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清华大学材料研究所 况延香
摘 要:本文论述了多芯片组件(MCM)基板测试的一项新技术 关键词:多芯片组件,测试技术,基板
一、引言
为了保证MCM在制造过程中的质量,必须进行测试。基板测试也是MCM制造中的关键测试之一。基板测试指IC芯片与PCB连接前的互连测试,测试的目的是保证提供无缺陷的基板。这是一种预防措施,用来保证互连不含有制造过程中留下的缺陷,以及保证确实好芯片(KGD)不被安装在有缺陷的基板上,最大限度地避免昂贵芯片的浪费。功能测试是继基板测试之后的测试,在芯片连接后进行,以保证系统的无故障。这就保证了在安装过程中,无缺陷只发生在KGD上,以及芯片的输入/输出(I/O)端按要求连接到其它接口上。基板和功能测试作为MCM制造工艺的一部分。它由基板测试,安装测试以及发运前的最后功能测试组成。
二、测试方法
由多层金属化层构成。例如,MCM-D基板由x/y布线层组成,它们分隔在电源层和接地层之间,构成互连用信号传输通道。
当多层基板制造后,由于导体材料沿着互连线长度方向存在着分布不均匀的问题,或者介质层太薄,都可能造成短路或开路缺陷。另外,互连结构中还存在着接近开路或接近短路缺陷的可能。这些缺陷都是特别严重的问题,因为它们会在后续加工过程中或在用户使用过程中引起不希望出现的组件失效。
在基板制造过程中,通过月检和光学检测来检查缺陷,每一层都要控制,并且针对出现的互连缺陷的具体情况进行返修。尽管每层的开路和短路缺陷得到了检测和处理,但后续各层的温度和加工所产生的应力也可能引起互连方面的缺陷。由于布线层埋置在基板内部,月检和光学检测都无法进行。因此,在基板制造结束后,要通过基板顶面和底面的焊区对基板进行测试,以便确认基板质量,这种测试称为基板测试。
目前,基板测试方法很多,如电容测试法、电阻测试法、电阻/电容联合测试法、电子束测试法、时域网络分析(TDNA)法等。评价这些测试方法的关键是把握住设备成本、测试时间、测试速度(测试点/秒)和缺陷分辨率四个因素。 表1对工业上实用的基板测试方法进行了定性定量的比较。尽管TDNA用于MCM基板的高频测试,但并不实用,也列在表中。假定每种测试的准备时间差不多,并且准备时间较短,那么,完成每种测试所要求的时间主要取决于挥针探测基板的速度。表1中,N为需要测试的端(点)数;Tn为采用飞针式探针法测试时,每次测试需要的时间。尽管目前的测试仪实际可以测试50~200次/秒,但采用的方法限定了探针在焊区上的停留时间,为统一起见,假定探针的测试速度为每秒5次。例如,停留时间<10ms的高速电容测试仪目前广泛采用,而电磁测试仪(EMT)的探针停留时间接近50ms,采用针床式测试仪可以进一步减少停留时间。测量开路缺陷时数值小,测量短路缺陷数值小,测量短路缺陷时数值大表明测试分辨率高。电容测试法适合对开路缺陷的测试,但对短路缺陷不适合;电子束测试则适合于短路缺陷测试。只有EMT具有测试接近开路缺陷的能力,但没有合适的方法适合接近短路缺陷的测试。
下面就介绍一种测试接近开路和接近短路缺陷的新方法,该方法具有明显的优点,它采用和高谐振器相连的单一探针,谐振器调到互连的AC响应,通过探测不同的缺陷在频率响应上的变化来测试。
2.1测试方案
它由电压源(Vin)、谐振器和基板中埋置的互连层组成。探针通过顶层焊区和互连层相连。通过单端探针和谐振器将测试激励电压加到互连层。测试互连近端的响应电压Vout并和计算的信号电压比较。测试电压和计算信号电压之间的叠值作为判据;无缺陷时,其差值为零。响应口是互连无缺陷时对应的电压(Vout),响应(2)是互连有缺陷时对应的电压(Vout)。这两个电压的差值是缺陷尺寸和位置的函数,可以表征缺陷的情况。缺陷引起相位响应的变化和相移有关,是缺陷类型的函数。与无缺陷相比,开路和短路缺陷分别是造成相位向前、向后移动。说明了这种测试方法的基本原理,即通过电压幅度响应可以判断有/无缺陷,通过相位响应可以判断缺陷的类型(开路或短路);二者结合起来就可以对基板互连的缺陷情况综合诊断。
谐振器是测试装置中最主要的部分。没有谐振器是,对于存在缺陷与否,响应信号Vout变化极小,很难判断。这种测试方案取决于检测在线互连线时,谐振频率的位移。由于MCM基板中典型的互连线长度≤4cm,对于∑o≤10基板上开口传输线,将产生频率大于1GHz的驻波响应。通过采用调谐到711MHz的谐振器,可以在非常低的测试频率下完成缺陷的检测,从而降低整体测试成本。
参考信号电压必须校准到测试互连无缺陷基板相应的数值。通过分析无缺陷互连,可以做到这一点。传输线通过三个参数来界定,即衰减量(α)、延迟常数(β)和特征阻抗(Z0)。知道了参数α、β、Z0,就可通过计算公式求出在有谐振器情况下,无缺陷互连的频率响应Vout。对每一个无缺陷的互连,在选定测试频率后,其幅度响应和相位响应都可计算出来。这些数值被存储在每种基板互连用的判定表中。
2.2理论推导
考虑图4测试方案中无损耗、无缺陷的互连,经推导可得出以下公式:
式中,Z10ad=Rs+jωL/ι-ω2LC
为传输线的传输常数
ι为互连长度
Z0为传输线特征阻抗
公式(1)中,Rs、L和C分别为探针电阻、谐振电感和电容。电感Lt和电容Ct分别表示传输线单位长度电感和电容,传输线特征阻抗Z0= 对于有损耗传输线,传输函数与公式(1)类似,给出如下:
式中,γ=α+jβ
α为衰减系数
Rt为传输线单位长度电阻
ω为高频率
Z0为取决于传输线特征阻抗的频率
在公式(1)和(2)中,假定介电损耗可以忽略。
考虑一个所示含有接近开路缺陷的有损耗互连。缺陷引起导体线宽收缩,这可以通过一个电阻连接两段传输线来表示。
电阻Rd= 式中:p,w,h和t分别为缺陷处传输线的电阻率、长度、宽度和厚度。 有缺陷传输线的转换函数可以推导如下: 公式(3)中,Zin1、Zin2和Zin3为传输线不回段的输入阻抗。
考虑两个有损耗传输线之间的接近短路缺陷。该结构可用一个由两段传输线通过电容Cs相连的等效电路表示。电容Cs包括缺陷部位的藕合电容和邻近传输线的自电容。含有短路缺陷的互连线的转换函数与公式(3)相类似。
三、模拟测试
3.1 开路模拟测试 对含有引起互连线全部开路或接近开路缺陷的测试称为开路测试。开路测试的结果通过测试图6中缺陷电阻Rd来进行,Rd值大说明开路,Rd值小说明接近开路。考虑传输线参数为Rt=4.5Ω/cm,Lt=3.75nH/cm,Ct=1.5pF/cm,为MCM-D基板的互连传输线。
3.2 短路模拟测试 对含有导致两个单独的互连线连接或接近连接的缺陷测试称为短路测试。缺陷通过传输线的延长表现出,对于工艺因素或工艺缺陷,缺陷位置引起容量的增加。增加的容量大表示完全短路,增加的容量小表示接近短路。
四、多点测试
上述测试方法用于单点测试。由于MCM含有多点,例如一个驱动器对许多接收器连接点,因此,下面讨论多点测试问题。
将两个分支网模拟成Y型结构中三条互连线,每个分支长分别记为L1,L2和L3,输入阻抗Zin为: 因此，Y型结构输入端的传递函数为
式中，Z10ad=Rs+jωL/1-ω2LC
考虑L1分支中部有一个完整的开路缺陷,Y型结构对无缺陷和有缺陷情况下输入端的电压响应示于(分支长1cm),该图反映了响应频率的变化。多点网络与点－－点网络的情况类似。然而,缺陷分辨能力是多点网络复杂程度的函数。由于多点网络的响应是缺陷部位到测试端距离的函数,多点网络的测试端可以依序测试,以便对响应信号放大。根据模拟情况,对Y型结构,8Ω的开路和0.1pF的短路(L1或L2分支)可以在L3分支上成功地探测到,小的缺陷可以在L1或L3上测试。
七、本文论述了单端探头测试,频率为711MH,该探头带有标准配置的谐振器。经扩展,该模拟和测试技术更实用,适宜对MCM基板上测试。假定点－－点连结的互连成2cm长,采用该技术可以探测0.22Ω的开路缺陷和2fF的短路缺陷。
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