随着先进封装向多芯片、高I/O密度和大尺寸方向发展，封装制造正在从传统Wafer逐步向更大面积的Panel扩展。尤其在FOPLP（扇出型面板级封装）中，芯片可以通过RDL实现高密度互连，同时结合微凸点、焊球等结构完成芯片及封装之间的电气与机械连接。
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那么，面板级封装中都有哪些机械连接结构？Micro Bump、芯片、BGA焊球以及其他微连接分别应该怎么验证机械可靠性？本文科准测控小编将从面板级封装结构出发，重点介绍不同连接结构的机械失效及Alpha-W260自动推拉力测试机的检测方法。
一、什么是面板级封装？
面板级封装（Panel Level Packaging，PLP）是将封装制造过程从圆形晶圆扩展到面积更大的方形或矩形Panel上的封装技术。其中比较具有代表性的技术路线是FOPLP（Fan-Out Panel Level Packaging，扇出型面板级封装）。它将Fan-Out技术扩展至大面积Panel，通过RDL再布线实现芯片I/O向外围扩展，并可进一步进行多芯片异构集成。已有研究采用515 mm × 510 mm临时玻璃面板制造多层RDL，并实现多颗芯片的异构集成。
二、面板级封装有哪些关键机械连接结构？
从机械可靠性角度来看，面板级封装是由芯片、微互连、RDL、焊盘、焊球以及塑封材料等不同材料和连接界面共同组成。
1. 芯片与RDL/封装结构
面板级封装可以在同一个Panel上集成大量Die，也可以进一步集成不同尺寸和功能的Chiplet。
根据具体工艺路线，芯片可以与预先形成的RDL结构进行连接，也可以先进行芯片重构，再完成后续RDL制造。
芯片连接区域在塑封、回流、温度循环及长期使用过程中会受到机械和热机械载荷，因此需要关注芯片底部连接区域、局部界面以及周围材料的可靠性。
2. Micro Bump微凸点
在部分面向异构集成的高密度面板级封装结构中，Micro Bump可以作为芯片与RDL或其他互连结构之间的连接方式。
随着凸点尺寸和Pitch减小，单个微凸点能够承受的机械载荷也随之降低。
温度变化及材料热膨胀失配还可能使微凸点区域承受反复的热机械应力，因此需要关注：焊料断裂、凸点/焊盘界面失效以及Pad相关损伤等。
3. Cu Pillar铜柱等微连接
部分高密度互连结构还可能采用Cu Pillar铜柱及焊料帽等形式。
Cu Pillar主要由铜柱承担结构支撑和电气互连，并通过顶部焊料等结构完成连接。
由于铜柱、焊料和焊盘的材料及几何结构不同，其机械失效可能发生在：铜柱本体、焊料层、铜柱/焊盘界面以及周围介质层。
4. BGA焊球
完成Panel Level Packaging后，单颗封装器件还需要进一步与PCB或其他基板建立连接。
BGA焊球是常见的外部互连结构之一。
在回流焊、温度循环、机械冲击及长期工作过程中，焊球会受到不同程度的机械和热机械载荷。FOPLP可靠性研究也表明，焊球区域是值得重点关注的应力位置之一。
5. RDL及塑封结构
RDL主要承担芯片I/O重新分配和高密度平面互连功能，而EMC塑封材料则用于芯片重构及结构保护，这两部分同样存在机械可靠性问题。
例如：RDL裂纹、Via附近失效、介电层开裂、Die/Mold界面分层以及Panel Warpage等。
三、不同结构如何验证机械可靠性？
1. Micro Bump微凸点剪切测试
对于具备直接加载条件的Micro Bump，可以进行微凸点剪切测试。
将样品固定后，通过显微系统找到目标Micro Bump，使微型剪切工具下降到设定位置，再沿接近平行于样品表面的方向推动微凸点。
测试主要获得最大剪切力 + 失效模式。
对于规则排列的微凸点阵列，还可以选择中心、边缘以及其他不同区域进行多点测试，对比不同位置的机械强度一致性。
由于不同面板级封装的Micro Bump尺寸、Pitch及材料体系存在差异，具体推刀尺寸和剪切高度需要根据实际样品确定。
2. Cu Pillar铜柱剪切测试
对于采用Cu Pillar的样品，同样可以采用侧向加载方式评价其机械连接强度。
测试前需要根据铜柱的直径、高度、Pitch以及顶部焊料结构选择合适的微型剪切工具。
推刀移动到铜柱侧面，在设定高度下进行水平加载并记录最大剪切力。
测试完成后重点观察铜柱本体、焊料帽、焊盘以及连接界面的失效状态。
3. Chiplet/Die剪切
对于具有可评价贴装或键合界面的Die/Chiplet结构，可以根据实际封装结构采用Die Shear测试。
剪切工具作用于芯片侧面，通过水平加载使芯片底部连接区域发生破坏，并记录最大剪切力。
对于薄Die、小尺寸Chiplet以及周围互连密集的样品，需要控制推刀位置、剪切高度及加载方向，避免直接造成芯片破裂或误碰周围结构，从而影响连接界面的评价。
这里需要特别注意：并非所有FOPLP中的Die都适合直接进行Die Shear，是否能够测试取决于芯片暴露状态、周围结构以及实际需要评价的连接界面。
4. BGA焊球剪切
对于面板级封装完成后的外部BGA焊球，可以进行Ball Shear测试。
通过推刀从焊球侧面施加水平载荷，记录焊球发生失效时的最大剪切力。
测试完成后还需要观察：焊料内部断裂、焊球/焊盘界面失效、IMC相关区域以及Pad剥离等失效状态。
对于规则BGA阵列，可以进一步比较中心、边缘以及不同位置焊球的剪切力和失效模式。
以上就是科准测控小编为您介绍的面板级封装结构及机械可靠性测试相关内容。面板级封装整体制造面积增大，而局部互连尺寸却越来越小。因此，在Micro Bump、Cu Pillar、BGA焊球以及其他微连接结构机械测试中，不仅需要测量力值，还需要准确控制测试位置、推刀高度和加载方向。
科准测控Alpha-W260自动推拉力测试机可根据实际面板级封装样品配置相应的力值模块、微型剪切工具及测试工装，并通过显微视觉系统对目标连接位置进行精准定位。对于规则排列的Micro Bump、Cu Pillar或BGA焊球阵列，还可以根据实际测试需求进行多测试点定位，将不同测试位置与对应力值数据进行记录，从而比较不同区域互连结构的机械强度一致性。
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