用电光太赫兹脉冲反射法检测非破坏性故障

在下一篇文章中，我们将讨论如何使用电光太赫兹脉冲反射法(EOTPR)快速无损地分离2.5D封装中的故障。案例研究还展示了EOTPR如何明确区分位于C4凸起、TSV、RDL和2.5D包的微凸起的断层。

介绍

众多的复杂集成电路封装及其高密度的关键元件为故障分析界提出了新的挑战。随着通过3D包内系统(SiP)对电子设备进行异构集成的功能需求日益增长，由于互连尺寸和封装占用空间的缩小，复杂性突然出现。2.5D封装就是此类SiP之一，最近在半导体领域获得了关注。利用传统的电气故障隔离(EFI)方法快速、准确地定位2.5D封装中的缺陷越来越困难。

光电太赫兹脉冲反射法(EOTPR)是一种新颖的太赫兹时域反射法，能够快速无损地隔离先进集成电路封装中的故障，其精度小于10 μm[1-8]。EOTPR系统有两个光导开关(PCSs)，一个作为电脉冲源，另一个作为由锁模近红外激光触发的即时电流探测器。发射脉冲通过同轴电缆和高频探头耦合到DUT中，而反射脉冲直接进入光导探测器。

探测器光束路径中的光延迟级扫描发射和检测时间之间的相对延迟(图1a)，产生连续的电压-时间波形。图1b举例说明了高频探头开口端产生的波形。

这种宽带方法具有很低的时基抖动和高的时间分辨率[1]。在这里，故障隔离方法应用于2.5D包，以说明如何轻松定位和区分C4凸点、rdl、tsv和微凸点中的故障。

图1所示。a) EOTPR系统原理图。(b)高频电路探头开口端产生的典型原始EOTPR波形。

结果与讨论

2.5 d方案细节

图2显示了本研究中使用的2.5D封装的原理图。它由专用集成电路(ASIC)芯片和高带宽存储器(HBMs)组成，组装在插入器上，然后安装在有机基板上。在组装过程中，各种组件要经历几个焊接回流和欠填充固化周期。由于材料的热膨胀系数(CTE)在2.5D堆内的差异，热机械应亚博网站下载力在包内积累。因此，在最弱的界面上，失效可能以裂纹(C4凸点、μ凸点、电介质)和分层的形式出现。

在决定如何继续进行物理故障分析(PFA)时，以良好的准确性非破坏性识别故障位置的能力将是有利的。本文将描述EOTPR在两个带有开放故障的2.5D包中的应用。

图2。本研究中使用的2.5D单元示意图。

案例研究1

在案例研究1中，当HBM信号引脚相对于接地引脚偏置时，通过曲线轨迹识别了开路故障。从时域反射仪(TDR)获得的波形很大程度上表明，开放失效位于衬底和插入器端点之间，如图3所示。

图3。TDR识别的缺陷位置示意图。

2D实时x射线(RTX)没有在相关信号引脚互连处暴露任何异常，如图4所示。此外，超声成像未发现μbump和C4接口的任何异常，因为通过HBM堆栈的高信号损失。

图4。缺陷位置的2D RTX图像。

因此，利用EOTPR实现更准确的缺陷定位。图5显示了失效单元记录的EOTPR波形(红色曲线)。还说明了从已知的良好单元(绿色曲线)，裸露的PCB基板，终止于C4凹凸垫(黑色曲线)，PCB基板与插入器，终止于μ凹凸垫(蓝色曲线)的波形。故障单元波形明显显示了一个开路故障，波形中的正峰值表示了这一点。

这发生在与插入参考样本终止相同的位置，表明故障单元的故障位于μbump中。随后的PFA揭示了开放断层是由于μbump中的一个裂缝(见图5的插图)，证实了非破坏性的EOTPR结果。

图5。EOTPR结果来自案例研究1。故障单元的EOTPR波形(红线)清楚地显示了一个打开的故障，波形中的正峰值表示了这个故障。这发生在与插入参考样品终止(蓝色曲线)相同的位置，表明故障单元的故障位于μbump中。顶部和插图:通过失败的销μ凸起的横截面的扫描电镜图像，显示通过凸起的裂缝。

案例研究2

在案例研究2中，当通过曲线轨迹使一个特定的信号引脚与接地引脚发生偏置时，注意到一个开路故障。同样，从TDR获得的波形再次广泛地表明插入器和衬底之间的开放层(参见图3)，而扫描声学显微镜(SAM)和RTX没有泄露任何异常，在相关的故障引脚互连图6所示。

图6。(a)放大信号引脚C4凸起处的CSAM成像，(b)相关μ凸起和TSV位置的2D RTX。

同样，EOTPR被用于获得更精确的缺陷定位。对比图7中获得的波形，发现缺陷位于衬底端和插入端之间，位于TSV的底部附近。随后使用Ga FIB的PFA在TSV和RDL之间暴露了一层薄薄的钝化材料，这是导致打开的原因(见图7的插图)。

图7。EOTPR结果来自案例研究2。故障单元的EOTPR波形(红线)清楚地显示了一个打开的故障，波形中的正峰值表示了这个故障。这发生在基板(黑色曲线)和插入器(蓝色曲线)端点之间，表明故障单元的故障位于TSV的底部附近。顶部和插图:通过失效单元TSV的横截面的SEM图像，显示TSV和RDL Cu之间有一层薄薄的钝化层。

结论

最后，本文讨论了如何将EOTPR应用于2.5D包装中的无损隔离故障。EOTPR可以明确区分关键设备特性(即tsv、C4凸起和μ凸起)的故障，使其成为先进包中快速、非破坏性故障隔离的强大工具。

致谢

作者想要感谢Advanced Micro Devices, Inc. (Singapore)在这个项目中的合作。AMD、AMD Arrow标志及其组合为Advanced Micro Devices, Inc.的商标。本出版物中使用的其他产品名称仅供识别用途，可能是其各自公司的商标。©2017 Advanced Micro Devices, Inc.保留所有权利。

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