近年來，隨著人工智能、大語言模型（LLM）、自動駕駛以及高性能計算（HPC）的快速發(fā)展，AI模型規(guī)模不斷擴(kuò)大，對芯片的數(shù)據(jù)處理能力和存儲帶寬提出更高要求。在這一背景下，HBM憑借高帶寬、低功耗以及高集成度優(yōu)勢，成為AI芯片和高性能計算系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。

區(qū)別于傳統(tǒng)存儲架構(gòu)，HBM通過多層DRAM芯片堆疊、TSV硅通孔以及先進(jìn)封裝技術(shù)，實現(xiàn)芯片之間高速數(shù)據(jù)互連。然而，隨著堆疊層數(shù)增加、互連尺寸縮小，HBM先進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度在不斷提升。本文科準(zhǔn)測控小編就圍繞HBM封裝可靠性測試方法展開介紹，解析HBM先進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)、Micro Bump失效風(fēng)險、可靠性測試方法，以及推拉力測試機(jī)在HBM先進(jìn)封裝測試中的應(yīng)用。

一、       HBM是什么？

HBM（High Bandwidth Memory，高帶寬存儲器）是一種面向高性能計算和AI芯片應(yīng)用的高帶寬存儲技術(shù)。

與傳統(tǒng)DDR、LPDDR等二維存儲架構(gòu)不同，HBM采用三維堆疊方式，將多層DRAM芯片垂直集成，并通過先進(jìn)封裝技術(shù)實現(xiàn)芯片之間的高速互連。通過縮短計算芯片與存儲單元之間的數(shù)據(jù)傳輸路徑，提高數(shù)據(jù)帶寬和數(shù)據(jù)訪問效率。

二、HBM先進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)解析

在HBM封裝結(jié)構(gòu)中，主要涉及：

多層DRAM芯片堆疊；

TSV（Through Silicon Via，硅通孔）垂直互連；

Micro Bump（微凸點(diǎn)）高密度連接；

Logic Die邏輯芯片；

Interposer中介層。

1. TSV硅通孔技術(shù)

TSV（Through Silicon Via）是一種通過硅片內(nèi)部形成垂直導(dǎo)電通道的技術(shù)。

相比傳統(tǒng)芯片外圍連接方式，TSV能夠?qū)崿F(xiàn)芯片上下層之間直接通信，縮短信號傳輸距離，降低信號延遲，提升數(shù)據(jù)傳輸效率。

2. Micro Bump微凸點(diǎn)技術(shù)

Micro Bump是連接不同芯片層的重要結(jié)構(gòu)，它主要承擔(dān)電信號傳輸和芯片機(jī)械連接。相比傳統(tǒng)封裝焊球，Micro Bump尺寸更小、間距更密、數(shù)量更多，這使HBM能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)帶寬。

三、HBM封裝可靠性挑戰(zhàn)

HBM通過先進(jìn)封裝實現(xiàn)高性能，但復(fù)雜結(jié)構(gòu)也帶來了新的可靠性問題。

1. 熱機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致失效

AI芯片運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量熱量。

由于HBM封裝內(nèi)部包含硅材料、銅互連、焊料材料、金屬層等，不同材料之間熱膨脹系數(shù)存在差異。在長期溫度變化過程中，封裝內(nèi)部會產(chǎn)生周期性機(jī)械應(yīng)力。長期累積后可能導(dǎo)致Micro Bump疲勞、界面裂紋、甚至連接失效。

2. 微連接界面失效

Micro Bump尺寸較小，連接區(qū)域有限。

如果制造過程中存在表面污染、鍵合壓力不足、材料結(jié)合異常，可能導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度下降。

常見問題包括：焊料區(qū)域斷裂、界面脫離、連接阻抗變化。

3. 高密度堆疊帶來的可靠性風(fēng)險

隨著HBM向更高堆疊層數(shù)發(fā)展，芯片數(shù)量增加、連接點(diǎn)數(shù)量增加、制造難度提升。單個微連接結(jié)構(gòu)異常，都可能影響整體封裝性能。因此，需要通過可靠性測試對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗證。

四、HBM封裝可靠性測試方法有哪些？

針對HBM先進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)，目前主要通過多種測試方法評價產(chǎn)品可靠性。

1. 電性能測試：主要驗證信號傳輸能力、電連接穩(wěn)定性、功能完整性。

2. 熱可靠性測試：通過模擬實際工作環(huán)境，評價封裝結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性。常見方法包括：溫度循環(huán)測試、高溫存儲測試、熱沖擊測試。

3. 失效分析：當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)異常時，需要通過分析手段定位問題。常見方法：X-Ray檢測、截面分析、SEM觀察。通過觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以判斷：裂紋位置、界面狀態(tài)、連接異常原因。

4. 力學(xué)可靠性測試：除了電性能和熱性能驗證，HBM內(nèi)部微連接結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)行力學(xué)可靠性評價。其中，Micro Bump剪切測試是重要測試方法之一。

五、Micro Bump剪切測試原理

Micro Bump剪切測試主要用于評價微凸點(diǎn)連接強(qiáng)度。

測試過程中，通過微型剪切工具對Micro Bump施加水平載荷。

隨著載荷增加：

Micro Bump產(chǎn)生變形；

↓

連接界面承受剪切應(yīng)力；

↓

達(dá)到極限強(qiáng)度后發(fā)生失效。

測試過程中主要關(guān)注：

1. 最大剪切力：反映Micro Bump承受機(jī)械載荷的能力。

2. 力-位移曲線：記錄加載過程、結(jié)構(gòu)變形、失效瞬間。幫助工程人員分析失效行為。

3. 失效模式：結(jié)合顯微觀察，可以判斷焊料內(nèi)部斷裂、界面斷裂、芯片損傷。通過測試數(shù)據(jù)與失效形貌結(jié)合，可以更加準(zhǔn)確評價HBM封裝可靠性。

六、推拉力測試機(jī)在HBM封裝可靠性測試中的應(yīng)用

由于HBM封裝結(jié)構(gòu)尺寸不斷縮小，傳統(tǒng)力學(xué)測試設(shè)備難以滿足微連接結(jié)構(gòu)測試需求。

推拉力測試機(jī)主要用于先進(jìn)封裝中的微小連接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能評價。

在HBM相關(guān)測試中，可應(yīng)用于：

1. Micro Bump剪切測試

主要評價：微凸點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度、界面可靠性、制造工藝一致性。

2. 芯片剪切測試

用于評價：Die Attach連接強(qiáng)度、芯片與基板結(jié)合狀態(tài)。

3. 其他微連接可靠性測試

例如：

焊球剪切測試；

焊點(diǎn)推力測試；

鍵合結(jié)構(gòu)測試。

科準(zhǔn)測控Alpha-W260自動推拉力測試機(jī)針對半導(dǎo)體封裝可靠性測試需求設(shè)計，可通過高精度力值采集、微型測試工裝以及力-位移數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對微電子連接結(jié)構(gòu)的可靠性評價。

以上就是科準(zhǔn)測控小編為您介紹的HBM封裝可靠性測試方法，以及Micro Bump剪切測試與推拉力測試機(jī)應(yīng)用解析。隨著HBM向更高帶寬、更高堆疊密度方向發(fā)展，先進(jìn)封裝可靠性測試技術(shù)將成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。如果您還有關(guān)于HBM封裝可靠性測試、Micro Bump剪切測試、芯片剪切測試、半導(dǎo)體封裝推拉力測試機(jī)以及微電子器件力學(xué)可靠性驗證方案等相關(guān)需求，歡迎聯(lián)系科準(zhǔn)測控，我們將根據(jù)您的測試需求提供專業(yè)的測試方案與技術(shù)支持。

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