淺析TSV硅轉接基板的可靠性評價方法

硅通孔(Through Si Vias，TSV)硅轉接基板技術作為先進封裝的一種工藝方式，是實現(xiàn)千級IO芯片高密度組裝的有效途徑，近年來在系統(tǒng)集成領域得到快速應用。TSV硅轉接基板的細線條和與芯片相近的熱導率可以解決陶瓷基板和芯片之間線寬和熱導率不匹配的問題。隨著硅基板技術的推廣，其可靠性評價是應用前急需解決的問題。目前并沒有關于TSV硅轉接基板的可靠性評價要求的國內相關標準。從TSV硅轉接基板的結構出發(fā)，借鑒國軍標相關標準，形成了針對硅轉接基板的可靠性評價方法，并進行了工程驗證。驗證結果表明通過有針對性的評價方法，可以反映出TSV硅轉接基板的質量特性，實現(xiàn)可靠性評價。

? 隨著三維集成技術的發(fā)展，如何將不同材料、結構、工藝、功能的芯片器件實現(xiàn)一體化、多功能集成化是未來系統(tǒng)集成發(fā)展的重點。基于TSV、再布線（RDL）、微凸點（Micro Bump）、倒裝焊（FC）等關鍵工藝的硅轉接基板集成技術是將處理器、存儲器等多種芯片集成到同一個基板上，可提供高密度引腳的再分布。與陶瓷基板、有機基板等類型基板相比，硅基板與硅基芯片之間具有更好的熱匹配和更細的導線間距，可實現(xiàn)大規(guī)模IO芯片的二維或三維集成。TSV硅轉接基板作為中介層，實現(xiàn)芯片與芯片、芯片與基板之間的三維互連，降低了信號延遲與損耗，極大地減小了系統(tǒng)體積，減輕了系統(tǒng)質量。

TSV硅轉接基板作為一種高密度集成技術，適合在多功能芯片集成、三維封裝等領域應用。但是TSV硅轉接基板作為一種基板，在產品應用前需要進行必要的可靠性評價，以滿足產品的質量需求。目前的國家標準，諸如GJB2438B－2017《混合集成電路通用規(guī)范》、GJB548B－2005《微電子器件試驗方法和程序》等總規(guī)范中，都沒有明確這一類硅轉接基板的可靠性評價方法。所以為了滿足應用需求，本文以TSV硅轉接基板為研究對象，參照GJB2438B－2017標準中基板質量控制的相關要求，開展TSV硅轉接基板可靠性評價方法研究。

1 TSV硅轉接基板工藝結構及特點

隨著芯片I/O數(shù)急劇增加，IC芯片的引腳數(shù)動輒上千，而傳統(tǒng)的陶瓷基板上引線鍵合芯片扇出的集成度低，不能滿足多引腳（>1 000個）芯片的扇出要求。因此，TSV硅轉接基板作為中間插入層來彌合基板和集成電路IC間的技術鴻溝。

硅作為基板材料，具有熱導率高（85～135 Wm-1K-1）、成本低、化學性質穩(wěn)定和不透水性好、機械性能理想、一致性良好的特點，且其可控性、與IC芯片的熱膨脹匹配良好（Si熱膨脹系數(shù)2.8×10-6/℃），幾乎可作為所有半導體器件和集成電路基板材料。

硅晶圓上布線工藝成熟，精細線條控制能力強。硅基板再布線層采用無機介質做金屬間絕緣層時，線寬和線距可做到5 μm甚至1 μm以下；采用有機介質做金屬間絕緣層時，線寬和線距通常在5~30 μm范圍之內。因此，完全能滿足高密引腳IC布線要求。

TSV硅轉接基板按照結構可以分為凸點扇出型、鍵合扇出型和混合型。凸點扇出型可以實現(xiàn)千級IO倒裝芯片的扇出，實際應用最多，其結構如圖1所示。鍵合型用于鍵合芯片轉倒裝焊。混合型多用于多種芯片集成，既有倒裝焊芯片二次扇出的要求，也有鍵合芯片組裝的要求，這種轉接板尺寸較大。

三種結構的基板制作工藝相近，僅布線層上方有所區(qū)別。以常用凸點扇出型硅轉接基板為例，硅轉接基板的實施從硅晶圓開始，先進行TSV通孔、然后是無機介質多層布線和有機介質多層布線、正面微凸點、背面減薄露頭和背面凸點的制作。這種制作方式融合了化學機械拋光、干法刻蝕與濕法腐蝕等多種工藝，可實現(xiàn)厚度達到30～50 μm的超薄硅片。從圖1中可以看出，采用TSV通孔和介質布線技術，在Si片上實現(xiàn)了芯片的再布線和上下凸點，實現(xiàn)了微凸點到焊球的二次扇出。

圖1 凸點扇出型TSV硅轉接基板

2 TSV硅轉接基板評價方法研究

TSV硅轉接基板采用的工藝與芯片制造工藝相同，與成膜基片制造方式不同，但是應用用途與成膜基片類似，都是作為IC芯片的承載體。GJB2438B－2017標準中對成膜基片的可靠性評價做出了規(guī)定，TSV硅轉接基板作為有同樣用途的基板類產品，其可靠性的評價應按照成膜基片進行，表1為成膜基片評價要求。

表1 成膜基片評價要求

與薄厚膜這類成膜基片有所不同，TSV硅轉接基板的制作采用了TSV結構、凸點制備等手段，其應用場景不僅涉及基片粘接還涉及芯片和基板的倒裝焊。因此TSV硅轉接基板的可靠性評價還要考慮工藝和結構特點。在成膜基片的評價基礎上，應增加共面性檢測、倒裝芯片拉脫和微凸點剪切力等評價試驗。綜合上述因素，形成的TSV硅轉接基板評價見表2。

表2 TSV硅轉接基板評價

3 TSV硅轉接基板可靠性評價試驗

以某批次硅轉接基板為例，按照表2進行可靠性評價。該硅轉接基板是凸點扇出型硅轉接基板，沒有鍵合，因此表2中5分組鍵合強度不用試驗。

3.1 試驗1（目檢）

按照GJB548B－2005標準中方法2010的要求，對每個TSV硅轉接基板進行目檢，無分層、膠泡等異常情況。

3.2 試驗2（尺寸、共面性、版圖符合性）

在經過考核試驗的TSV硅轉接基板中隨機選擇5顆基板，按順序進行尺寸測量、共面性檢測和版圖符合性檢查。

使用共面性檢測來評價芯片凸點的共面性，試驗方法參照GJB7677－2012標準中焊球共面性進行，由三個凸點頂點形成的平面到置球面有著最大的垂直距離，并且這三個頂點形成的三角形應包含器件的重心?；驕y量每一個凸點頂點，用最小二乘法擬合形成的基準平面。測量凸點最高點與最低點距基準平面距離之和，100 μm的焊凸球的共面性要求小于0.025 mm。表3是該批次凸點共面性檢測結果。

表3 凸點共面性檢測結果

3.3 試驗3（電測試）

在經過考核試驗1的TSV硅轉接基板中隨機選擇5顆基板進行電測試，基于光板飛針測試機，采用測試探針對硅基板上測試點進行逐個測試，從而判斷電路板內部各網絡節(jié)點的通斷情況和網絡間的電阻值大小。這種直接測試方法，兼顧了可靠接觸和測試充分性的要求，既不會造成產品損傷又不影響后工藝加工。該批次中隨機選擇5顆基板進行電測試，結果全部合格。

3.4 試驗4（膜層附著力）

在經過考核試驗1的TSV硅轉接基板中隨機選擇3顆基板進行膜層附著力試驗。根據百格法，使用3M膠帶對TSV硅轉接基板進行結合力測試。對樣品片用3M膠帶在TSV硅轉接基板表面上粘接10 cm，注意擠出殘留在粘接面內的空氣，然后放置3 min，拿住膠帶的懸空端使之與基片呈現(xiàn)60°~90°夾角，迅速將膠帶從被測膜層表面剝下。在顯微鏡下進行目檢，表面膜層完整，無缺損現(xiàn)象。

3.5 試驗5（芯片拉脫）

在經過考核試驗1的TSV硅轉接基板中隨機選擇2顆基板進行試驗5的倒裝芯片拉脫。按照GJB548B－2005標準中方法2031的要求，對TSV硅轉接基板進行倒裝芯片拉脫。表4為該批次芯片試驗結果。

表4 芯片焊后剪切強度

3.6 試驗6（微凸點剪切力）

在經過考核試驗1的TSV硅轉接基板中隨機選擇5顆基板進行微凸點剪切力，參照GJB 7677－2012標準中焊球剪切方法進行微凸點剪切力測量，結果符合標準要求，具體數(shù)據見表5和表6。

表5 正面金屬凸點推力測量值

單位：cN

表6 背面凸點下金屬層（UBM）植球后推力測量值 單位：cN

3.7 試驗7（DPA）

在經過考核試驗1的TSV硅轉接基板中隨機選擇1顆基板進行DPA，包括RDL層厚度和TSV填充。按照GJB548B－2005方法2013，對每個TSV硅轉接基板進行RDL層厚度、TSV填充結果的檢驗。使用掃描電鏡（SEM）觀察RDL層、PI層厚度、TSV填充情況，結果如圖2～圖4所示。

圖2 正面RDL及PI厚度測量圖

圖3 背面RDL及PI厚度

圖4 TSV深孔電鍍填充Cu形貌及X-ray結果

3.8 試驗8（SEM檢查）

在經過考核試驗1的TSV硅轉接基板中隨機選擇1顆基板進行SEM檢查。按照GJB548B-2005方法2018，對硅轉接基板進行SEM檢查，表面無分層等異常，結果如圖5所示。

圖5 TSV硅轉接基板表面SEM圖

4 結論

本文針對TSV硅轉接基板的可靠性評價方法開展了研究，分析了TSV硅轉接基板的工藝結構特點，借鑒國軍標中成膜基片的可靠性評價方法，針對硅基板中特有的工藝結構開展有針對性的評價試驗，形成了TSV硅轉接基板的可靠性評價方法，并以工程中實際應用的一款TSV硅轉接基板為例，開展了評價驗證試驗，確定了評價方法的可行性。

審核編輯：劉清