在AI、高性能計算、數據中心等應用對算力和帶寬需求持續提升的背景下，單純依靠芯片制程微縮已經難以滿足更高集成度需求。通過先進封裝將不同功能芯片進行高密度集成，正在成為提升系統性能的重要技術路徑，其中，3D封裝憑借垂直堆疊和高密度互連能力，逐漸應用于高性能處理器、存儲器以及異構集成等領域。

那么，3D封裝到底是什么？內部有哪些關鍵機械連接結構？不同結構應該如何進行機械強度測試？本文科準測控小編將從3D封裝的結構特點出發，重點介紹不同機械連接結構及Alpha-W260推拉力測試機在3D封裝機械可靠性測試中的應用。

一、什么是3D封裝？

3D封裝是一類利用垂直方向進行芯片集成的先進封裝技術。

與2.5D封裝中多顆芯片主要通過中介層進行橫向排列不同，3D封裝進一步將兩顆或多顆Die進行上下堆疊，通過高密度垂直互連縮短芯片之間的連接距離。

根據具體封裝工藝，Die之間可以采用Micro Bump微凸點、Cu Pillar銅柱、Cu-Cu直接鍵合、Hybrid Bonding混合鍵合等方式實現互連，部分結構還會結合TSV實現垂直方向的信號傳輸。

3D封裝的核心不是簡單地把芯片“堆起來"，而是利用垂直空間實現更高密度、更短距離的芯片互連。

二、3D封裝有哪些關鍵機械連接結構？

3D封裝內部存在多種不同連接方式，不同結構對應的材料、尺寸和受力狀態并不相同。

1. Die-to-Die芯片連接

Die-to-Die是3D封裝最核心的連接區域之一。

上下Die之間需要通過微互連或直接鍵合方式形成穩定連接。隨著Die厚度不斷減小，除了連接界面本身，還需要關注超薄芯片在裝配和受力過程中的破裂問題。

2. Micro Bump微凸點

Micro Bump是3D封裝中常見的微型互連結構，可用于Die之間的電氣和機械連接。

相比傳統BGA焊球，Micro Bump尺寸更小、Pitch更密，常見失效包括微凸點斷裂；焊料內部破壞；界面脫離；焊盤相關失效。

3. Cu Pillar銅柱互連

Cu Pillar通常由銅柱、焊料及相關金屬層組成。

其結構中存在銅柱、焊料、UBM、焊盤等多個連接界面，因此發生機械失效時，需要判斷具體破壞位置。

4. Cu-Cu直接鍵合

Cu-Cu Direct Bonding通過銅與銅之間形成直接連接，減少對傳統較大焊料凸點的依賴。

其機械可靠性主要關注Cu-Cu鍵合界面的結合狀態、局部未鍵合、界面缺陷及老化后的強度變化。

5. Hybrid Bonding混合鍵合

Hybrid Bonding通常同時包含金屬—金屬互連和介質—介質鍵合。

隨著互連Pitch進一步減小，Hybrid Bonding可以實現更高密度的Die-to-Die連接，但其失效界面也更加復雜。

6. BGA焊球

雖然3D封裝重點在內部垂直互連，但完整封裝仍需要通過封裝基板和BGA等結構與PCB連接。

因此，BGA焊球仍然屬于封裝級機械可靠性測試的重要對象。

三、不同3D封裝結構怎么測試？

不同連接結構的尺寸、受力方式和失效位置不同，對應的機械測試方法也需要分別設計。

1. Micro Bump微凸點剪切測試

對于具備測試空間的Micro Bump，可采用微型剪切工具進行側向加載。

測試時，將樣品固定在測試平臺上，通過顯微系統定位目標微凸點，再將推刀下降至規定測試高度。

隨后推刀沿接近平行于基板表面的方向推動微凸點，系統記錄整個剪切過程中的力值變化。

測試結果主要關注最大剪切力；不同測試點之間的數據差異；微凸點及界面的失效模式。

對于規則陣列分布的Micro Bump，還可以進行多位置測試，用于比較不同區域的機械強度一致性。

2. Cu Pillar銅柱剪切測試

Cu Pillar通常采用側向剪切方式進行測試。

測試前需要根據銅柱直徑、高度及Pitch選擇合適尺寸的剪切工具，并控制推刀作用高度。

測試完成后，除了記錄最大剪切力，還需要觀察銅柱本體是否破壞；焊料區域是否斷裂；UBM或焊盤是否發生失效；具體界面是否出現脫離。

3. Die Shear芯片剪切測試

對于具備側向加載條件的Die或Chiplet，可采用Die Shear評價芯片與下層結構之間的連接強度。

測試時，推刀作用于芯片側面，并沿水平方向逐漸加載，記錄芯片連接發生失效時的最大剪切力。

對于3D封裝中的超薄Die，需要特別注意推刀高度和作用位置，避免芯片本體提前破裂，影響對目標連接界面的判斷。

4. BGA焊球剪切測試

對于封裝外部BGA焊球，可采用Ball Shear測試。

測試時，剪切工具從焊球側面進行加載，記錄最大剪切力，并觀察焊料、IMC、焊盤等位置的失效狀態。

5. Cu-Cu直接鍵合強度測試

Cu-Cu結構與傳統焊球不同，并不一定存在明顯的凸起結構，因此不能簡單直接套用Ball Shear方法。

具體測試需要根據Die尺寸、鍵合面積和試樣可加載條件，設計相應的剪切、拉伸或其他界面強度測試。

測試后還需要結合斷口和界面狀態判斷Cu-Cu鍵合質量。

6. Hybrid Bonding機械強度測試

Hybrid Bonding同時涉及金屬和介質鍵合界面，因此測試方法需要根據具體結構確定。

對于專門設計的鍵合試樣，可以通過剪切、拉伸等方式評價界面機械強度。

對于完整器件，則通常還需要結合聲學掃描、截面分析、溫度循環、電性能等方法進行綜合判斷。

Hybrid Bonding不能簡單等同于傳統Micro Bump剪切測試。

四、推拉力測試機在3D封裝中的應用

3D封裝中的測試對象具有尺寸小、Pitch密、Die薄、測試點多等特點，因此對測試設備提出了更高要求。

用于3D先進封裝的推拉力測試機、剪切力測試機及焊接強度測試儀，需要具備微小力值測量；顯微視覺定位；剪切高度控制；微型測試工具；不同量程傳感器；多測試點定位；測試位置與數據對應。

科準測控Alpha-W260自動推拉力測試機可根據不同測試對象配置相應力值模塊和微型測試工具，通過顯微視覺系統進行目標位置定位。

對于規則排列的Micro Bump、Cu Pillar等結構，還可進行多測試點定位及批量測試，并將不同測試位置與對應力值數據進行記錄。

可應用于Micro Bump微凸點剪切；Cu Pillar銅柱剪切；Die Shear芯片剪切；BGA Ball Shear以及根據具體試樣結構設計的部分微連接機械強度測試。

以上就是科準測控小編為您介紹的3D封裝結構及機械可靠性測試相關內容。如果您對3D封裝Micro Bump剪切、Cu Pillar剪切、Die Shear芯片剪切或Alpha-W260自動推拉力測試機應用等有疑問，歡迎聯系我們獲取免費技術支持。