在高速發(fā)展的半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，創(chuàng)新速度往往快于成熟的驗(yàn)證與確認(rèn)方法。3D IC 的出現(xiàn)進(jìn)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(lái)了全新的制造復(fù)雜度，也對(duì)長(zhǎng)期可靠性提出了新的問題。

為應(yīng)對(duì)這一難題，半導(dǎo)體行業(yè)采用了兩種專用技術(shù)手段：測(cè)試載體與菊花鏈測(cè)試。本文將探討這些方法在實(shí)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(shuō)明為何早期嚴(yán)格的測(cè)試不僅有益，而且是降低風(fēng)險(xiǎn)、推動(dòng)先進(jìn)封裝技術(shù)走向市場(chǎng)的必要環(huán)節(jié)。

測(cè)試載體：是什么？工程師為何要用？

測(cè)試載體是專門設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體封裝、電路板或其他結(jié)構(gòu)，并非為商用銷售或直接實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能，而是僅用于評(píng)估和驗(yàn)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(cè)試載體作為專用測(cè)試平臺(tái)，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(jì)的性能極限。

在半導(dǎo)體制造流程中引入新技術(shù)創(chuàng)新時(shí)，這種方法至關(guān)重要，例如新型凸點(diǎn)與球柵連接、在非常規(guī)有機(jī)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(gè)場(chǎng)景：某制造商計(jì)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(wàn)顆芯片、承擔(dān)高昂延期風(fēng)險(xiǎn)之前，可以先開發(fā)一枚測(cè)試載體，用于驗(yàn)證器件的整個(gè)制造流程：腔體制作、芯片精準(zhǔn)放置，以及層壓板內(nèi)部可靠的電氣連接。

通過提前驗(yàn)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(cè)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(cè)試是評(píng)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(jìn)封裝結(jié)構(gòu)。

菊花鏈?zhǔn)且环N串聯(lián)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的電氣回路，例如連接小芯片與 2.5D 封裝的焊料凸點(diǎn)、3D 堆疊硅片之間的微凸點(diǎn)等。通過在所有節(jié)點(diǎn)間構(gòu)建連續(xù)通路，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單卻高效的全鏈路電阻測(cè)量。

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

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

制造商或許能保證 8 萬(wàn)引腳芯片的連接可靠性，但當(dāng)新設(shè)計(jì)將極限提升至 10 萬(wàn)引腳時(shí)，原有保障便不再適用。如何可靠評(píng)估這些更高密度新增互連的可靠性？

菊花鏈測(cè)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?gòu)囊_ 3 回到基板連接引腳 4，依此類推，通過每個(gè)凸點(diǎn)和焊點(diǎn)形成真實(shí)鏈路。鏈路兩端引出至球柵陣列（BGA）焊盤，與測(cè)試設(shè)備相連。

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

為實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的故障隔離，測(cè)試載體通常包含多條較短的菊花鏈，或在長(zhǎng)鏈中間節(jié)點(diǎn)設(shè)置 “測(cè)試抽頭”，并將這些抽頭引出至獨(dú)立 BGA 焊盤。若主鏈?zhǔn)В瑢?duì)子鏈或抽頭的電阻檢測(cè)可精確定位開路大致位置。

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

形態(tài)多樣的測(cè)試載體

構(gòu)建這類測(cè)試系統(tǒng)的工作通常由半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)中的不同角色共同承擔(dān)。包括外包半導(dǎo)體封裝測(cè)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(cè)試載體，以驗(yàn)證其專有工藝并確保性能指標(biāo)達(dá)標(biāo)。

例如，若某代工廠宣稱可穩(wěn)定制造 8 萬(wàn)引腳芯片、12 微米線寬 / 線距工藝，他們大概率會(huì)使用內(nèi)部測(cè)試載體驗(yàn)證這一說(shuō)法并完成工藝認(rèn)證。

然而，當(dāng)客戶不斷突破現(xiàn)有制造極限時(shí)，責(zé)任便會(huì)轉(zhuǎn)移。當(dāng)設(shè)計(jì)師創(chuàng)建 12 萬(wàn)引腳芯片，超出制造商標(biāo)準(zhǔn)保障范圍時(shí)，可能需要自行委托或設(shè)計(jì)測(cè)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(cè)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(shí)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(fù)責(zé)芯片與封裝物理設(shè)計(jì)的版圖工程師，是這些測(cè)試載體的主要設(shè)計(jì)者。他們將具體驗(yàn)證需求轉(zhuǎn)化為物理設(shè)計(jì)，確保測(cè)試結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確反映目標(biāo)產(chǎn)品的關(guān)鍵特征與潛在失效模式。

大型客戶通常會(huì)為每個(gè)產(chǎn)品開發(fā)多枚測(cè)試載體，有時(shí)多達(dá) 10～12 枚，以全面評(píng)估制造的各個(gè)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(duì)于降低先進(jìn)封裝創(chuàng)新風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。

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

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

在驗(yàn)證用于芯片間接口的硅橋時(shí)，這一點(diǎn)尤為關(guān)鍵。在許多 3D IC 設(shè)計(jì)中，硅橋（小型硅中介層）用于連接布置在有機(jī)基板上的多個(gè)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(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)并連接。

對(duì)準(zhǔn)與鍵合這些組件的制造工藝極為復(fù)雜。為評(píng)估該工藝，測(cè)試載體可包含虛擬硅橋與虛擬小芯片，全部設(shè)計(jì)有貫穿關(guān)鍵互連的菊花鏈結(jié)構(gòu)。

如此一來(lái)，工程師無(wú)需使用功能完好的真實(shí)芯片（需更復(fù)雜全速測(cè)試），即可快速驗(yàn)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(cè)試載體快速流片即可驗(yàn)證效果，無(wú)需承擔(dān)昂貴功能原型的風(fēng)險(xiǎn)。

此外，測(cè)試載體可配備模擬實(shí)際工作應(yīng)力、檢測(cè)細(xì)微制造缺陷的結(jié)構(gòu)（圖 2）。

例如，菊花鏈可測(cè)量電阻，而先進(jìn)測(cè)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(fù)載下承受的熱應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)加速壽命測(cè)試，并在模擬真實(shí)器件運(yùn)行的條件下識(shí)別由熱膨脹系數(shù)失配導(dǎo)致的互連失效。

• 梳狀結(jié)構(gòu)：叉指圖形，用于檢測(cè)電容放電。

對(duì)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(huì)導(dǎo)致漏電流甚至短路，降低器件可靠性。通過測(cè)量梳狀結(jié)構(gòu)間的電容或漏電流，制造商可評(píng)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(duì)實(shí)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(duì)位偏差產(chǎn)生制造偏移。測(cè)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(duì)準(zhǔn)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(cè)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(jì)規(guī)則與工藝窗口。

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

菊花鏈通過測(cè)量電阻提供簡(jiǎn)單的連通性合格 / 不合格判斷，而測(cè)試載體的真正價(jià)值在于對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行診斷分析。工程師可利用這些結(jié)果定位失效機(jī)理，指導(dǎo)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(jìn)封裝失效的主要誘因（圖 3）。若角落凸點(diǎn)在模擬工作溫度下持續(xù)失效，加熱測(cè)試載體的數(shù)據(jù)可指導(dǎo)調(diào)整底部填充材料、鍵合工藝或封裝設(shè)計(jì)，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(shí)別并消除可能導(dǎo)致潛在缺陷或早期現(xiàn)場(chǎng)失效的污染源。

通孔能夠直接堆疊而非繞開障礙物 “錯(cuò)位布線”，對(duì)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(duì)位公差，公差累積會(huì)導(dǎo)致通孔錯(cuò)位。通過設(shè)計(jì)帶有不同程度故意偏移通孔鏈的測(cè)試載體，制造商可通過實(shí)驗(yàn)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(duì)制定穩(wěn)健設(shè)計(jì)規(guī)則、確保在嚴(yán)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(duì)突破制造極限、同時(shí)維持高可靠性至關(guān)重要。

不必孤軍奮戰(zhàn)：EDA 工具升級(jí)助力異構(gòu)集成

盡管現(xiàn)有測(cè)試載體功能強(qiáng)大，但 3D IC 的快速發(fā)展仍不斷為測(cè)試創(chuàng)新帶來(lái)新挑戰(zhàn)與機(jī)遇。一個(gè)重要改進(jìn)方向是測(cè)試載體設(shè)計(jì)自動(dòng)化，尤其針對(duì)菊花鏈結(jié)構(gòu)。

目前，設(shè)計(jì)工程師仍普遍手動(dòng)創(chuàng)建菊花鏈網(wǎng)表。由于設(shè)計(jì)工具中的單個(gè)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(dú)立、唯一命名的片段（如 Fred_1、Fred_2、Fred_3）。這種手動(dòng)流程常涉及表格與繁瑣網(wǎng)表操作，易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤，且耗時(shí)低效。

隨著 3D IC 設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜，互連數(shù)量達(dá)數(shù)十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)，手動(dòng)生成菊花鏈已成為難以承受的瓶頸。

幸運(yùn)的是，行業(yè)正轉(zhuǎn)向更智能的 EDA 工具，可自動(dòng)創(chuàng)建這些復(fù)雜測(cè)試結(jié)構(gòu)。這些工具利用先進(jìn)算法，直接從設(shè)計(jì)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(jì)周期（圖 4）。

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

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

3D IC 驗(yàn)證的未來(lái)必將實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、仿真與物理測(cè)試的更緊密融合，確保先進(jìn)封裝的愿景能夠以極高的可靠性與可制造性落地。

對(duì)于仍依賴手動(dòng)方法的團(tuán)隊(duì)，信號(hào)十分明確：利用不斷升級(jí)的 EDA 工具簡(jiǎn)化測(cè)試載體設(shè)計(jì)，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(chǎng)”

歸根結(jié)底，測(cè)試載體是一種經(jīng)濟(jì)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(yàn)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(duì)可靠性的影響。

這種靶向方法對(duì)確保 3D IC 設(shè)計(jì)滿足行業(yè)嚴(yán)苛的質(zhì)量與性能標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要，同時(shí)可避免代價(jià)高昂的召回，維護(hù)客戶信任。