MCM基板測(cè)試的一項(xiàng)新技術(shù)

　　一、引言

　　為了保證MCM在制造過程中的質(zhì)量,必須進(jìn)行測(cè)試。基板測(cè)試也是MCM制造中的關(guān)鍵測(cè)試之一?；鍦y(cè)試指IC芯片與PCB連接前的互連測(cè)試,測(cè)試的目的是保證提供無缺陷的基板。這是一種預(yù)防措施,用來保證互連不含有制造過程中留下的缺陷,以及保證確實(shí)好芯片(KGD)不被安裝在有缺陷的基板上,最大限度地避免昂貴芯片的浪費(fèi)。功能測(cè)試是繼基板測(cè)試之后的測(cè)試,在芯片連接后進(jìn)行,以保證系統(tǒng)的無故障。這就保證了在安裝過程中,無缺陷只發(fā)生在KGD上,以及芯片的輸入/輸出(I/O)端按要求連接到其它接口上?；搴凸δ軠y(cè)試作為MCM制造工藝的一部分。它由基板測(cè)試,安裝測(cè)試以及發(fā)運(yùn)前的最后功能測(cè)試組成。

　　二、測(cè)試方法

　　由多層金屬化層構(gòu)成。例如,MCM-D基板由x/y布線層組成,它們分隔在電源層和接地層之間,構(gòu)成互連用信號(hào)傳輸通道。

　　當(dāng)多層基板制造后,由于導(dǎo)體材料沿著互連線長度方向存在著分布不均勻的問題,或者介質(zhì)層太薄,都可能造成短路或開路缺陷。另外,互連結(jié)構(gòu)中還存在著接近開路或接近短路缺陷的可能。這些缺陷都是特別嚴(yán)重的問題,因?yàn)樗鼈儠?huì)在后續(xù)加工過程中或在用戶使用過程中引起不希望出現(xiàn)的組件失效?！　≡诨逯圃爝^程中,通過月檢和光學(xué)檢測(cè)來檢查缺陷,每一層都要控制,并且針對(duì)出現(xiàn)的互連缺陷的具體情況進(jìn)行返修。盡管每層的開路和短路缺陷得到了檢測(cè)和處理,但后續(xù)各層的溫度和加工所產(chǎn)生的應(yīng)力也可能引起互連方面的缺陷。由于布線層埋置在基板內(nèi)部,月檢和光學(xué)檢測(cè)都無法進(jìn)行。因此,在基板制造結(jié)束后,要通過基板頂面和底面的焊區(qū)對(duì)基板進(jìn)行測(cè)試,以便確認(rèn)基板質(zhì)量,這種測(cè)試稱為基板測(cè)試。

　　目前,基板測(cè)試方法很多,如電容測(cè)試法、電阻測(cè)試法、電阻/電容聯(lián)合測(cè)試法、電子束測(cè)試法、時(shí)域網(wǎng)絡(luò)分析(TDNA)法等。評(píng)價(jià)這些測(cè)試方法的關(guān)鍵是把握住設(shè)備成本、測(cè)試時(shí)間、測(cè)試速度(測(cè)試點(diǎn)/秒)和缺陷分辨率四個(gè)因素。 表1對(duì)工業(yè)上實(shí)用的基板測(cè)試方法進(jìn)行了定性定量的比較。盡管TDNA用于MCM基板的高頻測(cè)試,但并不實(shí)用,也列在表中。假定每種測(cè)試的準(zhǔn)備時(shí)間差不多,并且準(zhǔn)備時(shí)間較短,那么,完成每種測(cè)試所要求的時(shí)間主要取決于揮針探測(cè)基板的速度。表1中,N為需要測(cè)試的端(點(diǎn))數(shù);Tn為采用飛針式探針法測(cè)試時(shí),每次測(cè)試需要的時(shí)間。盡管目前的測(cè)試儀實(shí)際可以測(cè)試50~200次/秒,但采用的方法限定了探針在焊區(qū)上的停留時(shí)間,為統(tǒng)一起見,假定探針的測(cè)試速度為每秒5次。例如,停留時(shí)間<10ms的高速電容測(cè)試儀目前廣泛采用,而電磁測(cè)試儀(EMT)的探針停留時(shí)間接近50ms,采用針床式測(cè)試儀可以進(jìn)一步減少停留時(shí)間。測(cè)量開路缺陷時(shí)數(shù)值小,測(cè)量短路缺陷數(shù)值小,測(cè)量短路缺陷時(shí)數(shù)值大表明測(cè)試分辨率高。電容測(cè)試法適合對(duì)開路缺陷的測(cè)試,但對(duì)短路缺陷不適合;電子束測(cè)試則適合于短路缺陷測(cè)試。只有EMT具有測(cè)試接近開路缺陷的能力,但沒有合適的方法適合接近短路缺陷的測(cè)試。

　　下面就介紹一種測(cè)試接近開路和接近短路缺陷的新方法,該方法具有明顯的優(yōu)點(diǎn),它采用和高諧振器相連的單一探針,諧振器調(diào)到互連的AC響應(yīng),通過探測(cè)不同的缺陷在頻率響應(yīng)上的變化來測(cè)試。

　　2.1測(cè)試方案

　　它由電壓源(Vin)、諧振器和基板中埋置的互連層組成。探針通過頂層焊區(qū)和互連層相連。通過單端探針和諧振器將測(cè)試激勵(lì)電壓加到互連層。測(cè)試互連近端的響應(yīng)電壓Vout并和計(jì)算的信號(hào)電壓比較。測(cè)試電壓和計(jì)算信號(hào)電壓之間的疊值作為判據(jù);無缺陷時(shí),其差值為零。響應(yīng)口是互連無缺陷時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓(Vout),響應(yīng)(2)是互連有缺陷時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓(Vout)。這兩個(gè)電壓的差值是缺陷尺寸和位置的函數(shù),可以表征缺陷的情況。缺陷引起相位響應(yīng)的變化和相移有關(guān),是缺陷類型的函數(shù)。與無缺陷相比,開路和短路缺陷分別是造成相位向前、向后移動(dòng)。說明了這種測(cè)試方法的基本原理,即通過電壓幅度響應(yīng)可以判斷有/無缺陷,通過相位響應(yīng)可以判斷缺陷的類型(開路或短路);二者結(jié)合起來就可以對(duì)基板互連的缺陷情況綜合診斷。

　　諧振器是測(cè)試裝置中最主要的部分。沒有諧振器是,對(duì)于存在缺陷與否,響應(yīng)信號(hào)Vout變化極小,很難判斷。這種測(cè)試方案取決于檢測(cè)在線互連線時(shí),諧振頻率的位移。由于MCM基板中典型的互連線長度≤4cm,對(duì)于∑o≤10基板上開口傳輸線,將產(chǎn)生頻率大于1GHz的駐波響應(yīng)。通過采用調(diào)諧到711MHz的諧振器,可以在非常低的測(cè)試頻率下完成缺陷的檢測(cè),從而降低整體測(cè)試成本。

　　參考信號(hào)電壓必須校準(zhǔn)到測(cè)試互連無缺陷基板相應(yīng)的數(shù)值。通過分析無缺陷互連,可以做到這一點(diǎn)。傳輸線通過三個(gè)參數(shù)來界定,即衰減量(α)、延遲常數(shù)(β)和特征阻抗(Z0)。知道了參數(shù)α、β、Z0,就可通過計(jì)算公式求出在有諧振器情況下,無缺陷互連的頻率響應(yīng)Vout。對(duì)每一個(gè)無缺陷的互連,在選定測(cè)試頻率后,其幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)都可計(jì)算出來。這些數(shù)值被存儲(chǔ)在每種基板互連用的判定表中。

　　2.2理論推導(dǎo)

　　考慮圖4測(cè)試方案中無損耗、無缺陷的互連,經(jīng)推導(dǎo)可得出以下公式:

　　式中,Z10ad=Rs+jωL/ι-ω2LC

　　為傳輸線的傳輸常數(shù)

　　ι為互連長度

　　 Z0為傳輸線特征阻抗

　　公式(1)中,Rs、L和C分別為探針電阻、諧振電感和電容。電感Lt和電容Ct分別表示傳輸線單位長度電感和電容,傳輸線特征阻抗Z0= 對(duì)于有損耗傳輸線,傳輸函數(shù)與公式(1)類似,給出如下:

　　式中,γ=α+jβ

　　α為衰減系數(shù)

　　Rt為傳輸線單位長度電阻

　　ω為高頻率

　　Z0為取決于傳輸線特征阻抗的頻率

　　在公式(1)和(2)中,假定介電損耗可以忽略。

　　考慮一個(gè)所示含有接近開路缺陷的有損耗互連。缺陷引起導(dǎo)體線寬收縮,這可以通過一個(gè)電阻連接兩段傳輸線來表示。

　　電阻Rd= 式中:p,w,h和t分別為缺陷處傳輸線的電阻率、長度、寬度和厚度。 有缺陷傳輸線的轉(zhuǎn)換函數(shù)可以推導(dǎo)如下: 公式(3)中,Zin1、Zin2和Zin3為傳輸線不回段的輸入阻抗。

　　考慮兩個(gè)有損耗傳輸線之間的接近短路缺陷。該結(jié)構(gòu)可用一個(gè)由兩段傳輸線通過電容Cs相連的等效電路表示。電容Cs包括缺陷部位的藕合電容和鄰近傳輸線的自電容。含有短路缺陷的互連線的轉(zhuǎn)換函數(shù)與公式(3)相類似。

　　三、模擬測(cè)試

　　3.1 開路模擬測(cè)試 對(duì)含有引起互連線全部開路或接近開路缺陷的測(cè)試稱為開路測(cè)試。開路測(cè)試的結(jié)果通過測(cè)試圖6中缺陷電阻Rd來進(jìn)行,Rd值大說明開路,Rd值小說明接近開路。考慮傳輸線參數(shù)為Rt=4.5Ω/cm,Lt=3.75nH/cm,Ct=1.5pF/cm,為MCM-D基板的互連傳輸線。

　　3.2 短路模擬測(cè)試 對(duì)含有導(dǎo)致兩個(gè)單獨(dú)的互連線連接或接近連接的缺陷測(cè)試稱為短路測(cè)試。缺陷通過傳輸線的延長表現(xiàn)出,對(duì)于工藝因素或工藝缺陷,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、多點(diǎn)測(cè)試

　　上述測(cè)試方法用于單點(diǎn)測(cè)試。由于MCM含有多點(diǎn),例如一個(gè)驅(qū)動(dòng)器對(duì)許多接收器連接點(diǎn),因此,下面討論多點(diǎn)測(cè)試問題。

　　將兩個(gè)分支網(wǎng)模擬成Y型結(jié)構(gòu)中三條互連線,每個(gè)分支長分別記為L1,L2和L3,輸入阻抗Zin為: 因此，Y型結(jié)構(gòu)輸入端的傳遞函數(shù)為

　　式中，Z10ad=Rs+jωL/1-ω2LC

　　考慮L1分支中部有一個(gè)完整的開路缺陷,Y型結(jié)構(gòu)對(duì)無缺陷和有缺陷情況下輸入端的電壓響應(yīng)示于(分支長1cm),該圖反映了響應(yīng)頻率的變化。多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)與點(diǎn)－－點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的情況類似。然而,缺陷分辨能力是多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度的函數(shù)。由于多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)是缺陷部位到測(cè)試端距離的函數(shù),多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試端可以依序測(cè)試,以便對(duì)響應(yīng)信號(hào)放大。根據(jù)模擬情況,對(duì)Y型結(jié)構(gòu),8Ω的開路和0.1pF的短路(L1或L2分支)可以在L3分支上成功地探測(cè)到,小的缺陷可以在L1或L3上測(cè)試。

　　七、本文論述了單端探頭測(cè)試,頻率為711MH,該探頭帶有標(biāo)準(zhǔn)配置的諧振器。經(jīng)擴(kuò)展,該模擬和測(cè)試技術(shù)更實(shí)用,適宜對(duì)MCM基板上測(cè)試。假定點(diǎn)－－點(diǎn)連結(jié)的互連成2cm長,采用該技術(shù)可以探測(cè)0.22Ω的開路缺陷和2fF的短路缺陷