CT成像在集成电路封装互连失效分析中的应用-AET-电子技术应用

CT成像在集成电路封装互连失效分析中的应用

集成电路应用

连志强1，路文墨2，李冬梅2，祝建彬2

1.纳克微束［北京］有限公司;2.北京微电子技术研究所

摘要： 随着集成电路向高集成度、高密度的先进封装方向发展，传统失效分析技术在三维无损检测、微小缺陷精准定位及深层内部结构观测等关键环节存在明显局限性，难以满足先进封装互连失效分析的工程需求。该研究系统开展了X射线计算机断层扫描(CT)成像技术在封装互连失效分析中的应用研究，在阐述CT成像原理、系统组成与检测流程的基础上，分析了几何校正、局部重建及快速计算等CT成像关键技术；结合键合电路中的键合丝颈部断裂与倒装电路基板堆叠通孔开裂两类典型失效案例，验证了CT成像技术可在不破坏样品的条件下实现封装内部微米级缺陷的三维定位与形貌表征，与超声扫描、时域反射、能谱分析等手段相结合，形成完整证据链。由此，CT成像技术能够有效弥补传统失效分析手段的不足，显著提升集成电路封装内部缺陷的三维可视化水平与精准定位能力，在先进封装互连缺陷表征领域具备重要的工程应用价值与推广前景。

关键词： 集成电路 CT成像无损检测失效分析集成电路应用

中图分类号：TN406文献标识码：ADOI:10.19339/j.issn.1674-2583.2026.06.002
中文引用格式：连志强，路文墨，李冬梅，等. CT成像在集成电路封装互连失效分析中的应用［J］.集成电路应用，2026，43（6）：7-13.
英文引用格式：Lian Zhiqiang, Lu Wenmo， Li Dongmei, et al. Application of CT in failure analysis of integrated circuit packaging interconnection［J］.Application of IC，2026，43（6）：7-13.

Application of CT in failure analysis of integrated circuit packaging interconnection

Lian Zhiqiang1, Lu Wenmo2, Li Dongmei2, Zhu Jianbin2

1. NCS-Micro Beams ［Beijing］; 2. Beijing Microelectronics Technology Institute

Abstract： As integrated circuits move toward advanced packaging with high integration and density, conventional failure analysis techniques show significant limitations in three-dimensional non-destructive inspection, precise localization of micro-defects, and observation of deep internal structures. Consequently, they can hardly meet the engineering requirements for interconnect failure analysis of advanced packages. This study systematically investigated the application of X-ray computed tomography (CT) to package interconnect failure analysis. The imaging principle, system configuration, and inspection workflow of CT were first described, followed by an analysis of key techniques such as geometric correction, local reconstruction, and fast computation. Two typical failure cases were examined, namely bonding wire neck fracture in wire-bonded circuits and cracking of stacked vias in flip-chip substrates. The results demonstrate that CT enables 3-D localization and morphological characterization of micrometer-scale internal defects without destroying the samples.

Key words : integrated circuit; CT imaging; non-destructive testing; failure analysis; ion pump

引言

人工智能、5G通信及深空探测等新兴技术与场景的快速发展，对集成电路封装提出了高引出端密度、小尺寸、多功能、低成本等要求［1］，由此，封装形式不断向着倒装、系统级集成和三维封装等方向发展。随着互连结构尺寸不断缩小、内部层级结构趋于复杂，传统失效分析技术存在明显局限性，如图1所示，二维X射线检测只能给出投影方向上的叠加图像，难以精确定位微小三维特征；超声扫描成像分辨率和穿透能力有限，难以清晰分辨高密度互连细节；金相切片虽能提供高分辨的截面形貌和成分信息，但因为具有破坏性只能提供某一特定截面的形貌，难以原位观察失效点变化过程，且样品制备过程复杂、耗时，对单一样品分析的限制极大；聚焦离子束(FIB)技术可在纳米尺度进行定点加工和成像，但其视野小、耗时长、成本高；扫描电子显微镜(SEM)仅探测样品表面，对表面电荷敏感；透射电子显微镜仅适用于5~100 nm的薄切片样品。此外，传统失效分析方法进行三维成像时电子穿透力差，需要交替进行单层成像与破坏性离子去层来优化带电粒子与物质相互作用，容易产生切割痕迹、电荷效应以及分辨率各向异性等问题［2］。

图1传统失效分析技术

X射线是一种波长介于0.01~10 nm之间的电磁辐射，通常将光子能量高于5~10 keV的X射线称作硬X射线，低于该能量的X射线称作软X射线［3］。硬X射线波长短，穿透能力强，可穿透封装外壳、芯片衬底及多层互连介质。基于X射线透射投影的计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)成像技术，借助迭代重构算法，如图2所示，能够在不破坏样品的条件下获得封装内部结构的三维图像，直观呈现互连结构形貌，精确识别和定位缺陷，并为后续定点破坏性分析提供引导，从而提高失效分析的效率和成功率。近年来，CT成像技术在集成电路领域的研究不断深入。2017年，Holler等人［4］首次将叠层衍射CT成像技术用于集成电路成像，借助同步辐射光源获得14.6 nm的各向同性三维分辨率，完成了多款芯片的三维重构与材料区分。2024年，Aidukas等人［2］通过技术优化将分辨率提高到4.2 nm，大幅提升了采集速度与景深，实现了7 nm节点芯片的高分辨成像及材料分割；X射线发光延伸成像(XrLEI)则与叠层衍射CT成像技术形成互补，适配多种特殊样品的成像需求［5］。

图2基于X射线的集成电路三维内部成像［2］

本研究基于微焦点X射线源的工业CT成像技术，针对集成电路封装内部的互连结构开展失效分析，结合键合电路与倒装电路的典型失效案例，总结分析了CT成像在先进封装互连失效分析中的作用与发展方向。

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作者信息：

连志强1，路文墨2，李冬梅2，祝建彬2

(1.纳克微束［北京］有限公司,北京100176;

2.北京微电子技术研究所,北京100076)