近年来，3D IC封装设计由于其能够在与传统的二维对应物相同的占地面积内集成越来越逻辑电路的能力而普遍。然而，失败分析社区面临着增加电路复杂性的新挑战。时域反射区（TDR）测量传统上用于缺陷预科化。典型的TDR工作流程涉及从具有参考已知的良好设备（KGD）的故障设备的测量的比较，其中故障位置由嵌入在这些测量中的定时信息确定。
由于电路复杂度的扩大，仅基于时间信息来产生用于比较研究和解释测量结果的黄金KGDs变得越来越困难。电光太赫兹脉冲反射计(EOTPR)是太赫兹频率TDR技术的一种实现，已被证明可以将故障隔离精度提高到<10µm[1, 2, 3, 4]．这种改进是通过时间分辨率的阶跃增加和测量抖动噪声的减少来实现的［１］．在操作过程中，使用高频电路探头向被测设备(DUT)发射电脉冲。快速光导开关(PCS)将器件结构和故障的反射记录为电压-时间波形。
在最近的研究中［５］，研究人员使用商业3D电磁仿真软件生成了虚拟已知良好设备(VKGD)。EOTPR测量过程的模拟提供了一个参考波形，它几乎与物理KGD测量的波形相同。研究人员通过实时监测脉冲传播，建立了脉冲波形特征与DUT关键结构之间的相关性。从模拟中获得的空间信息与高精度的EOTPR测量相结合，可以很容易地实现基于特征的故障隔离，在现代封装衬底中的精度水平小于10µm(5、6)．本文讨论在一个复杂的3D包上使用这种故障隔离方法(图1)。该包包含一个模具和一个基片，其中组成部分的物理尺寸跟踪差异超过一个数量级。
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图1所示。由衬底和(插入)插入器结构组成的3D封装模型。
测量
ETPR系统由两个PC组成;一种用作瞬时电流检测器的功能，其由模式锁定的近红外激光器和另一个作为电脉冲源激活。发射的脉冲通过高频探针耦合到DUT中，并且共轴线电缆和反射脉冲被引导到PCS检测器中。通过检测器光束路径中的翻译级（图2）中的转换级，在发射级（图2），产生相对延迟，为用户产生连续电压 - 时波形。来自开放探针的示例波形如图2b所示。使用后处理过程从测量的波形中解码系统响应［５］便于与模型生成的参考波形进行有意义的比较。
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图2。(a) EOTPR系统示意图;(b)高频探头开口端产生的典型原始EOTPR波形。
模型
一种商用的电磁仿真工具被用于精确捕获被测设备的电磁响应。时域有限差分(FDTD)方法［7］通过麦克斯韦方程组来确定瞬态电磁行为。这种方法不需要像电感和电容这样的现象学量，因此，所有的导体间耦合行为都会自然产生。
图1显示了直接从DUT设计文件生成的3D包模型的一部分。图1所示的轨迹包括附着在基板一侧的通道柱上的球栅阵列(BGA)。信号通路通过一个C4凸起继续进入插入体结构，其中一个通硅通道(TSV)连接到一个顶级轨迹，该轨迹由一个微凸起的开放垫终止。在本设计中，衬底侧边轨迹的宽度为60µm，而在插入器中则为3µm宽。
在本例中，建模过程包括两个迭代:使用中概述的过程为裸基板创建VKGD［５］然后通过应用从裸基板模型中获得的值来方便整个包的VKGD创建。对模具和基板分别进行模拟，以在合理的时间内准确地运行第二个模型。图1所示的插图描述了分裂平面，在这里传播脉冲从衬底侧模型中提取出来，并引入到插入器模型的等效点。
在像本研究中所建模的复杂结构中，信号迹线与相邻线之间可能发生相当多的交叉耦合。因此，当脉冲穿过模型分裂边界时，需要记录沿两个平行轨迹传播的脉冲。对于模型的每一部分，沿着信号线耦合和交叉耦合到相邻相邻线时，得到了‘散射’S参数。在后处理过程中，将这些参数与来自其他模型部分的等效S参数相结合，生成整个堆叠包的VKGD模型波形。
结果与讨论
图3显示了(a)裸基片器件和(b)全封装中信号迹线的测量和模拟EOTPR波形。测量的(红色曲线)波形与模拟的(蓝色曲线)波形很好地一致，能够识别关键器件设计特征。图3a模拟结果与实测值吻合较好，说明衬底VKGD设置正确。按照下面所述的过程为整个包创建VKGD［５］，只有模侧需要进一步注意。从仿真中，可以提取关键设备结构之间的脉冲传播速度，并利用它们在被测设备中进行故障定位，通过简单的飞行时间计算。
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图3。(a)裸衬底中EOTPR波形的模拟与实测比较;(b)全包。红色和蓝色曲线显示了两种情况下的测量波形和模拟波形。(b)中的浅灰色和绿色曲线是一个失效包的测量波形和模拟波形。对比两幅图中的波形峰值与棕色点对齐线，可以清楚地看出，包中的开放断层就在C4隆起之后。
模拟结果针对故障设备进行测试，以验证该技术。图3B中所示的灰度曲线从故障包设备显示测量的EOTPR波形。在该波形和参考波形之间可以观察到透明偏差，在〜125 ps下具有显着峰值。这表示在Microbump之前的相当距离处存在开放故障。基于模拟的脉冲传播速度的计算意味着波形峰值是从插入器内的TSV之后刚刚源自刚刚的反射。然后通过在建议的位置创建的虚拟开路电路进行随后模型的模拟，产生图3b中所示的得到的绿色波形。与灰色波形的紧密对应关系证实了仿真技术的准确性。在故障设备上执行的后续物理故障分析（图4）确认了开路故障的位置位于TSV的顶部。这些结果证实了ETPR建模分析。
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图4。SEM图像显示TSV周围的区域：（a）一个很好的参考装置;（b）失败的设备，显示TSV顶部的开放故障失败;（c）在打开故障周围关闭相同的设备。
结论
本文展示了利用EOTPR和3D DUT建模相结合，可以将关键器件设计元素与EOTPR波形特征相关联。它还说明了如何在高级IC封装中识别故障，而不需要使用EOTPR和DUT模拟的物理参考设备。
参考文献
［１］蔡勇，王振中，R. Dias，和D. Goyal，“电光太赫兹脉冲反射仪-一种创新的故障隔离工具”，《电子元件与技术会议论文集》，2010年6月，第1309-1315页。
［2］M. Y. Tay, L. Cao, M. Venkata, L. Tran, W. Donna, W. Qiu, J. Al- ton, P. F. Taday, and M. Lin, “Advanced fault isolation technique using electro-optical terahertz pulse reflectometry,” in Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits (IPFA), 2012 19th IEEE International Symposium on the, Jul. 2012, pp. 1–5.
［３］曹l, m . Venkata m . y .泰w·邱j·奥尔顿,p . f . Ta -天,和m . Igarashi),“我们先进的故障隔离技术- ing光电太赫兹脉冲反射计(EOTPR) 2 d和2.5 d倒装芯片方案,”在美国38 -国际研讨会进行测试和失效分析(ISTFA), 2012年,页21 - 25日。
［4］S. Barbeau, J. Alton，和M. Igarashi，“电光太赫兹脉冲反射法- 3D倒装芯片封装的快速和高度精确的非破坏性故障隔离技术”，《第39届国际测试和故障分析研讨会(ISTFA)会议记录》，2013，第264页。
［５］K. C. Lee，J.Alton，M. igarashi和S. Bargau，“先进的IC封装中的非破坏性故障隔离”，在第40届测试和失败分析研讨会（ISTFA），2014年，P。214。
［６］E. Kowalczuk, A. Bhattacharya, K. C. Lee, J. Alton, M. Igarashi, S. Barbeau，“基于虚拟已知良好器件的电运算太赫兹脉冲反射法和三维电磁建模缺陷的故障定位”，《IEEE 3D系统集成会议论丛2014》，2014。
［7］叶凯，“各向同性介质中麦克斯韦方程组初边值问题的数值解”，《天线与传播》，第14卷，第5期。第3页302-307页，1966年5月。
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