如果列举一下当代智能手机的几大前沿技术，那么屏幕下指纹识别一定在列。之所以这样笃定，是因为它不仅带来了全新的交互解锁方式，更是手机迈向「全面屏」时代的一次重大技术飞跃。或许你会说，苹果的Face ID人脸识别解锁方式不也同样“真香”吗？但此类方案不可避免的要保留住“刘海”。所以，包括苹果在内，将来手机的发展方向，一定是「真」全面屏的时代，或许在不远的未来，我们可以看到更富有科技感的屏幕下摄像头的技术方案。
那么大家有没有想过，是什么促使近些年手机发展的这么迅速？除了半导体制造工艺的改进，我想，更重要的原因，是以WLP（晶圆级封装）和TSVs（硅通孔）为代表的先进封装技术的应用。
这些所谓先进封装技术究竟是什么意思？对我们的日常生活有什么影响？在这里小编先卖个关子，想要说清这个问题，还需要从半导体制造和封装技术的起源和演变说起。
摩尔定律：半导体工艺的基础
1965年，时任仙童半导体公司的Gordon Moore在《Electronics》杂志上提出，一块芯片上集成的晶体管和其他元器件的数量，当价格不变时，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，这就是著名的摩尔定律。随后便是50多年的工艺提升，半导体的制程技术，在摩尔定律的加持下，呈现指数增长的态势，凭借光刻技术的发展，从上世纪80年代还是微米量级的制程水准，迸发到如今英特尔和台积电可以量产的7nm时代，甚至计划在2025年的3nm工艺，进步可谓“触目惊心”，然而，这种状态不可能无穷无尽下去，普遍认为在7nm技术节点后，摩尔定律将迎来失效……
摩尔定律的失效：半导体制造技术的瓶颈
让我们想象一下，在标准的8人百米跑道上，大家可以相安无事的相互角逐，但如果这个跑道宽度没有变化，而人数增加了，变成了16个人，此时还能够大幅摇摆，没有相互影响吗？ok，你说运动员身体宽度太大，换成小孩子不就可以了吗？那这个人数变成了32、64…呢？无论是谁在比赛跑道上，当数量增加到一定程度，而跑道宽度没变，甚至还需要缩小的时候，总要有个物理极限，在这个极限，就是摩尔定律失效的主要原因之一。
纵使技术上能够实现，芯片内集成电路的两条导线也不可能无限接近。因为两个导线的距离过近会导致「量子跃迁」，也就是说，一条导线上的电子会越过中间的绝缘体跑到另一条导线上，造成电路失效。
从另一个维度来看，摩尔定律难以维系的重要原因，是纳米芯片制造的资金壁垒高的离谱，一条28nm工艺制程芯片生产线的投资额大约是50亿美元，20nm的高达100亿美元，随着制程工艺升级换代，生产线投资呈几何级飙升，单单是一台极紫外光刻机（EUV）的售价，就将近10亿元人民币。
后摩尔定律时代：新技术路线的开拓
单纯地减小晶体管（MOS）尺寸，在技术和成本上实现的难度非常高，但是，延续摩尔定律并不是只有一条路可以走。以3D封装为代表的先进封装技术，在不缩减工艺尺寸的前提下，增加了chip（器件单元）集成度从而提升性能并缩减成本，这种技术路线被称为新摩尔定律（More than Moore）。
举个例子，传统封装先将晶圆Wafer切割成小的单元Chip，然后再逐个封装；而新的WLP晶圆级封装（Wafer-Level Package）是在整片晶圆上进行封装和测试，然后再切割成一个个的IC Chip。相比于传统封装，新的WLP封装流程有着肉眼可见的优势：① 省去了引线键合，封装后的体积即等同IC裸晶的原尺寸，Wafer面积不变，可同时封装更多的芯片，提升了集成度；②减少了测试和封装工序，有效地降低了成本；③降低芯片的贴装高度，跟进了数码产品日益变薄的需求。
* 晶圆级封装（WLP）流程（Brewer science官网）
其实，上述的例子与我们消费者并不遥远，有感于近些年手机等数码产品的性价比的提升，封装成本的降低功不可没；如果说，有哪种封装技术的进步，是与我们息息相关的，毫无疑问的要属TSVs（硅通孔）封装形式的开发和应用。
TSV封装技术及其失效分析
在三维封装中，封装形式逐渐由Wire bonding转向TSVs，技术的革新，突出的外化表现是手机指纹解锁方式的改变，即iPhone 5s为代表的电容式Home键指纹解锁，转向安卓全面屏手机的屏下指纹解锁。
上图中，是iPhone 5s为代表的电容式指纹解锁，采用Wire bonding式3D封装，表面开孔，手指与盖板（玻璃、蓝宝石、陶瓷）直接接触，而在芯片一端，需要进行塑封处理，将金属引线掩埋，形成平整的表面。其原理是依据指纹在盖板上按压时，会形成高低不平（肉眼不可见），这时候传感器会记下指纹的形状，以供日后解锁使用。
然而，随着智能手机向「厚度更薄、屏占比更高」的方向发展，wire bonding封装方式的缺点逐渐凸显：键合线容易造成短路，虚焊、脱焊等封装不良问题，塑封处理导致芯片无法进一步变薄，致命的，如果把这种封装芯片放在屏幕下方，隔着一层屏幕模组会导致传感器收集不到足够的指纹信号，无法顺利完成解锁。
好在TSV新型封装的出现解开了这种困局，所谓TSV，又称硅通孔，指的是在芯片3D晶圆级封装的基础上，在芯片间或晶圆间制作垂直通道，实现芯片间的垂直互联，具有高密度集成、电性能提升等优点。
目前市面上的主流手机，几乎清一色的采用了OLED和AMOLED屏幕，除了苹果，均采用了屏幕下指纹解锁技术，而OLED屏幕面板能够「霸屏」全面屏的旗舰机，其成功是离不开TSV封装的。
所谓的OLED，其工作原理是利用了光的折射和反射，当手指按压屏幕时，OLED面板的每个像素点能够自主发光，照亮指纹的反射光线透过OLED层像素的间隙返回到紧贴于屏下的传感器芯片上，获取的指纹图像与手机初次录入的图像进行对比，最后进行识别判断，完成解锁。
OLED能够顺利完成解锁，依据的就是下方传感器能够无衰减的接受反射信号，试想一下，如果在芯片表面盖了一层盖子（塑封胶体），识别率会大打折扣，所以，TSV结构是完成该解锁技术的关键。
除此之外，TSV封装还可以有效的减小封装厚度，顺应了数码产品变薄的潮流：三星电子在2006年成功将TSV技术应用在晶圆级堆叠封装16Gb NAND闪存芯片中，将系统厚度减薄了160μm。
系统集成度越高，相应的失效问题越多，失效分析的难度也就越高，TSV也不例外。传统的Wire bonding堆叠，失效多集中在键合线和焊点处，相比于TSV封装，更加的「宏观化」，而TSV结构更微观，并且大量的失效不良，多集中在内部通孔，对技术人员和检测设备都提出了更高的要求。
TSV内部通孔需要电镀Cu，而Cu的生长过程是自下而上进行的，并且生长过程所需要的促进剂和抑制剂消耗不均匀，通常抑制剂在底部先消耗，于是底部的促进剂发挥主要作用；再由于有机物的抑制剂中，高浓度的Cl、N、O杂质元素大量分布在晶界上，通过钉扎效应（Zener pinning）对晶粒的自由生长起进一步的抑制作用，导致顶部的Cu晶粒较小，最终在通孔内部形成了内应力，导致裂纹、胀出等不良现象。
* TSV通孔内部晶粒尺寸对比 & 空洞、裂纹、填充缺失典型缺陷
结语 & 后续预告
半导体先进封装技术的迅猛发展惠及了我们的日常生活，然而对于半导体的从业者，这一切来的并不容易，先进且更复杂的结构拔高了不良分析的门槛值，文章中列举的案例都是通过大面积截面抛光，再辅以SEM观察，而在更多的失效分析中，通常是需要利用FIB进行某（数）个TSV孔进行定点切割分析，所以在半导体封装产线高时效性要求的背景下，从制样到成像的分析效率就显得格外重要，众所周知，FIB是定点分析的利器，但效率不高也是普遍存在的通病，所以，后续内容中，我们会介绍一款超高效率的激光刻蚀设备microPREP，辅助FIB，可以显著缩短整个失效分析的周期，敬请期待！
参考文献：
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