如果列舉一下當(dāng)代智能手機(jī)的幾大前沿技術(shù)，那么屏幕下指紋識別一定在列。之所以這樣篤定，是因為它不僅帶來了全新的交互解鎖方式，更是手機(jī)邁向「全面屏」時代的一次重大技術(shù)飛躍。或許你會說，蘋果的Face ID人臉識別解鎖方式不也同樣“真香”嗎？但此類方案不可避免的要保留住“劉?！?。所以，包括蘋果在內(nèi)，將來手機(jī)的發(fā)展方向，一定是「真」全面屏的時代，或許在不遠(yuǎn)的未來，我們可以看到更富有科技感的屏幕下攝像頭的技術(shù)方案。
那么大家有沒有想過，是什么促使近些年手機(jī)發(fā)展的這么迅速？除了半導(dǎo)體制造工藝的改進(jìn)，我想，更重要的原因，是以WLP（晶圓級封裝）和TSVs（硅通孔）為代表的先進(jìn)封裝技術(shù)的應(yīng)用。
這些所謂先進(jìn)封裝技術(shù)究竟是什么意思？對我們的日常生活有什么影響？在這里小編先賣個關(guān)子，想要說清這個問題，還需要從半導(dǎo)體制造和封裝技術(shù)的起源和演變說起。
摩爾定律：半導(dǎo)體工藝的基礎(chǔ)
1965年，時任仙童半導(dǎo)體公司的Gordon Moore在《Electronics》雜志上提出，一塊芯片上集成的晶體管和其他元器件的數(shù)量，當(dāng)價格不變時，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，這就是著名的摩爾定律。隨后便是50多年的工藝提升，半導(dǎo)體的制程技術(shù)，在摩爾定律的加持下，呈現(xiàn)指數(shù)增長的態(tài)勢，憑借光刻技術(shù)的發(fā)展，從上世紀(jì)80年代還是微米量級的制程水準(zhǔn)，迸發(fā)到如今英特爾和臺積電可以量產(chǎn)的7nm時代，甚至計劃在2025年的3nm工藝，進(jìn)步可謂“觸目驚心”，然而，這種狀態(tài)不可能無窮無盡下去，普遍認(rèn)為在7nm技術(shù)節(jié)點后，摩爾定律將迎來失效……
摩爾定律的失效：半導(dǎo)體制造技術(shù)的瓶頸
讓我們想象一下，在標(biāo)準(zhǔn)的8人百米跑道上，大家可以相安無事的相互角逐，但如果這個跑道寬度沒有變化，而人數(shù)增加了，變成了16個人，此時還能夠大幅搖擺，沒有相互影響嗎？ok，你說運動員身體寬度太大，換成小孩子不就可以了嗎？那這個人數(shù)變成了32、64…呢？無論是誰在比賽跑道上，當(dāng)數(shù)量增加到一定程度，而跑道寬度沒變，甚至還需要縮小的時候，總要有個物理極限，在這個極限，就是摩爾定律失效的主要原因之一。
縱使技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)，芯片內(nèi)集成電路的兩條導(dǎo)線也不可能無限接近。因為兩個導(dǎo)線的距離過近會導(dǎo)致「量子躍遷」，也就是說，一條導(dǎo)線上的電子會越過中間的絕緣體跑到另一條導(dǎo)線上，造成電路失效。
從另一個維度來看，摩爾定律難以維系的重要原因，是納米芯片制造的資金壁壘高的離譜，一條28nm工藝制程芯片生產(chǎn)線的投資額大約是50億美元，20nm的高達(dá)100億美元，隨著制程工藝升級換代，生產(chǎn)線投資呈幾何級飆升，單單是一臺極紫外光刻機(jī)（EUV）的售價，就將近10億元人民幣。
后摩爾定律時代：新技術(shù)路線的開拓
單純地減小晶體管（MOS）尺寸，在技術(shù)和成本上實現(xiàn)的難度非常高，但是，延續(xù)摩爾定律并不是只有一條路可以走。以3D封裝為代表的先進(jìn)封裝技術(shù)，在不縮減工藝尺寸的前提下，增加了chip（器件單元）集成度從而提升性能并縮減成本，這種技術(shù)路線被稱為新摩爾定律（More than Moore）。
舉個例子，傳統(tǒng)封裝先將晶圓Wafer切割成小的單元Chip，然后再逐個封裝；而新的WLP晶圓級封裝（Wafer-Level Package）是在整片晶圓上進(jìn)行封裝和測試，然后再切割成一個個的IC Chip。相比于傳統(tǒng)封裝，新的WLP封裝流程有著肉眼可見的優(yōu)勢：① 省去了引線鍵合，封裝后的體積即等同IC裸晶的原尺寸，Wafer面積不變，可同時封裝更多的芯片，提升了集成度；②減少了測試和封裝工序，有效地降低了成本；③降低芯片的貼裝高度，跟進(jìn)了數(shù)碼產(chǎn)品日益變薄的需求。
* 晶圓級封裝（WLP）流程（Brewer science官網(wǎng)）
其實，上述的例子與我們消費者并不遙遠(yuǎn)，有感于近些年手機(jī)等數(shù)碼產(chǎn)品的性價比的提升，封裝成本的降低功不可沒；如果說，有哪種封裝技術(shù)的進(jìn)步，是與我們息息相關(guān)的，毫無疑問的要屬TSVs（硅通孔）封裝形式的開發(fā)和應(yīng)用。
TSV封裝技術(shù)及其失效分析
在三維封裝中，封裝形式逐漸由Wire bonding轉(zhuǎn)向TSVs，技術(shù)的革新，突出的外化表現(xiàn)是手機(jī)指紋解鎖方式的改變，即iPhone 5s為代表的電容式Home鍵指紋解鎖，轉(zhuǎn)向安卓全面屏手機(jī)的屏下指紋解鎖。
上圖中，是iPhone 5s為代表的電容式指紋解鎖，采用Wire bonding式3D封裝，表面開孔，手指與蓋板（玻璃、藍(lán)寶石、陶瓷）直接接觸，而在芯片一端，需要進(jìn)行塑封處理，將金屬引線掩埋，形成平整的表面。其原理是依據(jù)指紋在蓋板上按壓時，會形成高低不平（肉眼不可見），這時候傳感器會記下指紋的形狀，以供日后解鎖使用。
然而，隨著智能手機(jī)向「厚度更薄、屏占比更高」的方向發(fā)展，wire bonding封裝方式的缺點逐漸凸顯：鍵合線容易造成短路，虛焊、脫焊等封裝不良問題，塑封處理導(dǎo)致芯片無法進(jìn)一步變薄，致命的，如果把這種封裝芯片放在屏幕下方，隔著一層屏幕模組會導(dǎo)致傳感器收集不到足夠的指紋信號，無法順利完成解鎖。
好在TSV新型封裝的出現(xiàn)解開了這種困局，所謂TSV，又稱硅通孔，指的是在芯片3D晶圓級封裝的基礎(chǔ)上，在芯片間或晶圓間制作垂直通道，實現(xiàn)芯片間的垂直互聯(lián)，具有高密度集成、電性能提升等優(yōu)點。
目前市面上的主流手機(jī)，幾乎清一色的采用了OLED和AMOLED屏幕，除了蘋果，均采用了屏幕下指紋解鎖技術(shù)，而OLED屏幕面板能夠「霸屏」全面屏的旗艦機(jī)，其成功是離不開TSV封裝的。
所謂的OLED，其工作原理是利用了光的折射和反射，當(dāng)手指按壓屏幕時，OLED面板的每個像素點能夠自主發(fā)光，照亮指紋的反射光線透過OLED層像素的間隙返回到緊貼于屏下的傳感器芯片上，獲取的指紋圖像與手機(jī)初次錄入的圖像進(jìn)行對比，最后進(jìn)行識別判斷，完成解鎖。
OLED能夠順利完成解鎖，依據(jù)的就是下方傳感器能夠無衰減的接受反射信號，試想一下，如果在芯片表面蓋了一層蓋子（塑封膠體），識別率會大打折扣，所以，TSV結(jié)構(gòu)是完成該解鎖技術(shù)的關(guān)鍵。
除此之外，TSV封裝還可以有效的減小封裝厚度，順應(yīng)了數(shù)碼產(chǎn)品變薄的潮流：三星電子在2006年成功將TSV技術(shù)應(yīng)用在晶圓級堆疊封裝16Gb NAND閃存芯片中，將系統(tǒng)厚度減薄了160μm。
系統(tǒng)集成度越高，相應(yīng)的失效問題越多，失效分析的難度也就越高，TSV也不例外。傳統(tǒng)的Wire bonding堆疊，失效多集中在鍵合線和焊點處，相比于TSV封裝，更加的「宏觀化」，而TSV結(jié)構(gòu)更微觀，并且大量的失效不良，多集中在內(nèi)部通孔，對技術(shù)人員和檢測設(shè)備都提出了更高的要求。
TSV內(nèi)部通孔需要電鍍Cu，而Cu的生長過程是自下而上進(jìn)行的，并且生長過程所需要的促進(jìn)劑和抑制劑消耗不均勻，通常抑制劑在底部先消耗，于是底部的促進(jìn)劑發(fā)揮主要作用；再由于有機(jī)物的抑制劑中，高濃度的Cl、N、O雜質(zhì)元素大量分布在晶界上，通過釘扎效應(yīng)（Zener pinning）對晶粒的自由生長起進(jìn)一步的抑制作用，導(dǎo)致頂部的Cu晶粒較小，最終在通孔內(nèi)部形成了內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋、脹出等不良現(xiàn)象。
* TSV通孔內(nèi)部晶粒尺寸對比 & 空洞、裂紋、填充缺失典型缺陷
結(jié)語 & 后續(xù)預(yù)告
半導(dǎo)體先進(jìn)封裝技術(shù)的迅猛發(fā)展惠及了我們的日常生活，然而對于半導(dǎo)體的從業(yè)者，這一切來的并不容易，先進(jìn)且更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)拔高了不良分析的門檻值，文章中列舉的案例都是通過大面積截面拋光，再輔以SEM觀察，而在更多的失效分析中，通常是需要利用FIB進(jìn)行某（數(shù)）個TSV孔進(jìn)行定點切割分析，所以在半導(dǎo)體封裝產(chǎn)線高時效性要求的背景下，從制樣到成像的分析效率就顯得格外重要，眾所周知，F(xiàn)IB是定點分析的利器，但效率不高也是普遍存在的通病，所以，后續(xù)內(nèi)容中，我們會介紹一款超高效率的激光刻蝕設(shè)備microPREP，輔助FIB，可以顯著縮短整個失效分析的周期，敬請期待！
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