SAT技术
为什么需要SAT检测堆叠式半导体时代的内部缺陷检测
随着半导体像HBM那样把芯片层层堆叠、像芯粒（chiplet）那样把多个芯片装进一个封装、像功率模块那样把芯片与厚金属·陶瓷基板接合，决定良率与可靠性的缺陷已经从表面转移到肉眼和相机都看不到的键合界面。界面上的空洞、分层、裂纹往往是厚度不足1 µm的空气层，而在不切割样品的前提下最清晰地找出这类空气层的方法，就是超声波扫描检测（SAT，Scanning Acoustic Tomography；亦称超声波扫描显微镜SAM、C-SAM）。本页说明SAT为什么已经从可选项变成必需的工序检测。术语、原理与频率选择见SAT技术指南，MIT设备的不同之处见MIT SAT的优势。
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1. 缺陷从表面转移到了键合界面
在平面结构的半导体中，多数不良显现在表面，可以由光学检测（AOI）和电性测试筛出。堆叠与异质集成成为标准之后情况不同了：芯片与芯片、芯片与中介层、芯片与基板、基板与底板之间的键合界面数量大幅增加，而这些界面是热膨胀系数不同的材料相遇的地方，应力、湿气和工艺波动都集中于此。缺陷产生的位置改变了。
| 结构 | 关键界面 | 典型缺陷 | 漏检的后果 |
|---|---|---|---|
| HBM·堆叠存储器 | 芯片之间的微凸点、混合键合界面 | 未润湿、微空洞、底部填充不足 | 一颗芯片的缺陷导致整个堆叠报废，热阻上升 |
| 2.5D/3D·芯粒封装 | 芯片–中介层、中介层–基板、芯片–塑封料 | 分层、凸点裂纹、底部填充空洞 | 可靠性试验后失效，出货后现场失效 |
| 晶圆键合（W2W·D2W） | 键合界面 | 空洞、颗粒引起的未键合 | 减薄及后续工序中的芯片损失 |
| 功率半导体模块 | 芯片–DCB/AMB基板的焊料层·烧结层，基板–底板接合 | 空洞、分层、烧结层裂纹 | 热阻上升、过热、寿命缩短 |
| 基板、MLCC等元件 | 层间接合 | 层间分层、裂纹 | 湿气侵入、电性不良 |
这些情况有三个共同点：缺陷位于硅、金属、塑封料等不透明材料之下数十微米到数毫米的深度；厚度常常是亚微米级；起初在电性上表现正常，随后在温度循环和湿气中扩展成失效。
2. 为什么只靠其他检测方法不够
每种检测方法响应的物理量不同，因此对界面缺陷的灵敏度也不同。
| 检测方法 | 感知的对象 | 擅长 | 容易漏掉 |
|---|---|---|---|
| 光学检测（AOI） | 表面反射光 | 表面颗粒、划伤、凸点形状 | 不透明材料之下的一切缺陷 |
| X射线（2D·CT） | 由密度差决定的透射量 | 焊料空洞、布线与凸点形状、桥连 | 厚度极薄的分层（几乎没有密度差）、同种材料之间的未键合 |
| 红外（IR） | 穿透硅的光 | 晶圆键合界面的空洞 | 金属或塑封料之后的缺陷、含金属层的结构 |
| 电性测试 | 电学特性 | 开路、短路、功能失效 | 电性上仍正常的潜在缺陷（局部分层、空洞） |
| 超声波检测（SAT） | 界面处声阻抗的变化 | 分层、空洞、裂纹、未润湿，并可区分深度 | 精密形状与尺寸测量 |
关键在于，分层必须以“是否存在”而不是“有多厚”来判定。X射线看的是光路上的密度差，几乎没有厚度的分层不会出现在图像里。超声波在固体与空气的边界上几乎全反射且回波相位反转，即使空气层只有亚微米厚，仍会产生清晰的信号。IPC/JEDEC J-STD-035是用超声波显微镜检查塑封器件内部分层、裂纹的标准程序，用于湿敏等级试验前后的分层确认。
这些方法之间是分工而不是竞争：形状与布线交给X射线，表面交给AOI，界面交给SAT，最终功能由电性测试确认。更详细的比较见SAT技术指南第8节。
3. 超声波对界面缺陷敏感的物理原因
- 脉冲回波：聚焦换能器发出短脉冲，接收从各个界面返回的回波。回波强度由界面两侧材料的声阻抗差决定。
- 空气边界全反射：在固体与空气的边界上，超声波几乎100%反射且相位反转。空洞与分层就是空气层，因此比任何其他界面都返回更强、更有辨识度的信号。
- 深度选择：回波返回时间与深度成正比，通过时间门控可以只选取某一界面成像（C扫描）。在堆叠结构中可以逐层分别成像，直接看出是哪一层界面出了问题。
- 无损：不切割样品，检测后的产品可以直接进入下一道工序，同一样品也可以在工序前后进行比较。
原理、成像模式与频率选择见SAT技术指南第2~3节。
4. 从抽检到全检：为什么需要在线自动SAT
数十年来，超声波显微镜一直是实验室仪器，用于由人工判读可靠性试验后的少量样品。三个变化把检测拉进了产线，并推向全检。
- 堆叠的价值：像HBM那样把芯片堆到8层、12层、16层时，最后一步的一个界面不良会连带报废多颗已经合格的芯片。缺陷发现得越晚损失越大，因此在键合后立即确认界面是最经济的选择。
- 可靠性就是安全：在功率模块中，焊料层与烧结层的空洞会提高热阻，而热阻决定寿命。汽车与工业客户越来越多地要求全检数据而不是抽样结果。
- 工艺反馈：界面缺陷是键合压力、温度、助焊剂、烧结曲线等工艺条件的结果。把缺陷的位置与分布以坐标数据即时返回工艺，良率改善的速度会完全不同；人工判读的抽样结果无法形成这个闭环。
要在产线内对每一件产品进行检测，设备的要求随之改变：晶圆或托盘的自动上料与对位、无人判定与分选、产能、按同一标准重复的判定、与工厂系统的联动（SECS/GEM）、面向湿气敏感工艺的水管理，以及对薄型翘曲样品的补偿。实验室型与全自动在线型设备的差异见指南第6节。
| 工序阶段 | 检测时点 | 确认内容 |
|---|---|---|
| 晶圆键合 | 键合之后、减薄之前 | 键合界面的空洞与未键合 |
| 芯片堆叠（TCB·混合键合） | 每一步堆叠后或堆叠完成后 | 凸点未润湿、底部填充空洞 |
| 封装组装 | 塑封·回流之后 | 芯片–塑封料、芯片–基板分层，裂纹 |
| 功率模块组装 | 芯片贴装·基板接合之后 | 焊料层·烧结层空洞，基板分层 |
| 可靠性试验 | MSL·温度循环试验前后 | 分层的产生与扩展（J-STD-035） |
5. 导入设备前应确认的事项
把以下各项与样品条件一起确认，设备之间的比较才公平。
- 检测对象的深度与层结构：要看的是哪一层界面，决定探头频段与门控设置。
- 产能的比较条件：产能取决于扫描间距、探头数量和检测区数量，必须在相同间距、相同样品下比较。
- 翘曲补偿范围：薄晶圆与基板都是翘曲的，确认设备能否实时跟随高度。
- 与水的接触方式：是浸水式，还是尽量减少与水接触的非浸水式，检测后如何干燥。
- 缺陷坐标的精度：自动判定、复检、分级和工艺反馈都以准确的x-y坐标为前提。
- 产线联动与判定标准管理：SECS/GEM联动、判定标准的版本管理、结果数据的格式。
MIT的SFSAT系列如何满足这些要求，请参阅产品页面的机型比较和MIT SAT的优势。
常见问题
- 分层缺陷为什么用SAT而不是X射线检测？
- X射线成像的是透射路径上的密度差，几乎没有厚度的分层很难显示出来。超声波在任何固体与空气的边界上几乎全反射且回波相位反转，因此即使是亚微米厚的空气层也会产生清晰且有辨识度的信号。IPC/JEDEC J-STD-035就是用超声波显微镜检查这类分层的标准程序。布线与凸点形状仍然是X射线更擅长，两种方法互为补充。
- HBM这类堆叠存储器一定需要SAT吗？
- 决定堆叠存储器良率的缺陷是芯片之间键合界面的未润湿、微空洞与底部填充不足，这些界面位于硅片之下，光学检测看不到。超声波可以通过时间门控对各个界面分层成像，直接显示是哪一层出了问题；而且只要有一个界面不良，整个堆叠中已经合格的芯片都会一起报废，所以键合后立即检测的价值很高。
- 功率半导体模块为什么用超声波检测？
- 芯片、基板与底板之间焊料层和烧结层中的空洞与分层会提高热阻，导致过热与寿命缩短。这些接合层位于厚金属与陶瓷之下，超声波是能够无损地对整个接合面积成像的实用方法，从DCB、AMB基板阶段到模块组装完成都采用同一原理检测。
- 晶圆键合检测为什么用SAT而不是红外（IR）？
- 红外可以穿透硅，能快速看到硅与硅键合界面的空洞，但只要中间有金属层或不透明材料就无法观察。SAT与材料的光学透明度无关，能对界面成像并区分缺陷深度，因此金属键合、混合键合和异质材料键合都可以用同一台设备检测。许多产线两种方法并用。
- 抽样检测不够吗？为什么要全检？
- 抽样在工艺稳定后进行统计管理时是有效的。但在堆叠结构中，一个界面的不良会放大为多个芯片的损失；对于功率模块这类可靠性直接关系安全的产品，客户越来越多地要求全检数据。全检得到的缺陷坐标与分布数据还能直接反馈到工艺条件的修正，使检测从成本变为提升良率的手段。
- SAT检测在哪些工序阶段进行？
- 典型的时点是晶圆键合之后、芯片堆叠的每一步或堆叠完成后、封装的塑封与回流之后、功率模块的芯片贴装与基板接合之后，以及湿敏等级试验、温度循环等可靠性试验的前后。可以理解为：凡是产生新界面的工序，其后就是检测点。