張曉龍，陳元枝，李慧云

(1．桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院，廣西桂林 541004；2．中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院汽車電子中心，廣東深圳 518055)

0 引言

傳統(tǒng)的二維平面集成電路芯片在集成規(guī)模、速度和功耗方面已經(jīng)達(dá)到了極限，隨著集成電路的進(jìn)一步發(fā)展，提出了基于TSV的三維集成技術(shù)。與傳統(tǒng)的互連技術(shù)相比，TSV技術(shù)極大地縮短了連線、降低了功耗、改善了集成度。但是，由于芯片特征尺寸的減小，金屬互連線的延遲和功耗問題將會成為集成技術(shù)發(fā)展的瓶頸。對于TSV的測試成為目前集成技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵性問題，國內(nèi)外有大量關(guān)于TSV測試技術(shù)的研究，目前尚沒有完善的測試方法和工具，還需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

由于TSV制造工藝缺陷問題，會存在一定程度的損壞，產(chǎn)生故障。文中采用虛擬儀器搭建測試系統(tǒng)平臺，對TSV進(jìn)行測試，提取微小參數(shù)。通過Matlab小波變換去噪后，對信號進(jìn)行分析，判斷TSV存在的具體故障情況，達(dá)到對TSV故障測試的目的。

1 TSV微小參量特征

硅通孔作為新一代封裝技術(shù)，由于尺寸非常小，制作工藝相當(dāng)復(fù)雜，TSV在使用中對信號的傳輸帶來了許多問題。TSV制作過程首先通過深離子反應(yīng)刻蝕或激光在硅片上刻蝕出通孔，該制作會影響TSV信號的傳輸。深離子反應(yīng)刻蝕法技術(shù)比較成熟，能制作出深寬比很高的硅通孔，但在刻蝕通孔過程中，在通孔的邊緣會產(chǎn)生“貝殼”效應(yīng)、側(cè)壁粗糙等現(xiàn)象。這會影響后續(xù)的淀積工藝，即對絕緣壁的制作有很大影響，從而會影響最終TSV信號的傳輸，可能導(dǎo)致絕緣層短路等故障，這會使得通孔阻抗變小。使用激光刻蝕通孔對硅片的損傷較大，目前不能制作直徑較小的通孔。所以在通孔的刻蝕工藝中，制作直徑較小的通孔，是TSV微小參量的一個測試難點(diǎn)。在制作通孔過程中，絕緣層的狀態(tài)決定信號傳輸?shù)耐暾?，需進(jìn)行微小參數(shù)測試，TSV深寬比較高對信號的傳輸延時有很大影響，需提取微小參量進(jìn)行分析。

在通孔制作完成后需進(jìn)行絕緣層沉淀，這一步工藝決定著通孔是否會產(chǎn)生絕緣層短路故障，測試中對微小參量提取判斷其狀態(tài)。制作完通孔后進(jìn)行通孔的填充，銅填充的工藝直接決定通孔的電學(xué)性能的好壞，在深寬比比較高的通孔中，銅的填充往往不完全，會留下縫隙、夾雜氣泡等故障，改變了通孔的阻抗，對可靠性和信號傳輸產(chǎn)生很大影響。

在通孔填充之后進(jìn)行通孔下方的凸點(diǎn)或焊球，實現(xiàn)芯片與芯片之間的接觸。這一步的制作也非常重要，由于工藝問題可能會產(chǎn)生凸點(diǎn)開路故障，使通孔阻抗變大。

上述在工藝過程中產(chǎn)生的幾種故障問題，都會使通孔的阻抗發(fā)生變化，為了測試制作通孔的電學(xué)性能，需對通過通孔的信號的微小變化進(jìn)行相應(yīng)參量的提取，進(jìn)行分析得出通孔發(fā)生故障的類型。

由于測試TSV尺寸非常小，目前通孔直徑可以做到3～5 μm，不能直接采用單個探針測試，且效率低。本文采用單個探針同時接觸多個TSV進(jìn)行測試，并通過二分法移動探針多次測試得出故障通孔。圖1為探針測試示意圖，探針同時接觸多個硅通孔進(jìn)行測試。

圖1 探針測試示意圖

對硅通孔進(jìn)行測試中，設(shè)TSV的阻抗為RTSV，測試探針的輸入阻抗為Rp，測試探針和TSV接觸測試時的接觸阻抗為Rc，總阻抗為為Rt，計算公式如式(1)所示：

(1)

根據(jù)式(1)可以計算出一組無故障標(biāo)準(zhǔn)TSV在測試中的阻抗，作為故障參考值。如果測試阻抗發(fā)生一定范圍的變化，即可得出存在故障的硅通孔。發(fā)生短路故障時電路阻抗會變小，發(fā)生開路故障時電路的阻抗會變大，由此可以判斷電路的故障類型。根據(jù)此原理，把測試所得阻抗數(shù)據(jù)與式(1)計算所得的無故障標(biāo)準(zhǔn)阻抗進(jìn)行對比分析，即可給出具體故障的類型。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件介紹

如圖2所示，系統(tǒng)主要由信號調(diào)理電路、NI 數(shù)據(jù)采集( DAQ，Data Acquisition)板卡5124和系統(tǒng)軟件LabVIEW 3部分組成。對TSV測試信號的提取是采用探針直接探測加入測試信號，信號經(jīng)過TSV后進(jìn)行提取。由于信號參量較小，提取的信號首先經(jīng)過放大器、濾波器進(jìn)行初步的信號調(diào)理，使信號能夠達(dá)到采集卡的使用范圍，并消除部分干擾信號。經(jīng)過初步處理的信號采用NI 板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，送入上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。上位機(jī)在LabVIEW中調(diào)用Matlab使用小波分析法對信號進(jìn)行去噪，結(jié)果由上位機(jī)顯示。整個過程中采集卡控制、硬件的調(diào)用、顯示控制均由LabVIEW程序控制。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2．2虛擬儀器

虛擬儀器硬件系統(tǒng)主要由計算機(jī)平臺和測試板卡組成。按照硬件測控的功能，虛擬儀器可以劃分為GPIB、VXI、PXI和DAQ 4種總線體系結(jié)構(gòu)。VXI總線技術(shù)目前比較流行，VXI采用模塊化插卡式組建儀器，并以可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令為儀器系統(tǒng)控制語言，綜合了GPIB和DAQ板卡的精華，將儀器和計算機(jī)緊密地聯(lián)系在一起。但VXI價格昂貴，升級較困難，為了克服這些缺點(diǎn)，美國NI公司開發(fā)了PXI總線儀器，它是一種專門為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動化應(yīng)用定制的模塊化儀器平臺。系統(tǒng)采用NI PXI-1045 18槽機(jī)箱，具有通用的交流輸入可拆卸的高性能600 W電源，輸入電壓范圍100～240 V．可以兼容3U PXI和3U Compact 上位機(jī)I模塊，兼容PXI混合總線。它可以在0～55 ℃內(nèi)正常運(yùn)行，內(nèi)部含有10 MHz參考時鐘，抖動小于5 ps．PXI-1045機(jī)箱，完成24位動態(tài)信號采集時多達(dá)5 000條通道的配置?？梢院蚅abVIEW 圖形化開發(fā)環(huán)境、TestStand測試管理軟件和用于Visual Studio．NET 的Measurement Studio等諸多NI軟件配合使用。

2．3板卡

系統(tǒng)主要采用PXI 5124板卡，其具有12位分辨率的雙同步模擬采樣通道、200 MS/s的實時采樣、4.0 GS/s的等效時段采樣或外部時鐘控制。帶有2個去噪和防混疊濾波器，帶寬150 MHz，進(jìn)行同步采樣時，可達(dá)到高達(dá)75 dB的SFDR(spurious-free dynamic range)?；贜I同步和存儲核心(Synchronization and Memory Core，SMC)構(gòu)架，PXI 5124板卡具備每條通道512 MB板載內(nèi)存、快速數(shù)據(jù)傳輸和緊密的同步功能。PXI 5124具有軟件可選的動態(tài)范圍，50 Ω或1 MΩ電阻輸入，200 mV～20 V電壓輸入。最小電壓范圍的敏感度為 48.8 μV以及包含視頻觸發(fā)的5個觸發(fā)模式，并可在板載內(nèi)存中采集超過100萬個波形，有50多個內(nèi)置測量與分析函數(shù)直接在驅(qū)動軟件中編程生成，是時域和頻域分析的理想選擇。設(shè)計和測試領(lǐng)域的工程師們可以在幾十ps內(nèi)同步基于SMC的模塊化儀器，用于高通道和混合信號應(yīng)用。

2．4系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用LabVIEW與Matlab混合編程實現(xiàn)對TSV微小參數(shù)的測試，使用LabVIEW實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制，并完成顯示界面的設(shè)計。用Matlab實現(xiàn)對采集的信號進(jìn)行去噪處理。兩者相互結(jié)合完成整個系統(tǒng)的控制和實現(xiàn)。其中軟件設(shè)計包括測試信號輸出激勵的控制，輸出激勵由PXI 5422提供。數(shù)據(jù)采集采用PXI 5124實現(xiàn)，通過軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析并對測試數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行存儲。最后對存儲的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出TSV具體的故障情況及故障類型。

3 軟件設(shè)計實現(xiàn)

3．1Matlab小波變換

傳統(tǒng)的信號去噪方法主要包括線性濾波方法和非線性濾波法，傳統(tǒng)去噪方法存在信號變換后的熵值增高、無法刻畫信號的非平穩(wěn)特性、無法得到信號相關(guān)性等缺點(diǎn)。小波分析具有局部分析和細(xì)化的功能，能夠解釋信號的間斷點(diǎn)、趨勢和自由度等性質(zhì)。能夠在沒有明顯損失的情況下，對信號進(jìn)行消噪，并且可以消除由于器件引起的高斯白噪聲，有很好的去噪效果。系統(tǒng)對TSV進(jìn)行測試，信號比較微弱，為了排除噪聲對信號的干擾，采用小波變換去噪，對去噪后信號進(jìn)行分析，從而確定TSV的故障情況。小波去噪采用Matlab程序?qū)崿F(xiàn)，Matlab實現(xiàn)信號去噪主要包括3個步驟：信號的小波分解、小波分解高頻系數(shù)的閥值量化、信號的小波重構(gòu)。去噪后能夠較準(zhǔn)確地提取信號參數(shù)，消除噪聲的干擾。

3．2LabVIEW

系統(tǒng)軟件實現(xiàn)采用LabVIEW 10．0，該軟件采用圖形化編程語言G編寫程序，程序為框圖形式。通過軟件編程，結(jié)合虛擬儀器硬件實現(xiàn)整個測試系統(tǒng)的功能。軟件編程界面比較直觀，容易進(jìn)行修改及功能擴(kuò)展，同時可編寫顯示界面，方便查看測試結(jié)果。圖3為系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程圖。其中主要包括4部分：第一部分由信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號，可以設(shè)置相應(yīng)的頻率、相位、幅值等；第二部分是高斯白噪聲波形發(fā)生器，產(chǎn)生高斯白噪聲。然后將兩路信號使用合并函數(shù)進(jìn)行合并，產(chǎn)生混合信號；第三部分是采集混合波形并對信號進(jìn)行處理，將合并的混合信號送到Matlab腳本進(jìn)行小波變換處理，消除噪聲；第四部分是顯示部分，將消噪處理后的信號輸出顯示，并提取測試信號的幅值大小。由測試結(jié)果進(jìn)行分析，得出TSV故障的情況及具體的故障類型。

圖3 軟件設(shè)計流程圖

圖4為用G語言編寫的軟件程序，通過軟件程序?qū)τ布?qū)動的控制，完成測試系統(tǒng)的各項功能。軟件采用仿真信號進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明，軟件可以很好地完成系統(tǒng)的測試功能。

圖4 程序框圖

4 仿真結(jié)果

圖5為LabVIEW仿真調(diào)用Matlab波形顯示圖，可以直觀地看出去噪的效果。圖5(a)所示波形為仿真輸入的原始波形，正弦波的幅值為1 V．圖5(b)為原始信號與高斯白噪聲的混合信號，要消除圖中所示高斯白噪聲，才能進(jìn)一步精確提取信號參數(shù)。圖5(c)所示為經(jīng)過小波變換處理后的波形，可以明顯看出，經(jīng)過處理后高斯白噪聲基本完全被消除，得到很好的去噪效果。由此可以證明小波變換可以很好地消除高斯白噪聲。消除噪聲后，對圖5(c)所示的信號進(jìn)行信號參數(shù)提取，提取相應(yīng)的電壓，與設(shè)置的電流值進(jìn)行計算，得出相應(yīng)的阻抗情況，即可分析出具體的故障TSV情況。通過多次提取峰峰值電壓信號，進(jìn)行平均，平均后計算得出阻抗。對信號提取的電壓參數(shù)及計算分析結(jié)果如表1所示。表1中，信號原始幅值為1 V。

(a)原始波形

(b)含噪波形

(c)去噪后波形

從表1的測量結(jié)果可以看出，去噪前原始信號完全被噪聲淹沒，測量的峰峰值與原始信號峰峰值誤差相當(dāng)大，無法提取原始信號的參量。去噪后對信號峰峰值進(jìn)行提取，其相對偏差基本不超過1%，可以很好地進(jìn)行測量。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)是采用探針同時對多個TSV進(jìn)行測試，提取微小變化參數(shù)。由于TSV尺寸相當(dāng)小，測試過程中器件以及環(huán)境的干擾相對較大，所以在整個測試系統(tǒng)中噪聲的消除相當(dāng)重要。目前TSV的測試尚沒有較好的方法，該系統(tǒng)所提出的TSV測試方法簡單可行，可以較好地測試出TSV的故障情況，有一定的參考價值，可進(jìn)一步進(jìn)行研究。

表1 測試參數(shù)提取數(shù)據(jù)

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作者簡介：張曉龍(1988-)，碩士研究生，研究方向TSV測試、微小參數(shù)測試。E-mail：kuailezuiren@163．com