如果列舉一下當代智能手機的幾大前沿技術，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，更是手機邁向「全面屏」時代的一次重大技術飛躍?；蛟S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，將來手機的發展方向，一定是「真」全面屏的時代，或許在不遠的未來，我們可以看到更富有科技感的屏幕下攝像頭的技術方案。
那么大家有沒有想過，是什么促使近些年手機發展的這么迅速？除了半導體制造工藝的改進，我想，更重要的原因，是以WLP（晶圓級封裝）和TSVs（硅通孔）為代表的先進封裝技術的應用。
這些所謂先進封裝技術究竟是什么意思？對我們的日常生活有什么影響？在這里小編先賣個關子，想要說清這個問題，還需要從半導體制造和封裝技術的起源和演變說起。
摩爾定律：半導體工藝的基礎
1965年，時任仙童半導體公司的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量，當價格不變時，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，半導體的制程技術，在摩爾定律的加持下，呈現指數增長的態勢，憑借光刻技術的發展，從上世紀80年代還是微米量級的制程水準，迸發到如今英特爾和臺積電可以量產的7nm時代，甚至計劃在2025年的3nm工藝，進步可謂“觸目驚心”，然而，這種狀態不可能無窮無盡下去，普遍認為在7nm技術節點后，摩爾定律將迎來失效……
摩爾定律的失效：半導體制造技術的瓶頸
讓我們想象一下，在標準的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？那這個人數變成了32、64…呢？無論是誰在比賽跑道上，當數量增加到一定程度，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。
縱使技術上能夠實現，芯片內集成電路的兩條導線也不可能無限接近。因為兩個導線的距離過近會導致「量子躍遷」，也就是說，一條導線上的電子會越過中間的絕緣體跑到另一條導線上，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工藝制程芯片生產線的投資額大約是50億美元，20nm的高達100億美元，隨著制程工藝升級換代，生產線投資呈幾何級飆升，單單是一臺極紫外光刻機（EUV）的售價，就將近10億元人民幣。
后摩爾定律時代：新技術路線的開拓
單純地減小晶體管（MOS）尺寸，在技術和成本上實現的難度非常高，但是，延續摩爾定律并不是只有一條路可以走。以3D封裝為代表的先進封裝技術，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，這種技術路線被稱為新摩爾定律（More than Moore）。
舉個例子，傳統封裝先將晶圓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）是在整片晶圓上進行封裝和測試，然后再切割成一個個的IC Chip。相比于傳統封裝，新的WLP封裝流程有著肉眼可見的優勢：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，跟進了數碼產品日益變薄的需求。
* 晶圓級封裝（WLP）流程（Brewer science官網）
其實，上述的例子與我們消費者并不遙遠，有感于近些年手機等數碼產品的性價比的提升，封裝成本的降低功不可沒；如果說，有哪種封裝技術的進步，是與我們息息相關的，毫無疑問的要屬TSVs（硅通孔）封裝形式的開發和應用。
TSV封裝技術及其失效分析
在三維封裝中，封裝形式逐漸由Wire bonding轉向TSVs，技術的革新，突出的外化表現是手機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，轉向安卓全面屏手機的屏下指紋解鎖。
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、藍寶石、陶瓷）直接接觸，而在芯片一端，需要進行塑封處理，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，隨著智能手機向「厚度更薄、屏占比更高」的方向發展，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，塑封處理導致芯片無法進一步變薄，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晶圓級封裝的基礎上，在芯片間或晶圓間制作垂直通道，實現芯片間的垂直互聯，具有高密度集成、電性能提升等優點。
目前市面上的主流手機，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，而OLED屏幕面板能夠「霸屏」全面屏的旗艦機，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，當手指按壓屏幕時，OLED面板的每個像素點能夠自主發光，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初次錄入的圖像進行對比，最后進行識別判斷，完成解鎖。
OLED能夠順利完成解鎖，依據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結構是完成該解鎖技術的關鍵。
除此之外，TSV封裝還可以有效的減小封裝厚度，順應了數碼產品變薄的潮流：三星電子在2006年成功將TSV技術應用在晶圓級堆疊封裝16Gb NAND閃存芯片中，將系統厚度減薄了160μm。
系統集成度越高，相應的失效問題越多，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結構更微觀，并且大量的失效不良，多集中在內部通孔，對技術人員和檢測設備都提出了更高的要求。
TSV內部通孔需要電鍍Cu，而Cu的生長過程是自下而上進行的，并且生長過程所需要的促進劑和抑制劑消耗不均勻，通常抑制劑在底部先消耗，于是底部的促進劑發揮主要作用；再由于有機物的抑制劑中，高濃度的Cl、N、O雜質元素大量分布在晶界上，通過釘扎效應（Zener pinning）對晶粒的自由生長起進一步的抑制作用，導致頂部的Cu晶粒較小，最終在通孔內部形成了內應力，導致裂紋、脹出等不良現象。
* TSV通孔內部晶粒尺寸對比 & 空洞、裂紋、填充缺失典型缺陷
結語 & 后續預告
半導體先進封裝技術的迅猛發展惠及了我們的日常生活，然而對于半導體的從業者，這一切來的并不容易，先進且更復雜的結構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進行某（數）個TSV孔進行定點切割分析，所以在半導體封裝產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，FIB是定點分析的利器，但效率不高也是普遍存在的通病，所以，后續內容中，我們會介紹一款超高效率的激光刻蝕設備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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