3D先进封装剪切力测试怎么做？微凸点、铜柱与芯片测试方法详解

在AI、高性能计算、数据中心等应用对算力和带宽需求持续提升的背景下，单纯依靠芯片制程微缩已经难以满足更高集成度需求。通过先进封装将不同功能芯片进行高密度集成，正在成为提升系统性能的重要技术路径，其中，3D封装凭借垂直堆叠和高密度互连能力，逐渐应用于高性能处理器、存储器以及异构集成等领域。

那么，3D封装到底是什么？内部有哪些关键机械连接结构？不同结构应该如何进行机械强度测试？本文科准测控小编将从3D封装的结构特点出发，重点介绍不同机械连接结构及Alpha-W260推拉力测试机在3D封装机械可靠性测试中的应用。

一、什么是3D封装？

3D封装是一类利用垂直方向进行芯片集成的先进封装技术。

与2.5D封装中多颗芯片主要通过中介层进行横向排列不同，3D封装进一步将两颗或多颗Die进行上下堆叠，通过高密度垂直互连缩短芯片之间的连接距离。

根据具体封装工艺，Die之间可以采用Micro Bump微凸点、Cu Pillar铜柱、Cu-Cu直接键合、Hybrid Bonding混合键合等方式实现互连，部分结构还会结合TSV实现垂直方向的信号传输。

3D封装的核心不是简单地把芯片“堆起来”，而是利用垂直空间实现更高密度、更短距离的芯片互连。

二、3D封装有哪些关键机械连接结构？

3D封装内部存在多种不同连接方式，不同结构对应的材料、尺寸和受力状态并不相同。

1. Die-to-Die芯片连接

Die-to-Die是3D封装最核心的连接区域之一。

上下Die之间需要通过微互连或直接键合方式形成稳定连接。随着Die厚度不断减小，除了连接界面本身，还需要关注超薄芯片在装配和受力过程中的破裂问题。

2. Micro Bump微凸点

Micro Bump是3D封装中常见的微型互连结构，可用于Die之间的电气和机械连接。

相比传统BGA焊球，Micro Bump尺寸更小、Pitch更密，常见失效包括微凸点断裂；焊料内部破坏；界面脱离；焊盘相关失效。

3. Cu Pillar铜柱互连

Cu Pillar通常由铜柱、焊料及相关金属层组成。

其结构中存在铜柱、焊料、UBM、焊盘等多个连接界面，因此发生机械失效时，需要判断具体破坏位置。

4. Cu-Cu直接键合

Cu-Cu Direct Bonding通过铜与铜之间形成直接连接，减少对传统较大焊料凸点的依赖。

其机械可靠性主要关注Cu-Cu键合界面的结合状态、局部未键合、界面缺陷及老化后的强度变化。

5. Hybrid Bonding混合键合

Hybrid Bonding通常同时包含金属—金属互连和介质—介质键合。

随着互连Pitch进一步减小，Hybrid Bonding可以实现更高密度的Die-to-Die连接，但其失效界面也更加复杂。

6. BGA焊球

虽然3D封装重点在内部垂直互连，但完整封装仍需要通过封装基板和BGA等结构与PCB连接。

因此，BGA焊球仍然属于封装级机械可靠性测试的重要对象。

三、不同3D封装结构怎么测试？

不同连接结构的尺寸、受力方式和失效位置不同，对应的机械测试方法也需要分别设计。

1. Micro Bump微凸点剪切测试

对于具备测试空间的Micro Bump，可采用微型剪切工具进行侧向加载。

测试时，将样品固定在测试平台上，通过显微系统定位目标微凸点，再将推刀下降至规定测试高度。

随后推刀沿接近平行于基板表面的方向推动微凸点，系统记录整个剪切过程中的力值变化。

测试结果主要关注最大剪切力；不同测试点之间的数据差异；微凸点及界面的失效模式。

对于规则阵列分布的Micro Bump，还可以进行多位置测试，用于比较不同区域的机械强度一致性。

2. Cu Pillar铜柱剪切测试

Cu Pillar通常采用侧向剪切方式进行测试。

测试前需要根据铜柱直径、高度及Pitch选择合适尺寸的剪切工具，并控制推刀作用高度。

测试完成后，除了记录最大剪切力，还需要观察铜柱本体是否破坏；焊料区域是否断裂；UBM或焊盘是否发生失效；具体界面是否出现脱离。

3. Die Shear芯片剪切测试

对于具备侧向加载条件的Die或Chiplet，可采用Die Shear评价芯片与下层结构之间的连接强度。

测试时，推刀作用于芯片侧面，并沿水平方向逐渐加载，记录芯片连接发生失效时的最大剪切力。

对于3D封装中的超薄Die，需要特别注意推刀高度和作用位置，避免芯片本体提前破裂，影响对目标连接界面的判断。

4. BGA焊球剪切测试

对于封装外部BGA焊球，可采用Ball Shear测试。

测试时，剪切工具从焊球侧面进行加载，记录最大剪切力，并观察焊料、IMC、焊盘等位置的失效状态。

5. Cu-Cu直接键合强度测试

Cu-Cu结构与传统焊球不同，并不一定存在明显的凸起结构，因此不能简单直接套用Ball Shear方法。

具体测试需要根据Die尺寸、键合面积和试样可加载条件，设计相应的剪切、拉伸或其他界面强度测试。

测试后还需要结合断口和界面状态判断Cu-Cu键合质量。

6. Hybrid Bonding机械强度测试

Hybrid Bonding同时涉及金属和介质键合界面，因此测试方法需要根据具体结构确定。

对于专门设计的键合试样，可以通过剪切、拉伸等方式评价界面机械强度。

对于完整器件，则通常还需要结合声学扫描、截面分析、温度循环、电性能等方法进行综合判断。

Hybrid Bonding不能简单等同于传统Micro Bump剪切测试。

四、推拉力测试机在3D封装中的应用

3D封装中的测试对象具有尺寸小、Pitch密、Die薄、测试点多等特点，因此对测试设备提出了更高要求。

用于3D先进封装的推拉力测试机、剪切力测试机及焊接强度测试仪，需要具备微小力值测量；显微视觉定位；剪切高度控制；微型测试工具；不同量程传感器；多测试点定位；测试位置与数据对应。

科准测控Alpha-W260自动推拉力测试机可根据不同测试对象配置相应力值模块和微型测试工具，通过显微视觉系统进行目标位置定位。

对于规则排列的Micro Bump、Cu Pillar等结构，还可进行多测试点定位及批量测试，并将不同测试位置与对应力值数据进行记录。

可应用于Micro Bump微凸点剪切；Cu Pillar铜柱剪切；Die Shear芯片剪切；BGA Ball Shear以及根据具体试样结构设计的部分微连接机械强度测试。

以上就是科准测控小编为您介绍的3D封装结构及机械可靠性测试相关内容。如果您对3D封装Micro Bump剪切、Cu Pillar剪切、Die Shear芯片剪切或Alpha-W260自动推拉力测试机应用等有疑问，欢迎联系我们获取免费技术支持。