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(dòng)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(huì)成為集成技術(shù)發(fā)展的瓶頸。對(duì)于TSV的測(cè)試成為目前集成技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵性問題，國(guó)內(nèi)外有大量關(guān)于TSV測(cè)試技術(shù)的研究，目前尚沒有完善的測(cè)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(huì)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(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)TSV進(jìn)行測(cè)試，提取微小參數(shù)。通過Matlab小波變換去噪后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，判斷TSV存在的具體故障情況，達(dá)到對(duì)TSV故障測(cè)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(duì)信號(hào)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(huì)影響TSV信號(hào)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(huì)產(chǎn)生“貝殼”效應(yīng)、側(cè)壁粗糙等現(xiàn)象。這會(huì)影響后續(xù)的淀積工藝，即對(duì)絕緣壁的制作有很大影響，從而會(huì)影響最終TSV信號(hào)的傳輸，可能導(dǎo)致絕緣層短路等故障，這會(huì)使得通孔阻抗變小。使用激光刻蝕通孔對(duì)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(gè)測(cè)試難點(diǎn)。在制作通孔過程中，絕緣層的狀態(tài)決定信號(hào)傳輸?shù)耐暾裕柽M(jìn)行微小參數(shù)測(cè)試，TSV深寬比較高對(duì)信號(hào)的傳輸延時(shí)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(huì)產(chǎn)生絕緣層短路故障，測(cè)試中對(duì)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(huì)留下縫隙、夾雜氣泡等故障，改變了通孔的阻抗，對(duì)可靠性和信號(hào)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(shí)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(huì)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(huì)使通孔的阻抗發(fā)生變化，為了測(cè)試制作通孔的電學(xué)性能，需對(duì)通過通孔的信號(hào)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(cè)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(gè)探針測(cè)試，且效率低。本文采用單個(gè)探針同時(shí)接觸多個(gè)TSV進(jìn)行測(cè)試，并通過二分法移動(dòng)探針多次測(cè)試得出故障通孔。圖1為探針測(cè)試示意圖，探針同時(shí)接觸多個(gè)硅通孔進(jìn)行測(cè)試。

圖1 探針測(cè)試示意圖

對(duì)硅通孔進(jìn)行測(cè)試中，設(shè)TSV的阻抗為RTSV，測(cè)試探針的輸入阻抗為Rp，測(cè)試探針和TSV接觸測(cè)試時(shí)的接觸阻抗為Rc，總阻抗為為Rt，計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

根據(jù)式(1)可以計(jì)算出一組無故障標(biāo)準(zhǔn)TSV在測(cè)試中的阻抗，作為故障參考值。如果測(cè)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(shí)電路阻抗會(huì)變小，發(fā)生開路故障時(shí)電路的阻抗會(huì)變大，由此可以判斷電路的故障類型。根據(jù)此原理，把測(cè)試所得阻抗數(shù)據(jù)與式(1)計(jì)算所得的無故障標(biāo)準(zhǔn)阻抗進(jìn)行對(duì)比分析，即可給出具體故障的類型。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(hào)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(duì)TSV測(cè)試信號(hào)的提取是采用探針直接探測(cè)加入測(cè)試信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過TSV后進(jìn)行提取。由于信號(hào)參量較小，提取的信號(hào)首先經(jīng)過放大器、濾波器進(jìn)行初步的信號(hào)調(diào)理，使信號(hào)能夠達(dá)到采集卡的使用范圍，并消除部分干擾信號(hào)。經(jīng)過初步處理的信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪，結(jié)果由上位機(jī)顯示。整個(gè)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(jì)算機(jī)平臺(tái)和測(cè)試板卡組成。按照硬件測(cè)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(yǔ)言，綜合了GPIB和DAQ板卡的精華，將儀器和計(jì)算機(jī)緊密地聯(lián)系在一起。但VXI價(jià)格昂貴，升級(jí)較困難，為了克服這些缺點(diǎn)，美國(guó)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(dòng)化應(yīng)用定制的模塊化儀器平臺(tái)。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(shí)鐘，抖動(dòng)小于5 ps．PXI-1045機(jī)箱，完成24位動(dòng)態(tài)信號(hào)采集時(shí)多達(dá)5 000條通道的配置。可以和LabVIEW 圖形化開發(fā)環(huán)境、TestStand測(cè)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(shí)時(shí)采樣、4.0 GS/s的等效時(shí)段采樣或外部時(shí)鐘控制。帶有2個(gè)去噪和防混疊濾波器，帶寬150 MHz，進(jìn)行同步采樣時(shí)，可達(dá)到高達(dá)75 dB的SFDR(spurious-free dynamic range)。基于NI同步和存儲(chǔ)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(dòng)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(gè)觸發(fā)模式，并可在板載內(nèi)存中采集超過100萬個(gè)波形，有50多個(gè)內(nèi)置測(cè)量與分析函數(shù)直接在驅(qū)動(dòng)軟件中編程生成，是時(shí)域和頻域分析的理想選擇。設(shè)計(jì)和測(cè)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(hào)應(yīng)用。

2．4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用LabVIEW與Matlab混合編程實(shí)現(xiàn)對(duì)TSV微小參數(shù)的測(cè)試，使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的控制，并完成顯示界面的設(shè)計(jì)。用Matlab實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行去噪處理。兩者相互結(jié)合完成整個(gè)系統(tǒng)的控制和實(shí)現(xiàn)。其中軟件設(shè)計(jì)包括測(cè)試信號(hào)輸出激勵(lì)的控制，輸出激勵(lì)由PXI 5422提供。數(shù)據(jù)采集采用PXI 5124實(shí)現(xiàn)，通過軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。最后對(duì)存儲(chǔ)的測(cè)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(jì)實(shí)現(xiàn)

3．1Matlab小波變換

傳統(tǒng)的信號(hào)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(hào)變換后的熵值增高、無法刻畫信號(hào)的非平穩(wěn)特性、無法得到信號(hào)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(hào)的間斷點(diǎn)、趨勢(shì)和自由度等性質(zhì)。能夠在沒有明顯損失的情況下，對(duì)信號(hào)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(duì)TSV進(jìn)行測(cè)試，信號(hào)比較微弱，為了排除噪聲對(duì)信號(hào)的干擾，采用小波變換去噪，對(duì)去噪后信號(hào)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(shí)現(xiàn)信號(hào)去噪主要包括3個(gè)步驟：信號(hào)的小波分解、小波分解高頻系數(shù)的閥值量化、信號(hào)的小波重構(gòu)。去噪后能夠較準(zhǔn)確地提取信號(hào)參數(shù)，消除噪聲的干擾。

3．2LabVIEW

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)采用LabVIEW 10．0，該軟件采用圖形化編程語(yǔ)言G編寫程序，程序?yàn)榭驁D形式。通過軟件編程，結(jié)合虛擬儀器硬件實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)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(shí)可編寫顯示界面，方便查看測(cè)試結(jié)果。圖3為系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖。其中主要包括4部分：第一部分由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號(hào)，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(hào)使用合并函數(shù)進(jìn)行合并，產(chǎn)生混合信號(hào)；第三部分是采集混合波形并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將合并的混合信號(hào)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(hào)輸出顯示，并提取測(cè)試信號(hào)的幅值大小。由測(cè)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(jì)流程圖

圖4為用G語(yǔ)言編寫的軟件程序，通過軟件程序?qū)τ布?qū)動(dòng)的控制，完成測(cè)試系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。軟件采用仿真信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，軟件可以很好地完成系統(tǒng)的測(cè)試功能。

圖4 程序框圖

4 仿真結(jié)果

圖5為L(zhǎng)abVIEW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(hào)與高斯白噪聲的混合信號(hào)，要消除圖中所示高斯白噪聲，才能進(jìn)一步精確提取信號(hào)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(duì)圖5(c)所示的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)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(jì)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(hào)，進(jìn)行平均，平均后計(jì)算得出阻抗。對(duì)信號(hào)提取的電壓參數(shù)及計(jì)算分析結(jié)果如表1所示。表1中，信號(hào)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(cè)量結(jié)果可以看出，去噪前原始信號(hào)完全被噪聲淹沒，測(cè)量的峰峰值與原始信號(hào)峰峰值誤差相當(dāng)大，無法提取原始信號(hào)的參量。去噪后對(duì)信號(hào)峰峰值進(jìn)行提取，其相對(duì)偏差基本不超過1%，可以很好地進(jìn)行測(cè)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

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

表1 測(cè)試參數(shù)提取數(shù)據(jù)

參考文獻(xiàn)：

[1]張燕．基于虛擬儀器的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)．中國(guó)科技信息．2010(5)：120-125．

[2]章佳榮．基于虛擬儀器的信號(hào)采集與分析軟件的設(shè)計(jì)及應(yīng)用：[學(xué)位論文]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009：34-36．

[3]周偉．小波分析高級(jí)技術(shù)．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006．

[4]LU Q R，WANG T，HUANG X Y，et al．Study on the methods of weak signal acquisition based on LabVIEW．Recent Advances in Computer Science and Information Engineering，2012：339-343．

[5]BEYNE E．3D System Integration Technologies．International Symposium on VLSI Technology，Systems and Applications，2006：1-9．

[6]LU J Q．3D hyper integration and Packaging Technologies for Micro-Nano Systems，Proceedings of the IEEE，2009，97 (1)：18-30．

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