接口类型无关，将其应用于先进封装中或能发挥重要作用，可将封装缺陷的电学识别环节大幅前移。

泰瑞达公司首席技术专家兼战略业务发展总监肯・拉尼尔表示：“问题在于，其他互连结构尚无统一的测试标准，尤其是当同一个封装中集成了不同企业设计的逻辑芯片时。此外，通用芯粒互连接口和高带宽存储的互连测试，需要为整个芯粒供电，且测试过程需使用高精度设备。而边界扫描技术的潜在优势在于，仅需为输入输出接口供电并运行简单的数序，就能完成测试，规避了诸多热管理和设备复杂度方面的挑战。这类测试所需的硬件体积小巧，可整合至封装生产线中，实现失效问题的即时发现，并在产生更多缺陷器件前采取纠正措施。芯粒应用中存在一个难题，即新增这类测试功能是否会影响高速输入输出接口的性能，毕竟这类接口均按照低功耗要求做了优化设计。”

输入输出接口及相关互连的参数性能检测，能发现微凸点、凸点、互连和键合结构检测中常被漏检的细微封装缺陷。如今，基于芯粒的产品所采用的大多数互连标准，均支持通过片上监测器测量数据眼图的时序和电压裕量，以此评估点对点互连的电学健康状况。某一个性能临界的通道，可能能通过简单的可测试性设计测试，却在系统初始测试中失效，或在热循环后因临界键合结构变为开路而失效。

尼尔・塞弗表示：“标准的存储器内置自测试和协议级测试本质上均为合格 / 不合格的二元判定，能有效发现开路、完全短路等明显缺陷，却无法识别互连结构的临界性能问题。在高带宽存储的客户案例中，问题最终追溯至封装后的中介层缺陷，而这类缺陷仅表现为信号裕量下降，并非直接的功能失效。嵌入式互连监控技术发现了两种主要的失效机制：一是相邻通道间的电阻桥接，虽会轻微降低信号质量，但存储器内置自测试仍能通过；二是芯片翘曲和机械应力导致的大范围裕量损失，这类问题会以相关的方式影响多个相邻通道。”

图3：垂直微裂纹光学与红外探测能力的比较。来源：Cohu

要解决良率异常问题，工程师需要依托准确的数据定位问题根源。在整个制造流程中，筛选数据的来源多种多样，包括检测和电学测试等，而缺陷检测信号的出现，往往比产生缺陷的工艺环节晚 10 个步骤。如果无法整合芯粒封装各工艺环节的数据，工程团队几乎不可能定位到上游的问题根源。

维迪亚・维贾伊表示：“最难的环节并非检测本身，而是将所有数据整合起来。检测、测试和设备数据通常分散在不同厂商的独立数据仓中，将上游工艺参数与下游电学失效问题关联起来的过程，目前仍耗时且高度依赖人工操作。这也正是我们提供光学、声学和 X 射线一体化检测解决方案的原因，旨在实现工艺全流程的更全面监控，助力打通数据壁垒。”

图4：光学组装后测量数据。来源：Nordson测试与检测

业内人士也认同测试与封装环节间的数据共享存在不足这一观点。

PDF 解决方案公司业务发展总监戴夫・亨特利表示：“在工作中我发现，客户均具备一定的追溯能力，会通过内部标识对最重要、最大型的芯片进行追溯，其关注重点通常直接从晶圆分选延伸至最终测试，即实现最终测试与晶圆测试、晶圆制造数据的关联。但他们忽略了所有的封装工艺数据，随着先进封装的复杂度不断提升，封装环节产生的缺陷越来越多，而测试数据与封装工艺数据的脱节，也阻碍了封装工艺的优化。”

芯粒间的互连信号多达上万路，因此失效互连的空间定位至关重要。这类数据能将缺陷与工艺设备环境的特定位置关联起来，例如芯片搬运设备的边角位置。尼尔・塞弗表示：“检测出问题的价值固然重要，而定位问题产生的原因和位置同样关键。当能观测到电阻特性、各通道的空间关联以及裕量衰减趋势时，就能将意外的失效率转化为可落地的工艺改进经验，而非任由缺陷器件流入市场，或开展高成本的过度筛选。”

图5：堆叠模具中，2号模具与基板之间的分层声学成像检测。来源：Nordson 测试与检验

结论

随着基于芯粒的器件日益普及，工厂的检测重心正从单纯的缺陷检测转向工艺推断。这就要求工程团队增设检测节点，实现问题的早期检测；通过输入输出接口的参数测试识别异常值；并将所有这些数据与封装工艺信息相关联。而后期缺陷检测的高昂成本，将推动企业在这些方面加大投入。

肯・拉尼尔表示：“多芯片封装器件的失效会造成大量合格芯片报废，其背后的原因是最终封装前未检测出的硅片缺陷或子封装问题，这会给企业带来巨大的经济损失，也因此推动检测与测试工艺的快速发展。通过完善的失效模式与影响分析流程，可针对性地设置工艺控制环节，但更多的工艺优化举措，将源于后期制造环节或实际应用中的失效案例分析。”