核心要點

1. 保障多芯片集成封裝的可靠性，需采用多種檢測方法識別亞表面缺陷。

2. 鍵合與互連結構是問題高發區，需要增加更多檢測節點。

3. 實現產品高可靠性，需整合目前分散在各數據倉的碎片化數據。

向多芯片集成封裝的轉型，正推動芯片檢測與測試方式的變革，唯有如此才能實現良率的快速提升，或對良率異常做出更及時的響應。

長期以來，封裝工程團隊依靠光學檢測和電學測試來發現封裝制造中的問題，但對于基于芯粒的設計而言，僅靠這兩種方法已遠遠不夠。需要檢測和驗證的子組件數量增加了兩倍以上，且隨著焊球、凸點、微凸點的引腳間距和尺寸不斷縮小，對計量與檢測技術的要求也愈發嚴苛。

為縮短器件內部的信號傳輸距離，晶圓和硅中介層需要進行減薄處理，這也增加了亞表面裂紋和側壁裂紋的產生風險。這些細微缺陷往往能躲過常規檢測和電學測試，但在實際應用中，卻可能導致整個多芯片集成封裝器件失效。

所幸目前已有方法能最大程度規避這類問題，包括優化可測試性設計（DFT）方法，以及在封裝工藝的盡可能早的階段開展多模態檢測與計量。

圖1：先進包裝產品包含多個組件，受益于計量、檢驗和測試。來源：Bryon Moyer/半導體工程

現有技術的適用與局限

芯粒技術的應用，要求在現有檢測手段基礎上增加更多篩選環節，且每個環節的篩選都要具備更高的靈敏度和精度。自動光學檢測（AOI）仍是發現封裝和制造環節良率損失原因的主流技術，卻無法識別幾乎難以察覺的側壁裂紋、亞表面裂紋，也容易遺漏對準偏差、空洞以及枕形鍵合等問題。

諾信測試與檢測事業部晶圓傳感與計量修復系統高級產品線經理維迪亞?維賈伊表示：“自動光學檢測仍有其應用價值，但在檢測隱藏互連結構、亞表面空洞和鍵合完整性問題上存在根本性短板，而這些恰恰是先進封裝中愈發常見的失效模式。聲學和 X 射線檢測技術則可用于評估芯片間輸入輸出接口的連接性，以及引線、凸點和互連結構的質量。”

計量技術的應用范圍也需要進一步拓展。昂通創新高級產品營銷總監寶莫妮塔稱：“除了開展更高靈敏度的缺陷檢測，各類計量能力也變得愈發重要，測量內容包括通孔和重布線層的關鍵尺寸，以及凸點高度、薄膜厚度、重布線層厚度和通孔深度等。”

同時，還需要做出其他方面的調整。在制造環節中，封裝電學測試（自動測試設備測試與系統級測試）是發現失效問題、反饋封裝工藝健康狀況的最后一道關口，而這一環節需要片上監測器作為補充，以此檢測輸入輸出電路和互連性能的細微波動與異常值。

ProteanTecs 公司業務發展高級總監尼爾?塞弗表示：“在實際應用中，最有效的可制造性設計策略是融合多種方法：成像與計量技術能發現明顯缺陷，并為工藝提供早期反饋；嵌入式熱傳感和應力傳感設備能補充場景信息，助力定位問題根源；對互連和邏輯通路的高分辨率電學監控，則能驗證封裝工藝波動是否真的導致了性能裕量下降，形成閉環。這些方法相結合，能為封裝產線優化提供可落地的反饋建議，而非給出難以單獨解讀的孤立指標。”

制造流程的每個節點都需要識別出工藝漂移、缺陷異常和性能異常問題。在多芯片集成封裝中，由于各組件的特征參數和缺陷形成機制存在差異，這項工作的難度進一步加大，但工程團隊對問題實現早期檢測的需求始終未變。

組件、凸點與鍵合結構的檢測

精準的計量和檢測測量，對于晶圓、芯片、中介層和基板的生產至關重要，這些測量數據能為先進封裝工藝及時預警工藝漂移，或識別出有缺陷的組件。

自動光學檢測仍是檢測目標缺陷、測量重布線層和凸點關鍵參數的基礎手段，且該技術也在持續發展，以滿足先進封裝制造對精度和分辨率的需求，這其中就包括實現更高的測量靈敏度，增加更多檢測節點。

寶莫妮塔表示：“自動光學檢測非常適合檢測各類典型缺陷，包括重布線層和凸點的開路、短路、線寬異常、凸點缺失或變形以及表面污染等問題。為了更早發現問題，制造商不再等到金屬化工序完成后才進行檢測，如今的主流做法是在整個封裝堆疊工藝中增設檢測節點，例如在光刻膠 / 介質層壓合、圖形化和通孔形成后均開展檢測。針對亞表面缺陷、低對比度材料和復雜形貌的檢測，傳統自動光學檢測技術也融合了多種新型檢測手段。”

業內人士也一致認可光學測量技術的持續應用價值。

維迪亞?維賈伊稱：“融合二維和三維成像的自動光學檢測技術，能高效檢測重布線層缺陷、焊盤尺寸偏差，以及凸點直徑、高度、共面性等質量問題，還可識別組件缺失或對準偏差、表面污染、劃痕和裂紋。借助多反射抑制技術，我們能對高反射率凸點表面小至 15 微米的缺陷進行可靠檢測，相關技術路線圖已規劃至檢測 10 微米以下的凸點缺陷。自動光學檢測融合了多種光學技術、多角度成像和人工智能缺陷分類技術，仍是量產環節中實現 100% 在線檢測的最快解決方案，能應對凸點和精細特征不斷微型化的趨勢。”

從工藝控制角度來看，需要對焊料的金相成分進行檢測。布魯克公司微 X 射線熒光 / X 射線熒光產品營銷經理亞歷山大?托卡爾表示：“微 X 射線熒光技術是檢測焊料凸點成分（錫銀合金中的銀含量占比）和金屬層厚度（包括銅、鈦、鎳、金）的理想手段，這也是該技術被用于上述參數在線監控的原因。值得注意的是，相關在線監控始于 2006 年，且隨著凸點直徑不斷縮小，其重要性也日益提升。”

先進封裝工藝還會產生多種機械應力，進而增加裂紋缺陷的產生概率。

昂通創新高級應用工程師彭內森表示：“在晶圓背磨和芯片切割工藝中，裂紋是最主要的缺陷類型，這類裂紋由芯片切割時的刀片或背磨時的磨床產生的機械應力引發，可能出現在切割道或芯片背面，根據位置和特征可分為背裂、內部裂紋和微裂紋。裂紋一旦產生，可能會延伸至芯片的有源區，影響單個芯片的良率，嚴重時還會導致整個晶圓碎裂。這一點對于 2.5D 先進封裝尤為關鍵，因為切割后的芯片會通過鍵合工藝與其他器件連接，而芯片拾取和鍵合過程中產生的額外作用力，可能會進一步破壞器件的整體完整性。”

光學技術可用于檢測裂紋，但紅外和 X 射線技術的檢測靈敏度更高，且過篩率更低。

布魯克公司化合物半導體業務產品經理約翰?沃爾表示：“X 射線形貌技術可在鍵合前篩選出合格芯片，確保芯片不存在可能導致后續失效的關鍵晶體缺陷。此外，該技術還可用于檢測硅中介層的缺陷，硅中介層在封裝過程中極易碎裂，相關檢測通常在晶圓或面板制造的早期環節開展。目前這些應用仍處于研發和工藝開發的初期階段，未來有望在大規模量產中得到普及。”

采用更長波長的紅外檢測技術也能實現裂紋檢測。寶莫妮塔表示：“除了 X 射線技術，紅外技術也能穿透多層結構檢測嵌入式缺陷，例如可用于檢測芯粒封裝后的裂紋。”

芯片切割后，光學技術難以檢測 5 至 10 微米的裂紋，而紅外檢測技術的靈敏度更高，搭配最新的檢測組件，現已能實現該類裂紋的 100% 在線檢測。

圖2：制造焊點和銅柱的工藝流程。來源：Bryon Moyer/半導體工程

鍵合后的缺陷檢測

對于基于芯粒的產品而言，鍵合后的缺陷檢測自然至關重要，而及時發現工藝異常還能為企業節省數十萬美元的成本。工程團隊可通過光學技術檢測明顯的對準偏差，而聲學技術因能穿透多層結構，在封裝工藝控制中的應用價值正不斷提升。

維迪亞?維賈伊表示：“掃描聲學顯微鏡技術能高效檢測分層、空洞和裂紋問題。計量技術的應用已不再局限于合格 / 不合格的二元判定，更成為監控工藝環節、防止缺陷漏檢的關鍵工藝控制信號。”

X 射線技術的優勢同樣是穿透多層結構，因此非常適合評估熱壓鍵合后的鍵合質量。X 射線檢測設備可應用于各類晶圓級封裝工藝，且可通過訓練實現對冷焊、枕形缺陷、對準偏差和特征缺失等問題的檢測。

X 射線技術的另一項應用是檢測鍵合后的裂紋。減薄后的芯片和晶圓屬于易受機械應力的組件，熱壓鍵合過程中施加的數十至數千牛頓的作用力，極易導致其產生裂紋。約翰?沃爾表示：“X 射線形貌技術可用于晶圓對晶圓和芯片對晶圓鍵合工藝，檢測由鍵合操作引發的裂紋和缺陷。X 射線成像能清晰顯示出外部無法觀測的內部裂紋擴展情況，這些裂紋可能會在后續的封裝環節中導致晶圓碎裂和器件失效。”

測試與分析技術

封裝后的電學測試能為工藝優化提供數據支撐，通過在測試環節開展數據分析識別異常值，或整合封裝與測試全流程的數據，工程師能精準定位問題的具體成因。

但電學測試需將電路失效與封裝失效區分開來，因此具體的失效原因往往難以識別。最古老的印刷電路板測試標準 IEEE 1149.1 支持點對點測試，且僅需為邊界掃描電路供電，同時該方案與輸入輸出接口類型無關，將其應用于先進封裝中或能發揮重要作用，可將封裝缺陷的電學識別環節大幅前移。

泰瑞達公司首席技術專家兼戰略業務發展總監肯?拉尼爾表示：“問題在于，其他互連結構尚無統一的測試標準，尤其是當同一個封裝中集成了不同企業設計的邏輯芯片時。此外，通用芯粒互連接口和高帶寬存儲的互連測試，需要為整個芯粒供電，且測試過程需使用高精度設備。而邊界掃描技術的潛在優勢在于，僅需為輸入輸出接口供電并運行簡單的數序，就能完成測試，規避了諸多熱管理和設備復雜度方面的挑戰。這類測試所需的硬件體積小巧，可整合至封裝生產線中，實現失效問題的即時發現，并在產生更多缺陷器件前采取糾正措施。芯粒應用中存在一個難題，即新增這類測試功能是否會影響高速輸入輸出接口的性能，畢竟這類接口均按照低功耗要求做了優化設計。”

輸入輸出接口及相關互連的參數性能檢測，能發現微凸點、凸點、互連和鍵合結構檢測中常被漏檢的細微封裝缺陷。如今，基于芯粒的產品所采用的大多數互連標準，均支持通過片上監測器測量數據眼圖的時序和電壓裕量，以此評估點對點互連的電學健康狀況。某一個性能臨界的通道，可能能通過簡單的可測試性設計測試，卻在系統初始測試中失效，或在熱循環后因臨界鍵合結構變為開路而失效。

尼爾?塞弗表示：“標準的存儲器內置自測試和協議級測試本質上均為合格 / 不合格的二元判定，能有效發現開路、完全短路等明顯缺陷，卻無法識別互連結構的臨界性能問題。在高帶寬存儲的客戶案例中，問題最終追溯至封裝后的中介層缺陷，而這類缺陷僅表現為信號裕量下降，并非直接的功能失效。嵌入式互連監控技術發現了兩種主要的失效機制：一是相鄰通道間的電阻橋接，雖會輕微降低信號質量，但存儲器內置自測試仍能通過；二是芯片翹曲和機械應力導致的大范圍裕量損失，這類問題會以相關的方式影響多個相鄰通道。”

圖3：垂直微裂紋光學與紅外探測能力的比較。來源：Cohu

要解決良率異常問題，工程師需要依托準確的數據定位問題根源。在整個制造流程中，篩選數據的來源多種多樣，包括檢測和電學測試等，而缺陷檢測信號的出現，往往比產生缺陷的工藝環節晚 10 個步驟。如果無法整合芯粒封裝各工藝環節的數據，工程團隊幾乎不可能定位到上游的問題根源。

維迪亞?維賈伊表示：“最難的環節并非檢測本身，而是將所有數據整合起來。檢測、測試和設備數據通常分散在不同廠商的獨立數據倉中，將上游工藝參數與下游電學失效問題關聯起來的過程，目前仍耗時且高度依賴人工操作。這也正是我們提供光學、聲學和 X 射線一體化檢測解決方案的原因，旨在實現工藝全流程的更全面監控，助力打通數據壁壘。”

圖4：光學組裝后測量數據。來源：Nordson測試與檢測

業內人士也認同測試與封裝環節間的數據共享存在不足這一觀點。

PDF 解決方案公司業務發展總監戴夫?亨特利表示：“在工作中我發現，客戶均具備一定的追溯能力，會通過內部標識對最重要、最大型的芯片進行追溯，其關注重點通常直接從晶圓分選延伸至最終測試，即實現最終測試與晶圓測試、晶圓制造數據的關聯。但他們忽略了所有的封裝工藝數據，隨著先進封裝的復雜度不斷提升，封裝環節產生的缺陷越來越多，而測試數據與封裝工藝數據的脫節，也阻礙了封裝工藝的優化。”

芯粒間的互連信號多達上萬路，因此失效互連的空間定位至關重要。這類數據能將缺陷與工藝設備環境的特定位置關聯起來，例如芯片搬運設備的邊角位置。尼爾?塞弗表示：“檢測出問題的價值固然重要，而定位問題產生的原因和位置同樣關鍵。當能觀測到電阻特性、各通道的空間關聯以及裕量衰減趨勢時，就能將意外的失效率轉化為可落地的工藝改進經驗，而非任由缺陷器件流入市場，或開展高成本的過度篩選。”

圖5：堆疊模具中，2號模具與基板之間的分層聲學成像檢測。來源：Nordson 測試與檢驗

結論

隨著基于芯粒的器件日益普及，工廠的檢測重心正從單純的缺陷檢測轉向工藝推斷。這就要求工程團隊增設檢測節點，實現問題的早期檢測；通過輸入輸出接口的參數測試識別異常值；并將所有這些數據與封裝工藝信息相關聯。而后期缺陷檢測的高昂成本，將推動企業在這些方面加大投入。

肯?拉尼爾表示：“多芯片封裝器件的失效會造成大量合格芯片報廢，其背后的原因是最終封裝前未檢測出的硅片缺陷或子封裝問題，這會給企業帶來巨大的經濟損失，也因此推動檢測與測試工藝的快速發展。通過完善的失效模式與影響分析流程，可針對性地設置工藝控制環節，但更多的工藝優化舉措，將源于后期制造環節或實際應用中的失效案例分析。”