在高速發(fā)展的半導體制造領(lǐng)域，創(chuàng)新速度往往快于成熟的驗證與確認方法。3D IC 的出現(xiàn)進一步加劇了這一挑戰(zhàn) —— 它將多層有源器件或小芯片以超高密度形式垂直堆疊。這種架構(gòu)帶來了全新的制造復(fù)雜度，也對長期可靠性提出了新的問題。

為應(yīng)對這一難題，半導體行業(yè)采用了兩種專用技術(shù)手段：測試載體與菊花鏈測試。本文將探討這些方法在實際中的應(yīng)用，以及它們?nèi)绾螢?3D IC 領(lǐng)域提供質(zhì)量保障。更重要的是，文章將說明為何早期嚴格的測試不僅有益，而且是降低風險、推動先進封裝技術(shù)走向市場的必要環(huán)節(jié)。

測試載體：是什么？工程師為何要用？

測試載體是專門設(shè)計的半導體封裝、電路板或其他結(jié)構(gòu)，并非為商用銷售或直接實現(xiàn)產(chǎn)品功能，而是僅用于評估和驗證制造工藝或新技術(shù)的特定環(huán)節(jié)。

與面向?qū)嶋H應(yīng)用的產(chǎn)品不同，測試載體作為專用測試平臺，讓工程師能夠在受控環(huán)境下探究所采用材料、工藝和設(shè)計的性能極限。

在半導體制造流程中引入新技術(shù)創(chuàng)新時，這種方法至關(guān)重要，例如新型凸點與球柵連接、在非常規(guī)有機基板上集成元器件，或是將芯片直接埋入層壓材料內(nèi)部等。

舉個場景：某制造商計劃在復(fù)雜層壓結(jié)構(gòu)中集成一顆芯片，可能用于高端可穿戴設(shè)備。在投入巨資量產(chǎn)數(shù)百萬顆芯片、承擔高昂延期風險之前，可以先開發(fā)一枚測試載體，用于驗證器件的整個制造流程：腔體制作、芯片精準放置，以及層壓板內(nèi)部可靠的電氣連接。

通過提前驗證這些關(guān)鍵工藝，企業(yè)能夠在大規(guī)模量產(chǎn)前發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題。

菊花鏈：測試 3D IC 中的高密度互連

在芯片原型開發(fā)體系中，菊花鏈測試是評估電氣互連完整性的基礎(chǔ)技術(shù)，尤其適用于 3D IC 等先進封裝結(jié)構(gòu)。

菊花鏈是一種串聯(lián)多個節(jié)點的電氣回路，例如連接小芯片與 2.5D 封裝的焊料凸點、3D 堆疊硅片之間的微凸點等。通過在所有節(jié)點間構(gòu)建連續(xù)通路，該結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)簡單卻高效的全鏈路電阻測量。

測試載體用于驗證完整制造流程，而菊花鏈則專門驗證子系統(tǒng)內(nèi)部互連的電氣連通性與機械完整性（圖 1）。

以倒裝芯片器件為例，這是一種常見先進封裝技術(shù)，半導體芯片翻轉(zhuǎn)后通過焊料凸點陣列與基板相連。當組件經(jīng)歷溫度循環(huán)（反復(fù)加熱與冷卻）時，芯片與基板之間的熱膨脹差異會產(chǎn)生顯著應(yīng)力，尤其在角落凸點位置。長期下來，這種應(yīng)力可能導致微裂紋或連接開路。

制造商或許能保證 8 萬引腳芯片的連接可靠性，但當新設(shè)計將極限提升至 10 萬引腳時，原有保障便不再適用。如何可靠評估這些更高密度新增互連的可靠性？

菊花鏈測試載體解決了這一難題，它構(gòu)建一條貫穿所有關(guān)鍵互連的連續(xù)電氣通路。例如，在基板上一條走線連接引腳 1 與引腳 2，在芯片上一條走線連接引腳 2 與引腳 3，再從引腳 3 回到基板連接引腳 4，依此類推，通過每個凸點和焊點形成真實鏈路。鏈路兩端引出至球柵陣列（BGA）焊盤，與測試設(shè)備相連。

通過測量整條鏈路的總電阻，任何開路都會表現(xiàn)為無窮大電阻，可立即指示失效。

為實現(xiàn)更精細的故障隔離，測試載體通常包含多條較短的菊花鏈，或在長鏈中間節(jié)點設(shè)置 “測試抽頭”，并將這些抽頭引出至獨立 BGA 焊盤。若主鏈失效，對子鏈或抽頭的電阻檢測可精確定位開路大致位置。

這一能力對后續(xù)物理失效分析極具價值，使工程師能夠通過切片、掃描聲學顯微鏡等技術(shù)準確定位缺陷，從而加速根因分析與工藝改進。

形態(tài)多樣的測試載體

構(gòu)建這類測試系統(tǒng)的工作通常由半導體生態(tài)系統(tǒng)中的不同角色共同承擔。包括外包半導體封裝測試（OSAT）廠商與晶圓代工廠在內(nèi)的制造商，往往內(nèi)部開發(fā)測試載體，以驗證其專有工藝并確保性能指標達標。

例如，若某代工廠宣稱可穩(wěn)定制造 8 萬引腳芯片、12 微米線寬 / 線距工藝，他們大概率會使用內(nèi)部測試載體驗證這一說法并完成工藝認證。

然而，當客戶不斷突破現(xiàn)有制造極限時，責任便會轉(zhuǎn)移。當設(shè)計師創(chuàng)建 12 萬引腳芯片，超出制造商標準保障范圍時，可能需要自行委托或設(shè)計測試載體。

在這種情況下，“芯片” 通常是虛擬芯片（dummy die）—— 一塊僅帶有重布線層的惰性硅片，上面僅有菊花鏈或其他測試結(jié)構(gòu)所需的電氣連接，而非有源電路。這種虛擬芯片模擬了實際產(chǎn)品的物理特性，卻省去了制造功能晶體管的復(fù)雜度與成本。

負責芯片與封裝物理設(shè)計的版圖工程師，是這些測試載體的主要設(shè)計者。他們將具體驗證需求轉(zhuǎn)化為物理設(shè)計，確保測試結(jié)構(gòu)準確反映目標產(chǎn)品的關(guān)鍵特征與潛在失效模式。

大型客戶通常會為每個產(chǎn)品開發(fā)多枚測試載體，有時多達 10～12 枚，以全面評估制造的各個方面 —— 從互連可靠性到熱性能，覆蓋不同工藝偏差。

制造商與客戶之間這種協(xié)作且反復(fù)迭代的過程，對于降低先進封裝創(chuàng)新風險至關(guān)重要。

加熱、梳狀結(jié)構(gòu)、堆疊通孔：測試 2.5D/3D 芯片的物理極限

3D IC 領(lǐng)域尚處于 “野蠻生長” 階段，企業(yè)正快速開發(fā)各類異構(gòu)集成新方案。因此，測試載體必須集成遠超菊花鏈的先進結(jié)構(gòu)。

在驗證用于芯片間接口的硅橋時，這一點尤為關(guān)鍵。在許多 3D IC 設(shè)計中，硅橋（小型硅中介層）用于連接布置在有機基板上的多個小芯片（如 ASIC 或 HBM）。這種硅橋通常倒裝，引腳朝上，使小芯片能夠精準對準并連接。

對準與鍵合這些組件的制造工藝極為復(fù)雜。為評估該工藝，測試載體可包含虛擬硅橋與虛擬小芯片，全部設(shè)計有貫穿關(guān)鍵互連的菊花鏈結(jié)構(gòu)。

如此一來，工程師無需使用功能完好的真實芯片（需更復(fù)雜全速測試），即可快速驗證橋接連接的物理與電氣完整性。若制造工藝發(fā)生變更，使用該測試載體快速流片即可驗證效果，無需承擔昂貴功能原型的風險。

此外，測試載體可配備模擬實際工作應(yīng)力、檢測細微制造缺陷的結(jié)構(gòu)（圖 2）。

例如，菊花鏈可測量電阻，而先進測試載體通常還包含：

• 加熱結(jié)構(gòu)：嵌入基板的電阻圖形，可產(chǎn)生局部熱量。

通過集成加熱結(jié)構(gòu)，工程師能夠模擬互連在工作負載下承受的熱應(yīng)力，實現(xiàn)加速壽命測試，并在模擬真實器件運行的條件下識別由熱膨脹系數(shù)失配導致的互連失效。

• 梳狀結(jié)構(gòu)：叉指圖形，用于檢測電容放電。

對安裝或清洗后可能殘留的助焊劑等工藝副產(chǎn)品高度敏感。這些殘留物會導致漏電流甚至短路，降低器件可靠性。通過測量梳狀結(jié)構(gòu)間的電容或漏電流，制造商可評估裝配工藝的潔凈度與完整性。

• 堆疊通孔鏈：在多層結(jié)構(gòu)中直接垂直堆疊通孔的能力，對實現(xiàn) 3D IC 高布線密度至關(guān)重要。

但堆疊通孔極易因各層對位偏差產(chǎn)生制造偏移。測試載體通過集成多條菊花鏈解決這一問題，每條鏈設(shè)置可控的通孔偏移量。例如，一條鏈為完全對準的堆疊通孔，后續(xù)鏈通孔依次偏移 5、10 甚至 15 微米。

通過測試這些鏈路，工程師可確定連接失效前的最大允許偏移量，從而建立關(guān)鍵設(shè)計規(guī)則與工藝窗口。

這些先進組件讓工程師能夠探究現(xiàn)代制造工藝的極限，可用于認證新材料、微調(diào)參數(shù)，并最終確保 3D IC 設(shè)計穩(wěn)定可靠。

菊花鏈通過測量電阻提供簡單的連通性合格 / 不合格判斷，而測試載體的真正價值在于對設(shè)計進行診斷分析。工程師可利用這些結(jié)果定位失效機理，指導工藝優(yōu)化。

例如，加熱結(jié)構(gòu)可幫助工程師了解互連在熱應(yīng)力下的表現(xiàn)，而熱應(yīng)力正是先進封裝失效的主要誘因（圖 3）。若角落凸點在模擬工作溫度下持續(xù)失效，加熱測試載體的數(shù)據(jù)可指導調(diào)整底部填充材料、鍵合工藝或封裝設(shè)計，以緩解應(yīng)力。

同樣，梳狀結(jié)構(gòu)可直接反饋清洗工藝效果，幫助識別并消除可能導致潛在缺陷或早期現(xiàn)場失效的污染源。

通孔能夠直接堆疊而非繞開障礙物 “錯位布線”，對提升布線密度、縮小整體封裝尺寸極為有利。但多層基板的每一層都有自身對位公差，公差累積會導致通孔錯位。通過設(shè)計帶有不同程度故意偏移通孔鏈的測試載體，制造商可通過實驗確定電氣連通性受損前的最大允許偏移量。

這些數(shù)據(jù)對制定穩(wěn)健設(shè)計規(guī)則、確保在嚴苛節(jié)距要求下仍保持高量產(chǎn)良率至關(guān)重要。這些見解對突破制造極限、同時維持高可靠性至關(guān)重要。

不必孤軍奮戰(zhàn)：EDA 工具升級助力異構(gòu)集成

盡管現(xiàn)有測試載體功能強大，但 3D IC 的快速發(fā)展仍不斷為測試創(chuàng)新帶來新挑戰(zhàn)與機遇。一個重要改進方向是測試載體設(shè)計自動化，尤其針對菊花鏈結(jié)構(gòu)。

目前，設(shè)計工程師仍普遍手動創(chuàng)建菊花鏈網(wǎng)表。由于設(shè)計工具中的單個電氣網(wǎng)絡(luò)通常連接所有同名引腳，創(chuàng)建串行菊花鏈需要將連續(xù)通路拆分為獨立、唯一命名的片段（如 Fred_1、Fred_2、Fred_3）。這種手動流程常涉及表格與繁瑣網(wǎng)表操作，易出現(xiàn)人為錯誤，且耗時低效。

隨著 3D IC 設(shè)計日趨復(fù)雜，互連數(shù)量達數(shù)十萬甚至數(shù)百萬，手動生成菊花鏈已成為難以承受的瓶頸。

幸運的是，行業(yè)正轉(zhuǎn)向更智能的 EDA 工具，可自動創(chuàng)建這些復(fù)雜測試結(jié)構(gòu)。這些工具利用先進算法，直接從設(shè)計規(guī)范生成菊花鏈圖形、梳狀結(jié)構(gòu)與堆疊通孔陣列，保證精度并顯著縮短設(shè)計周期（圖 4）。

此外，這些工具可與仿真環(huán)境集成，預(yù)測測試結(jié)構(gòu)的電氣與熱性能，提供更全面的驗證方案。

隨著 3D IC 技術(shù)成熟，對更集成、更具預(yù)測性的測試載體解決方案需求將持續(xù)增長，包括開發(fā)多物理場仿真能力，精準模擬復(fù)雜 3D 結(jié)構(gòu)內(nèi)熱、機械與電氣應(yīng)力的相互作用，指導更高效測試載體的設(shè)計。

3D IC 驗證的未來必將實現(xiàn)設(shè)計、仿真與物理測試的更緊密融合，確保先進封裝的愿景能夠以極高的可靠性與可制造性落地。

對于仍依賴手動方法的團隊，信號十分明確：利用不斷升級的 EDA 工具簡化測試載體設(shè)計，加速推出穩(wěn)健可靠的 3D IC 產(chǎn)品。

可靠性與性能的 “試車場”

歸根結(jié)底，測試載體是一種經(jīng)濟高效的手段，可在不付出功能芯片高昂成本與復(fù)雜度的前提下，驗證關(guān)鍵制造步驟。它們能夠隔離特定工藝變量，并精確表征其對可靠性的影響。

這種靶向方法對確保 3D IC 設(shè)計滿足行業(yè)嚴苛的質(zhì)量與性能標準至關(guān)重要，同時可避免代價高昂的召回，維護客戶信任。