随着半导体产业对功能模块和元器件小型化需求的不断增长，新兴的2.5D/3D封装技术迅速发展。使用硅转接板和硅通孔（TSV）技术可以实现多个芯片的垂直堆叠，该方法不仅实现了芯片与芯片、芯片与基板的高密度互连，还能将逻辑、存储、射频等不同功能的芯片集成于一体，实现3D异构集成，从而进一步延续摩尔定律。
相较于传统封装中使用的引线互连方式，TSV技术缩短了关键线路的长度，可以实现更快的输入和输出响应。使用硅转接板封装的应用处理器、内存芯片的尺寸比使用传统封装的芯片减小了30％~40％，性能提升了2～3倍，且整体功耗下降超过40％。
TSV转接板作为3D堆叠的关键模块，是构建互连集成的基础。因此，针对TSV转接板的检测技术至关重要。
TSV转接板主要由基板中的TSV和重布线层（RDL）组成，国内外对TSV、RDL等效模型的设计、孔内失效模型的创建、直流测试、高频测试及射频特性测试均有广泛研究，然而对TSV转接板在制造工艺过程中的检测研究相对较少。与传统的PCB、薄膜、厚膜、低温共烧陶瓷产品、高温共烧陶瓷产品相比，TSV转接板具有布线密度高、线条细、间距小、凸点数量多以及薄、脆等特点。在TSV转接板的制造工艺过程中，TSV量测、凸点共面性测试及TSV转接板电测试等是行业公认的难点。传统的TSV量测是将TSV轴向剖开，利用扫描电子显微镜等设备观察TSV的形状，测量TSV的深度及直径，还可以利用聚焦离子束显微镜将TSV剖开并测量侧壁的粗糙度。这些检测方法具有破坏性，费时、费力且费用较高，不适用于大批量检测。而关于TSV转接板的电测试，目前尚未形成统一的行业标准。因此，在TSV转接板的制备过程中，实现对外观和电学特性的批量检测，同时达到无损、准确、高效、低成本及高自动化的要求，仍是行业关注的研究热点。
TSV转接板的制备过程中涉及TSV深孔刻蚀、沉积绝缘层/阻挡层、TSV电镀以及化学机械抛光（CMP）等工艺。以2P3M TSV转接板为例，其工艺流程如图1所示，主要包括TSV的制备、背面减薄、正/背面RDL制备、正/背面聚酰亚胺（PI）制备等。在正面制备2层RDL，在背面制备1层RDL，图2为2P3M TSV转接板结构截面图。在TSV转接板的批量生产中，涉及的检测大致可分为光学检测、电学测试、声学检测等。光学检测是通过光学镜头检查TSV转接板的特征，从而识别出工艺缺陷。由于其更容易检测到外观缺陷，因此一般在生产的早期阶段进行，光学检测的目的是尽量找出缺陷并对TSV转接板进行返修，以保证较高的产品合格率。电学测试是通过向TSV转接板输入电信号激励，判断其输出响应是否正确。电学测试可以较准确地筛选出开路或短路缺陷，还可进行电学参数提取和失效分析等。声学检测是通过向TSV转接板发射声波，利用声波在经过缺陷处时产生的信号强度变化实现缺陷定位。人工检测一般为目检或使用体式显微镜、高倍显微镜等设备检测，检测人员通过视觉检查来判断转接板是否合格。目检多被用于对TSV转接板每个工艺步骤的监控和产品最终外观的检查。人工检测的主要优点是设备成本低，操作简单快捷；主要缺点是存在主观误差，不连续的缺陷难以被发现、人工检测的数据收集过程相对困难、人员成本高等。自动光学检测（AOI）是一种新兴的检测技术，在半导体产业化过程中被广泛应用。光学检测是通过提高相机的分辨率来提高检测精度的，但在视觉系统应用中，存在一些限制因素。
AOI引入了亚像素定位算法，可以实现像素细分，从而获得比图像分辨率更高的精度。AOI系统通过自动扫描产品表面来捕获图像，并将图像与预先存储在数据库中的标准模板进行对比，通过设定的灰度和缺陷尺寸来检测产品表面缺陷。AOI系统还可以集成白光干涉镜头、激光镜头，从而实现3D全自动测量功能。在TSV转接板的制备过程中，光刻图形形貌与电镀表面质量直接影响RDL与PI的制备。典型TSV转接板的RDL金属导线的线宽/线距≤10 μm/10 μm，TSV孔径为10 μm或20 μm，深宽比为1:10，光刻胶（PR）/PI的厚度为10~50 μm，凸点高度为90~300 μm。为了确保产品图形化后的质量和性能，AOI系统必须具备微米级的全图形缺陷检测能力。该系统能够精确地识别并排除以下缺陷：表面残胶、胶泡，电镀过程中的开路、黏附现象以及电镀层氧化导致的颜色异常等。此外，对于2D表面的颗粒检测，系统应确保每片产品上粒径为5 μm的颗粒数量少于30颗。AOI系统在进行2D检测时的最小缺陷尺寸可达到1 μm，3D检测可以测量的高度为2~450 μm，该系统还可以实现胶厚测量、TSV孔深测量、凸点高度及其共面性测量。在2P3M TSV转接板的制备过程中，共引入了21次AOI用于工艺的在线监控。采用白光干涉镜头对TSV孔深与临时键合胶厚度进行自动测量，2P3M TSV转接板的TSV孔径为20 μm，深宽比为1:10。典型AOI检测项目如表1所示。使用AOI替代人工检测，可以降低误判率和成本，提高检测效率，对提升产品良率和加强质量把控具有重要意义。AOI的主要优点是自动化程度高、检测标准统一、缺陷覆盖率高及跟踪及时等；主要缺点是处理灰度差异小的缺陷时存在过杀、漏杀风险，无法检测到由金属离子引入的弱短路问题。白光干涉检测由LED光源发出的白光经过光学透镜组的过滤后进入干涉物镜，在干涉物镜内分成两束，一束光照到待测样品的表面再反射，另一束光照到参考表面再反射，从不同表面反射回来的两束光重新汇合并形成干涉条纹。最亮的干涉条纹被用作参考标准，记录下对应物镜的扫描位置，再通过软件处理数据，将数据转化成产品表面的相对高度信息，从而得到精确的3D形貌信息。
在TSV转接板制备过程中，产品表面粗糙度Ra、PR/PI膜的厚度、RDL/底层金属化（UBM）的开口与高度、TSV孔径与孔深、焊球直径、高度和共面性等参数至关重要，工艺的调试与优化需要大量的数据作为支撑。白光干涉仪的横向分辨率为0.08~13 μm，垂直分辨率≤0.01 nm，可生成具有较高清晰度的3D图像，也可以生成2D剖面图并计算出Ra等关键参数。在2P3M TSV转接板的制备过程中，利用白光干涉仪测量转接板的关键参数，转接板的Ra约为0.8129 nm，如图3(a)所示。通过工艺刻蚀形成的孔径为20 μm，深宽比为1:10，孔深约为208.2 μm，深宽比也为1:10，如图3(b)所示。在加工过程中，利用白光干涉仪测量到的胶层实际厚度约为7.89 μm（目标胶层厚度为8 μm），检测到的凸点共面性约为3 μm（凸点高度为90 μm）。该方法的主要优点是操作简单、测量精度高等；主要缺点是适合单点或单颗抽测，整片测试时间长、效率低。X射线检测可以基于不同物质对X光的吸收率的差异，通过透视待检测的部位，有效识别并发现缺陷。在TSV转接板制备过程中，TSV电镀质量直接影响信号的传输。使用X射线检测可以发现TSV转接板在电镀过程中形成的填充空洞和转接板埋置工艺过程中产生的桥接、断裂等缺陷。采用2D透视检测法，将X射线束以较小的角度倾斜并从侧面照射样品，通过该方式评估TSV电镀质量。不同孔径TSV的X射线检测结果如图4所示，可见TSV的电镀质量良好。
图4 不同孔径TSV的X射线检测结果（深宽比为1:10）X射线检测的CT模式可以通过任意角度的旋转、切割、断面截取生成详细的3D信息，该模式是检验TSV转接板后续倒装焊接质量的唯一方法。X射线检测的主要优点是操作简单、无夹具成本；但使用X射线检测高密度产品时，检测效果较差，且返工处理困难。双面飞针测试为了防止不合格的TSV转接板流入组装生产线，除了对TSV转接板进行外观检测外，还须对其进行电学测试以保证良好的网络互连。互连测试的核心在于评估由TSV、RDL和UBM所构成的传输线网络的导通性和隔离性能。
TSV转接板最小焊盘的直径为15 µm，最小间距为30 µm，TSV转接板最薄处的高度仅为50 µm，超薄的设计导致脆性增加。双面飞针测试具有超高精度，其精度可以被控制为±1 μm，接触压力可低至0.003 N，在下压过程中不会留下针痕，不会造成产品损伤。该技术非常适合用于较薄、脆性高的TSV转接板的互连测试。在TSV转接板制备过程中，每层金属化后均需要进行飞针测试。通过批量测试验证，作者课题组确认了25 ℃下的典型测试标准：导通阻值≤10 Ω，隔离阻值≥10 MΩ。整个制备过程中共引入6次飞针测试，进行飞针测试的环节分别为正面RDL1电镀、正面RDL2电镀、UBM化学镀，背面RDL1电镀、UBM化学镀以及最终的解键合环节，双面飞针测试对提升产品良率和实现质量把控具有重要意义。该方法的主要优点是自动化程度高、编程简单、测试精度高，能够实现100％的测试网络覆盖率，且不会在焊盘上留下针痕等；主要缺点是需要针对TSV转接板定制专用的夹具。电学参数测试
TSV转接板是3D IC中实现高密度集成的关键模块，获取其准确的技术参数对微系统的设计至关重要。
基于国内外TSV电学建模和电学测试的研究成果，作者课题组使用前道晶圆工艺中常用的晶圆接受测试（WAT）方法，在有效图形面积之外专门设定了测试区域，设计了一系列适用于TSV工艺线质量和可靠性评价的工艺控制测试结构，进而构建了一套TSV电学测试标准，常见的WAT测试结构如图5所示。电学测试标准不仅可以直接评估TSV转接板的性能，直观地反映工艺过程的质量，预测产品的可靠性和成品率，避免TSV转接板及其后续组装过程中的失效情况，还可以促进对工艺设计工具包（PDK）技术的研究。将PDK技术与设计、仿真、工艺制造等环节相结合，形成了完整的电学规则文件以及相关的材料、电特性模型库，这对TSV转接板的批量生产具有深远的意义。为了表征不同测试结构在直流、高频条件下的传输特性，作者课题组有针对性地搭建了直流、高频的探针台，测试互连结构的电学性能。测试内容包括RDL方块电阻、单孔TSV直流电阻、TSV侧壁漏电流、TSV金属-氧化物-半导体电容，以及高速互连信号的完整性参数，如S参数、阻抗和传导性抗扰度等。使用直流、高频探针台不仅可以方便地提取工艺参数，还能准确地衡量电学标准等，但是其较强的专业性会导致分析过程较为复杂。利用超声波扫描显微镜（SAM）对封装后的TSV转接板进行无损检测，其原理如图6(a)所示。设备探头发出的超声波在纯水介质中传输，当超声波接触到样品界面时，部分超声波透过界面继续传播，部分超声波被反射，而少数超声波会被界面吸收。在分析超声波监测数据时，有两种主要的方法，即回声法和穿透法。利用反射回来的信号进行分析的方法为回声法，利用穿透样品界面的超声波信号进行分析的方法为穿透法。由于超声波的波长与其穿透能力成正比，即波长越长，穿透能力越强，检测精度越差，在对产品整体进行缺陷检测时，经常采用频率为15~30 MHz的探头，利用穿透法对产品进行检测。该方法多应用于采用塑封、陶封等封装形式且具有一定厚度的产品。如果TSV转接板较薄，可采用频率为75~230 MHz的探头，通过回声法对特定的层面逐层检测与分析，该方法的精度更高且应用更为广泛。利用回声法可以精确地检测出光刻工艺中涂胶/喷胶和临时键合工艺中填充胶的孔洞、裂纹、分层及夹杂等缺陷。典型的键合胶胶层的花纹状缺陷如图6(b)所示。由图可知单个小缺陷的直径约为0.8 mm，总体缺陷区域的面积为5 cm×5 cm。
TSV转接板的翘曲和孔深等关键参数也可以借助回声法测量，进而评估其弹性模量及几何形状的变化。超声波检测的主要优点是操作简单、快捷；主要缺点是检测分辨率较低、整片检测的速度慢以及对超薄胶层的检测存在困难等。针对2.5D TSV转接板的常见检测技术，从光、电、声3个方面总结了7种非破坏性检测方法的基本原理和优缺点。通过自动化手段实现了工艺的在线监控，可以实时关注产品的外观质量、几何参数以及电学特性，从而保障了工艺质量，提高了封装良率。
随着先进封装技术的不断发展，检测技术也会在产品质量、外观特性、电特性、机械性能、热特性、可靠性、检测效率以及成本等方面不断提升和革新，为3D封装产品的研制与开发提供可靠的技术保障。
工作单位：中国航天科技集团有限公司第九研究院第七七一研究所
